Підсилювач для спрямованого мікрофона

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦИИ.

ПО ВИЩОМУ ОБРАЗОВАНИЮ.

Уральський державний технічний університет — УПИ.

Радіотехнічний факультет.

Кафедра «Радіоприймальні устройства».

Підсилювач низькою частоти для спрямованого микрофона.

Пояснювальна записка до курсовому проекту по курсу.

«Аналогові електронні устройства».

Руководитель:

. Студент:

Номер Залікової книжки:

Оцінка работы:

_____________________________________________________________.

г. Екатеринбург 1997 г.

1. ЗАПРОВАДЖЕННЯ.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... 3.

2. ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

1. Технічне завдання.. .. .. .. .. .. .. .. .. 4.

2. Эскизное проектування.. .. .. .. .. .. .. .. 5.

3. РОЗРАХУНОК КАСКАДІВ УСИЛИТЕЛЯ.

1 Розрахунок кінцевого каскаду.. .. .. .. .. .. .. .. 8.

2 Розрахунок активного RC-фильтра.. .. .. .. .. .. .. .11.

3 Розрахунок каскадів попереднього посилення.. .. ... .14.

4. ВИСНОВОК.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .15.

ДОДАТОК.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .16.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК.. .. .. .. .. .. .. ... 20.

Нині прослуховування розмов вже є прерогативою лише спецслужб. У продаж надходить різна апаратура для прослуховування і запис розмов, хоча вона є простий, ніж застосовуваний спецслужбами.

Цей підсилювач призначений посилення сигналів прийнятих будь-яким спрямованим мікрофоном. Найбільше посилення виходить буде в діапазоні частот 300 — 3400 гц, тобто. тих частот у яких розташовується людська мова. З використанням спрямованого мікрофона вміщеного в резонатор вдається прослуховувати мова об'єкта з відривом до 500 метрів за умовах прямий видимості, ні з деякої відстані через залізні дверцят і бетонні стіни невеличкий толщины.

Принципова електрична схема приведено малюнку 1 (див. Приложение).

2. ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

2.1. Технічне завдання на курсової проект усилительного устройства.

Спроектувати підсилювальне пристрій, призначене посилення сигналів промови які від приймаючої блоку переговорного устрою. Одержати потужність не вдома щонайменше 20 мВт для підключення громкоговорителя.

Підсилювач повинен мати такими характеристиками:

1. Коефіцієнт акустичного посилення — щонайменше 65 дБ.

2. Напруга харчування — 9 В.

3. Вихідна потужність — щонайменше 20 мВт.

4. Коефіцієнт гармонік — трохи більше 7%.

5. Діапазон частот — не вже 100−5000 Гц.

6. Вихідний напруга на гучномовці - щонайменше 3,5 В.

7. Вхідний напруга — трохи більше 2 мВ.

8. Діапазон робочих температур від -45(С до +50(С.

2. Эскизное проектирование.

1. Вибір елементної базы.

Задля реалізації даного підсилювача як елементної бази виберемо такі дискретні элементы:

I. Як активних елементів використовуємо: а вихідному каскаді - малошумливі біполярні транзистори — їх переваги перед ІМС — найкраща опірність кліматичним і присвячених різним зовнішніх чинників; вони змогли дешеві, ніж ІМС; - недоліки — менший коефіцієнт посилення, більший рівень шумів; б) в каскаді попереднього посилення — операційний підсилювач, так як він коефіцієнт гармонік значно нижчі від, ніж в транзисторного каскаду і більший коефіцієнт посилення; в) в активному RC-фильтре — операційний усилитель.

2. Монтаж дискретних елементів здійснюється шляхом друкованого монтажа.

2 Вибір типів каскадов.

Реалізований підсилювач складається з 4-х каскадов:

— 2-х каскадів попереднього посилення — їх завданням є посилення сигналів до величини достатньої для порушення вихідного каскада;

— вихідного каскаду — його завдання посилення потужності сигналу рівня достатнього для прослуховування на головних телефонах;

— активного фільтра — його завдання відсікання «шумових» ВЧ складових, прийнятих микрофоном.

3 Вибір схеми кінцевого каскада.

Двотактний оконечный каскад зібрано по бестрансформаторной схемою. Такий тип каскаду характеризується простотою схеми, відсутністю нестандартних деталей, високими якісними показниками, вищої стабільністю, ніж в трансформаторних каскадів, малими габаритами і вагою. Недоліки бестрансформаторных каскадів — менший коефіцієнт посилення по потужності, ніж в трансформаторних каскадів, отже велика потужність, споживана від предоконечного каскаду, і вищий коефіцієнт нелінійних спотворень. Застосування глибшої, ніж у трансформаторних каскадах, негативною зворотний зв’язок дає змогу знижувати нелинейные спотворення до величини, який перевищує нелинейные спотворення в каскадах з трансформаторами.

Цей каскад працює у режимі класу АВ і має досить високий к.п.д. (порядку 70%). Сумарний струм плечей каскаду перебуває як середнє за полпериода:

Jп.ср.=(2Jmк)/(.

Вихідна потужність віддана транзисторами Р (=UmкJmк/2, а потужність харчування Рп=ЕпJп.ср. Тому к.п.д. як АВ:

(= Р (/Рп=((/4 (78,5%.

де (=Umк/Еп — коефіцієнт використання напруги питания.

Каскад слабко чутливий до пульсаціям яке живить напруги Єп, завдяки їхнім компенсації разностном струмі. При пульсациях Єп струми спокою обох плечей змінюються однаково, тому їх різницю продовжує залишатися рівної нулю.

4. Вибір активного RC-фильтра.

Першої завданням синтезу є перебування функції, з допомогою якої можна побудувати фільтр. АЧХ фільтра, задовольняючи умовам фізичної можливості бути реалізованим і технічним вимогам, повинна найкраще наближатися до ідеальної АЧХ. Процес перебування такий функції називається аппроксимацией. Будь-яка фізично реалізована електрична ланцюг має коефіцієнт передачи:

К (р)=Uвых (р)/Uвх (р).

(2.2.4.1).

Тому завдання апроксимації у тому, що з класу функцій (2.2.4.1) вибрати такі, квадрат модуля яких найкраще наближається до одиниці не більше смуги пропускання і нанівець поза ее.

Критерієм якості апроксимації у разі служить її монотонність, і найкращою апроксимуючої функцією буде та, яка забезпечує найкращу точність апроксимації із усіх монотонних функцій класу (2.2.4.1) однакового порядку. Монотонну апроксимацію здійснюють методом Тейлора. У цьому найкращими є функції, квадрат модуля яких виявляється полиномами Баттерворта. За характером апроксимації вона максимально плоская.

Другий завданням синтезу є реалізацією знайденою апроксимуючої функції, тобто. визначення її основі структурної (функціональної) схеми устрою, модуль коефіцієнта передачі якої задовольняє які висуваються технічним вимогам, і найкраще наближається до ідеальної АЧХ. Як критерію оптимальності може бути мінімум числа елементів схеми, мінімум чутливості характеристик ланцюга до зміни у часі чи технологічного розкиду величин її элементов.

Наступною завданням синтезу є розрахунок елементів обраної електричної цепи.

5. Вибір каскадів попереднього усиления.

Каскад попереднього посилення є двухкаскадный підсилювач, виконаний з урахуванням ЗУ з неинвертирующим включенням. І тому необхідні ЗУ, мають неинвертирующий вхід щодо вхідних сигналів і инвертирующий для підключення ланцюга зворотний зв’язок. Перевагою такого включення є високе вхідний опір (приблизно таку ж, як вхідний опір ЗУ), що уможливлює підключення мікрофона, для яких опір навантаження досить високо. Недоліком такого включення є зростання власних шумів усилителя.

6. Вибір регулювання усиления.

Регулятор гучності ставлять у ланцюг ОС вхідного каскада.

При зміщення ползунка змінюється рівень вхідного сигналу й відбувається регулювання посилення шляхом зміни загасання вхідного сигнала.

При застосуванні даної схеми регулювання посилення, змінюється лише рівень вихідного сигналу, інші ж параметри залишаються неизменными.

3. РОЗРАХУНОК КАСКАДІВ УСИЛИТЕЛЯ.

1. Розрахунок кінцевого каскада.

При побудові даного двухтактного каскаду використовуються два транзистора з близькими за величиною параметрами. Вихідними даними є потужність, віддана на додачу Рвых, й відвертий спротив навантаження Rн. Розрахунок проведемо на одне плеча каскаду графоаналитическим методом.

Транзистори вибираються по припустимою потужності розсіювання на колекторі Ркmax і максимальною амплітудою коллекторного струму Iкmax.

Ркmax ((0,25 — 0,3) Рвых = 5 — 6 мВт (3.1.1).

Iкmax (((2Рвых/Rн)=((2*0,02/300)=11,5*10−3 А.

Як пари транзисторів приймаємо транзистори МП16Б і МП38А.

По вхідний характеристиці транзистора МП38А (рис. 3.1.1) визначаємо вихідну робочу точку: Uбэ0=0,145 У і Iб0=25*10−6А.

[pic].

Рис. 3.1.1.

Э.д.с. джерела харчування знаходимо з условия:

2Uкэmax (Єп (2(Uнач+Umн) (3.1.2) де Uкэmax=15 У, Uнач=1 У, Umн=((2Pвых*Rн)=((2*0,02*300)=3,5 В.

Тоді Єп вибираємо рівним 9 В.

Використовуючи вихідні характеристики транзистора (рис. 3.1.2), через точки Uкэ=Еп/2=4,5 У і Iк=Еп/(2Rн)=15*10−3 А проводимо навантажувальну пряму і визначаємо вихідний коллекторный струм: Iк0=3*10−3 А. Побудувавши з точки Еп/2 трикутник потужності зі сторонами Umн=3,5 У і Imн=11,5*10−3 А, переконуємося в можливості отримання заданої вихідний потужності (Рвых=0,5*3,5*11,5*10- 3=0,02 Вт).

[pic].

Рис. 3.1.2.

По вхідний і вихідним характеристикам визначаємо: g21=Imн/Umбэ=11,5*10−3/0,035=0,33 (3.1.3).

Звідси глибина зворотної связи:

F=1+g21Rн=1+0,33*300=100 (3.1.4).

Розрахуємо величини резисторів базового дільника: — задля забезпечення падіння напруги на резисторах R12, R13 рівного 2Uбэ0=0,29 У, струм через яких мусив бути Iд=(5−10)Iб0.

Приймемо Iд=0,15*10−3 А.

Отсюда:

R12=R13=2Uбэ0/Iд=0,29/0,15*10−3=2 кОм. (3.1.5).

R14=R15=(Eп-2Uбэ0)/Iд=8,71/0,15*10−3=58 кОм. (3.1.6).

Rдел=(R12||R14)/2=970 Ом. (3.1.7).

Вхідні провідність транзистора: g11=Imб/Umбэ=50*10−6/0,04= 1,25*10−3 Див. (3.1.8).

Тоді вхідний опір каскаду з урахуванням ОСС:

Rвх=FRдел/(F+g11Rдел)=(100*970)/(100+1,25*10−3*970)=960 Ом. (3.1.9).

Коефіцієнт посилення по напряжению:

К0=(g21Rн)/(1+g21Rн)=(0,33*300)/(1+0,33*300)=0,99.

(3.1.10).

Тоді амплітуда напруги вхідного сигнала:

Umвх (Umн=3,5 В.

(3.1.11).

Амплітуда вхідного тока:

Imвх=Umвх/Rвх=3,5/960=3,6*10−3 А.

(3.1.12).

Переймаючись fн=20 гц; Мн=0,707 визначимо ємність розподільного конденсатора:

C10=(2(*fн*Rн)-1=(2*3,14*20*300)-1=26,5 мкФ.

(3.1.13).

По вхідний і вихідним характеристикам будуємо наскрізну динамічну характеристику транзистора визначення коефіцієнта нелінійних искажений.

Таблиця 3.1.1 |номер точки |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 | |Iб, мАЛО |0,175|0,15 |0,125|0,1 |0,075|0,05 |0,025| |Uбэ, У |0,225|0,218|0,21 |0,195|0,18 |0,161|0,145| |Jк, мАЛО |14,5 |14,3 |13,6 |11,8 |9,2 |6,1 |3 | |Eг=Uбэ+Iб*Rист, |0,395|0,364|0,331|0,292|0,253|0,210|0,169| |У | | | | | | | |.

За даними таблиці 3.1.1 будуємо наскрізну динамічну характеристику транзистора (рис. 3.1.3).

[pic].

Рис. 3.1.3.

Методом семи ординат (який двухтактного каскаду виявляється у метод чотирьох ординат) знаходимо амплітуди гармонік тока:

Im1=(J4+J3/b)/2 Im2=((JB+JA)/4 (3.1.14).

Im3=(JN+JM)/4 Im4=((J1-J3+J4/2)/4.

Im5=(JN-JM)/4 Im6=((JB-JA)/4.

де IA=(J1−2J2+J3+J4/2)/2b IB=J4/2-J1 IM=[a (J4+J3/b)-2J2]/c IN=J4- J3/b.

a=0,383 b=0,707 c=0,923.

(- коефіцієнт асиметрії плечей, (транзистори підбираються близькими по крутизні наскрізний передачі, в такий спосіб, щоб (=0,1).

Підставляючи в формули (3.14) знайдені значения.

I1= 1 мАЛО IA= 6,2 мА.

I2= 6 мАЛО IB= 6,25 мА.

I3=12,5 мАЛО IM= - 0,35 мА.

I4=14,5 мАЛО IN= - 3,2 мА.

отримуємо такі амплітуди гармонік струму (в мА):

Im1= 16,1 Im2 = 0,3 (3.1.15).

Im5 = - 0,7 Im4= -0,1.

Im3 = - 0,9 Im6 = 0,001.

Знаходимо коефіцієнт гармоник:

Кг=([(Im2)2+(Im3)2+(Im4)2+(Im5)2+(Im6)2 ]/Im1=0,06=6% (3.1.16).

3.2. Розрахунок активного RC-фильтра низьких частот.

Для найбільш якісного прийому сигналів буде в діапазоні низьких частот застосуємо у цьому підсилювачі ланка з активним RC-фильтром низьких частот.

Вихідними даними при розрахунку ARC-фильтра є: f1 — гранична частота смуги пропускання; а1 — максимально дозволене згасання в смузі пропускання; fзн — гранична частота смуги загородження; аз — мінімально дозволене згасання в смузі заграждения.

А, щоб АЧХ фільтра в смузі пропускання була максимально пласкою вживають щодо даному фільтрові апроксимацію по Баттерворту.

Поставимо вихідні дані для рассчитываемого фільтра: f1 = 2,5 кГц, а1= - 3 дБ (3.2.1).

fз = 5,0 кГц, аз = -15 дБ.

По вихідним даним отнормируем частоту:

(1=fв/fв=2500/2500=1 (з=fз/fв=5000/2500=2 (3.2.2).

Для визначення порядку фільтра скористаємося монограмою з довідкової літератури. Виробляючи необхідні розрахунки отримуємо, що це фільтр повинен бути другого порядку. З довідника визначаємо, що з фільтра другого порядку є полюса:

p1= -0,707-j0,707 і p2= -0,707+j0,707.

(3.2.3).

Сомножители полинома Баттерворта мають вигляд: p2+1,41p+1 (3.2.4).

Власна частота ланки другого порядка:

(0=(((2+(2)= ((0,7072+0,7072)=1 (3.2.5).

Коефіцієнт загасання: d=2(/(0=2*0,707=1,41 (3.2.6).

На підвищення крутизни АЧХ поблизу частоти зрізу, отсчитываемого на рівні -3 дБ, використовується слабка позитивний зворотний зв’язок, стабилизированная з допомогою негативною ОС, ланцюг якій подається делителем напруги R10R11 з коефіцієнтом передачі напряжения:

B=R10/(R10+R11) (3.2.7).

З з метою отримання максимально пласкою АЧХ параметр

КF (1/В=1+R11/R10 (3.2.8) вибирають рівним 1,2.

Сама АЧХ описується выражением:

Кф (()=Кф (02/([(04+(02(2(d-2)+(4] (3.2.9).

де КF=Кф,.

(0=(с=2(f1=1/((C6R8C7R9).

(3.2.10).

Маючи двома рівняннями щодо елементів фільтра при шести невідомих, варто надати чисельні значення чотирьом із них. Відомими параметрами у разі є: частота зрізу — (с=2(fс=2(*2500=15 700 рад/с (3.2.11) коефіцієнт посилення КF=1,2.

Нехай R9=10R8, тоді рівняння щодо C4 має вид:

121C72+24,4C6C7+0,04C62=0 (3.2.12).

Вирішуючи дане рівняння отримуємо, що C6=5C7 і тогда.

2(C6R8)2=1/(4(2fс2) (3.2.13).

Звідси получаем:

R8= 1 кОм.

R9= 10 кОм.

R10= 1 кОм.

R11= 200 Ом.

C6= 5,6 мкФ.

C7= 1,1 мкФ.

Задля реалізації даного фільтра можна застосувати операційний підсилювач 140УД14А.

Амплитудно-частотная характеристика розрахована за формулі (3.2.9) представлена малюнку 3.2.1.

[pic].

Рис. 3.2.1.

3.3Расчет каскадів попереднього усиления.

Розглянемо питання розрахунку величин навісних елементів підсилювача на ЗУ, що включає розрахунок ланцюгів зворотний зв’язок, корекції, балансування, захисту від перевантаження тощо., саме розрахуємо величини резисторів R1 — R6.

Вихідними даними являются:

Кu=50 — коефіцієнт усиления:

Rн=10 кОм — опір навантаження fв=5 кГц — верхня гранична частота.

Rг=0 — внутрішній спротив джерела сигнала.

Uвыхmax=4,5 У — максимальна амплітуда вихідного напряжения.

Вибираємо тип ЗУ, що з погляду частотних властивостей повинен иметь:

1)f1>Ku*fв=250кГц, (3.3.1) де f1 — частота одиничного усиления;

2)Vuвых>2(Uвыхmaxfв=6,28*4,5*5000=0,15В/мкс (3.3.2).

Таким вимогам задовольняє ЗУ типу К157УД2.

Розмір опору резистора R1=R4 повинні задовольняти наступним условиям:

R1.