Корректирующий усилитель электропроигрывателя

Постановка задачи.

Вариант № 21.

Разработать корректирующий усилитель:

1. Диапазон рабочих частот 20 Гц – 20 кГц;
2. K_u = 100 на частоте 1000 Гц;
3. Отклонение АЧХ от стандартной (RIAA) не более 0,5 дБ.

Усилитель-корректор должен служить  для формирования частотной характеристики систем звукопередачи по заданному  закону при одновременном усилении передаваемого сигнала.

 

 

Введение.

 

Для того, чтобы обеспечить по возможности большую плотность записи на грампластинках (меньший шаг записи)  и большее отношение сигнал-шум, амплитуды сигналов при записи грампластинок подвергаются предкоррекции, характеристика которой зависит от частоты. Согласно международным нормам, частотная характеристика колебательной скорости записи (кривая RIAA, представленная в табл. 1) на рис. 1 описывается уравнениями

 

 

 

 

 

Где - абсолютный уровень записанного с максимальным уровнем сигнала с частотой 1 кГц.

В случае гармонических сигналов колебательная  скорость и амплитуда сигнала а связаны между собой зависимостью

 

 

  Рис.1.

 

Для восстановления исходного (без  предкоррекции) сигнала частотная характеристика воспроизведения грампластинок должна быть корректированной по зеркально-обратному закону предкоррекции. Функция коррекции воспроизведения представлена на рис. 2.

 

  Рис.2.

 

Поскольку характеристики коррекции  при записи и при воспроизведении  подчиняются одному и тому же закону, то система записи и воспроизведения  грампластинок в целом может  рассматриваться как система  без фазовых искажений, которая  не требует фазовой коррекции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Табл. 1. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики «предкоррекции» при записи и коррекции при воспроизведении, осуществлённых по RIAA-стандарту.

 

Обзор возможных подходов к решению поставленной задачи.

 

Частотные характеристики требуемой  формы могут быть сформированы с помощью инвертирующих (а) и неинвертирующих (б) усилителей с ОС на RC – элементах или пассивных (в) и активных (г) корректирующих RC – звеньев (рис.3.).

 

                                        

   Рис. 3.

 

а) Инвертирующему корректору свойственны два основных недостатка: корректор не развязан от источника сигнала (импеданс звукоснимателя влияет на АЧХ воспроизведения, особенно на верхних частотах) и  высокий импеданс источника приводит к увеличению суммарного шума звукоснимателя и усилителя почти на 15 дБ. 

 

б) Преимущества неинвертирующего корректора: низкий уровень собственного шума, наличие развязки между входом и корректирующей цепью, повышенный динамический диапазон сигнала на верхних частотах.

 

в) Приведена схема, состоящая их частотно-линейного предварительного усилителя и корректора на пассивных элементах. Эта схема требует дополнительного согласующего усилителя с равномерной частотной характеристикой. Его значение – уменьшить влияние нагрузки на работу корректора. Но он же ухудшает шумовые свойства канала воспроизведения и из-за недостающей граничной частоты требует более высоких уровней сигнала на верхних частотах.

 

г) Активный корректор обеспечивает постоянные времени , а пассивное RC – звено Z₂  постоянную времени . Но эта схема обладает такими же недостатками, что и схема на пассивных элементах, приведенная выше.

 

Таким образом, остановим выбор  на неинвертирующем корректоре.

 

 

 

 

 

 

 

Подавление низкочастотных помех.

 

Повышенный шум на низких частотах – сугубо специфическое свойство системы грамзаписи. Наряду с искажениями, появляющимися на нижних частотах при  коррекции, при воспроизведении  грампластинок возникают акустические шумы  (рокот, гул) приводного механизма, а также шумы самой пластинки. Максимальные уровни этих шумов приходятся на область частот от 3 до 20 Гц (). Наиболее эффективно низкочастотные шумы подавляются с помощью фильтров, включаемых на входе усилителя воспроизведения грамзаписи. К таким фильтрам относятся:

а) Фильтр ВЧ 1-го порядка на входе. В области частот ниже он позволяет подавлять шумы с крутизной спада частотной характеристики 6дБ/окт. Так же он служит разделительным каскадом между источником сигнала и усилителем по постоянному току. Недостаток этого фильтра в том, что он приводит к увеличению импеданса источника с понижением частоты.

 

б) Фильтр ВЧ 1-го порядка в корректирующей цепи. Этот способ фильтрации шума одновременно стабилизирует рабочую точку. Существенных недостатков он не имеет.

 

Выбран фильтр ВЧ 1-го порядка в  корректирующей цепи.

 

Таким образом, конечная схема имеет  вид:

 

 

 

 

Расчет элементов корректирующей цепи.

 

Передаточная функция:

 

 

 

 

где, ;

 

 

 

  

 

 

Найдем 

 

Пусть

 

 

Тогда мс.

 

Пусть R₁ = 1 Ом, тогда

 

R₃ =

 

 

 

 

 

 

 

Т.к. одним их условий поставленной задачи было то, что K_u = 100 = 40дБ на частоте 1000 Гц, а по RIAA на этой частоте K_u = 1= 0 дБ (см. табл. 1), то исходная АЧХ нашего корректора должна выглядеть следующим образом:

 

 

 

f ,  Гц	|K| , дБ
20	59,2747
22,4	59,1266
25	58,9538
28	58,7409
31,5	58,4773
35,5	58,1605
40	57,7904
45	57,369
50	56,9432
56	56,4335
63	55,8483
71	55,1996
80	54,5018
90	53,7697
100	53,0837
112	52,319
125	51,5576
140	50,7571
160	49,8038
180	48,9619
200	48,2144
224	47,4222
250	46,6722
280	45,9223
315	45,1748
355	44,4551
400	43,7804
450	43,1603
500	42,6451
560	42,1318
630	41,6401
710	41,1795
800	40,7507
900	40,3492
1000	40
1120	39,6261
1250	39,2567
1400	38,8592
1600	38,3583
1800	37,8781
2000	37,4126
2122	37,1348
2240	36,8702
2500	36,3011
2800	35,6685
3150	34,9635
3550	34,2009
4000	33,3963
4500	32,5643
5000	31,792
5600	30,9355
6300	30,0213
7100	29,0724
8000	28,1075
9000	27,1413
10000	26,2673
11200	25,3189
12500	24,3931
14000	23,4321
16000	22,2939
18000	21,2858
20000	20,3813

Выбор элементарной базы.

 

Заметим, для того, чтобы отклонения частотной характеристики от расчетной не превышали 0,5 дБ, разброс номиналов элементов схемы должен быть не больше 5%.

 

1. R₁,  R₂, R₃

В качестве резисторов подойдут резисторы  общего применения С2- 33Н– 0,125

 

Номинальное сопротивление, Ом	R1 =1; R2 = 75; R3 = 1000
Допускаемые отклонения, %	±5
Диапазон рабочая температура, °С	от -60 до +155
Номинальная мощность рассеяния ,  Вт	0,125
Предельное рабочее напряжение, В	200
Срок сохраняемости, лет	25

 

 

2. C₁, C₂, C₃

В качестве конденсатора C₁ подойдет К76-4

 

Номинальная емкость, мкФ	8200
Допускаемые отклонения, %	±5
Диапазон рабочая температура, °С	от -60 до +70
Климатическое исполнение	до 98% относит. влажности при 40°С
Минимальная наработка, ч	10 000
Срок сохраняемости, лет	12

 

 

В качестве конденсатора C₂ подойдет К73-39

 

Номинальная емкость, мкФ	1
Допускаемые отклонения, %	±5
Диапазон рабочая температура, °С	от -60 до +100
Климатическое исполнение	93±3% относит. Влажности при 40±2°С, 10 суток
Наработка, ч	15 000
Срок сохраняемости, лет	10

 

 

 

 

 

 

 

 

Как C₃ возьмем К73-01

 

Номинальная емкость, мкФ	3,3
Допускаемые отклонения, %	±5
Диапазон рабочая температура, °С	от -60 до +100
Климатическое исполнение	98% относит. Влажности при 35°С
Минимальная наработка, ч	15 000
Срок сохраняемости, лет	12

 

 

3. Операционный усилитель 

В качестве ОУ возьмем К140УД8 (зарубежные аналоги: µ A740HC, µ A740PC). Это усилитель средней точности с полевыми транзисторами на входе и внутренней частотной коррекцией.

Электрические параметры

Напряжение питания	±15 В, ±5%
Максимальное выходное напряжение	12 В
Напряжение смещения нуля	30 мВ
Входной ток	не более 2 нА
Разность входных токов	не более 0,15 нА
Ток потребления	не более 5 мА
Коэффициент усиления напряжения	не менее 20 000
Коэффициент ослабления синфазных входных  напряжений	не менее 64 дБ
Температура окружающей среды	-45...+70 ° C

 

 

Машинное моделирование 

 

Схема спроектирована в программе Micro-Сap 9.

       

 

Машинное  моделирование частотной характеристики схемы

 

График отклонения расчетной АЧХ от стандартной.

 

Из этого графика ясно видно, что отклонение расчетной амплитудно-частотной  характеристики от стандартной характеристики RIAA не превышает 0,5 дБ, что удовлетворяет условию поставленной задачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы по проделанной работе

 

В результате проекта был разработан корректирующий усилитель записи магнитофона, полностью удовлетворяющий следующим  поставленным задачам:

1. Диапазон рабочих частот 20 Гц – 20 кГц;
2. K_u = 100 на частоте 1000 Гц;
3. Отклонение АЧХ от стандартной (RIAA) не более 0,5 дБ.

Амплитудно-частотная характеристика корректора отличается от RIAA на поставленную величину в 0,5 дБ, что объясняется использованием в схеме элементов с реально существующими номиналами, которые отличаются от тех, что были рассчитаны.

 

Список использованной литературы

 

1. Шкритек П. «Справочное руководство по звуковой схемотехнике»

М.: Мир. 1991г.

Стр. 122-131, 138-145.

2. Атаев Д.И., Болотников В.А. «Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения»