ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К курсовому проекту
по курсу “Схемотехника аналоговых электронных устройств ”
Тема: «Расчет усилителя звуковой частоты»
Вариант№11
Выполнил студент гр. Р-25: Кондаков А. В.
Проверила преподаватель: Шибаева Е.М
Таганрог 2008
Лист замечаний
Содержание
Введение…………………………………………………………………..….4
Техническое задание………………………………………………………...5
Анализ технического задания ……………………………………………....6
Выбор и обоснование схемы электрической структурной………………..7
Расчет схемы электрической принципиальной……………………………8
Регулятор тембра……………………………………………………………..9
Регулятор громкости……………………………………………………..….10
Делитель напряжения………………………………………………..……...11
Источник питания……………………………………………………………12
Расчет АЧХ ………………………………….………………………………..13
Схема усилителя в среде Micro Cap…………………………………………15
Построение АЧХ усилителя мощности звуковой частоты………………..16
Заключение……………………………………………………………..……..17
Приложение №1……………………………………………………………..18
Приложение №2……………………………………………………………..19
Приложение №3……………………………………………………………..20
Приложение №4……………………………………………………………..21
Приложение №5……………………………………………………………..24
Приложение №6……………………………………………………………..27
Список литературы………………………………………………………….28
Введение
В настоящее время технические возможности передачи, записи и воспроизведения звука достигли такого совершенства, что позволяет осуществлять воспроизведение сигналов звуковых частот от 20 до 20 000 Гц и более при больших динамических уровнях с минимальными частотными и нелинейными искажениями.
Усилители низкой частоты являются одним из важнейших структурных элементов звуковоспроизводящих радиотехнических устройств. Развитие усилительных устройств тесно связано с совершенствованием электронных приборов, сначала ламп, затем транзисторов и интегральных микросхем. Резкий скачок в усовершенствовании усилителей произошел после того, как нашла применение отрицательная обратная связь.
В настоящее время в основном используются усилители на основе интегральных микросхем. Современные усилительные устройства разрабатываются в направлении улучшения качества звуковоспроизведения.
В современной усилительной технике применяют бестрансформаторные усилители мощности, которые имеют сравнительно малые габариты, обеспечивают высококачественное воспроизведение. Все шире используются схемы в интегральном исполнении, которые могут содержать десятки тысяч элементов. С их помощью возможна реализация усилителей с низким уровнем шумов, большой полосой пропускания, высоким входным и низким выходным сопротивлением. Широкое распространение получили операционные усилители, на основе которых можно сконструировать отдельные каскады и структурные блоки усилителя.
Необходимо также отметить тенденцию к расширению полосы пропускания усилителей до 50 – 60 кГц и уменьшению коэффициента нелинейных искажений до тысячных долей процента, что позволяет добиться естественности звучания.
Техническое задание
1. Выходная мощность Pвых, 7 Вт
2. Сопротивление нагрузки Rн, 4 Ом
3. Входное напряжение Uвх , 35мВ
4. Сопротивление источника сигнала Rис, 75 Ом
5. Нижняя граничная частота fн, 35 Гц
6. Верхняя граничная частота fв, 12 кГц
7. Уровень частотных искажений, Мн=Мв 0,7
8. Коэффициент нелинейных искажений, не более 1 %
9. Предусмотреть Плавную потенциометрическую регулировку громкости
Анализ технического задания
В данном курсовом проекте техническое задание состоит в проектировании усилителя звуковой частоты на основе интегральных микросхемах. В задачу входит выбор типа электронных компонентов, входящих в состав устройства.
Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. После этого следует выбрать интегральную микросхему и, при необходимости, принципиальную схему предварительного усилительного каскада.
При проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости, входящих в него компонентов. Используется плавная потенциометрическая регулировка громкости в виду ее более простой технической реализации, а так же удобстве при использовании.
При выборе интегральной микросхемы пришлось немного отойти от технического задания в виду возможности обеспечения данной микросхемой верхней граничной частоты 20кГц и нижней граничной частоты 40 Гц, что в свою очередь только улучшит качество воспроизводимого звука.
Выбор и обоснование схемы электрической структурной
Для обеспечения требуемых в техническом задании характеристик для усилителя звуковых частот будем применять в качестве основного тракта усиления схему с применением интегральной микросхемы в виде усилителя мощности звуковой частоты. Но этого недостаточно, поскольку требования предъявляются также и к входным характеристикам усилителя. Для достижения приемлемых параметров на входе усилителя будем использовать в качестве первого каскада усилителя – делитель напряжения. Для формирования выходных параметров усилителя требуется применение оконечного каскада усиления. Современный ряд микросхем серии LM имеет выходные характеристики очень широкого выбора, поэтому без труда можно выбрать именно такую микросхему, чтобы она полностью удовлетворяла требованиям, накладываемым техническим заданием на курсовое проектирование.
Рис.1 Схема электрическая структурная 
Расчет схемы электрической принципиальной
Схема электрическая принципиальная и перечень элементов к ней приведены в приложении. Согласно техническому заданию была выбрана интегральная микросхема LM383. Она представляет собой усилитель мощности звуковой частоты и применяется в высококачественной звуковоспроизводящей и телевизионной аппаратуре, а так же устойчива при тепловых перегрузках и не выходит из строя при коротких замыканиях в нагрузке. Еп=14В, Rн =4 Ом, Рвых = 7 Вт. Рассчитаем напряжение на выходе:
Коэффициент усиления равен 
.
Окончательно получим: 
=7.5/251=30 мВ.
Технические параметры микросхемы LM383:
fн = 40 Гц
fв =20 кГц
Регулятор тембра
Темброблок определяет такие параметры усилителя как уровень шума, коэффициент гармоник, диапазон регулировки частотной характеристики. До недавнего времени для регулировки тембра использовали в основном только пассивные перестраиваемые RC фильтры, которые ослабляли сигнал в несколько раз, вносили дополнительные шумы и искажения. Такие устройства вносили усложнения в схему, вызывали необходимость компенсации ослабления, путем включения дополнительных каскадов усиления.
В настоящее время в высококачественной аппаратуре используются активные регуляторы тембра, которые свободны от вышеперечисленных недостатков, свойственных пассивным цепям. Они позволяют получить подъем или спад частотной характеристики на низких или высоких частотах диапазона воспроизведения.
Регулятор тембра будет базироваться на активном элементе (операционном усилителе), так как активные регуляторы тембра обладают следующими качествами:
- в нейтральном положении регулятора (равномерная передача во всей полосе частот) затухание равно 0 дБ, коэффициент усиления усилителя К=1, благодаря чему нелинейные искажения и шум снижаются.
- низкоомный выход
- возможность применения потенциометра с линейной характеристикой регулирования
В качестве ОУ для регулятора тембра был выбран NE 5534.
В приложении 2 представлена схема регулятора тембра на основе операционного усилителя..
Регулятор громкости
Для регулятора громкости выберем схему плавной потенциометрической регулировки в виду максимальной простоты ее реализации. В качестве потенциометра R воспользуемся переменным резистором.
Нормальная работа регулятора громкости будет достигаться при выполнении соотношения что сопротивление на регуляторе громкости будет намного больше чем выходное сопротивление регулятора тембра.
Делитель напряжения
Делитель напряжения необходим для обеспечения необходимого уровня сигнала на вход оконечного каскада усиления.
Входной сигнал согласно техническому заданию 35 мВ, но для того что бы получить выходную мощность 7 Вт на выходе при сопротивлении нагрузки в 4 Ом, нужно на микросхему подать напряжение в 30 мВ. Следовательно, подберём сопротивления R13 и R14, чтобы получить напряжение на микросхеме в 30 мВ.
Возьмём R13 = 1.2 кОм, тогда R14 = 7.5 кОм.
Источник питания
В качестве источника питания используем однополярный источник питания
с U = ± 15 В, что обусловлено необходимостью питать микросхемы УМЗЧ тембра.
расчёт АЧХ
Известно, что на частотах 35Гц и 12 кГц коэффициент передачи усилителя должен составлять 0,7 от максимального значения. АЧХ усилителя на нижних частотах определяется разделительными конденсаторами и сопротивлениями нагрузки каждого каскада в отдельности.
Заданный коэффициент частотных искажений 
|
|
Расчет емкостей, влияющих на АЧХ на нижних частотах
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет емкостей, влияющих на АЧХ на верхних частотах
|
|
|
|
|
|
Схема усилителя в среде Micro Cap.
 |
Построение АЧХ усилителя мощности звуковой частоты
 |
Заключение
Данная работа выполнена в соответствии с требованиями, которые были предъявлены в техническом задании. Был проведён выбор схемы электрической структурной, на основе которой осуществлялся эскизный расчёт схемы. Далее была разработана схема электрическая принципиальная. Разработка производилась с применением современной элементной базы, что несколько улучшило показатели разработанного усилителя звуковой частоты относительно предлагаемых требований. Достаточно детально исследовались некоторые узлы и блоки, из которых состоит усилитель звуковой частоты, был произведён расчёт элементов схемы включения микросхемы. Было произведено их моделирование на ЭВМ с использованием специального пакета программ и построены соответствующие диаграммы и характеристики. Курсовой проект является закреплением теоретического материала по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств» и может служить базой для дальнейших исследований в области усиления и обработки сигналов. В итоге удалось спроектировать простое и качественное устройство, которое удовлетворяет исходным априорным данным. Использование импортного операционного усилителя и интегральной микросхемы позволило обойтись без дополнительного промежуточного каскада усиления.
Приложение1 Электрическая схема
 |
Приложение 2 Перечень элементов
| Поз. обозначе ние | Наименование | Кол. | Прим. | ||||||||
| R1 = 68 KOm+ | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R2, R5=6.8 KOm+ | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R3, R6, R11=2.2KOm+ | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R4 = 12KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R7 = 18 KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R8 = 1 MOm | МЛТ-0.25 | ||||||||||
| R9 = 39 KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R10 = 220 KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R12 = 1 KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R13 = 1.2 KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R14 = 7.5 KOm | МЛТ-0.125 | ||||||||||
| R15=10KOm | |||||||||||
| R16, R17=25KOm | |||||||||||
| С1=0,764 нФ | |||||||||||
| С2, =47 мкФ | |||||||||||
| С3, С7, С8 =68 нФ | |||||||||||
| С4=3.9 нФ | |||||||||||
| С6=150 пФ | |||||||||||
| С9=0,512 нФ | |||||||||||
| С10=470 мкФ | |||||||||||
| С11=100 мкФ | |||||||||||
| С12=100 нФ | |||||||||||
| С13=39 нФ | |||||||||||
| С14=1.536 мФ | |||||||||||
| С15=8.12 мкФ | |||||||||||
| NE 5534 | Операционный усилитель | ОУ | |||||||||
| LM383 | Интегральная микросхема | микросхема | |||||||||
| ЦТРК.050057.11 | |||||||||||
| Изм. | Лист | № документа | Подп. | Дата | Усилитель звуковых частот Перечень элементов | Лит. | Л | Л | |||
| Разработал | Кондаков А. В. | 1 | 1 | ||||||||
| Проверил | Шибаева Е.М. | Р – 25 | |||||||||
Приложение 3 Схема регулятора тембра
Приложение 4
Основные и дополнительные параметры и характеристики операционного усилителя NE 5534
| Рабочая температура | Упаковки | Упорядоченный номер партии | Маркировка | |
| 0°C to 70°C | PDIP (P) | Tube of 50 | NE5534P | NE5534P |
| Tube of 50 | NE5534AP | NE5534AP | ||
| SOIC (D) | Tube of 75 | NE5534D | NE5534 | |
| Reel of 2500 | NE5534DR | |||
| Tube of 75 | NE5534AD | 5534A | ||
| Reel of 2500 | NE5534ADR | |||
| SOP (PS) | Reel of 2000 | NE5534PSR | N5534 | |
| -40°C to 85°C | PDIP (P) | Tube of 50 | SA5534P | SA5534P |
| Tube of 50 | SA5534AP | SA5534AP | ||
| SOIC (D) | Tube of 75 | SA5534D | SA5534 | |
| Reel of 2500 | SA5534DR | |||
| Tube of 75 | SA5534AD | SA5534A | ||
| Reel of 2500 | SA5534ADR | |||
| SOP (PS) | Tube of 80 | SA553APS | SA5534 | |
| Reel of 2000 | SA553APSR |
Рис.2. Принципиальная электрическая схема ОУ NE5534
| MIN MAX | номинал | ||
| V CC+ | Питающее напряжение | 5 +15 | V |
| V CC- | Питающее напряжение | -5 -15 | V |
| Параметр | Условия тестирования | MIN | TYP 0.5 | MAX | UNIT | ||
| V IO | смещение входного напряжения | V0 = 0, RS = 50 Ω | TA = 25°C | mV | |||
| T = Full range A | |||||||
| I IO | смещение входного тока | V = 0 O | TA = 25°C | nA | |||
| T = Full range A | |||||||
| I IB | Спад(отклонение) входного тока | V = 0 O | TA = 25°C | nA | |||
| T = Full range A | |||||||
| V ICR | Common-mode input voltage range | ±12 | ±13 | V | |||
| V O(PP) | Максимум изменения двойной амплитуды выходного напряжения | RL ≥ 600 Ω | VCC ± = ±15 V | V | |||
| VCC ± = ±18 V | |||||||
| A VD | Large-signal differential voltage amplification | VO = ±10 V, RL ≥ 600 Ω | TA = 25°C | V/mV | |||
| T = Full range A | |||||||
| A vd | Small-signal differential voltage amplification | f = 10 kHz | C = 0 C | V/mV | |||
| C = 22 pF C | 2.2 | ||||||
| B OM | Максимум выходного езменения полосы пропускания | VO = ±10 V | C = 0 C | kHz | |||
| C = 22 pF C | |||||||
| VCC ± = ±18 V, RL ≥ 600 Ω, | VO = ±14 V, C C = 22 pF | ||||||
| B 1 | Unity-gain bandwidth | C = 22 pF, C | C = 100 pF L | MHz | |||
| r i | Входное сопротивление | k Ω | |||||
| z o | Выходной импенданс | A = 30 dB, VD C = 22 pF, C | RL ≥ 600 Ω, f = 10 kHz | 0.3 | Ω | ||
| CMRR | Common-mode rejection ratio | V0= 0, RS = 50 Ω | , V = V min IC ICR | dB | |||
| k SVR | Supply-voltage rejection ratio (∆VCC/∆VIO) | VCC+ = ±9 V to ±15 V, V0= 0 | RS = 50 Ω, | dB | |||
| I OS | Выходной ток КЗ | 38 4 | mA | ||||
| I CC | Ток питания | V = 0, No load O | Ta = 25°C | mA |
Изображение ОУ NE5534.
Приложение 5 Схема усилителя мощности звуковых частот Основные параметры и внешний вид УМЧЗ.
Эквивалентная электрическая схема LM 383.
Основные параметры усилителя мощности звуковых частот.
Наглядное изображение LM 383
Внешний вид усилителя мощности звуковых частот.
Приложение 6 Регулятор громкости
 |
Список используемой литературы.
1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроительных специальных вузов. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Высшая школа, 1991. 662с
2. Резисторы: Справочник / Под редакцией Четверткова И.И. Терехова В.М. М.: Радио и Связь, 1987. 352с.
3. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. - М.: "Радио и связь" 1989 г
4. Интегральные микросхемы: Справочник / Под редакцией Тарабрина Б.В. М.: Радио и Связь, 1984. 528с.
5. Гершунский Б.С. справочник по расчету электронных схем. К.:Высш. шк., 1983г. 240с
6. Цыкин Г.С. Электронные усилители. - М.: Изд-во "Связь" 1965 г
7. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой технике. Пер. с нем. М.: Мир, 1991г. 446с.