kursovik (Расчет усилителя воспроизведения), страница 2

Т.к. задан нестандартный уровень выходного сигнала для усилителя воспроизведения , то в расчётах будем использовать . Примем что частотный диапазон равен 31,5…16000Гц , т.к. для кассетных магнитофонов он наиболее распространённый.

При использовании современных высокочастотных транзисторов, ОУ или усилителей в виде ИМС, для самого усилителя нетрудно обеспечить указанную в ТЗ полосу рабочих частот, в основном рабочая полоса тракта ГВ-УВ определяется только характеристиками ГВ. Для головки 3Д24.80 при использовании ленты с магнитным слоем на основе оксида железа рабочий диапазон частот составляет значение 40…12500 Гц, при использовании ленты с рабочим слоем на основе оксида хрома – 31.5…16000 Гц и при использовании «металлических» лент – 31.5…18000 Гц.

Для расчёта коррекции на высших рабочих частотах необходимо знать значение индуктивности используемой головки, для головки 3Д24.80 индуктивность составляет значение 110…190 мГн.

Как указывалось во введении существуют специальные микросхемы для УВ магнитофонов, содержащие в себе усилитель переменного тока с большим коэффициентом усиления и малым уровнем собственных шумов, таким образом для уменьшения габаритных размеров УВ мы применим одну из таких микросхем для УВ.

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ УВ

Как указывалось при анализе технического задания в качестве УВ желательно выбрать интегральный малошумящий усилитель переменного тока с большим входным сопротивлением для уменьшения влияния индуктивности ГВ на АЧХ усилителя и желательно с большим коэффициентом усиления, для того, чтобы АЧХ УВ, построенного на этой микросхеме зависела только от параметров цепи отрицательной обратной связи (при этом легко обеспечить стандартный вид АЧХ УВ).

Наилучшими шумовыми параметрами из отечественных интегральных усилителей переменного тока, предназначенных для использования в УВ кассетных магнитофонов, обладает усилитель в виде ИМС К157УЛ1А.

Это двухканальный усилитель воспроизведения для стереофонических магнитофонов с низким уровнем шумов. Напряжение шумов, приведённое ко входу усилителя воспроизведения кассетного магнитофона, в полосе частот 20…20000 Гц, может быть получено не более 0.5 мкВ, Функциональная схема усилителя и схема её включения приведены на рис. 1.

Уменьшение собственных шумов микросхемы достигнуто применением режима микротоков во входном и оконечном усилителях и большими коэффициентами усиления.

На выходе усилителя – эмиттерный повторитель с динамической нагрузкой, что позволяет обеспечить хорошее согласование микросхемы с последующими каскадами магнитофона. Кроме того, усилитель на выходе имеет защиту от короткого замыкания.

АЧХ усилителя задаётся внешней цепью ООС по току, включаемой между выходом усилителя и эмиттера первого транзистора. Как указывалось выше, такое построение УВ даёт наилучшие характеристики УВ: во-первых усилитель имеет наилучшие шумовые параметры, во-вторых он имеет минимальный коэффициент нелинейных искажений, в третьих его АЧХ зависит только от параметров цепи обратной связи (при большом усилении усилителя без ООС как и в нашем случае), так что легко реализовать стандартный вид АЧХ для нашего случая, и в четвёртых входное сопротивление такого усилителя повышается с ростом частоты, поэтому минимизируется влияние индуктивности ГВ на АЧХ тракта ГВ-УВ.

Коэффициент усиления определяется при этом сопротивлением внешнего резистора, включенного между выводами 1, 3 (7, 5 для второго канала) и параметрами цепи ООС. Для получения максимального усиления основного усилителя и устранения уменьшения усиления на низших частотах между выводами 14, 3 (8, 5) включают конденсатор большой ёмкости (при стандартном включении этой микросхемы в качестве УВ кассетного магнитофона ёмкость этого конденсатора выбирают равной 100 мкФ и номинальное напряжение этого конденсатора выбирается равным 15 В при напряжении питания микросхемы ). Устойчивость работы усилителя обеспечивается включением конденсатора между выводами 2, 3 (6, 5). Этот конденсатор совместно с ГВ образует параллельный колебательный контур, поднимающий АЧХ тракта ГВ-УВ в области высших частот, частоту настройки этого контура выбирают равной при работе с головкой 3Д24.80.

Основные электрические параметры микросхемы К157УЛ1А

Номинальное напряжение питания 12 В

Коэффициент усиления по напряжению в полосе частот 20…20000 Гц

без ООС, не менее 8000…13000

Потребляемый ток (по двум каналам), не более 6 мА

Входное сопротивление, не менее 60 кОм

Коэффициент гармоник при , , не более 0.2%

Переходное затухание, не менее -70 дБ

Напряжение шумов, приведённое ко входу, в полосе частот 20 Гц…20 кГц

при сопротивлении источника сигнала 10 Ом, ,

, не более 0.3 мкВ

Предельно допустимые режимы эксплуатации

Диапазон питающих напряжений 8.1…20 В

Входной ток, не более 1 мА

Выходной ток, не более 5 мА

Рассеиваемая мощность, не более 250 мВт

Описание типовой схемы включения

При типовой схеме включения выбранной микросхемы резисторы R1 и R2, стоящие в цепях эмиттеров транзисторов первых каскадов рекомендуется выбирать в пределах 90..110 Ом, вследствие того, что при увеличении сопротивлений этих резисторов увеличивается уровень шумов усилителя, а при уменьшении начинает сказываться входное дифференциальное сопротивление эмиттеров транзисторов первого каскада и в силу его нелинейности увеличиваются нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя. Выбираем сопротивление резисторов R1 и R2 равными 91 Ом. Номиналы резисторов и конденсаторов цепей, задающих АЧХ усилителей R3, R5, C7 для левого канала и R4, R6, C8 для правого канала, рассчитываются исходя из необходимого усиления на частоте и необходимой АЧХ усилителей. Ёмкости конденсаторов С1 и С2 рассчитываются исходя из условия настройки контуров, образуемых индуктивностями головки и этими конденсаторами на частоту .

Р
ис. 1. Функциональная и типовая схемы включения микросхемы К157УЛ1А:

1 – входной каскад; 2 – каскад основного усиления; 3 – выходной каскад;

4 – стабилизатор режима первого каскада.

Электролитические конденсаторы С3, С4 выбираются ёмкостью 20 мкФ при типовой схеме включения микросхемы и рассчитаны на номинальное напряжение 6 В.

Ёмкость конденсаторов С9, С10 рассчитывается исходя из заданного входного сопротивления последующего каскады, обычно следующий каскад имеет высокое входное сопротивление 10…100 кОм, поэтому достаточное значение емкостей конденсаторов С9 и С10 лежит в пределах 10…100 мкФ для предотвращения спада уровня низкочастотных составляющих. Номинальное напряжение этих конденсаторов выбирается равным 10 В при номинальном напряжении питания .

Сопротивления резистора R7 и его номинальная мощность рассчитываются исходя из выбранного значения напряжения питания микросхемы и напряжения питания, заданного в ТЗ.

Ёмкость конденсатора С11 выбирается при типовой схеме включения равной 100 мкФ, и при номинальном напряжении питания микросхемы конденсатор С11 выбирается с номинальным рабочим напряжением 15 В.

Ёмкости конденсаторов С5, С6 выбираются равными 100 мкФ при типовой схеме включения, они в основном и определяют спад на нижних рабочих частотах АЧХ усилителя, для этих значений спад АЧХ усилителей на частоте составляет 1 дБ, таким образом выбирая ёмкость конденсаторов С5, С6 как и в типовой схеме мы снижаем нижнюю рабочую частоту усилителя 20 Гц по уровню –1 дБ.

Таким образом необходимо произвести лишь расчёт цепей, задающих АЧХ усилителя, расчёт емкостей конденсаторов С1, С2 и расчёт сопротивления резистора R7 в фильтре питания.

Т.к. усиление УВ требуется довольно большое, т.е. сравнимое по порядку с усилением микросхемы без ООС, то необходимо проверить отклонение АЧХ нашего усилителя от стандартной, при которой считается, что усилитель без ООС имеет бесконечно большое усиление. При отклонении АЧХ рассчитанного усилителя от стандартной особенно на нижних частотах более чем на 3 дБ, необходимо будет произвести коррекцию сопротивлений R5, R6 в сторону увеличения для того, чтобы поднять усиление на нижних рабочих частотах и приблизить форму АЧХ нашего усилителя к стандартной.

Исходя из всех вышеперечисленных рассуждений выбираем принципиальную схему УВ, показанную на рис. 2.

4. РАСЧЁТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

УСИЛИТЕЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

Р
ис. 2. Электрическая принципиальная схема усилителя воспроизведения

Расчёт будем вести для левого канала и результаты расчёта распространим на правый канал.

Стандартная АЧХ УВ (при бесконечно большом усилении микросхемы без ООС) рассчитывается по формуле:

(4.1).

При этом должно выполняться условие R1<

В нашем случае усиление микросхемы без ООС не бесконечно и имеет определённое значение , поэтому реальная АЧХ усилителя будет рассчитываться по формуле:

(4.2).

Таким образом при расчёте необходимо подобрать такие номиналы резисторов R3, R5 и конденсатора С7, чтобы расхождения между требуемой и получаемой АЧХ были минимальными.

Т.к. на частоте выходное напряжение первого каскада должно равняться 0.5 В при входном напряжении усилителя , то необходимое усиление на этой частоте УВ составит значение

.

На частоте параллельная цепь R5-C7 с постоянной времени практически не влияет на усиление УВ, влияние имеет только цепь R3-C7 с постоянной времени . Определим необходимый коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи по напряжению исходя из формулы

Принимая самый худший случай когда , рассчитаем необходимый коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи по напряжению

.

Тогда, учитывая пренебрежимо малое влияние резистора R5 на частоте

1 кГц и вышеуказанное условие R1<

. (4.3)

Мы в этой формуле ёмкость С7 выразили через сопротивление резистора R3 и постоянную времени .

Сопротивление резистора R1 по вышеуказанной рекомендации выбираем равным R1=91 Ом (из ряда Е24 номинальных сопротивлений резисторов), выбираем тип резистора . Для правого канала аналогично выбираем номинал и тип резистора R2 .

Т.к. сопротивление резистора R1 выбрано, то рассчитываем сопротивление резистора R3

.

Из ряда Е24 номинальных сопротивлений резисторов выбираем номинал резистора R3=150 кОм и тип резистора . Для правого канала аналогично выбираем номинал и тип резистора R4 .

Тогда ёмкость конденсатора С7 равна .

Из ряда Е6 номинальных емкостей конденсаторов выбираем номинал конденсатора С7=1 нФ и тип конденсатора . Для правого канала аналогично выбираем номинал и тип конденсатора С8 .

Рассчитаем сопротивление резистора R5, исходя из условия .

.

Из ряда Е24 номинальных сопротивлений резисторов выбираем номинал резистора R5=1,5 МОм и тип резистора . Для правого канала аналогично выбираем номинал и тип резистора R6 .

Рассчитаем сопротивление резистора R7

.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R7

.

Из ряда Е24 номинальных сопротивлений резисторов выбираем номинал резистора R7=2 кОм и тип резистора .

Выбираем номинал и тип конденсатора С9 .

По вышеуказанным рекомендациям для типовой схемы включения микросхемы К157УЛ1А выбираем номиналы и типы конденсаторов С3 и С4 .

По вышеуказанным рекомендациям для типовой схемы включения микросхемы К157УЛ1А выбираем номиналы и типы конденсаторов С5 и С6 .

Теперь по формулам (4.1) и (4.2) рассчитаем и построим АЧХ нашего УВ и стандартную АЧХ, также строим нормированную по стандартной АЧХ зависимость их разности от частоты.

Рассчитаем ёмкость конденсатора С1, исходя из настройки контура ГВ-конденсатор С1 на частоту 16 кГц.

Принимаем индуктивность ГВ равной .

Тогда ёмкость конденсатора С1 будет равна

Из ряда Е24 номинальных емкостей конденсаторов выбираем номинал конденсатора С1=680 пФ и тип конденсатора . Для правого канала аналогично выбираем номинал и тип конденсатора С2 .

На этом расчёт УВ можно считать законченным.

Теперь проверим допустимость отклонений АЧХ полученного УВ от стандартной. На рис. 3 построены стандартная АЧХ сплошной линией и реальная нашего УВ штриховой линией. Как видно отклонение реальной от стандартной АЧХ наблюдается только на нижних рабочих частотах, это объясняется большим усилением УВ на нижних рабочих частотах и сравнимым с ним по порядку коэффициентом усиления микросхемы К157УЛ1А без ООС. На рис. 4. показано нормированное по стандартной АЧХ отклонение реальной АЧХ от стандартной. Видно, что на нижней рабочей частоте отклонение не превышает 10 дБ и резко уменьшается в сторону увеличения частот, т.е. отклонения реальной АЧХ от стандартной меньше 2дБ по напряжению, поэтому рассчитанный усилитель можно признать удовлетворяющим ТЗ.

Рис. 3

Рис. 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был рассчитан УВ для кассетного магнитофона. Основной особенностью этого УВ являлась необходимость большого усиления, особенно на нижних рабочих частотах ИМС, что и было достигнуто на микросхеме К157УЛ1А. При разработке УВ мы руководствовались необходимостью уменьшения габаритов УВ для уменьшения уровня наводок на УВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Даниленко Б.П., Манкевич И.И. Отечественные и зарубежные магнитофоны: схемы, ремонт. – Мн.: Беларусь, 1994. 617 с.: ил.

2. Галкин В.И. и др. Полупроводниковые приборы: Справочник 2-е изд. перераб. и доп. Минск: Беларусь. 1987. 283 с.

3. Гершунский Б.С. Справочник по расчёту электронных схем. Киев: В. шк., 1983. 240 с.

4. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства: Учеб. пособие для ВУЗов. 2-е изд. переб. и доп. М: Связь, 1977. 360 с.

5. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебн. пособие для радиотехнических специальностей техникумов. Киев: Изд-во. ун-та., 1968. 250 с.

6. Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. Киев: Наукова Думка, 1985, 671 с.: ил.