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El control automático de ganancia ( AGC ), también llamado control automático de volumen ( AVC ), es un circuito regulador de retroalimentación de bucle cerrado en un amplificador o cadena de amplificadores, cuyo propósito es mantener una amplitud de señal adecuada en su salida, a pesar de la variación de La amplitud de la señal en la entrada. El nivel de señal de salida promedio o pico se usa para ajustar dinámicamente la ganancia de los amplificadores, permitiendo que el circuito funcione satisfactoriamente con un mayor rango de niveles de señal de entrada. Se utiliza en la mayoría de los receptores de radiopara igualar el volumen promedio ( volumen ) de las diferentes estaciones de radio debido a las diferencias en la recepción.intensidad de la señal , así como variaciones en la señal de radio de una sola estación debido al desvanecimiento . Sin AGC, el sonido emitido por un receptor de radio AM variaría en una medida extrema de una señal débil a una fuerte; el AGC reduce efectivamente el volumen si la señal es fuerte y lo eleva cuando es más débil. En un receptor típico, la señal de control de retroalimentación de AGC generalmente se toma de la etapa del detector y se aplica para controlar la ganancia de las etapas del amplificador de IF o RF.
Cómo funciona [ editar ]
La señal que debe controlarse la ganancia (la salida del detector en una radio) va a un diodo y condensador , que producen un voltaje de CC de seguimiento máximo. Esto se envía a los bloques de ganancia de RF para alterar su sesgo, lo que altera su ganancia. Tradicionalmente, todas las etapas controladas por ganancia vinieron antes de la detección de la señal, pero también es posible mejorar el control de ganancia agregando una etapa controlada por ganancia después de la detección de la señal.
Ejemplos de casos de uso [ editar ]
Receptores de radio AM [ editar ]
En 1925, Harold Alden Wheeler inventó el control de volumen automático (AVC) y obtuvo una patente. Karl Küpfmüller publicó un análisis de los sistemas AGC en 1928. [1] A principios de la década de 1930, la mayoría de los nuevos receptores comerciales de radiodifusión incluían el control automático de volumen. [2]
AGC es una desviación de la linealidad en los receptores de radio AM . [3] Sin AGC, una radio AM tendría una relación lineal entre la amplitud de la señal y la forma de onda del sonido: la amplitud del sonido , que se correlaciona con la sonoridad, es proporcional a la amplitud de la señal de radio, porque el contenido de información de la señal es transmitido por Los cambios de amplitud de la onda portadora . Si el circuito no fuera bastante lineal, la señal modulada no podría recuperarse con una fidelidad razonable . Sin embargo, la intensidad de la señal recibida variará ampliamente, dependiendo de la potencia y la distancia del transmisor y la atenuación de la trayectoria de la señal.. El circuito AGC evita que el nivel de salida del receptor fluctúe demasiado al detectar la intensidad general de la señal y ajustar automáticamente la ganancia del receptor para mantener el nivel de salida dentro de un rango aceptable. Para una señal muy débil, el AGC opera el receptor a máxima ganancia; A medida que aumenta la señal, el AGC reduce la ganancia.
Por lo general, es desventajoso reducir la ganancia del extremo frontal de RF del receptor en señales más débiles, ya que la ganancia baja puede empeorar la relación señal-ruido y el bloqueo ; [4] por lo tanto, muchos diseños reducen la ganancia solo para señales más fuertes.
Dado que el diodo detector de AM produce un voltaje de CC proporcional a la intensidad de la señal, este voltaje se puede enviar a las etapas anteriores del receptor para reducir la ganancia. Se requiere una red de filtro para que los componentes de audio de la señal no influyan apreciablemente en la ganancia; esto evita el "aumento de modulación" que aumenta la profundidad de modulación efectiva de la señal, distorsionando el sonido. Los receptores de comunicaciones pueden tener sistemas AVC más complejos, que incluyen etapas de amplificación extra, diodos detectores AGC separados, diferentes constantes de tiempo para las bandas de transmisión y onda corta, y la aplicación de diferentes niveles de voltaje AGC a diferentes etapas del receptor para evitar la distorsión y la modulación cruzada. [5]El diseño del sistema AVC tiene un gran efecto en la facilidad de uso del receptor, las características de sintonización, la fidelidad del audio y el comportamiento ante sobrecargas y señales fuertes. [6]
Los receptores de FM, a pesar de que incorporan etapas limitadoras y detectores que son relativamente insensibles a las variaciones de amplitud, aún se benefician del AGC para evitar la sobrecarga en señales fuertes.
Radar [ editar ]
Una aplicación relacionada de AGC es en sistemas de radar , como un método para superar ecos de desordenno deseados . Este método se basa en el hecho de que el desorden produce ecos mucho más numerosos que los objetivos de interés. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de desorden visible general. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por un desorden circundante más fuerte, sí ayuda a distinguir las fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el AGC del radar se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que los radares evolucionaron, AGC se convirtió en un software de computadora controlado y afectó la ganancia con mayor granularidad, en células de detección específicas. Muchas contramedidas de radar. use el AGC de un radar para engañarlo, efectivamente "ahogando" la señal real con la parodia, ya que el AGC considerará la señal más débil y verdadera como un desorden en relación con la parodia fuerte.
Audio / video [ editar ]
Una cinta de audio genera una cierta cantidad de ruido . Si el nivel de la señal en la cinta es bajo, el ruido es más prominente, es decir, la relación señal-ruido es más baja de lo que podría ser. Para producir la grabación menos ruidosa, el nivel de grabación debe establecerse lo más alto posible sin ser tan alto como para recortar o distorsionar la señal. En la grabación profesional de alta fidelidad, el nivel se configura manualmente mediante una lectura máxima.metro. Cuando la alta fidelidad no es un requisito, un circuito de AGC puede establecer un nivel de grabación adecuado que reduzca la ganancia a medida que aumenta el nivel de señal promedio. Esto permite realizar una grabación utilizable incluso para el habla a cierta distancia del micrófono de una grabadora de audio. Se aplican consideraciones similares con los VCR .
Una desventaja potencial de AGC es que cuando se graba algo como música con pasajes silenciosos y ruidosos como la música clásica, el AGC tenderá a hacer que los pasajes silenciosos sean más fuertes y los ruidosos más silenciosos, comprimiendo el rango dinámico ; el resultado puede ser una calidad musical reducida si la señal no se vuelve a expandir durante la reproducción, como en un sistema companding .
Algunas grabadoras de cinta de carrete a carrete y las cajas de casete tienen circuitos AGC. Los que se utilizan para alta fidelidad generalmente no lo hacen.
La mayoría de los circuitos de VCR utilizan la amplitud del pulso de supresión vertical para operar el AGC. Los esquemas de control de copia de video como Macrovision explotan esto, insertando picos en el pulso que serán ignorados por la mayoría de los televisores , pero causan que el AGC de un VCR sobre-corrija y corrompa la grabación.
Vogad [ editar ]
Un dispositivo de ajuste de ganancia operado por voz [7] o un dispositivo de ajuste de ganancia operado por volumen [8] (vogad) es un tipo de AGC o compresor para amplificación de micrófono . Normalmente se utiliza en transmisores de radio para evitar la sobremodulación y para reducir el rango dinámico de la señal que permite aumentar la potencia transmitida promedio. En telefonía , este dispositivo toma una amplia variedad de amplitudes de entrada y produce una amplitud de salida generalmente consistente.
En su forma más simple, un limitador puede consistir en un par de diodos de sujeción de espalda contra espalda , que simplemente desvían la amplitud de la señal a tierra cuando se excede el umbral de conducción del diodo. Este enfoque simplemente recortará la parte superior de las señales grandes, lo que conducirá a altos niveles de distorsión.
Mientras que los limitadores de recorte se utilizan a menudo como una forma de protección de última hora contra la sobremodulación, un circuito de vogad adecuadamente diseñado controla activamente la cantidad de ganancia para optimizar la profundidad de modulación en tiempo real. Además de prevenir la sobremodulación, aumenta el nivel de las señales silenciosas para evitar la falta de modulación. La falta de modulación puede llevar a una mala penetración de la señal en condiciones ruidosas, por lo que vogad es particularmente importante para aplicaciones de voz como los radioteléfonos .
Un buen circuito de vogad debe tener un tiempo de ataque muy rápido, de modo que una señal de voz inicial alta no cause una explosión repentina de modulación excesiva. En la práctica, el tiempo de ataque será de unos pocos milisegundos, por lo que a veces se necesita un limitador de recorte para captar la señal en estos picos cortos. Generalmente se emplea un tiempo de decaimiento mucho más largo, para que la ganancia no se incremente demasiado rápidamente durante las pausas normales en el habla natural. Un tiempo de decaimiento demasiado corto conduce al fenómeno de "respiración", donde el nivel de ruido de fondo aumenta en cada intervalo en el discurso. Los circuitos de Vogad se ajustan normalmente de modo que en niveles bajos de entrada la señal no se refuerza completamente, sino que sigue una curva de refuerzo lineal. Esto funciona bien con losmicrófonos de cancelación de ruido .
Grabación telefónica [ editar ]
Los dispositivos para grabar ambos lados de una conversación telefónica deben registrar tanto la señal relativamente grande del usuario local como la señal mucho más pequeña del usuario remoto a niveles de sonido similares. Algunos dispositivos de grabación telefónica incorporan control automático de ganancia para producir grabaciones de calidad aceptable.
Biológica [ editar ]
Como ocurre con muchos conceptos encontrados en la ingeniería, el control automático de ganancia también se encuentra en los sistemas biológicos, especialmente en los sistemas sensoriales. Por ejemplo, en el sistema visual de vertebrados , la dinámica del calcio en los fotorreceptores de la retina ajusta la ganancia para adaptarse a los niveles de luz. Más adelante en el sistema visual, se cree que las células en V1 se inhiben mutuamente, lo que provoca la normalización de las respuestas al contraste, una forma de control automático de ganancia. De manera similar, en el sistema auditivo , las neuronas olivococlear eferentes son parte de un bucle de control de ganancia biomecánica. [9] [10]
Tiempos de recuperación [ editar ]
Al igual que en todos los sistemas de control automático, la dinámica temporal de la operación de AGC puede ser importante en muchas aplicaciones. Algunos sistemas de AGC son lentos para reaccionar a la necesidad de cambios en la ganancia, otros pueden reaccionar muy rápidamente. Un ejemplo de una aplicación en la que se requiere un rápido tiempo de recuperación de AGC es en los receptores utilizados en las comunicaciones con código Morse donde se requiere la operación de interrupción total o QSK para permitir que las estaciones receptoras interrumpan las estaciones de envío a mitad de carácter (por ejemplo, entre puntos y guiones) señales).
red de balanceo es un circuito que se utiliza para igualar, es decir , para equilibrar, la impedancia de una línea de transmisión uniforme (por ejemplo, un par metálico trenzado, un cable coaxial, etc.) sobre una Rango de frecuencias seleccionado. Se requiere una red de balanceo para asegurar el aislamiento entre los dos puertos del lado de cuatro cables del híbrido. [1]
Una red de balanceo también puede ser un dispositivo usado entre un dispositivo o línea balanceada y un dispositivo o línea no balanceada con el propósito de transformar de balanceada a no balanceada o de balanceada a balanceada.
referencia de voltaje de intervalo de banda es un circuito de referencia de voltaje independiente de la temperatura ampliamente utilizado en circuitos integrados . Produce un voltaje fijo (constante) independientemente de las variaciones de la fuente de alimentación, los cambios de temperatura y la carga del circuito desde un dispositivo. Por lo general, tiene un voltaje de salida de alrededor de 1,25 V (cercano al intervalo de banda teórico de 1,22 eV de silicio a 0 K ). Este concepto de circuito fue publicado por primera vez por David Hilbiber en 1964. [1] Bob Widlar , [2] Paul Brokaw [3] y otros [4] Siguió con otras versiones comercialmente exitosas.
Operación [ editar ]
La diferencia de voltaje entre dos uniones pn (por ejemplo, diodos ), operada a diferentes densidades de corriente, se utiliza para generar una corriente que es proporcional a la temperatura absoluta ( PTAT ) en una resistencia. Esta corriente se utiliza para generar un voltaje en una segunda resistencia. Este voltaje, a su vez, se agrega al voltaje de una de las uniones (o una tercera, en algunas implementaciones). El voltaje a través de un diodo operado a una corriente constante es complementario a la temperatura absoluta ( CTAT ), con un coeficiente de temperatura de aproximadamente -2 mV / K. Si se elige correctamente la relación entre la primera y la segunda resistencia, los efectos de primer orden de la dependencia de la temperatura del diodo y la corriente de PTAT se cancelarán. El voltaje resultante es de aproximadamente 1.2 a 1.3 V, dependiendo del diseño de la tecnología y circuito particular, y está cerca de la teórica 1,22 eV banda prohibida de silicio a 0 K . El cambio de voltaje restante sobre la temperatura de operación de los circuitos integrados típicos es del orden de unos pocos milivoltios. Esta dependencia de la temperatura tiene un comportamiento residual parabólico típico , ya que los efectos lineales (de primer orden) se eligen para cancelar.
Debido a que la tensión de salida se fija, por definición, alrededor de 1.25 V para los circuitos de referencia de intervalo de banda típicos, la tensión de operación mínima es de aproximadamente 1.4 V, como en un circuito CMOS , al menos una tensión de fuente de drenaje de un transistor de efecto de campo (FET) tiene que ser adicional. Por lo tanto, el trabajo reciente se concentra en encontrar soluciones alternativas, en las que, por ejemplo, se suman corrientes en lugar de voltajes, lo que resulta en un límite teórico más bajo para el voltaje de operación (Banba, 1999).
La primera letra del acrónimo, CTAT, a veces se malinterpreta para representar una constante más que complementaria . El término, constante con la temperatura ( CWT ), existe para abordar esta confusión, pero no está en uso generalizado.
Al sumar una corriente PTAT y una corriente CTAT, solo se compensan los términos lineales de la corriente, mientras que los términos de orden superior limitan la desviación de la temperatura (TD) de la referencia de intervalo de banda a aproximadamente 20 ppm / ° C, en un rango de temperatura de 100 DO. Por esta razón, en 2001, Malcovati [5] diseñó una topología de circuito que puede compensar las no linealidades de alto orden, logrando así una TD mejorada. Este diseño utilizó una versión mejorada de la topología de Banba [4] y un análisis de los efectos de la temperatura del emisor de base que realizó Tsividis en 1980. [6] En 2012, Andreou [7] [8]ha mejorado aún más la compensación no lineal de alto orden mediante el uso de una segunda operación. amperio. junto con una pata de resistencia adicional en el punto donde se resumen las dos corrientes. Este método mejoró aún más la corrección de curvatura y logró un rendimiento superior de TD en un rango de temperatura más amplio. Además logró una mejor regulación de la línea y un menor ruido .
El otro problema crítico en el diseño de referencias de intervalo de banda es la eficiencia energética y el tamaño del circuito. Como una referencia de banda prohibida generalmente se basa en dispositivos y resistencias BJT, el tamaño total del circuito podría ser grande y, por lo tanto, costoso para el diseño de IC. Además, este tipo de circuito puede consumir mucha energía para alcanzar las especificaciones de ruido y precisión deseadas. [9]
A pesar de estas limitaciones, la referencia de voltaje de intervalo de banda se usa ampliamente en los reguladores de voltaje, que cubren la mayoría de los dispositivos 78xx, 79xx junto con los dispositivos LM317, LM337 y TL431. Los coeficientes de temperatura tan bajos como 1.5–2.0 ppm / ° C se pueden obtener con referencias de intervalo de banda. [a] Sin embargo, la característica parabólica del voltaje frente a la temperatura significa que una sola cifra en ppm / ° C no describe adecuadamente el comportamiento del circuito. Las hojas de datos de los fabricantes muestran que la temperatura a la que se produce el pico (o valle) de la curva de voltaje está sujeta a las variaciones normales de la muestra en la producción. Bandgaps también son adecuados para aplicaciones de baja potencia.
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