Podręcznik

Układy regulacji amplitudy napięcia zmiennego to specyficzny rodzaj wzmacniaczy o zmiennym współczynniku wzmocnienia napięciowego k_u. Wartość tego współczynnika zależy od napięcia regulującego V_{reg}, które jest napięciem stałym lub wolnozmiennym. Układy takie mają kilka ważnych zastosowań. Jedno z nich to automatyczna regulacja wzmocnienia – potrzebna praktycznie w każdym urządzeniu radioodbiorczym, od zwykłego radioodbiornika do odbiorników w profesjonalnym sprzęcie radiokomunikacyjnym czy w telefonach komórkowych. Wartość napięcia na wejściu odbiornika może wahać się w zakresie wielu rzędów wielkości, na przykład, gdy odbiornik przemieszcza się od bliskiej okolicy nadajnika aż do granicy zasięgu. Zwykłe układy wzmacniaczy o stałym wzmocnieniu działają prawidłowo tylko w pewnym zakresie amplitud sygnału wejściowego. Gdy sygnał jest słaby, wzmocnienie może być zbyt małe. Gdy jest zbyt silny, wzmacniacz jest przesterowany, co powoduje jego wadliwe działanie. Innym przykładem zastosowań układów regulacji amplitudy napięcia zmiennego jest elektroniczna regulacja poziomu dźwięku w urządzeniach elektroakustycznych. Kiedyś taka regulacja odbywała się przy użyciu potencjometru – mechanicznie regulowanego dzielnika napięcia. Dziś w powszechnym użyciu jest regulacja przy pomocy pilota, który wysyła do urządzenia sygnał w podczerwieni, ten jest odbierany i przekształcany na napięcie, które steruje elektronicznym układem regulacji amplitudy sygnału akustycznego. W obu tych zastosowaniach istotne jest, że regulacja musi obejmować bardzo szeroki zakres, bowiem w obu przypadkach amplituda sygnału regulowanego może się zmieniać nawet o kilkanaście rzędów wielkości. Aby układ regulacji był skuteczny w tak szerokim zakresie, jego charakterystyka regulacji (czyli zależność amplitudy wyjściowej regulowanego sygnału od napięcia regulującego) powinna być wykładnicza lub zbliżona do funkcji wykładniczej. W przypadku zastosowań w elektroakustyce dodatkowym argumentem jest to, że ucho ludzkie reaguje logarytmicznie na poziom dźwięku, więc regulacja o charakterze funkcji wykładniczej jest subiektywnie odbierana jako liniowa zmiana poziomu dźwięku.

Wymaganie wykładniczej charakterystyki regulacji w naturalny sposób sugeruje użycie tranzystorów bipolarnych z ich wykładniczą zależnością prądu kolektora od napięcia emiter-baza (część I, wzór 3-12). Oto ciekawy przykład takiego układu, w którym zastosowano wzmacniacze różnicowe w nietypowy sposób:

Rysunek 3‑51. Układ regulacji amplitudy napięcia zmiennego

Układ jest zbudowany z dwóch wzmacniaczy różnicowych zasilanych jednakowymi prądami I przez układ źródeł prądowych (tranzystory T5, T6, T7). Napięcie $V_{reg}$ doprowadzone jest do wejść obu wzmacniaczy różnicowych, z tym, że wejścia te są skrzyżowane: gdy napięcie na bazie T1 wzrasta, to na bazie T3 maleje, i podobnie z tranzystorami T2 i T4. Wyjścia obu wzmacniaczy są połączone równolegle, toteż gdy prąd $I_{C1}$ maleje, to prąd  $I_{C3}$ wzrasta, a ich suma pozostaje stała, i podobnie z prądami $I_{C2}$ i $I_{C4}$. W rezultacie prądy kolektorów poszczególnych tranzystorów mogą się zmieniać w bardzo szerokim zakresie, a mimo to napięcia na kolektorach tranzystorów T1 – T4 pozostają stałe. Sygnał zmienny v_{we}, którego amplituda podlega regulacji, jest doprowadzony do bazy tranzystora T5, i powoduje powstanie składowej zmiennej i prądu kolektora tranzystora T5. Zasada działania układu polega na tym, że ta składowa zmienna prądu rozdziela się pomiędzy tranzystory T1 i T2 w stopniu zależnym od znaku i wartości napięcia $V_{reg}$.

Podział składowej zmiennej i pomiędzy tranzystory T1 i T2 zależy od ich konduktancji wejściowych $g_{we}$ w układzie wspólnej bazy, bowiem połączenie tranzystorów T5, T1 i T2 można dla składowych zmiennych przedstawić w uproszczeniu następującym schematem zastępczym dla składowych zmiennych (gdzie tranzystor T5 jest reprezentowany jako źródło prądu $i$):

Składowe zmienne $i_1$ i $i_2$ są wprost proporcjonalne do konduktancji wejściowych $g_{weT1}$ i  $g_{weT2}$, przy czym suma $i_1$ i $i_2$ jest oczywiście równa $i$. Konduktancje wejściowe w układzie wspólnej bazy można wyrazić następująco:

Rysunek 3‑52. Rozpływ składowych zmiennych między tranzystory  T1 i T2

gdzie wykorzystano fakt, że w tranzystorze bipolarnym spolaryzowanym normalnie prąd kolektora bardzo mało różni się od prądu emitera, oraz zastosowano wzór 3-24. Skoro składowe zmienne $i_1$ i $i_2$  są wprost proporcjonalne do konduktancji wejściowych $g_{weT1}$ i $g_{weT2}$, a te konduktancje są wprost proporcjonalne do składowych stałych prądów kolektora $I_{C1}$ i $I_{C2}$, to z tego wynika, że składowe zmienne $i_1$ i $i_2$  podzielą się między tranzystory T1 i T2 w takim samym stosunku, jak prądy kolektorów tych tranzystorów $I_{C1}$ i $I_{C2}$. A o podziale prądu I na prądy $I_{C1}$ i $I_{C2}$ decyduje napięcie regulujące $V_{reg}$. Stąd po prostych przekształceniach z wykorzystaniem wzoru 3-12 z części I można otrzymać dla składowej zmiennej $i_2$:

gdzie $V_{reg}=V_{BE1}-V_{BE2}$. Składowa zmienna napięcia wyjściowego $v_{wy}$ jest równa $i_2R$. Dzięki wykładniczej zależności składowej zmiennej $i_2$ od napięcia $V_{reg}$ możliwa jest regulacja amplitudy w bardzo szerokim zakresie (wiele dekad), i to przy niewielkich zmianach napięcia $V_{reg}$.

Układu z rysunku 3-51 nie da się powtórzyć w technologii CMOS, ponieważ tranzystory MOS nie mają wykładniczej zależności prądu drenu od napięcia dren-źródło (z wyjątkiem zakresu podprogowego, który jednak obejmuje znacznie węższy zakres napięć i prądów, niż zakres, w jakim obowiązuje zależność 3-12 z części I dla tranzystora bipolarnego). Efekt regulacji o charakterystyce zbliżonej do wykładniczej uzyskuje się budując układy, w których zależność amplitudy napięcia zmiennego od napięcia regulującego daje się w pewnym zakresie lepiej czy gorzej przybliżyć funkcją wykładniczą. Analiza tych układów jest dość skomplikowana, tu je pominiemy.