Файл: Курсовий проект Осн.сх -зразок.doc

[мкВ],

де, R_вх- еквівалентний опір вхідного кола пристрою (визначається як паралельне з’єднання опору джерела сигналу і вхідного опору вхідного каскаду), кОм.

F - смуга робочих частот пристрою , кГц

F_ш- відносний коефіцієнт шуму біполярного транзистора першого каскаду (довідникова величина), для транзистора КТ312В F_ш =5 дБ = 3,1.

При заданому в ТЗ співвідношенню сигнал/шум

=70дБ = 3162 раз і R_вх.  R_вих.дж. = 250 Ом, F = 13000-60 = 12,94 кГц

маємо:

мВ ≤U_дж = 1.2мВ.

З тотожності видно, що транзистор першого каскаду обраний вірно.

2.8 Розподіл частотних і нелінійних спотворень по каскадам

2.8.1 Частотні спотворення М_в..т, що визначається впливом транзистора

Так як верхня робоча частота обраних транзисторів рівна 120 МГц і

знаходиться далеко за межами верхньої робочої частоти підсилювача, то перевіряти їх на спотворення в ВЧ області є недоцільно, тому що вони будуть набагато меншими заданого рівня, випливає це із наступної формули:

2.8.2 Частотні спотворення М_В.СХ, що вносяться елементами схеми каскаду:

- для резистивного каскаду з спільним емітером:

М_В.СХ = 0.2...0.3 дБ,

- для емітерного повторювача:

М_В.СХ = 0.11...0.15 дБ,

Загальні частотні спотворення в схемі верхніх частот визначаються, як сума:

.

Приймаємо частотні спотворення що створюються елементами схеми

КПП1 і вихідним каскадом М_{В.СХ .ККП} = М_В.СХ.1 = 0,15 дБ

ККП2 ввімкнений за схемою спільний емітер, тому спотворення схеми:

М_В.2 = 0,3 дБ.

М_В = М_В.СХ = 0,15+0,3+0,15=0,6 дБ < М_В.ТЗ = 3 дБ, оскільки М_В.Т = 0 дБ.

Частотні спотворення на низьких частотах зумовлені наявністю в каскаді кіл, що впливають на коефіцієнт підсилення в даній області і орієнтовно можуть бути визначені:

• для резистивного каскаду з спільним емітером:

М_Н = 0.8...1.2 дБ,

- для емітерного повторювача

М_Н = 0.2...0.3 дБ,

Загальні частотні спотворення нижніх частот в схемі визначаються, як сума:

.

Приймаємо частотні спотворення що створюються елементами схеми.

КПП1 і вихідним каскадом (спільний колектор) М_Н.ККП = М_Н.1 = 0,3 дБ

ККП2 ввімкнений за схемою спільний емітер, тому спотворення схеми:

М_Н.2 = 0,8 дБ.

М_Н = 0,3+0,8+0,3 = 1,4 дБ  М_Н.ТЗ = 3 дБ.

Як вже згадувалось частотні спотворення, що вносяться транзисторами набагато менші спотворень схеми, тому їх не враховуємо і приймаємо спотворення схеми за спотворення каскаду.

Розподілимо коефіцієнти нелінійних спотворень по каскадам. Кінцевий каскад пісилення вносить найбільші нелінійні спотворення, К_Г = 0,5% і оскільки два інші каскади вносять невеликі спотворення К_Г = 0,25% кожен.

2.9 Розробка структурної схеми

В основу розробки структурної схеми підсилювача запису магнітофона покладемо дані які отримали у процесі розрахунку.

Для забезпечення потрібної АЧХ підсилювача запису ми створюємо на каскаді кінцевого підсилення коректор частотної характеристики, за допомогою якого ми зможемо забезпечити необхідну її форму, підйом на нижніх та верхніх частотах.

---

По вище зробленим розрахункам побудуємо структурну схему даного пристрою на дискретних елементах, в якій буде відображено каскади, регулятор глибини рівня запису, коректор форми АХЧ, джерело та споживач сигналу.

Структурна схема підсилювача наведена на рисунку 3.

Р исунок 3.-- Структурна схема двоканального підсилювача запису стерео магнітофона на дискретних елементах

2.10 Обґрунтування можливості використання ІМС

Виходячи з результатів розрахунків структурної схеми пристрою на дискретних елементах, розглянемо можливість побудови пристрою на ІМС, що може дати цілий ряд переваг.

Розроблені каскади на транзисторах VT1 ,VT2 та VT3 можна замінити на операційний пісилювач К548УН1А, ввівши корекцію АЧХ в ВЗЗ операційного підсилювача [1].

Потрібно щоб вхідний каскад підсилювача мав великий вхідний опір, щоб не впливати на джерело сигналу, тобто, підсилювач має бути універсальним. Основні параметри мікросхем наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1— Параметри мікросхеми К548УН1А

Параметр мікросхеми	Одиниці вимірювання	Значення
Вхідний опір	кОм	250
Напруга шуму на виході, при RГ = 500 Ом, f = 0.02..10 кГц, RН = 10 кОм.	мкВ	0,7
Коефіцієнт підсилення напруги при RH = 10 кОм, UВИХ = 2 В, fВХ  100 Гц, UЖИВ = 12 В.	дБ	100
Частота одиничного підсилення при UВХ = 5 мВ, RH = 10 кОм.	МГц	20
Вихідний опір	кОм	5
Максимальна вихідна напруга	В	5
Напруга живлення (не більше)	В	30
Коефіцієнт гармонік при КУ = 50, UВИХ = 2 В, RH = 2 кОм, fВХ = 1 кГц.	%	0,1
Струм споживання	мА	15

Заміна мікросхемами дасть одразу декілька переваг:

1) простота наладки, монтажу та більш висока надійність при експлуатації.

2) розміри та маса зменшаться.

3) покращенні електричні параметри.

4) при такій розробці схеми відпадає необхідність в застосуванні каскадів попереднього та кінцевого підсилення, вони реалізуються на цій мікросхемі

повністю.

Врахувавши табличні дані коєфіціент підсилення по потужності мікросхеми К548УН1А приблизно рівний 68 дБ. Побудуємо структурну

схему пристрою із використанням інтегральної мікросхеми.

Рисунок 4. — Структурна схема двоканального підсилювача запису стерео магнітофона на інтегральній мікросхемі.

3.Електричні розрахунки пристрою.

3.1 Розрахунок коректора форми АЧХ на ОП

Вихідні дані: Кр = 68 дБ,

Мн = 1,4 дБ,

Мв = 3 дБ,

Rвх = 250 кОм,

Rвих = 9960 Ом,

Рисунок 5.  Коректор АЧХ на ОП К548УН1А.

В даному випадку стоїть задача розрахувати коректор АЧХ на ОП, який повинен забезпечити потрібну форму АЧХ (рис. 1) для відповідної швидкості магнітної стрічки, в даному випадку це стандартна швидкість запису для сучасних стерео магнітофонів, а саме 4.73 см/с.

---

Отже, запишемо основні параметри необхідної форми АЧХ, які будуть потрібні в подальших розрахунках:

f_H = 60 Гц, f_U = 180 Гц, f_A = 2500 Гц, f_B = 13000 Гц;

Візьмемо для подальших розрахунків:

R₇ = 10 (кОм),Н₀= 1000, ₁ = 3180, (мкс) ₂ = 70 (мкс);

Маємо:

Розрахуемо розділову ємність:

Розрахуємо номінальні потужності обрахованих резисторів за формулою:

Р_R = U²_C/R

де, Р_R – потужність відповідного опору,

Uc – напруга сигналу на опорі,

R – номінал опору.

P_R3 = 0,12²/977000 = 0,014*10^-6 = 0,014(мкВт),

P_R4 = 0,12²/12000 = 0.0012*10^-3 =1,2 (мкВт),

P_R5 = 0,12²/10000 = 1,44(мкВт),

P_R6 = 0,12²/2400 = 0,6(мкВт),

Зробимо вибір розрахованих елементів згідно стандартів:

R3 = С2-22-0,125-1 МОм±5%

R4 = С2-22-0,125-12 кОм±5%

R5 = С2-22-0,125-10 кОм±5%

R6 = С2-22-0,125-1,5 кОм±5%

С₂= К10-23 – 0,2 мкФ 50В 5%

С₃ = К10-23 – 330 пФ  50В 5%

С₄ = К10-23 – 5,1 нФ  50В 5%

С₆ = К10-23 – 0,2 мкФ 50В 5%

Розрахуємо коефіцієнт підсилення по напрузі даної ІМС. При К_0ß=1538 раз, згідно рисунком 6.

Рисунок 6.— АЧХ коректора

Та коефіцієнті підсилення по потужності Кр=68 дБ, що дорівнює 6309573 раз, коефіцієнт підсилення по напрузі визначається за формулою

Для забезпечення такого коефіцієнта підсилення по напрузі необхідно реалізувати зворотній зв’язок з такими параметрам:

Отже, ми реалізували необхідний коефіцієн підсилення, щоб забезпечити вихідну напругу 0,6 В при вхідній  1,2 мВ, тобто:

Розрахуємо частотні спотворення, які вносить схема.

Знайдемо глибину зворотнього зв’язку  :

Знайдемо тепер К_ß(ВЧ) за формулою:

Отже, частотні спотворення, які вносить схема дорірівнюют:

Враховуючи частотні спотворення, які вносять елементи схеми

М_В.СХ = 0.1 дБ, маемо:

М_В = М_В.К + М_В.СХ

М_В = 2,1+ 0,1 =2,2 (дБ).

3.2 Розрахунок регулятора глибини рівня запису

Регулятор глибини рівня запису побудуємо за схемою, яка показана на рисунку 7.

Рисунок 7.— Схема електрична регулятора глибини рівня запису.

Мінімальний рівень сигналу у даному випадку встановлюється за

допомогою додаткового опору R2. Приймаємо R2=51 Ом, тоді для забезпечення заданої у ТЗ глибини регулювання рівня запису 30дБ або 32 рази опір змінного резистора R2 обиратимемо:

R1 (32-1)*R2,

R1 1,581 (кОм);

Так, як пристрій працює з малими струмами, то вибираємо резистори з потужністю 0,125 Вт.

За довідником [11] обираємо змінний резистор СП2-2:

R1 = СП3-4-0,05 –1,6 кОм ±20%

R2 = С2-22-0,125-51 Ом 5%;

При такому матеріальному виконанні даний регулятор гучності буде мати глибину регулювання

(рази) або 30,2 Дб.

Розрахуємо частотні спотворення які вносить регулятор на низьких та високихчастотах.

На низьких частотах:

;

де, _Н - стала часу.

Тоді:

На високих частотах:

Отож, спотворення, які вносить регулятор глибини рівня запису на верхніх частотах дорівнює 0 дБ, а на верхніх —0,66-0,67 дБ.

3.3 Розрахунок схеми включення магнітної головки

Зробимо розрахунок схеми включення головки, яка зображена на рисунку 2. Для цього скористаємось деякими розрахунками, які були зроблені в структурній схемі п.1.

---

R7=1,6 (кОм), R8 = 8,2 (кОм), R_H = 9960 (Ом), f_П = 75 (кГц);

U_ГЕН = 5f_ПL_ГІ_П,

С₇ = (1,6..5)*0,1/F_BR₈;

С₆ = 6,5*10^-2/13000*1600= 3 (нФ),

U_ГЕН = 5*10^-3*50*75*0,4 = 7,5 (В),

R₉ = 200*7,5*8,2/75*50*0,4=8,2 (кОм),

С₇ = 3*10^-7/13*8,2= 2 (нФ);

Так, як пристрій працює з малими струмами , то вибираємо резистори з номінальною потужності 0,125 Вт.

Зробимо вибір розрахованих елементів:

Для можливості керування струмом підмагнічування – виберемо резистор R₁₁ – змінним [11]:

R7 = С2-22-0,125-1,6 кОм ±5%

R9 =СП3 - 6 - 25 –8,2 кОм ±20%

R8 = С2-22-0,125-8,2 кОм 5%;

С₆ = К10-23 – 3 нФ  50 В 5%

С₇ = К10-23 – 2 нФ  50В 5%

3.4 Підрахунок загальних частотних та нелінійних спотворень підсилювача

Підрахуємо загальні частотні спотворення на нижніх частотах, скориставшись формулою:

М_ЗАГ.Н = М_ОП.Н + М_РЕГ.Н,

де,

М_ОП.Н – спотворення, які вносить ОП на нижніх частотах,

М_РЕГ.Н - спотворення, які вносить регулятор глибини рівня запису на нижніх частотах,

М_РЕГ.Н = 0 дБ,

М_ЗАГ.Н = 0,3 (дБ) < М_ТЗ.Н = 3 (дБ);

Підрахуємо загальні частотні спотворення на верхніх частотах,

скориставшись формулою:

М_ЗАГ.В = М_ОП.В.К + М_РЕГ.В + М_СХ.В

де,

М_ОП.В – спотворення, які вносить ОП на верхніх частотах,

М_РЕГ.В - спотворення, які вносить регулятор глибини рівня запису на вурхніх частотах

М_ЗАГ.В = 2,2+0,67 =2,87 (дБ) < М_ТЗ.В = 3 (дБ);

Розрахуємо нелінійні спотворення підсилювача:

К_Г = К_Г.ОП .

Коефіцієнт нелінійних спотворень беремо з таблиці (2.1,2.2).

К_Г = 0,1% << К_Г.ТЗ = 2 %.

Отже, частотні та нелінійні спотворення розрахованого підсилювача задовольняють технічне завдання.

4. Моделювання пристрою на ЕОМ

4.1 Вибір моделюючої системи

Моделювання будемо здійснювати за допомогою схемного пакету Electronic Workbench 5.0 . Дана верся схемного редактора набагато краща за попередні, і дуже проста у використанні. Єдиним їх недоліком, для нашого використання, є те що ця верся англомовна.

Ми застосували цей редактор через його просте використання , порівняно широкі можливості: в режимі аналізу по змінному струму розраховуються амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), фазочастотна характеристика (ФЧХ) та груповий час затримки (ГЧЗ) між двома будь-якими вузлами з логарифмічним або лінійним масштабом по вісі частот; в режимі аналізу по постійному струму розраховується залежність постійної напруги на будь-якому вузлі схеми як функції постійної напруги на іншому вузлі.

Пакет програм Electronic Workbench 5.0 має менше функціональних можливостей ніж MicroCap V, але він набагато якісніше показує шукані характеристики у вигляді графіків та характеристик, можливість самостійному проектуванні моделей компонентів, що в певних умовах є більш доцільним застосування цього пакету програм .

При роботі в пакеті Electronic Workbench 5.0 схема складається з певних елементів, що вибираються у відповідних компонентних вікнах .Після складення певної схеми, нумеруються вузли схеми, для того, щоб при аналізі можливо було продивитись характеристики певної ланки пристрою, а не всього разом. Щоб аналізувати пристрій чи певну ланку пристрою вибирається в меню пункт аналізу, в ньому є можливість робити аналіз пристрою як за постійним струмом, так і за змінним, а також використовуючи різні функції, отримувати графічні зображення, наприклад, частотного спектру, на основі якого визначається коефіцієнт гармонік .

---

Отож для подальшого дослідження пристрою буде використовуватись пакет моделючих програм Electronic Workbench 5.0.

Проведемо аналіз коректора форми АЧХ на ОП К548УН1А та регулятора глибини рівня запису.

4.2 Вибір моделей компонентів

Для моделювання даної схеми підсилювача було вибрано елементи з бази даних даної моделюючої системи, мікросхему типу LM381AA з параметрами (рис.8,9), та її частотні спотворення (рис.10)

Р исунок 8.—Перший лист із параметрами мікросхеми

Рисунок 9.—Другий лист із параметрами мікросхеми

де,

Open-loop gain – Коефіцієнт підсилення при розімкнутому колі.

Output resistance - Вхідний опір.

Output resistance - Вихідний опір.

Positive voltage swing - Розмах напруги позитиву.

Negative voltage swing - Негативна напруга.

Input offset voltage - Вхідна напруга розбалансу.

Input bias current - Вхідний струм зміщення.

Input offset current - Вхідний виносний струм.

slew rate - Швидкість перегляду файла зображення.

Unity-gain bandwidth - Ширина смуги частот одиничного коефіцієнта підсилення.

Рисунок 10.— Частотні характеристики мікросхеми LM381AA

Моделі пасивних елементів змінювати та корегувати не потрібно , так як при створенні моделі пристрою їхні величини вибираються відповідно до тих , які використовуються в пристрої. Для них не враховуються такі параметри , як наявність паразитних ємностей та індуктивностей , а також активні опори конденсаторів та котушок індуктивності , можливо лише задати залежність зміни основного параметра від температури .

Також в моделях не враховуються такі параметри , як внутрішні опори джерела сигналу та джерела живлення , які в даному підсилювачі не дуже впливають на параметри та характеристики .

Для аналізу АЧХ підсилювача обирається звичайний генератор синусоїдальних сигналів .

4.3 Аналіз моделі пристрою

Створена, модель пристрою, має вигляд (рис.11).

Р исунок 11. — Модель коректора форми АЧХ підсилювача запису

Дана модель представляє собою дещо ідеалізовану модель підсилювача, бо вона , як було сказано вище не враховує всіх особливостей величин елементів , їх паразитних параметрів , та інше.

4.4 Моделювання

В даному пункті ми знімемо частотні характеристики коректора при максимальному та мінімальному положенні регулятора глибини рівня запису та при різних значеннях сталої часу на верхніх та нижніх частотах. Також проаналізуємо модель в пакеті Фур`є. Визначимо залежність потужності шуму на вході та виході від частоти.

Щоб розпочати аналіз пристрою в опціях меню виберемо пункт Analysis (рис.11) і вибираємо потрібний пункт аналізу.

Рисунок 12.— Пункт меню Analysis

де,

DC operating point - Робоча точка постійного струму.

AC frequency – Частота змінного струму.

Transient - Перехідний процес.

Fourier – Фур’є.

Noise – Шум.

Distortion – Порушення.

Parameter sweep - Зачистка Параметра.

Temperature sweep - Температурна зачистка.

Pole-zero - Нуль полюса.

Transfer function - Функція перетворення типу.

Sensitivity – чутливість.

---