В усилителях АРУ используется нелинейность характеристик управляющих устройств. Величина активной составляющей некоторых из их дифференциальных параметров изменяется в зависимости от положений их рабочих точек по постоянному току. Типичным примером является вольтамперная характеристика кремниевого p-n перехода, дифференциальная проводимость которого прямо пропорционально проходящему через него постоянному току [1]. При таком способе управления основная проблема заключается в нелинейности передаточной характеристики управляющего элемента, которая вызывает относительно большие нелинейные искажения сигнала, когда амплитуда обрабатываемого напряжения превышает милливольты [2].
Для этой задачи подходит фоторезистор, вольтамперная характеристика которого линейна в широком диапазоне напряжений. Обычные фоторезисторы остаются идеально линейными при амплитудах сигнала до 100 В и более. Следовательно, устройством, регулирующим усиление, может быть оптопара, управляемым элементом которой является фоторезистор. В описываемой ниже схеме используется источник излучения, спектральная характеристика которого соответствует спектральной характеристике фоторезистора, а излучаемая им мощность должна, по возможности, быть линейной функцией сигнала возбуждения. Подобные оптопары имеются в продаже, но лишь немногие из них обладают характеристиками, достаточно хорошими для этой цели. Обычные фоторезисторы имеют спектральные характеристики, близкие к спектральным характеристикам человеческого глаза, пик чувствительность которого приходится на длину волны примерно 500 нм. Таким образом, белый или зеленый светодиод являются хорошей альтернативой. В этой схеме для получения максимально возможной чувствительности используется белый светодиод высокой яркости.
На Рисунке показаны отдельные компоненты оптопары и устройство в сборе. Оптоизолятор состоит из цилиндрического держателя, в котором на одном конце закреплен стандартный 5-мм светодиод высокой яркости, а на другом – фоторезистор. Непрозрачный непроводящий уплотнитель предотвращает попадание в устройство внешнего света. Полированная внутренняя поверхность металлического держателя минимизирует потери света между светодиодом и фоторезистором. Для оптоизолятора были выбраны доступный фоторезистор NSL-19M51 и стандартный белый 5-мм светодиод высокой яркости L-53MWC*E со световым потоком 2500 мкд при токе возбуждения 20 мА.
 | |
| Рисунок 1. | Оптоизолятор (слева) собран из яркого светодиода и фоторезистора, заключенных в металлическую трубку. |
На Рисунке 2 изображена передаточная характеристика оптоизолятора, в котором используется фоторезистор типа NSL-19M51. Выходное сопротивление устройства может изменяться от 100 Ом до 10 МОм при соответствующем изменении тока светодиода от 34 мА до 0.1 мкА. Вольтамперная характеристика фоторезистора, линейная даже для сигналов большой амплитуды, позволяет использовать его в качестве элемента управления и тогда, когда требуется относительно большое напряжение сигнала, например, когда фоторезистор является частью петли обратной связи операционного усилителя (ОУ). Из Рисунка 2 также видно, что можно получить диапазон линейного изменения выходного сопротивления как минимум в пять декад при максимальном токе управления светодиодом, не превышающем допустимых выходных токов обычных твердотельных операционных усилителей.
 | |
| Рисунок 2. | Логарифмический отклик оптоизолятора, включенного в цепь обратной связи, обеспечивает линейную характеристику усилителя. |
Такой усилитель может управлять общим усилением системы в том же диапазоне без дополнительного усиления тока. Благодаря линейности фоторезисторов результирующий уровень нелинейных искажений обрабатываемого сигнала почти исключительно обусловлен нелинейностью операционного усилителя. В пределах нормального рабочего диапазона общая линейность системы улучшается с увеличением амплитуды входного сигнала, поскольку величина отрицательной обратной связи увеличивается с ростом амплитуды сигнала.
Схема усилителя показана на Рисунке 3. Основным устройством обработки сигналов является инвертирующий операционный усилитель A1. Инвертирующее включение позволяет устанавливать абсолютное значение общего усиления от входа до выхода меньшим единицы, что дает возможность корректно обрабатывать даже входные сигналы, амплитуда которых превышает регулируемое выходное напряжение. Основным компонентом системы является оптрон IC1, выходной фоторезистор которого служит регулируемым элементом цепи отрицательной обратной связи усилителя A1. В отсутствие сигнала фоторезистор не освещается светодиодом, поэтому его сопротивление возрастает до высокого значения, что может привести в нестабильности режима по постоянному току и смещению статической рабочей точки усилителя A1. Такое состояние в принципе не является вредным, поскольку путь прохождения сигнала открыт только для переменной составляющей сигнала, что предотвращает дальнейшее увеличение ошибки по постоянному току. Но как только на входе появится ненулевой сигнал, A1 без обратной связи усилит его, и начнется быстрый рост тока светодиода, что приведет к почти ступенчатому снижению выходного сопротивления оптопары до значения, достаточного для восстановления рабочей точки усилителя A1 по постоянному току. Этот скачок, пройдя через разделительный конденсатор на выход, может вызвать проблемы в цепях обработки сигнала, следующих за адаптивным усилителем. Чтобы предотвратить этот эффект, максимальное значение сопротивления обратной связи R6 нужно ограничить подходящим значением, таким, например, как 47 МОм. Входные каскады операционных усилителей на полевых транзисторах позволяют выбирать сопротивление R6 достаточно большим. Значение 47 МОм является разумным компромиссом, ограничивающим максимальный абсолютный коэффициент усиления напряжения каскада на A1 приблизительно до 82 дБ. Ограничивающими факторами при выборе сопротивления R6 являются шум и коэффициент усиления A1 без обратной связи.
 | |
| Рисунок 3. | В контуре обратной связи системы адаптивного усилителя используется оптопара. |
Буфер A2 отделяет нелинейную нагрузку, которую представляют собой выпрямительные диоды, от выходного сигнала, предотвращая его искажения. Диоды D3 и D4 компенсируют изменения пороговых напряжений выпрямительных диодов D1 и D2, включая их температурный уход. Если устанавливать регулируемую амплитуду выходного напряжения ниже порогового значения, задаваемого током смещения резистора R4, не требуется, можно заменить диоды D3 и D4 перемычкой и исключить резистор R7. Чтобы получить амплитуду выходного напряжения, регулируемую ниже порога, задаваемого током смещения резистора R4, нужно установить усиление по напряжению каскада на A2 большим единицы. Для этого просто нужно включить дополнительные резисторы последовательно с диодами D3 и D4.
В выпрямителе использованы диоды Шоттки, имеющие более низкое пороговое напряжение, чем обычные диоды с p-n переходом. Кроме того, благодаря их небольшому времени восстановления эффективность выпрямления сохраняется при высоких частотах сигнала. Выпрямитель работает как двухполупериодный удвоитель напряжения, обеспечивая полное пиковое детектирование даже сигналов несимметричной формы. Выход выпрямителя подключен к преобразователю напряжение-ток, сделанному на усилителе A3, управляющем светодиодом оптрона. Источник тока, смещающего порог выпрямления, подключен к токоизмерительному резистору R4. В этом случае R5 имитирует источник тока, устанавливая регулируемую амплитуду выходного напряжения. Если стабильность напряжения 15 В недостаточна, для источника тока следует использовать отдельный стабилизированный источник питания. Диод, включенный встречно-параллельно светодиоду оптрона, защищает его от напряжения обратной полярности при отсутствии сигнала.
Эта схема управления током светодиода имеет важное преимущество: она позволяет практически независимо регулировать времена срабатывания и отпускания. Время срабатывания можно регулировать подстроечным резистором P1, увеличив, при необходимости, его сопротивление. Время отпускания устанавливается резистором P2. Используемый фоторезистор имеет достаточно хорошее быстродействие, и величина задержки, вносимой им при ступенчатом изменении освещенности, приемлема для большинства практических требований.
На Рисунке 4 показана общая характеристика системы адаптивного усилителя. Выходной сигнал с точностью ±1 дБ остается на постоянном уровне 350 мВ с.к.з. для напряжений входного сигнала от менее 70 мкВ до более чем 1.2 В с.к.з., то есть в диапазоне свыше 85 дБ. В отсутствие сигнала среднеквадратичное значение выходного шума составляет менее 6 мВ, что дает отношение сигнал/шум обработанного сигнала, превышающее 20 дБ в наихудшем случае в начале регулирования, улучшающееся пропорционально с увеличением уровня входного сигнала.
 | |
| Рисунок 4. | Усилительная система имеет линейный выходной отклик в диапазоне входных напряжений от 0.1 мВ до 1 В. |
Ключевым параметром этой конструкции является ее линейность. Благодаря линейности фоторезистора и отделению нагрузки нелинейного выпрямителя от выхода, вклад цепи регулировки усиления в нелинейность схемы незначителен. Таким образом, общую линейность системы в принципе определяет только усилитель A1.
Гармонический анализ выходного сигнала на частоте 1 кГц показывает амплитуды высших гармоник ниже уровня шума усилителя A1 для всех входных напряжений до 200 мкВ с.к.з. и ниже –75 дБ для входных напряжений до 1.5 В с.к.з. Нелинейные искажения становятся заметными только при больших амплитудах входных сигналов, превышающих диапазон регулирования системы; тогда при входном напряжении 2.5 В с.к.з. уровень второй гармоники увеличивается до –45 дБ и третьей гармоники до –40 дБ.
В пределах диапазона АРУ общая линейность передаточной характеристики улучшается с ростом амплитуды входного сигнала из-за увеличения глубины отрицательной обратной связи усилителя А1 при увеличении амплитуды входного сигнала. При сопротивлениях подстроечных резисторов P1 и P2, равных 10 кОм и 1 МОм, и ступенчатом изменении входного сигнала от 100 мкВ до 50 мВ с.к.з. времена срабатывания и отпускания составляют примерно 0.2 и 2 секунды, соответственно. Время от перегрузки входа сигналом 1 кГц с амплитудой более 10 В с.к.з. до полного восстановления чувствительности без сигнала составляет менее 2 минут. Все эти временные интервалы можно настраивать в широком диапазоне, изменяя номиналы элементов C4, C5, P1 и P2. При этом P1 устанавливает время срабатывания, а P2 – время отпускания.