Wzmacniacz. Przyklady 9

Wzmacniacz. Przyklady 9

 Stanowienie norm technicznych jako obowiązującego w całym państwie prawa jest bardzo ważne szczególnie w państwach federalnych ( państwo z państewek ) jak USA i NRF gdzie funkcjonuje też prawo lokalne. To nie są państwa unitarne. Zakres prawa federalnego jest precyzyjnie oddzielony od stanowego. W USA stanowieniem norm w dziedzinie komunikacji zajmuje się Federal Communication Commision. FCC jest w niezależna od rządu i podlega Kongresowi, który ją nadzoruje. Komisja ma duże kompetencje i spory budżet. Podstawowym zadaniem FCC jest zapewnienie rozwoju komunikacji i uczciwych reguł gry.

Po wojnie w USA dolne pasmo UKF-FM zostało zlikwidowane i radiu UKF-FM przydzielono pasmo 88-104 MHz. W latach pięćdziesiątych trwały eksperymenty nadawców z transmisją stereofoniczną. FCC dobrze znała stosowane rozwiązania i propozycje. Pod koniec lat pięćdziesiątych rozpoczęła eksperymenty „w polu” praktycznie badając 14 zaproponowanych systemów kodowania Stereo. Stwierdziła że wszystkie mają poważne wady i najlepsze są praktycznie identyczne systemy General Electric i Zenith. FCC radiową normę „stereofoniczna” wydała w 1961 roku. System „MPX” ma wady:

-Stosunek sygnału do szumu S/N jest gorszy aż o 26 db niż przy nadawaniu mono a więc poprawny niskoszumny odbiór jest możliwy tylko przy silnym sygnale czułym odbiornikiem

-Dużo większe są zniekształcenia nieliniowe

-Zniekształcenia nieliniowe wielodrożnego odbioru stereofonicznego są dużo większe niż monofonicznego.

-Na wyjściu stereo dekodera musi być stosowany dwu obwodowy filtr LC w każdym kanale do obcięcia sygnału poza 15 KHz. Bez tego nie da się nagrać na magnetofon audycji. Przy mocnym podniesieniu najwyższych tonów głośnik wysokotonowy i wzmacniacz są przeciążone i wzmacniacz tranzystorowy (!) wprowadza duże intermodulacje. Pamiętać należy że początkowo akustyczne tranzystorowe wzmacniacze mocy były marne ponieważ marne były tranzystory i konfiguracje. Nieodfiltrowany sygnał FM Stereo niepotrzebnie obnażał wady wzmacniacza. Dekoder miał prymitywny filtr na wyjściu albo wcale go nie miał.

Ponieważ w modzie Stereo sygnał prawie zawsze ma duże szumy odbiornik ma przełącznik pozwalający ręcznie zablokować dekoder Stereo.

Unormowany przez FCC system jest połowicznie zgodny w dół z systemem Mono (L+R , 30 Hz – 15 KHz ) i przyjął się w całym świecie poza ZSRR.

Koder stereo jest prosty. Do układu mnożącego podaje się sygnał L-R ( sygnał ten ma dużo mniejszą energie niż L+R ) i sinusoidalny sygnał nośnej 38 KHz ( +-5 Hz) uzyskując sygnał dwuwstęgowy bez nośnej ( DSC-SC Double Side Band Supressed Carrier ) w paśmie 23-53 KHz. Do modulatora FM nadajnika podaje się sumę 0.45 x ( (L+R) + (L-R) x sin ( 2 Pi 38 KHz t) ) + 0.1 sin ( 2Pi 19 KHz t). Sygnał „pilota” 19 KHz uzyskany jest z podzielenia przerzutnikiem i odfiltrowania harmonicznych sygnału nośnej 38 KHz. Lepsze jest jednak do uzyskania stabilnych w fazie sygnałów 19 i 38 KHz użycie pętli PLL.

W Stereo dekoderze sygnał z demodulatora poprzez górnoprzepustowy filtr RC podano do jedno tranzystorowego wzmacniacza z obwodem LC – 19 KHz na wyjściu wydzielającym pilota 19 KHz i dalej do przesterowanego jednostopniowego wzmacniacza jako podwajacza częstotliwości z obwodem LC 38 KHz na wyjściu rekonstruującym nośną. Mnożenie sygnału przez zrekonstruowaną nośną wykonywał diodowy modulator pierścieniowy a później w układach scalonych układ mnożący Gilberta. Podstawową wadą tego rozwiązania jest dryft fazy zrekonstruowanej nośnej 38 kHz co skutkuje słabą separacją kanałów a poza tym zrekonstruowana nośna 38KHz jest odrobinę zakłócona. Według tej zasady pracuje dość prymitywny stereodekoder UL1601 produkowany przez Cemi na licencji Sanyo.

Przełom stanowią stereo dekodery z pętlą fazową PLL. Generator pracuje z częstotliwością 38 KHz ( lub wyższą ), która podzielona przerzutnikiem przez 2 podana jest na wejście detektora fazy ( układu mnożącego ) gdzie podano też z filtra górnoprzepustowego głównie pilota 19 KHz. Uzyskuje się dobrą i wystarczająca separacje kanałów.

Scalony stereodekoder PLL łączy układ analogowy i cyfrowy w postaci przerzutnika lub bardziej złożonego dzielnika częstotliwości. Jak to się dzieje ze część cyfrowa w ogóle nie zakłóca delikatnej części analogowej.

-Układ cyfrowy może być powolny i może pracować z mikroprądami na przykład w logice I2L

-Układ cyfrowy steruje od góry dwa układy mnożące Gilberta w detektorze fazy i w układzie dającym na wyjściu odseparowane sygnały L i R. Wystarczy amplituda sygnału rzędu 300 mV.

-Małe zakłócenia emitują sygnały symetryczne

Niestety układy dekoderów PLL znów są niedokończone bowiem za mały jest sygnał wyjściowy kanałów L i R i trzeba stosować dwa wzmacniacze na elementach dyskretnych. Jest duże pole do rozwoju. Zamiast binarnych sytuacji Stereo-Mono można by stosować separacje kanałów stereofonicznych proporcjonalnie do siły sygnału radiowego. Potrzeba tylko jednego pina obudowy układu scalonego dekodera a prostownik napięcia do ARW głowicy już w dobrym odbiorniku jest. Już przy średnim sygnale słuchacz odbierał by efekt stereofoniczny a szumy byłyby małe.

Szumy w FM Stereo w kilku krajach eksperymentalnie próbowano zmniejszyć kompanderami ( w tym Dolby FM ) ale nigdzie tego rozwiązania jako normy nie zastosowano.

Wydaje się że system FM Stereo właściwy do technologi sprzed prawie 20 lat jest przestarzały i trzeba się przestawić na przesyłanie sygnału cyfrowego co na pewno nie będzie łatwe z racji jego absolutnej niezgodności z dotychczasowym systemem.

Dobry odbiór stereofoniczny wymaga kierunkowej anteny ( sygnał bez odbić, koszmarny rozmiar anteny UKF ) o jak najlepszym zysku na dachu budynku i bardzo czułego odbiornika z filtrem pośredniej częstotliwości o w miarę liniowej fazie.

Większość osób blokuje odbiór Stereo jako że szumy i zniekształcenia ich irytują.

W Związku Radzieckim odbiorniki podzielone są na klasy jakości. Produkowane są trzy rodzaje głowic na zakres FM do odbiorników poszczególnych klas. Zachodnie dane porównawcze są trudno dostępne i dlatego podane są czytelne dane radzieckie.

I.W najprostszej dwu tranzystorowej głowicy strojony jest kondensatorem obwód LC na wyjściu wzmacniacza RF a jego wejście jest szerokopasmowe obejmując cały zakres UKF. Wzmacniacz RF jest bardzo podatny na intermodulacje. Mieszacz jest samo drgający.

II.W lepszej trzy tranzystorowej głowicy wzmacniacz RF ma strojone diodami pojemnościowymi obwody LC na wejściu i wyjściu a generator heterodyny jest osobny. Pasmo filtru wejściowego jest kompromisowe. Im jest mniejsze tym lepsza jest wstępna selekcja wstępna i odporność na intermodulacje i większe tłumienie czyli większe szumy i mniejsza czułość. Tak źle i tak niedobrze.

III.Głowicy do odbiornika dobrej jakości nie da się wykonać na tranzystorach bipolarnych, szczególnie mieszacza.

W najlepszej głowicy ZSRR wzmacniacz RF na FET-cie ma strojony diodami obwód na wejściu i filtr pasmowy na wyjściu. Mieszacz jest zrobiony na drugim FET-cie a generator heterodyny na tranzystorze bipolarnym. Aby nie doszło do „przeciążenia” mieszacza i kreacji intermodulacji wyprostowany sygnał IF-10.7 MHz poprzez tranzystor bipolarny reguluje napięciem bramki pierwszego FET-a wzmocnienie czyli ARW.

Praktycznie identyczne głowice stosowano i stosuje się na Zachodzie.

Tłumienie kanału lustrzanego i pasożytniczych w głowicach wynosi 22 / 40 / 80 dB.

Wzmocnienie głowic wynosi 10 /15 / 25 db.

Nie podano odporności na intermodulacje ale różnice są prawdopodobnie ogromne. Normatywna czułość najlepszej głowicy wynosi 1.2 uV ale realny odbiór o tolerowanej jakości wymaga sygnału 2.5 uV. Odbiornik jest więc bardzo czuły.

Tranzystor FET w głowicy UKF w krajowych odbiornikach zastosowano tylko w odbiorniku Elizabeth. Niestety mieszacz ( on jest najbardziej krytycznym elementem głowicy ) jest tam na tranzystorze bipolarnym BF214.

Już w konstrukcji głowic UKF-FM ( jest litania innych przyczyn ) jest odpowiedź na pytanie dlaczego nie da się słuchać stereofonicznie w Polsce programów radiowych.

W najlepszych odbiornikach japońskich UKF-FM wzmacniacz RF wykonany jest na dwubramkowym tranzystorze Mosfet. Wcześniej stosowano w tym miejscu FET-a. Na wejściu jest strojony obwód LC a na wyjściu wzmacniacza strojony obwód pasmowy. Mieszacz wykonano na dwubramkowym tranzystorze Mosfet lub na tranzystorze FET.

Japoński Pioneer swoich flagowym amplitunerem pobił wszelkie rekordy jakości. Wzmacniacz RF ( oczywiście z ARW ) ze strojowymi filtrami pasmowymi jest dwustopniowy na dwubramkowych tranzystorach Mosfet, podobnie jak mieszacz. Tranzystor ultra niskoszumnego generatora heterodyny pracuje z dość dużym prądem co jest konieczne. Obwody są mechanicznie strojone kondensatorem nastawianym pętlą PLL silnikiem elektrycznym ponieważ diody pojemnościowe mają mniejszą dobroć. Kondensator ma aż 5 sekcji w części UKF.

Dwa stopnie wzmacniacza RF stosowano dotychczas tylko w odbiornikach komunikacyjnych. Pomysł nie jest więc oryginalny.

Małe zniekształcenia nieliniowe uzyskano dzięki liniowej fazie filtrów pośredniej częstotliwości 10.7 MHz.

Ponieważ parametry amplitunera wydają się mocno zawyżone a wręcz niemożliwe do osiągnięcia zbadano go w redakcjach zachodnich czasopism. Japońskie firmy odskoczyły od całej reszty konkurencji na okrążenie toru.

Niedługo po wzmacniaczach operacyjnych pojawiły się scalone komparatory. Są to wzmacniacze o różnicowym wejściu o dość szerokim paśmie przewidziane tylko i wyłącznie do pracy bez sprzężenia zwrotnego. Nie mają kompensacji częstotliwościowej. Od wejścia komparatora w ogólności oczekuje się tego samego czego od wejścia wzmacniacza operacyjnego: małego napięcia i prądu niezrównoważenia i ich dryftu i dużego zakresu napięcia wspólnego. Stary ale dość szybki komparator uA710 wywodzi się od pierwszego wzmacniacza operacyjnego uA702. Prąd polaryzacji wejścia jest bardzo duży a zakres napięć wspólnych mały. Komparator steruje tylko jedną bramkę TTL.

Wartość sprzedaży komparatorów jest niewielka na tle sprzedaży wzmacniaczy operacyjnych . Dlaczego tak jest ?

Tam gdzie nie jest wymagana duża szybkość odpowiedzi wygodnym komparatorem jest wzmacniacz operacyjny. Układy z komparatorami wymagają bardzo starannego projektu bowiem inaczej się wzbudzają. Lekarstwem ( lekarstwo może być gorsze od choroby ) na wzbudzanie się komparatora jest histereza ale ona psuje własności komparatora.

Podstawowym zastosowaniem szybkiego komparatora są przetworniki A/D:

-W układzie z rejestrem aproksymacyjnym i przetwornikiem D/A w decyzyjnej pętli sprzężenia zwrotnego

-W przetworniku z podwójnym lub wielokrotnym całkowaniem wyznacza moment przejścia wyjścia integratora przez zero.

-W bardzo szybkich przetwornikach 3..4 bitowych gdzie sygnał jest od razu porównywany z 8/16 poziomami napiec z łańcucha oporników. Przetwornik A/D 6-8 bitowy ma dwa takie przetworniki w potoku i ma dodatkowo bardzo szybkie układy próbkująco pamiętające S/H i 3..4 bitowe przetwornik D/A. Motorola w technologi ECL serii 16XX produkuje komparatory o czasie odpowiedzi 3 ns. Ale idea takiego przetwornika doskonale nadaje się do scalenia monolitycznego.

-W dyskryminatorach amplitud impulsów będącym 1 bitowymi przetwornikami

Zatem wzmacniacze operacyjne i komparatory winny być tylko klockami w monolitycznych układach funkcjonalnych.

We wzmacniaczach odczytu ( seria 75XX ) pamięci ferrytowych Texas Instrument o wyjściu TTL na wejściu układów są komparatory. W dodatku są bardzo proste i szybkie. Wyjście takiego komparatora użyte tylko w układzie scalonym może być delikatne i nietypowe. Logika we wzmacniaczach odczytu jest potrzebna bowiem upraszcza budowę systemu.

Szybkie komparatory są też na wejściu symetrycznych odbiorników sygnału Texas Instruments z wyjściem TTL. Czas reakcji całości wynosi 17 ns czyli całość (komparatory plus logika ) jest niesamowicie szybka.

Z kolei układy dostarczające matrycy prądów wyboru do 400..600mA mają na wejściu logikę TTL która upraszcza budowę systemu pamięci

Zatem idea scalania układów analogowych z cyfrowymi ma już swoje lata.

Przykładowo w monolitycznym kontrolerze sieciowego zasilacza impulsowego SMPS mogą być użyte 3-4 komparatory. Ich budowa na tle samodzielnego scalonego komparatora jest prosta.

Pomiary stałoprądowych parametrów komparatorów są znacznie trudniejsze niż pomiary wzmacniaczy operacyjnych. Komparator może z ujemnym sprzężeniem zwrotnym stabilnie pracować tylko z dużym wzmocnieniem i to nie zawsze. Kompensacją PI, PD lub PID można z reguły pętle o dużym wzmocnieniu ustabilizować. Dzięki temu pomiar napięć i prądów wejścia jest łatwy.

Czas reakcji komparatora na impulsy z generatora najłatwiej jest określić dwukanałowym oscyloskopem. Czas pomiaru drogą obserwacji obrazu przebiegów jest duży. W przypadku szybkich komparatorów czas bezpośrednio można zmierzyć tylko cyfrowym czasomierzem o bardzo dużej częstotliwości podstawy z dodatkowym analogowym ekspanderem czasu lub podwójnym noniuszem elektronicznym. Są to nowoczesne przyrządy drogie i rzadko spotykane.

Można celowo niestabilnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym wywołać w pętli generacje i mierzyć częstościomierzem częstotliwość generacji lub prostym przetwornikiem F/V ( kondensatorek różniczkujący plus dwie diody podwajacza ) zamienić częstotliwość na napięcie i zmierzyć to napięcie.

Atutem układów logicznych TTL jest wieloemiterowy tranzystor. Atutem układów ECL jest brak nasycenia i dużą szybkość pracy. W układach EFL , Emiter Function Logic, wykorzystano atuty obu technologii. Realizacja logiki EFL jest oszczędniejsza niż w klasycznej technologii ECL. Napięcie zasilania wynosi tylko 3V i to kolejna zaleta.

Oszczędne energetycznie i proste w budowie są logiczne układy bipolarne I2L ze wstrzykiwaniem prądu. Są niezbyt szybkie ale za to generują małe zakłócenia.

Hewlett Packard w produkowanym dla siebie układzie scalonym Uniwersalnego Licznika zastosował jednocześnie technologie EFL w dekadach liczników taktowanych z częstotliwością nawet ponad 100 MHz, buforach wejściowych, multiplexerach sygnałów oraz sterującym całością szybkim sekwencerze. W wolniejszych dekadach i rejestrach oraz wygodnym interfejsie do mikrokomputera przyrządu zastosował logikę I2L. Całość pobiera niewiele mocy.

Zdaniem autora przyszłość należy do układów w technologii CMOS. Mikrokontroler CMOS może mieć też od razu interfejs analogowy do sensorów i aktuatorów. Niemniej także w technologi bipolarnej można wykonać skomplikowane funkcje analogowe i cyfrowe nie przejmując się ponad miarę tym że część cyfrowa zakłóci nam część analogową. Jak widać z przykładu stereodekodera PLL nie zakłóca.