Автоматическая регулировка усиления (АРУ)¶

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) — процесс автоматического изменения коэффициента усиления электронного тракта с целью поддержания приблизительно постоянного уровня выходного сигнала при изменении уровня входного сигнала в широких пределах. АРУ является разновидностью системы автоматического регулирования и применяется в радиоприёмниках, звукозаписывающей аппаратуре, измерительных приборах и системах связи для компенсации замираний сигнала, различий в громкости источников и предотвращения перегрузки каскадов.

¶Назначение и принцип действия

Основная задача АРУ — расширение динамического диапазона принимаемого сигнала. В отсутствие регулировки усиления радиоприёмник должен был бы выдерживать входные сигналы, различающиеся по амплитуде в миллионы раз (например, от удалённой радиостанции до передатчика, расположенного рядом), без искажений и с приемлемым качеством. Практическая реализация такого тракта затруднена, поэтому применяется сужение динамического диапазона за счёт управления усилением.

Принцип действия АРУ основан на формировании управляющего напряжения (или тока), пропорционального уровню выходного или промежуточного сигнала, и подаче этого напряжения на регулируемые каскады усилителя. При увеличении входного сигнала коэффициент усиления автоматически уменьшается, при ослаблении — увеличивается. Управляющее напряжение выделяется детектором АРУ, который обычно подключается к выходу усилителя промежуточной частоты или к детектору сигнала.

¶Классификация

АРУ классифицируют по нескольким признакам.

По способу управления:

• Обратная АРУ — управляющее напряжение подаётся на каскады, предшествующие точке съёма сигнала (обычно на усилитель радиочастоты и первые каскады усилителя промежуточной частоты). Отличается простотой и отсутствием паразитной модуляции.
• Прямая АРУ — регулировка осуществляется по уровню входного сигнала до его основного усиления. Обеспечивает лучшее использование перегрузочной способности каскадов, но требует дополнительного детектора и усилителя.

По характеру регулировочной характеристики:

• Простая (линейная) АРУ — коэффициент усиления изменяется пропорционально уровню сигнала. Эффективна при небольших диапазонах изменения входного сигнала.
• Задержанная (усиленная) АРУ — начинает действовать только после превышения входным сигналом определённого порога, что позволяет сохранять максимальную чувствительность при слабых сигналах.
• Усиленная АРУ — имеет дополнительный усилитель постоянного тока в цепи управления, что повышает крутизну регулировочной характеристики.

По параметрам регулирования:

• АРУ с регулировкой по среднему значению — реагирует на среднюю амплитуду огибающей сигнала.
• АРУ с регулировкой по пиковому значению — реагирует на пиковые выбросы сигнала, что важно для защиты от перегрузок.

¶Характеристики и параметры

Ключевыми параметрами АРУ являются:

• Динамический диапазон регулирования — отношение максимального и минимального уровней входного сигнала, при которых выходной сигнал остаётся в допустимых пределах (измеряется в децибелах).
• Точность поддержания выходного уровня — остаточное изменение выходного напряжения при изменении входного в пределах диапазона регулирования.
• Время срабатывания — время, необходимое для установления нового режима при скачкообразном изменении входного сигнала.
• Время восстановления — время возврата усиления к исходному значению после прекращения действия сильного сигнала.

Для радиовещательных приёмников типичный динамический диапазон АРУ составляет 40–60 дБ, для профессиональной аппаратуры связи — до 80–100 дБ. Время срабатывания выбирается исходя из характера сигнала: для речи и музыки оно составляет десятки миллисекунд, для борьбы с импульсными помехами — единицы миллисекунд.

¶Реализация в радиоприёмниках

В супергетеродинных радиоприёмниках АРУ является обязательным элементом. Управляющее напряжение формируется детектором АРУ, который представляет собой диодный детектор с фильтром нижних частот, подключённый к усилителю промежуточной частоты. Постоянная времени фильтра выбирается таким образом, чтобы АРУ не успевала реагировать на низкочастотные изменения огибающей (звуковые частоты), но отслеживала медленные изменения уровня сигнала (замирания).

В качестве регулируемых элементов применяются:

• полевые транзисторы (изменение крутизны при изменении напряжения затвор-исток);
• биполярные транзисторы (изменение коэффициента передачи при изменении тока коллектора);
• электронные аттенюаторы на pin-диодах;
• варикапы в резонансных контурах (изменение добротности).

В современных цифровых приёмниках (SDR) функция АРУ часто реализуется программно после аналого-цифрового преобразования, что позволяет применять более сложные алгоритмы обработки, включая адаптивную фильтрацию и подавление импульсных помех.

¶Применение в звукозаписи и радиовещании

В магнитофонах, диктофонах и системах звукоусиления АРУ (часто называемая автоматическим регулятором уровня, АРУЗ) используется для записи речи и музыки с переменной громкостью без ручной подстройки. Такие устройства обеспечивают запись с постоянной средней плотностью, предотвращая перегрузку магнитной ленты или цифрового квантователя при громких звуках и потерю сигнала при тихих.

В радиовещании АРУ применяется в трактах передатчиков для поддержания постоянного коэффициента модуляции, а в приёмниках — для компенсации различий в уровнях сигналов разных станций. В телефонной связи АРУ используется в усилителях линии для компенсации затухания в зависимости от длины линии.

¶Ограничения и недостатки

Основным недостатком простой АРУ является подавление полезной амплитудной модуляции при сильных сигналах, что снижает разборчивость речи. Для борьбы с этим применяются схемы с задержкой и раздельным регулированием по огибающей. Кроме того, АРУ не способна отличить полезный сигнал от сильной помехи — при воздействии помехи усиление снижается, что приводит к подавлению слабого полезного сигнала. Время восстановления АРУ после кратковременных импульсных помех может приводить к «провалам» в приёме полезного сигнала.

В системах с быстрой АРУ возможна паразитная модуляция сигнала собственной частотой регулирования, поэтому параметры фильтра АРУ тщательно согласуются с характеристиками передаваемого сигнала.

¶См. также

• Усилитель
• Детектор
• Компандер
• Автоматическая подстройка частоты