Електричні розрахунки каскадів пристрою з інтегральною мікросхемою К174УН14

3. Електричні розрахунки каскадів пристрою.

3.1. Розрахунок каскаду кінцевого підсилення.

У якості підсилювального каскаду використовується інтегральна мікросхема К174УН14, можливість використання якої в якості заміни усіх каскадів на транзисторах VT1-VT6 обргунтовано у другому пункті. Мікросхему використовуємо за стандартною схемою включення:

Рисунок 5 - Типова схема включення інтегральної мікросхеми К174УН14.

С1=0,1мкФ; С2=100мкФ; С3=2,2мкФ; С4=470мкФ; С5=39пФ; С6=1000мкФ; С7=0,1мкФ; R1=39Ом; R2=220Ом; R3=1Ом; R4=2,2Ом.

Параметри для розрахунку схеми підсилювального каскаду на ІМС беруться з розрахунку структурної схеми. Ці параметри наступні:

4,5Вт;

48дБ;

0,25%;

100Гц;

10кГц;

0,1дБ;

1,8дБ;

150кОм.

Визначимо амплітуду вихідної напруги мікросхеми:

;

5,66В;

Визначимо амплітуду вхідної напруги мікросхеми:

;

22,63мВ;

А через те, що частотний детектор, який є джерелом сигналу, видає напругу у діапазоні 20...100мВ, то можна зробити висновок, що каскади попереднього підсилення у даному випадку не потрібні.

Значення розділової ємності розраховується за такою формулою:

;

74,9·10Ф;

Для покращення частотних властивостей підсилювача приймемо стандартне значення ємності К53-14-82нФх25В10%.

Спотворення від розділової ємності розраховуються за формулою для коефіцієнта передачі фільтра високої частоти:

;

0,9989;

тоді 1,0011=4,77·10дБ.

Графіки для типової мікросхеми К174УН14 мають вигляд [4]:

Рисунок 6 - Залежність вихідної потужності від напруги живлення на частоті 1кГц та температурі навколишнього середовища 25 ºС.

По цьому графіку вибирається напруга живлення. З графіка напруга живлення становить 9В. З певним запасом потужності вибирається  12В.

Рисунок 7 - Частотна залежність коефіцієнта підсилення при напрузі живлення 15В та опорі навантаження 4Ом.

З графіку визначається коефіцієнт частотних спотворень на частоті 10кГц: 0,17дБ.

Рисунок 8 - Залежність коефіцієнта гармонік мікросхеми від вихідної потужності при напрузі живлення 15В, коефіцієнті підсилення 40дБ та частоті вхідного сигналу 1кГц.

З графіка визначаємо коефіцієнт нелінійних спотворень для потужності 2Вт: 0,1%, що значно нижче, ніж вимагається у ТЗ.

3.2. Розрахунок регулятора форми АЧХ.

Регулятор тембру згідно ТЗ повинен підсилювати та ослабляти вхідний сигнал на 15дБ у діапазонах НЧ, СЧ та ВЧ. Обрано для розробки регулятор тембру на операційному підсилювачі. АЧХ, яка забезпечується такими регуляторами, симетричні відносно одиничного підсилення при завалі та підйомі, характеризуються малими нелінійними спотвореннями.

Три смуговий регулятор тембру являє собою об’єднання активного регулятору тембру и фільтру другого порядку. Цей пристрій призначений для регулювання коефіцієнта підсилення у різних частотних областях (НЧ, СЧ та ВЧ). Активний регулятор тембру для областей НЧ та ВЧ зображено на мал.9.

Рисунок 9 - Активний регулятор тембру.

Регулювання нижніх частот:

Межі регулювання:

;

Частота максимального підйому:

;

Частота, на якій підйом чи спад дорівнюють нулю, коли є максимальний підйом чи спад на частоті :

;

Регулювання верхніх частот:

Межі регулювання:

;

Частота максимального підйому:

;

Частота, на якій підйом чи спад дорівнюють нулю, коли є максимальний підйом чи спад на частоті :

;

Схема регулятора тембру представлена на рисунку:

           

Рисунок 10 - Схема активного регулятора тембру.

АЧХ, яку забезпечує даний активний регулятор тембру, можна побачити на наступному рисунку:

     

Рисунок 11 - АЧХ активного регулятора тембру.

Але згідно ТЗ регулятор тембру повинен забезпечувати регулювання не тільки в областях НЧ та ВЧ, але й у СЧ області частотного діапазону. Регулювання форми АЧХ у області СЧ здійснюється за допомогою еквалайзера, який представляє собою регульований смуговий фільтр другого порядку (або “коректор Боде”). АЧХ такого фільтру має вигляд:

Рисунок 12 - АЧХ фільтра другого порядку.

Центральна частота:

;

Кроковий коефіцієнт (крок розносу центральних частот):

;

В якості центральної частоти часто використовується частота 1кГц, кроковий коефіцієнт , де  - кількість частотних смуг на октаву. Добротність  при максимальному підйомі чи спаді АЧХ слід вибирати з умови:

;

Центральна частота:

;

Максимальний підйом чи спад:

;

Добротність:

;

Трьохсмуговий регулятор форми АЧХ отримується шляхом об’єднання активного регулятора тембру і смугового фільтру другого порядку. Схема трьох смугового регулятора тембру зображено на рисунку:

Рисунок 13 - Трьохсмуговий регулятор форми АЧХ.

АЧХ, який забезпечується таким регулятором тембру можна побачити на наступному рисунку: 

Рисунок 14 - АЧХ трисмугового регулятора тембру.

Середні частоти:

=6321,19;

1006,56Гц;

Максимальний підйом чи спад:

=9,84;

Добротність дорівнює:

=0,98;

Високі частоти:

Максимальний підйом:

19,33;

Граничні частоти:

937Гц;

7204,84Гц;

Низькі частоти:

Максимальний підйом:

10,09;

Граничні частоти:

341Гц;

159,15Гц.

3.3. Розрахунок регулятора гучності.

Регулятор гучності застосовується такий, що дає змогу підключити його безпосередньо до операційного підсилювача:

                                 

Рисунок 15 - Схема регулятора гучності.

Мінімальний рівень сигналу у даному випадку встановлюється за допомогою додаткового опору . Приймається 680Ом ,тоді для забезпечення заданої у ТЗ глибини регулювання гучності  40дБ або 100раз опір змінного резистора  обирається:

100·680=68000Ом;

З довідника [3] обирається змінний резистор СП2-1 з параметрами:

Номінальна потужність 0,5Вт;

Межі номінальних опорів: 47Ом...100кОм;

Межова номінальна напруга: 120В.

Таким чином регулятор гучності буде мати глибину регулювання:

138,5=42,8дБ;

Таким чином розроблений регулятор гучності відповідає вимогам, поставленим у ТЗ.