Control de ganancia automática

Esquemática de un AGC utilizado en la red telefónica analógica; la retroalimentación desde el nivel de salida a ganancia se realiza a través de un opto aislador resistivo Vactrol.

Control automático de ganancia (AGC) es un circuito de regulación de realimentación en 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, lo que permite que el circuito funcione satisfactoriamente con una mayor variedad de niveles de señal de entrada. Se usa en la mayoría de los receptores de radio para igualar el volumen promedio (sonoridad) de diferentes estaciones de radio debido a las diferencias en la intensidad de la señal recibida, así como a las variaciones en la señal de radio de una sola estación debido a la atenuación. Sin AGC, el sonido emitido por un receptor de radio AM variaría en gran medida de una señal débil a una fuerte; el AGC reduce efectivamente el volumen si la señal es fuerte y lo sube cuando es más débil. En un receptor típico, la señal de control de retroalimentación del 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

La señal a controlar por ganancia (la salida del detector en una radio) va a un diodo & capacitor, que produce un voltaje de CC de seguimiento de pico. Esto se alimenta a los bloques de ganancia de RF para alterar su polarización, alterando así su ganancia. Tradicionalmente, todas las etapas controladas por ganancia venían antes de la detección de señal, pero también es posible mejorar el control de ganancia agregando una etapa controlada por ganancia después de la detección de señal.

Ejemplos de casos de uso

Receptores de radio AM

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. A principios de la década de 1930, la mayoría de los receptores de transmisión comerciales nuevos incluían control de volumen automático.

AGC es una desviación de la linealidad en los receptores de radio AM. 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 el volumen, es proporcional a la amplitud de la señal de radio, porque el contenido de información de la señal es transportado 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 fuerza de la señal recibida variará ampliamente, dependiendo de la potencia y la distancia del transmisor y la atenuación de la ruta 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 una desventaja reducir la ganancia del extremo frontal de RF del receptor en señales más débiles, ya que una ganancia baja puede empeorar la relación señal-ruido y el bloqueo; 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 retroalimentar a las etapas anteriores del receptor para reducir la ganancia. Se requiere una red de filtros para que los componentes de audio de la señal no influyan apreciablemente en la ganancia; esto evita el "aumento de la modulación" lo que aumenta la profundidad de modulación efectiva de la señal, distorsionando el sonido. Los receptores de comunicaciones pueden tener sistemas AVC más complejos, incluidas etapas de amplificación adicionales, diodos detectores AGC separados, diferentes constantes de tiempo para 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. El diseño del sistema AVC tiene un gran efecto en la usabilidad del receptor, las características de sintonización, la fidelidad de audio y el comportamiento ante sobrecargas y señales fuertes.

Los receptores de FM, aunque 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

Una aplicación relacionada de AGC está en los sistemas de radar, como un método para superar los ecos parásitos no deseados. Este método se basa en el hecho de que los ecos devueltos superan con creces a los ecos de los objetivos de interés. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de ruido general visible. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por un desorden circundante más fuerte, sí ayuda a distinguir fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el radar AGC se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que evolucionaron los radares, el AGC se volvió controlado por software de computadora y afectó la ganancia con mayor granularidad, en celdas de detección específicas. Muchas contramedidas de radar utilizan el AGC de un radar para engañarlo, 'ahogándolo' efectivamente. la señal real con la falsificación, ya que el AGC considerará la señal verdadera más débil como desorden en relación con la falsificación fuerte.

Audio/vídeo

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 con menos ruido, el nivel de grabación debe establecerse lo más alto posible sin que sea tan alto como para recortar o distorsionar la señal. En la grabación profesional de alta fidelidad, el nivel se ajusta manualmente mediante un medidor de lectura de picos. Cuando la alta fidelidad no es un requisito, se puede establecer un nivel de grabación adecuado mediante un circuito AGC que reduce la ganancia a medida que aumenta el nivel promedio de la señal. Esto permite realizar una grabación utilizable incluso para hablar a cierta distancia del micrófono de una grabadora de audio. Se aplican consideraciones similares con las videograbadoras.

Una desventaja potencial de AGC es que cuando se graba algo como música con pasajes bajos y fuertes como la música clásica, el AGC tenderá a hacer que los pasajes silenciosos sean más fuertes y los pasajes fuertes más bajos, 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 de compansión.

Algunas grabadoras de cinta de carrete a carrete y pletinas de cassette tienen circuitos AGC. Los que se usan para alta fidelidad generalmente no lo hacen.

La mayoría de los circuitos VCR usan la amplitud del pulso de supresión vertical para operar el AGC. Los esquemas de control de copia de video como Macrovision aprovechan esto, insertando picos en el pulso que serán ignorados por la mayoría de los televisores, pero hacen que el AGC de una videograbadora corrija en exceso y corrompa la grabación.

Vogad

Un dispositivo de ajuste de ganancia operado por voz o un dispositivo de ajuste de ganancia operado por volumen (vogad) es un tipo de AGC o compresor para amplificación de micrófonos. Suele utilizarse en transmisores de radio para evitar la sobremodulación y reducir el rango dinámico de la señal lo 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 constante.

En su forma más simple, un limitador puede consistir en un par de diodos de abrazadera uno al lado del otro, que simplemente desvían el exceso de 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 generará altos niveles de distorsión.

Si bien los limitadores de recorte se utilizan a menudo como una forma de protección de última hora contra la sobremodulación, un circuito vogad diseñado adecuadamente controla activamente la cantidad de ganancia para optimizar la profundidad de modulación en tiempo real. Además de evitar la sobremodulación, aumenta el nivel de señales silenciosas para evitar también la submodulación. La submodulación puede conducir 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 inicial de voz fuerte no provoque un estallido repentino 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. Por lo general, se emplea un tiempo de caída mucho más largo, de modo que la ganancia no aumente demasiado rápido durante las pausas normales en el habla natural. Un tiempo de descomposición demasiado corto conduce al fenómeno de "respiración" donde el nivel de ruido de fondo aumenta en cada intervalo del discurso. Los circuitos de Vogad normalmente se ajustan de modo que, a niveles bajos de entrada, la señal no se realce por completo, sino que siga una curva de realce lineal. Esto funciona bien con micrófonos con cancelación de ruido.

Grabación telefónica

Los dispositivos para grabar ambos lados de una conversación telefónica deben grabar tanto la señal relativamente grande del usuario local como la señal mucho más pequeña del usuario remoto a niveles de volumen comparables. Algunos dispositivos de grabación telefónica incorporan control automático de ganancia para producir grabaciones de calidad aceptable.

Biológica

Como es el caso con muchos conceptos que se encuentran 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 los 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, causando la normalización de las respuestas al contraste, una forma de control de ganancia automático. De manera similar, en el sistema auditivo, las neuronas eferentes olivococleares son parte de un bucle de control de ganancia biomecánica.

Tiempos de recuperación

Como en todos los sistemas de control automático, la dinámica temporal del funcionamiento del AGC puede ser importante en muchas aplicaciones. Algunos sistemas AGC reaccionan lentamente a la necesidad de cambios de ganancia, mientras que otros pueden reaccionar muy rápidamente. Un ejemplo de una aplicación en la que se requiere un tiempo de recuperación de AGC rápido es en los receptores que se utilizan en las comunicaciones de código Morse, donde se necesita la llamada interrupción completa o la operación QSK para permitir que las estaciones receptoras interrumpan las estaciones emisoras a la mitad del carácter (por ejemplo, entre punto y punto). señales de guión).