Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут радіотехніки, зв’язку

та приладобудування

Кафедра телекомунікаційних систем та телебачення

Підсилювач каналу запису магнітофона

Пояснювальна записка

до курсового проекту за спеціальністю

6.092401 – “Телекомунікаційні системи та мережі”

08 – 17.КП.014.00.000 ПЗ

Керівник проекту

к.т.н., доцент В. Д. Рудик

“___”_____________2004 р.

Розробив студент гр. РЗ -02

М.М. Когутенко

“___”_____________2004 р.

Вінниця ВНТУ 2004

Анотація УДК621/3 Підсилювач каналу запису магнітофона: курсовий проект / М.М.Когутенко – ВНТУ, 2004 р. -- стор., -- рис., -- табл., - на українській мові. У даному курсовому проекті розроблено підсилювач запису стерео магнітофону. Підсилювальний каскад пристрою розроблено на інтегральних мікросхемах, що дало цілий ряд переваг у порівнянні з виконанням подібного пристрою на дискретних елементах. У роботі здійснено моделювання підсилювача за допомогою схемного симулятора Electronic Workbench 5.0. Отримані графіки частотних характеристик та спектр сигналу, на виході. Ключові слова: підсилювач, запис, стерео, мікросхема, дискретні, спетр.
					08 –17.КП.014.00.000.ПЗ
Зм.	Лист	№ документа	Підпис	Дата
Розробив		Когутенко М.М.			Підсилювач каналу запису Пояснювальна записка	Літ			Аркуш	Аркушів
Перевірив		Рудик В.Д.					у		1
Рецензент						ВНТУ гр. РЗ–02
Н. контр.		Рудик В.Д.
Затверд.

Вступ

Метою даного курсового проекту є створення підсилювача запису стерео магнітофона.

Підсилювач запису призначений для підсилення напруги яка поступає на вхід від різних джерел сигналу (мікрофона, магнітної головки, і т.п.), і створення передспотворень (спотворень АЧХ, які вносяться з певною метою). Підсилювач запису повинен мати достатньо малий рівень власних шумів і вносити як найменше нелінійних спотворень. Вихідний каскад ПЗ повинен допускати перевантаження, що необхідно для неспотвореного підсилення піків сигналу, які не регіструються індикатором рівня запису. Для виключення впливу навантаження ПЗ на АЧХ каналу запису, вихідний каскад ПЗ повинен мати великий вихідний опір (значно більше повного опру головки на найвищий робочій частоті). Головка запису підключається до виходу ПЗ так, щоб до неї можна було підвести струм високочастотного підмагнічування.

---

АЧХ ПЗ являє собою залежність струму в головці запису від частоти при постійній напрузі сигналу на вході. Вона повинна мати підйом на нижніх та верхніх частотах (Рис. 1). Підйом на верхніх частотах необхідний не тільки для компенсації втрат в головці запису і магнітоносії (на магнітній стрічці), але і для перед спотворень, підйому на нижніх частотах – тільки для передспотворень. Введення частотних передспотворень при записі дозволяє зменшити підсилення тракту відтворення на нижніх та верхніх частотах і, відповідно, рівень власних шумів цього тракту. Деякі підвищення рівня шуму ПЗ зумовлені передспотвореннями не погіршують шумові властивості наскрізного тракту запису – відтворення, оскільки одночасно підвищується рівень сигналу на низьких та високих частотах.

Рисунок 1.-- АЧХ ПЗ для різної швидкості стрічки:

1 – 19,05; 2 – 9,53; 3 – 4,76 см/с.

В ході виконання курсового проекту буде розроблено структурну схему підсилювача запису з параметрами, що повністю задовольняють технічне завдання. Під час попереднього розрахунку буде визначено кількість та типи каскадів підсилення для забезпечення необхідного коефіцієнту підсилення, одночасно будуть визначатись орієнтовні значення коефіцієнтів частотних та нелінійних спотворень, та глибина зворотних зв’язків, що покращують ці показники.

В електричних розрахунках будуть вибрані електричні схеми каскадів, розраховані номінали, вибрані типи номіналів, а також будуть уточнюватися коефіцієнти підсилення, та спотворень.

Моделювання розробленого пристрою буде здійснюватися за допомогою електронної моделюючої системи Electronic Workbench 5.0, що дасть змогу без фізичноїї реалізації підсилювача отримати усі необхідні характеристики (АЧХ, ФЧХ і т.д.). Результати роботи можуть бути використанні, як матеріал для розробки та конструювання підсилювачів запису.

1 Розробка технічного завдання на проектування підсилювача каналу запису аналогового стерео магнітофона

1.1 Експлуатаційне призначення пристрою

Пристрій призначений для роботи в якості підсилювача каналу запису стереофонічного магнітофона

2. Варіант виконання

Пристрій повинен бути виконаний у вигляді переносного блоку, з автоматичним джерелом живлення

2. Підсилювальні елементи

Транзистори або ІМС. Пристрій повинин бути виконаний з застосуванням транзисторів або ІМС

2. Джерело сигналу може бути: мікрофон, головка відтворення, вихід НЧ радіоприймача або тюнера

3. Опір навантаження

В якості опору навантаження використовується записуюча головка або універсальна головка. Тип головки визначається в процесі розрахунку.

2. Вихідна потужність

Номінальна вихідна потужність визначається опором навантаження та повина бути забезпечена в усій смузі частот 60 Гц-13 кГц.

---

2. Частотний діапазон

Нижня гранична частота (f_н) не повина перевищувати 60 Гц при коефіцієнті чатотних спотворень (М_н) не більше 3 дБ. Верхня гранична частота (f_в)пристрою не меньше 13 кГц при коефіцієнті чатотних спотворень (М_в) 3 дБ

2. Нелінійні спотворення

Коєфіцієнт гармонік підсилювача не повинен перевищувати 2% (К_Г 2%) у всій смузі робочих частот при номінальній вихідній потужності

2. Частотні спотворення

Коефіцієнт частотних спотворень (М_н) на нижній частоті 60 Гц не

повинен перевищувати 3 дБ, коефіцієнт частотних спотворень (М_в) на верхній граничній частоті 13 кГц не повинен перевищувати 3 дБ

2. Співвідношення сигнал/шум

Підсилювач запису має забезпечити співвідношення сигнал/шум не меньше 70дБ ( 70дБ).

2. Регулятори:

   1. Пристрій повинен бути оснащений регулятором гучності з глибиною регулювання (D_r) не меньше 30 дБ. Регулювання гучності повинно здійснюватись плавно.

   2. Пристрій повинен бути оснащений трьохсмуговим регулятором форми АЧХ.

   3. Регулятор рівня запису сигналу – відсутній.

1.12 Живлення

Живлення пристрою повинне здійснювати від автономного джерела живлення (акамулятор або батарея). Напруга автономного джерела живлення визначається в процесі розрахунку

13. Кліматичні вимоги

Діапазон робочих температур складає . Відносна вологість повітря при температурі становить %. Атмосферний тиск % мм рт. ст

13. Конструктивні вимоги

Пристрій повинен бути виконаний у вигляді окремого функціонального вузла, який з’єднується з іншими вузлами програвача за допомогою роз’ємних з’єднань. Орієнтовно маса вузла не повина перевищувати 0,2 кг., орієнтовні габарити пристрою не ровині перевищувати (100x80x20 мм.)

2 Розробка структурної схеми пристрою

2.1 Визначення величини опору навантаження

Для визначення потрібного опору навантаження в підсилювачі запису магнітофона, необхідно підібрати тип головки з даними: опором головки R_Г, індуктивністю L, струмом запису І_З та струмом підмагнічуванням І_П.

Оберемо магнітну головку запису 3А24Н081 [1] з параметрами: L_Г = 50 (мГн), R_Г = 160 (Ом), І_З = 0,06 (мА), І_П = 0,4(мА).

Для стабілізації струму запису послідовно з головкою необхідно під’єднати опір R10, значення якого повинно відповідати умові ,

де F_B – верхня частота діапазону;

Рисунок 2 — Включення головки запису з RC - фільтром.

де, П3 – підсилювач запису, ГЗ – головка запису.

R8>4·3,14·13000·0.05=8,162 (кОм)

R7=0.2·R8=0.2·8200=1640 (Ом)

Зробимо вибір розрахованих елементів згідно стандартів:

R7 = С2-22-0,125-1,6 кОм ±5%

R8 = С2-22-0,125-8,2 кОм 5%;

Загальний опір навантаження каскаду R_H = R_Г + R8+ R7;

R_H = 160 + 1600+8200 = 9960 (Ом);

Необхідна амплітуда напруги запису становить ;

U_з=0,06·10^-3·9960=0,6 (В)

2.2 Вибір каскадів кінцевого підсилення

Оскільки даний підсилювач розрахований на малу вихідну потужність,

10-20 мкВт слід використовувати однотактний каскад кінцевого підсилення

---

(ККП).

ККП буде будуватися за безтрансформаторною схемою зі спільним колектором, коефіцієнт нелінійних спотворень якого 1..3%.

2.3 Визначення корисної потужності, що забезпечується транзистором ККП

Знайдемо потужність запису Рз, тобто вихідну потужність кінцевого каскаду підсилення:

Р_з=І²_з·R_н=(0.06·10^-3)²·9960=35,8 (мкВт);

2.4 Вибір типу транзисторів ККП

2.4.1 Вибір транзистора ККП

Вибір транзистора ККП потрібно здійснювати на основі попереднього визначення потужності втрат Р_К, максимальної напруги на переході колектор-емітер U_Kmax(доп), та максимального колекторного струму I_Kmax(доп), окрім цього необхідно врахувати і частотні можливості транзистора.

Для однотактного безтрансформаторного ККП, вибираючи транзистор, необхідно забезпечити умови:

,

де  - коефіцієнт корисної дії ККП, а .

Маємо:

Р_к=Р_вих=35,8·10^-6 (Вт),

Р_{к доп}=10·35,8·10^-6=358 (мкВ)

Для забезпечення необхідної вихідної потужності, живлення однотактного безтрансформаторного каскаду повинно здійснюватися

напругою Е.

,

де U_ЗАЛ 1 (В).

(В),

в свою чергу

, звідки .,

де U_{КЕ_ДОП} – максимальна допустима напруга між відповідними електродами транзистора.

U_{KE_доп}=2,7/0,8=3,37(В),

Визначимо допустимий струм колектора (max):

I_K.допI_max,

I_max=I_Km+I_Ko,

I_Km= ,

I_Ko=(2-3)I_Km.

Розрахуємо:

I_Ko (мкА);

І_К.доп=84*10^-6+168*10^-6=252*10^-6=252 (мкА).

Для даного ККП, підсилювача запису магнітофона, що працює в режимі класу „А”, необхідні значення струму робочої точки І_{К_о} і напруги U_{KE_o} вибираються з співвідношень:

;

.

Маємо:

= 0,16 (мА);

(В);

Тепер, згідно вище наведених розрахунків оберемо транзистор КТ312В, з такими параметрами:

І_Кmax = 30 (мА),

U_КЕ = 2 (В),

I_Еm = 2 (мА)

P_{max_доп} = 225 (мВт),

f_гр = 120 (мГц,),

С_К = 5 (пФ),

_к = 500 (пс),

h_21E = [50…280],

I_Е(І_К) = 5 (мА),

U_КЕmax = 20 (B),

Для даного транзистора повинні виконуватись умови:

І_Кmax.допІ_К.о+І_З;

U_KE.o(1.5-2.0)U_З;

P_Kmax.доп І_К.о*U_KE.o / (0.5-0.6);

Зробимо розрахунки:

І_Кmax.доп=0,16*10^-3+0,06*10^-3=0,22(мА) І_{Кmax.доп.тр}=30(мА),

U_KE.o=2*0,6=1,2(В) U_KE.o.тр=2(В),

P_Kmax.доп=(0,16*10^-3*1,2) / 0,5=0,38(мВт) P_{Kmax.доп.тр}=225(мВт).

Амплітуда струму вхідного кола ККП, що дозволяє визначити положення робочої точки транзистора на його вхідній характеристиці, а також забезпечує вибір транзисторів каскадів попереднього підсилення за струмом, дорівнює:

.

(мкА).

Передкінцевий каскад повинен мати максимальне значення колекторного струму, що в 2...3 рази більше за максимальний базовий струм кінцевого каскаду.

2.4.2 Частотні властивості транзистора

Частотні властивості біполярного транзистора, в схем ввімкнення спільний колектор, прийнято характеризувати граничними частотами, значення яких не повинні перевищувати верхню граничну частоту пристрою:

де - гранична частота транзистора за крутістю в схемі з спільним

емітером,

S₀ – крутість транзистора в робочій точці, довідникова величина.

- гранична частота транзистора за крутістю в схемі з спільним

---

колектором,

R_Г – вихідний опір каскаду.

Величина може бути розрахована:

,

де - об'ємний опір бази,

- гранична частота передачі струму в схемі з спільною базою.

,

,

де _к – стала часу, довідникова величина;

С_к – ємність колекторного переходу транзистора, довідникова величина;

m = 1.6 – для дрейфових дифузійних транзисторів;

f_гр – гранична частота передачі струму, довідникова величина;

За вище наведеними формулами зробимо розрахунки:

(Ом);

(Гц);

(Гц)=19,2(МГц);

(Гц).

Отже, F_B  .

2.5 Визначення загального коефіцієнта підсилення каналу по потужністі К_р

Для знаходження загального коефіцієнта підсилення каналу за потужністю використовується вираз:

_,

де Р_вих – коливальна потужність, яку забезпечує пристрій;

Р_дж – потужність джерела сигналу, ;

U_вх – амплітуда вихідної напруги джерела сигналу;

R_вих – номінальний вихідний опір джерела сигналу;

а₁ – коефіцієнт, а₁ = 1 (раз), так як відсутній від’ємнй зворотній

зв’язок ;

а₂=1 так як технічним завданням непередбачено забезпечення “підйому” та “завалу” АЧХ регулятором тембра;

а₃=1 в підсилювача каналу запису

Джерелом даної схеми, обираємо мікрофон МД-74 ,

з параметрами:

U_вх = 1,2 (мВ), R_вих = 250 (Ом);

Зробимо розрахунки:

(Вт),

(дБ).

2.6 Визначення загальної кількості каскадів підсилювача

Кількість каскадів підсилення визначається виходячи з загального коефіцієнта підсилення по потужності .

,

де К_Р1, К_Р2, К_РККП – коефіцієнти підсилення по потужності відповідно першого, другого каскадів та кінцевого каскаду підсилення.

Перший каскад буде побудовано на транзисторі КТ312В в схемі включення спільний колектор з параметрами наведеними вище.

Другий каскад буде побудовано на транзисторі КТ312В в схемі включення спільний емітер.

Коефіцієнт КПП за потужністю для транзистора КТ312В за схемою включення спільний колектор дорівнює:

(дБ);

Коефіцієнт підсилення другого каскаду за потужністю дорівнює:

Кр₂ = 10*lg(0,3*h_21Емін ²),

Кр₂ = 10*lg(0,3*50 ²) = 28,8(дБ);

Коефіцієнт кінцевого каскаду підсилення ввімкненого за схемою

спільний колектор дорівнює:

(дБ);

Отже, загальний коефіцієнт підсилення по потужності усього

підсилювального каналу дорівнює:

(дБ).

Отримана величина К¹_РЗАГ К_Р(ЗАГ), що є допустимо.

2.7 Розрахунок співвідношення сигнал / шум

При проектовані багатокаскадних пристроїв розраховують напругу шуму лише першого каскаду. Рівень шуму першого каскаду визначає мінімальний рівень вхідного сигналу при заданому відношенні сигнал/шум на вході. Як правило, для каскаду на біполярному транзисторі розраховується мінімальна напруга на вході при заданому відношенні сигнал/шум  =U_c /U_ш, яке визначає чутливість пристрою.

Величина мінімальної вхідної напруги у режимі узгодження каскаду із джерелом сигналу дорівнює:

---