Рисунок 7. Структурная схема микросхем К157УЛ1А,Б
Напряжение шумов, приведенное ко входу функционального узла усилителя воспроизведения кассетного магнитофона с магнитной головкой 3Д24Н в полосе частот 0,02...20 кГц, составляет не более 0,5 мкВ, что позволяет получить отношение сигнал/шум не менее 54 дБ [5].
На структурной схеме ИМС (рис. 4.1) показаны: А1, А4 - входной каскад, А5, А6 - каскад основного усиления, А7, А8 - выходной каскад, А2, А3 - стабилизатор режима, задающий и поддерживающий режим входного каскада по постоянному току [5].
Электрическая принципиальная схема микросхемы показана на рисунке 8 [5].
Рисунок 8. Принципиальная схема ИМС К157УЛ1А,Б
Типовая схема включения микросхемы показана на рисунке 9 [5].
Рисунок 9. Типовая схема двухканального усилителя воспроизведения на ИМС К157УЛ1А,Б
Входной каскад с коэффициентом усиления около 30 оптимизирован по отношению сигнал/шум в полосе частот 0,02...20 кГц при его работе совместно с магнитной головкой. Он состоит из одного транзистора VT1 (VT2), включенного по схеме с общим эмиттером и резистивной нагрузкой. Отрицательная обратная связь по постоянному току, которой охвачены транзисторы VT1 (VT2) и VT9 (VT10) через резисторы R1, R5 (R2, R6), стабилизирует режим входного каскада. Чтобы уменьшить уровень шумов в микросхеме предусмотрены специальные меры, в частности коллекторный ток транзистора VT1 (VT2) задан на уровне 50...60 мкА, статический коэффициент усиления по току базы составляет не менее 150, эмиттер имеет форму круга диаметром 100 мкм, эмиттерный переход перекрыт алюминиевой шиной, выводы базы расположены с двух сторон эмиттера.
В основной каскад усиления входят транзисторы VT9, VT13, VT15 (VT10, VT14, VT16), коэффициент усиления около 400. Благодаря уменьшению коллекторного тока транзистора VT9 (VT10) до 30 мкА и увеличению площади эмиттера удалось снижать уровень собственных шумов этого каскада [5].
На выходе усилителя включен эмиттерный повторитель с динамической нагрузкой - транзисторы VT19, VT20 (VT22, VT21) - и защита от короткого замыкания по выходу на VT17 (VT18) [5].
Стабилизируют режим входного каскада основного усилителя диоды VD1...VD4 (VD5...VD8) и транзисторы VT5, VT11, VT13 (VT8, VT12, VT14). Транзистор VT6 (VT7) служит для предотвращения насыщения VT9 (VT10) в момент подачи напряжения питания [5].
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя определяется внешней цепью ООС по току, включаемой между выходом усилителя, и эмиттером транзистора VT1 (VT2), а коэффициент усиления - сопротивлением внешнего резистора, включаемого между выводами 1 (7) и 3 (5) [5].
Чтобы устранять ООС по переменному току во входном усилителе и получить максимальное усиление в каскаде основного усиления, между выводами 14 (8) и 3 (5) включает конденсатор большой емкости. Для устойчивой работы усилителя с магнитной головкой на входе между выводами 2 (6) и 3 (5) также необходимо установить конденсатор. Его емкость определяется индуктивностью магнитной головки и требуемой формой АЧХ [5].
Электрические параметры ИМС К157УЛ1А, К157УЛ1Б при 25±10°С и Uи.п.ном = 9 В [5]
Ток потребения Iпот (по двум каналам), мА,
не более 3...6
Коэффициент усиления по напряжению KуU при
f=0,02...20 кГц без ООС, не менее 8000...13000,
Входное сопротивление Rвх, кОм, не менее 60
Выходное сопротивление Rвых, Ом, не более 300
Коэффициент гармоник Kг, %, при
Uвых=1 В, f=400 Гц, не более 0,2
Коэффициент ослабления соседнего канала, дБ,
не менее 70
Напряжение шумов, приведенное ко входу
Uш.вх, мкВ, при f=0,02...20 кГц, Rист=10 Ом,
фнч=3180 мкс, фвч=70 мкс, не более:
К157УЛ1А 0,3
К157УЛ1Б 0,6...1,0
Предельные эксплуатационные параметры ИМС К157УЛ1А, К157УЛ1Б [5]
Напряжение питания Uи.п, В,
минимальное 8,1
максимальное 20
Выходной ток Iвых, мА, не более 5
Входной ток Iвх, мА, не более : 1
Рассеиваемая мощность Pрас, мВт, не более 250
4.2 Расчет усилителя воспроизведения
Электрическая принципиальная схема усилителя воспроизведения показана на рисунке 10.
Расчет будем производить по методикам [4, 8, 9]
1. Необходимый коэффициент усиления на низких частотах .
2. Необходимый коэффициент усиления на высоких частотах .
Рисунок 10. Усилитель воспроизведения
3. Задаемся сопротивлением R9 из типовой схемы включения кОм
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-1,2 кОм±10%.
4. Задаемся сопротивлением R10 из типовой схемы включения кОм
Выбираем по ГОСТ СП3а-4,7 кОм.
5. Находим коэффициент передачи делителя R9, R10 в среднем положении регулятора R10
,
6. Задаемся сопротивлением R3
Ом
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-91 Ом±10%.
7. Находим сопротивление R5
,
кОм
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-24 кОм±10%.
8. Находим сопротивление R7
,
кОм
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-560 кОм±10%.
9. Находим емкость С3
,
нФ
Выбираем по ГОСТ С50-16-10 мкФ 25В.
10. Находим емкость С9
,
мкФ
Выбираем по ГОСТ С50-16-30 мкФ 25В.
11. Задаемся емкостью С7 из типовой схемы включения мкФ
Выбираем по ГОСТ С50-16-100 мкФ 25В.
10. Находим емкость С5
,
нФ
Выбираем по ГОСТ К22-5-25-5600 пФ±10%
11. Выбираем магнитную головку 3Д24Н
12. Задаемся сопротивлением R1 из типовой схемы включения кОм
Выбираем по ГОСТ СП3а-150 кОм.
13. Задаемся емкостью С1 из типовой схемы включения нФ
Выбираем по ГОСТ К22-5-25-2200 пФ±10%
14. Задаемся сопротивлением R13
Ом
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-91 Ом±10%.
15. Находим емкость С10
,
мкФ
Выбираем по ГОСТ С50-16-100 мкФ 25В.
4.3 Расчет стабилизатора питания двигателя
Электрическая принципиальная схема стабилизатора питания двигателя показана на рисунке 11.
Рисунок 11. Стабилизатор питания двигателя
Выбираем микросхему операционного усилителя К140УД6. Микросхемы представляют собой операционный усилитель средней точности с высоким усилением, малыми входными токами, внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания [6].
Корпус [6]:
К140УД6 типа 301.8-2, масса не более 1,3 г.,
КР140УД6 типа 201.14-1 масса не более 1,1 г,
Внутренняя схема микросхемы показана на рисунке 4.6 [7].
Назначение выводов К140УД6, К140УД608 [6]:
1 - балансировка;
5 - балансировка;
2 - вход инвертирующий;
3 - вход неинвертирующий;
4 - напряжение питания -Uп;
6 - выход;
7 - напряжение питания +Uп;
Рисунок 12. Внутренняя схема
Типовая схема включения показана на рисунке 13 [6].
Рисунок 13. Типовая схема включения
Электрические параметры [6]:
Напряжение питания 15 В 10%
Выходное напряжение не менее 11 В
Напряжение смещения нуля 10 мВ
Входной ток не более 100 нА
Разность входных токов не более 25 нА
Ток потребления не более 4 мА
Коэффициент усиления напряжения не менее 30000
Входное сопротивление 1 мОм
Коэффициент ослабления синфазных
входных напряжений не менее 70 дБ
Скорость нарастания входного напряжения не менее 0,5 В
Частота единичного усиления не менее 0,35 МГц
Предельно допустимые режимы эксплуатации [6]:
Напряжение питания (5...18) В
Входное синфазное напряжение 15 В
Входное дифференциальное напряжение не более 30 В
Температура окружающей среды -10...+70 ° C
Выбираем электродвигатель EG-530AD6F
Напряжение питания 6 В
Ток потребления 160 мА
Максимальное число оборотов 2400 об/мин
1. Напряжение на неинвертирующем входе DA1
,
В.
2. Выбираем транзистор VТ1
КТ815А
3. Напряжение на эмиттере транзистора VT1
,
В.
4. Напряжение на базе транзистора VT1
,
В.
5. Входное напряжение DA1
,
В
6. Напряжение на инвертирующем входе DA1
,
В
7. Находим сопротивление R1
,
кОм
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-1 кОм±10%.
8. Выбираем диод VD1
КД521А
9. Выбираем стабилитрон VD2
КС133А
10. Находим сопротивление R3
,
Ом
Выбираем по ГОСТ МЛТ-0,25-4,3 Ом±1%.
11. Находим сопротивление R2
,
кОм
Выбираем по ГОСТ СП3а-1 кОм.
4.4 Расчет блока питания
Электрическая принципиальная схема блока питания показана на рисунке 14.
Рисунок 14. Принципиальная схема блока питания
Расчет будем производит по методике [10].
1. Токи потребления каскадами от источника питания
,
А.
2. Мощность, потребляемая от источника питания
,
Вт.
3. Найдем сопротивление нагрузки выпрямителя
,
Ом.
4. Средний ток вентиля
,
А.
5. Выбираем в качестве вентилей диоды Д226
А,
В,
В,
В,
В.
6. Внутреннее сопротивление вентиля
Ом
7. Выбираем стандартный трансформатор
ТПП-232-127/220-50
Параметры трансформатора:
1. Сердечник: ШЛМ20х16,
2. Мощность: 9 Вт,
3. Ток первичной обмотки: 0,11/0,061 А.
4. Масса: 0,65 кг.
Расположение выводов обмоток показано в таблице 2.
Таблица 2. Расположение выводов
|
Выводы обмоток |
Напряжение, В |
Допустимый ток, А |
|
|
11-12 |
5,04 |
0,4 |
|
|
13-14 |
5,05 |
0,4 |
|
|
15-16 |
10 |
0,4 |
|
|
17-18 |
10 |
0,4 |
|
|
19-20 |
2,63 |
0,4 |
|
|
21-22 |
2,63 |
0,4 |
Напряжение на отводах первичных обмоток трансформатора:
между выводами 1 и 2, 6 и 7 - 7 В;
между выводами 2 и 3, 7 и 8 - 100 В;
между выводами 3 и 4, 8 и 9 - 20 В;
между выводами 4 и 5, 9 и 10 - 11 В.
При использовании трансформатора на 220 В необходимо соединить выводы 3 и 7 и подать напряжение 220 В на выводы 2 и 9 или соединить выводы 4 и 7 и подать напряжение 220 В на выводы 2 и 8.
Ориентировочные значения активного сопротивления обмоток и индуктивности рассеяния трансформатора
Ом
мГн
8. Активное сопротивление фазы выпрямителя r
Ом
9. Относительное реактивное сопротивление фазы
,
.
10. Действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора
,
В
11. Амплитудное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора
,
В.
12. Рассчитываем емкость
мФ
Выбираем по ГОСТ К50-16-2,5 мФ±10%
13. Задаемся емкостью
нФ
Выбираем по ГОСТ К22-5-25-1 нФ±10%
14. Выбираем микросхему стабилизатора DA1
L7809
Выводы по главе 4
В данном разделе произведен выбор элементной базы, разработаны электрические принципиальные схемы: усилителя воспроизведения, стабилизатора и блока питания, а также произведен расчет узлов.
Заключение
В выпускной квалификационной работе выполнены следующие разделы:
1. В обзоре показано, что современные устройства воспроизведения магнитной записи строились на специализированных микросхемах, поэтому можно выбрать микросхему с необходимыми параметрами согласно техническому заданию.
2. Для разработки устройства воспроизведения с аудиокассет необходимы следующие блоки: усилитель с частотно-зависимой отрицательной обратной связью; блок питания и стабилизатор напряжения питания двигателя.
3. Из сигнала, поступающего с магнитной головки Uс, вычитается напряжение отрицательной обратной связи Uос. Напряжение отрицательной обратной связи зависит от частоты, т.к. необходимо получить форму АЧХ усилителя определенной формы.
4. В данном разделе произведен выбор элементной базы, разработаны электрические принципиальные схемы: усилителя воспроизведения, стабилизатора и блока питания, а также произведен расчет узлов.
Список литературы
1. Магнитная звукозапись [Электронный ресурс]. Википедия -- свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_звукозапись (дата обращения: 06.05.2016).
2. Магнитная лента [Электронный ресурс]. Википедия -- свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_лента (дата обращения: 06.05.2016).
3. Магнитные ленты [Электронный ресурс]. Катюша -- аудио видео оборудование для профи. URL: http://www.tps-katyusha.ru/all/mag_lenta_info.html (дата обращения: 06.05.2016).
4. Пряников B.C. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Курс лекций, Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2009. 201 с.
5. Атаев Д.И.О., Болотников В.А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Справочник. М.: Изд-во МЭИ. 1991. 240 с.
6. К140УД6, КР140УД6, КР140УД608 - операционные усилители средней точности с внутренней частотной коррекцией [Электронный ресурс]. URL http://www.qrz.ru/reference/micro/140/ud6.shtml (дата обращения: 06.05.2016).
7. 140УД6, 740УД4/6, 820УД1 Высококачественные операционные усилители общего применения [Электронный ресурс]. URL http://www.155la3.ru/datafiles/820ud1.pdf (дата обращения: 06.05.2016).
8. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Метод. указ. к курсовому проекту / сос. В.С. Пряников; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2010. 196 с.
9. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией Н.В. Терпугова. М.: Высшая школа, 1982 г. 260 с.