Radiotechnika

VCA

Blok wzmacniacza o regulowanym napięciowo wzmocnieniu VCA (rys. 4) składa się z następujacych modułów:

1. Generatora częstotliwości w przedziale 80–880 kHz o okresie liniowo przestrajanym napięciem zapodanym w punkcie C i wyjściu na US3.6 (lewa górna część schematu).
2. Układu formowania sygnałów 4-fazowych o wejściu na US4.3 (prawa górna).
3. TCA o wejściu i wyjściu w punktach odpowiednio A i B (dolna).

Już w tym miejscu zaznaczę, że obwody wewnętrzne kompresora zasilane są napięciami ±5 V z masą układów cyfrowych podłączoną do −5 V. Stąd np. poziomy H są pobierane z masy całego kompresora.

W generatorze 80–880 kHz sterowanym napięciem w punkcie C kondensator C₁₂ ładowany jest ze źródła prądowego na tranzystorze T1 zapewniającego napięciowo liniowe ładowanie, a tym samym liniowość zmian okresu od napięcia T(U) generatora. Po przekroczeniu przez napięcie na C₁₂ poziomu zapodanego w punkcie C komparator US2 wyzwala monostabilny przerzutnik US3, który przez inwerter załącza klucz będący częścią układu US19 na czas 100 ns, co wystarcza na całkowite rozładowanie C₁₂ i tym samym rozpoczęcie następnego cyklu generatora. Dolna granica przestrajania generatora 80 kHz jest wystarczająca dla realizacji TCA dla akustycznego pasma do 10 kHz.

Układ prototypu generatora dokładnie z rys. 4 zawiera formalny błąd w postaci zabronionego, ale przynajmniej teoretycznie stabilnego stanu, kiedy to napięcie na C₁₂ osiąga wartość większą od napięcia w punkcie C dążac w konsekwencji do wartości nasycającej źródło prądowe. Stan ten wystąpiłby, gdyby przerzutnik monostabilny "przegapił" rozładowanie C₁₂ np. w wyniku zakłóceń zasilania układu. Stosowna modyfikacja polegająca na podtrzymaniu impulsu rozładowującego (przy okazji też niewielkiego 10 ns przyśpieszenia impulsu) została dodana na wyjście US3.1 i przedstawiona jest na rys. 5. Zamiast tej modyfikacji, jako US3 mogłem użyć przerzutnika 74123 z podtrzymaniem tym bardziej, że dysponowałem jednym takim wolnym (US14 na rys. 9). Traktuję to jak załatany błąd konstrukcyjny prototypu.

Nie pamiętam obecnie, dlaczego nie zastosowałem czegoś na kształt układów 555. Chyba zadecydowała cena ówczesnych gotowych układów spełniających wymagania co do zakresu przestrajania i liniowości (przy takim rozmiarze schematu, każdy jego fragment musi być za przysłowiową złotówkę). Z pewnością dzisiaj ten fragment podlegałby weryfikacji pod kątem obecnych możliwości tanich układów czasowych.

Analizę pracy układu formowania sygnałów 4-fazowych pozostawiam czytelnikowi. Ważnym wnioskiem jest fakt, że aktywny czas każdej fazy zegara jest równy okresowi generatora podstawy czasu tj. sygnału z wyjścia US3.6 (80–880 kHz). Mimo iż układ formowania udało się zrealizować na dwóch układach (nie licząc buforów 10 V), to z pewnością dzisiaj trzebaby rozważyć zastosowanie pojedyńczego układu programowalnego.

Skupmy się teraz na TCA (dolna część schematu). Aby wyliczyć ze wzoru (3) stałą czasową τ = R₃₀C₁₅ z rys. 4, potrzebujemy znać m.in. dynamikę zmian tłumienia TCA. W moich pomiarach 75 dB jest wystarczające, aby kompresor był odporny na duże różnice w poziomach mowy. Jako Δt przyjmujemy oczywiście różnicę okresów wynikających z dwóch skrajnych częstotliwości 80 i 880 kHz:

(4)

Zakładam wartość R₃₀ = 5.1 kΩ jako mniej więcej 10 razy większą od r_ON ≤ 400 Ω klucza z US20 (MCY74066). Im większy jest stosunek R₃₀ / r_ON, tym mniejsze będą zniekształcenia nieliniowe VCA, które skupiają się głównie na nieliniowości r_ON kluczy (zniekształcenia te szacuję na < 1 %). Otrzymujemy zatem

(5)

Po uwzględnieniu pojemności kluczy, finalną pojemność C₁₅ ustaliłem na 220 pF. Wydaje się to wartość akceptowalna z punktu widzenia tłumienia silnych pól w.cz. pochodzących od nadajnika radiostacji. Niemniej w dzisiejszej wersji zastanowiłbym się nad użyciem kluczy z na tyle mniejszą r_ON, aby R₃₀ miał tak małą wartość (≤ 1 kΩ), by C₁₅ była na poziomie co najmniej 1 nF. Z pewnością zastosowana metalowa obudowa poprawia sytuację.

Moje orientacyjne pomiary TCA potwierdziły jego dynamikę rzędu 75 dB. Można się zastanowić, czy to VCA dysponuje dalszym zapasem dynamiki, gdyby taka potrzeba zaistaniała. Z tego co pamiętam, podany zakres generatora 80–880 kHz był kresem stabilnych możliwości jaki udało mi sie uzyskać (w zachowanych notatkach z testów znajduję maksymalnie zakres 77.5–1289 kHz). Zatem ewentualnych zapasów należałoby szukać w TCA. Zgodnie ze wzorem (2) pozostała możliwość zmniejszenie stałej czasowej τ, a więc zmiejszenie R₃₀ i/lub C₁₅. Wydaje się, że spokojnie można każdą z tych wartości zmniejszyć tak, aby osiągnąć dynamikę metody nawet 100 dB (pomijam szumy wzm. operacyjnych). Jednak na słuch zauważam, że z grubsza okolice 75 dB są mniej więcej praktycznym kresem tej dynamiki przy zastosowanych kluczach i zakresu częstotliwości generatora – dominujący okazuje się niżej opisany szum.

Podczas pracy VCA w trybie kompresji LOK (bezprogowej), a więc przy interwencji ARW kompresora już przy bardzo małych poziomach sygnału m.cz., daje się zauważyć niewielki jazgotowy szum tej interwencji wynikający prawdopodobnie z przenikania napięcia regulacji VCA (w tym przypadku jako napięcia w.cz. generatora przez pojemności wejściowe bramek kluczy). Przy większych poziomach m.cz. szum ten jest zagłuszany. Jest to ledwo zauważalne, ale przypuszczam, że zastosowanie lepszych kluczy zmniejszyłoby poziom tego szumu. Obecnie mamy wiele typów tanich kluczy lepszych od serii 74066 (posiadających mniejsze r_ON i pojemności). Prawdopodobnie też zwiększenie C₁₅ (z odpowiednią korektą R₃₀) przyczyniłoby się do zmniejszenia tego zjawiska. Dalej też opiszę propozycję modyfikacji samej kompresji LOK zmniejszającej ten niekorzystny efekt.

Klucze faz ∅₁ i ∅₃ pracują w konfiguracji T na podstawie teoretycznej analizy i komputerowej symulacji (PSpice) możliwości układu MCY74066. Istotne są tu pojemności wyłączonego kanału mogące powodować przenikanie dużego napięcia wejściowego wprost na wyjście TCA. Być może dzisiaj dałoby się zastosować pojedyńcze współczesne klucze (bez konfig. T), co zmniejszyłoby ilość układów z kluczami może nawet do jednego układu.

Wyjaśnienia wymaga jeszcze chyba nie do końca optymalne stałoprądowe połączenie wyjścia US8 z pierwszym kluczem fazy ∅₁. W pierwotnym zamyśle ta stałoprądowość miała w prosty sposób zapewnić niską rezystancję ładowania C₁₅ oraz zabezpieczyć przed ewentualnym powstawaniem, a następnie "pompowaniem" podczas pracy ARW (w konsekwencji "przypadkowej" pracy kluczy) składowej stałej potencjalnego kondensatora na wyjściu US8, stwarzającej niebezpieczeństwo basowego przydźwięku w takt pracy ARW. Dzisiaj problem składowej stałej wydaje mi się przesadzony. Obecne rozwiązanie działa poprawnie, ale jest niepotrzebna komplikacja związana z równoważeniem US8 na minimalne zakłócenia oraz być może jedną ze składowych omówionego wyżej szumu jest kluczowanie wyjściowego napięcia niezrównoważenia US8.