Preamplificator audio de intrare

Preamplificator audio de intrare

1. Tema de proiectare

2. Seturi de date de intrare

3. Schema electronica

4. Etajele de amplificare

5. Reactia negativa si retelele de adaptare

6. Simularea functionarii preamplificatorului audio

7. Sursa de alimentare

8. Lista de componente

Preamplificator audio de intrare

1. Tema de proiectare

Tema de proiectare se refera la un preamplificator de audiofrecventa de intrare avand schema bloc prezentata in figura 1. Amplificatorul audio de intrare este compus dintr-o retea de adaptare la intrare cu principalele surse de semnale audio (microfon, pick-up cu doza magnetica, pick-up cu doza ceramica, radio, magnetofon sau alte iesiri de semnal ale aparatelor audio electronice) si doua etaje de amplificare in clasa A, respectiv etajul de intrare si etajul de iesire care realizeaza amplificarea in tensiune a semnalului.

Amplificarea globala a amplificatorului audio de intrare este stabilita de reactie negativa serie la intrare - paralel la iesire, iar alimentarea celor doua etaje de amplificare este realizata de sursa de alimentare.

2. Seturi de date de intrare

Principalii parametri ai amplificatorului audio de intrare sunt:

Sensibilitatea minima de intrare V_in [mV]

Rezistenta de intrare R_i [KΩ]

Rezistenta de iesire maxima R_OM [KΩ]

Tensiunea nominala la iesirea amplificatorului audio de putere V_n (Vef)

Sursa de alimentare va asigura urmatorii parametri:

Curentul nominal I₀ [mA]

Rezistenta de iesire maxima R_OM [Ω]

Coeficientul de stabilizare

Tensiunea de alimentare este 220 Vac±10%.

3. Schema electronica

Preamplificatorul este partea care influenteaza cel mai pregnant raportul semnal-zgomot, caracteristica de frecventa si factorul de distorsiuni intr-un lant de amplificare de audiofrecventa.

In practica exista adesea si alte semnale numite semnale false, care tind sa interfereze cu semnalele dorite si acestea se numesc in general semnale de zgomot. Un obiectiv important in proiectare este realizarea unui bun raport semnal zgomot, cu toate ca zgomotul nu poate fi eliminat complet.

Un preamplificator sensibil si relativ putin zgomotos constituie o problema importanta daca urmeaza ca la iesire zgomotul sa fie minim, deoarece orice zgomot din preamplificator este amplificat de fiecare etaj care urmeaza.

Din aceste considerente pentru intrarea de pick-up cu doza magnetica si microfon dinamic la care nivelul semnalului de intrare precum si raportul semnal zgomot sunt minime, au fost prevazute filtre de compensare care actioneaza prin intermediul sistemului de reactie negativa.

Reteaua de adaptare la intrare cu diverse surse de semnal este alcatuita din divizoarele R₁₁, R₁₂ pentru intrarea de radio si magnetofon si R₁₃, R₁₄ pentru intrarea de pick-up cu doza de tip piezoelectric.

Amplificarea in tensiune este realizata de etajul de intrare si cel de iesire. Etajul de intrare este de tipul emitor comun cu sarcina distribuita si este realizat cu tranzistorul T₁.

Etajul de iesire este cuplat galvanic cu etajul de intrare si este de tip emitor comun, realizat cu tranzistorul T₂.

Comutarea de la o categorie de surse de semnal la alta se face prin schimbarea atenuatorilor de intrare si a retelei de reactie pentru ajustarea amplificarii la nivelul corespunzator.

Schema electronica

4. Etajele de amplificare

Avand in vedere ca intrarea amplificatorului de putere necesita la intrare un semnal cu amplitudinea de 1,4 Vef, iar amplificatorul corector de ton sau alte etaje intermediare au amplificarea de aproximativ 5, semnalul la iesirea preamplificatorului trebuie sa aiba o amplitudine de 0,28 Vef, respectiv amplitudinea maxima 0,40V. Se alege acoperitor o valoare de 0,6V (valoare instantanee maxima).

Sensibilitatea la intrare asigura un nivel minim egal cu cel al unui microfon dinamic respectiv 2,5 mV.

1. Alegerea tranzistorilor T₁, T₂

Nivelul mic al semnalului de intrare impune alegerea pentru etajele de amplificare a unor tranzistoare cu zgomot mic de tip BC109C cu urmatoarele PSFuri:

T₁: pe baza curbelor izo-F, din catalog pentru BC109C, se alege I_C1=80μA la care pentru rezistenta generatorului R_g=2-20k rezulta F2dB. Se alege V_CE12V. Din catalog in acest PSF rezulta h_11e1150k, h_21e1300, h_22e118μA/V, h_21E1100.

T₂: Pentru T₂ se alege I_C21mA si V_CE25V. Din catalog in acest PSF rezulta h_11e2=15k, h_21e2=400, h22e2=55μA/V, h_21E2=300.

2. Amplificarea in tensiune

Amplificarea in tensiune a etajului de intrare care este de tipul emitor-comun cu sarcina distribuita este:

Considerand

Pentru obtinerea unor distorsiuni tranzitorii mici se impune o amplificare redusa, cu reactie locala . Din acest considerent am ales .

Din conditiile: si , se aleg R₂=200k si E_C=18V.

Se poate calcula exact V_CE1:

cu

si este mai mare ca amplitudinea semnalului la iesirea etajului de intrare.

Considerand si aproximand V_BE2=0,6V, se obtine .

Se alege .

Ecuatia dreptei de sarcina pentru T₂:

, se adopta R₄=15kΩ.

Amplificarea in tensiune a etajului de iesire este:

Amplificarea in tensiune a etajului de intrare este

Amplificarea in tensiune a preamplificatorului in bucla deschisa este: .

3. Impedanta de intrare

Impedanta de intrare in bucla deschisa a preamplificatorului este:

R₆ se dimensioneaza avand in vedere necesitatea polarizarii bazei tranzistorului T₁:

cu

se alege .

.

4. Dimensionarea condensatorilor

Din motive de stabilitate determinate grafic pe caracteristica Bode, se alege pentru polul dat de C₄ la frecventa .

Rezistenta vazuta la bornele lui C₄ este:

, se alege .

Avand in vedere ca R₁ se alege astfel incat impedanta vazuta spre amplificator sa fie de aproximativ 47k, necesara pentru adaptatea cu doza magnetica si alegand .

Pentru dimensionarea C₂ se apreciaza ca impedanta la bornele sale nu va fi mai mica de 50KΩ avand in vedere efectul potentiometrului de balans si al retelei de reactie. Se alege

, se alege .

Impedanta de iesire a preamplificatorului fara reactie negativa este:

.

Cu reactie negativa avand in vedere necesitatea de amplificare pentru o valoare medie , rezulta impedanta de iesire

Se poate accepta ca valoare minima a lui , valoarea maxima de aproximativ 100KΩ e impusa de intrarea in circuitul corector de ton.

Valoarea lui s-a ales de pentru .

5. Reactia negativa si retelele de adaptare

Pentru estimarea nivelului nominal al semnalului la iesirea preaamplificatorului cunoastem:

Amplitudinea nominala a semnalului la intrarea in amplificatorul final

Amplificarea circuitelor intermediare de aproximativ 5

Atenuarea introdusa de

Retelele de adaptare se dimensioneaza in raport cu acest nivel si nivelele tipice ale surselor de program. S-au adoptat urmatoarele categorii de surse de semnal corespunzatoare cu tema de proiectare:

Alegerea retelei de reactie serie la intrare - paralel la iesire creste impedanta de intrare si micsoreaza impedanta de iesire, apropiind preamplificatorul audio de intrare de un amplificator ideal de tensiune. Experimental pentru un raspuns tranzitoriu bun .

1. Dimensionarea pentru pozitia radio-magnetofon

Pentru pozitia radio-magnetofon se alege R₇=100KΩ => transferul pe bucla de reactie , iar amplificarea cu reactie este:

.

Nivelul semnalului de intrare in preamplificator este:

Deoarece nivelul semnalului la intrare pentru aceasta sursa de semnal este U_in=100mV raportul de divizare al rezistentelor R₁₁,R₁₂ este:

Deoarece , se alege .

6. Simularea functionarii preamplificatorului audio de intrare

Simularea preamplificatorului audio de intrare s-a facut din punct de vedere al PSFului, al analizei tranzitorii si al raspunsului in frecventa. Simularea PSFului ne da o buna concordanta cu datele de proiectare respectiv curentii de colector si tensiunile colector-emitor.

Circuitul utilizat pentru simularea pozitiei radio-magnetofon

Simularea tranzitorie pentru pozitia radio-magnetofon

Simularea in frecventa pentru pozitia radio-magnetofon

7. Sursa de alimentare

Alimentarea preamplificatorului audio si a celui corector de ton se face din aceeasi sursa.

Sursa de alimentare a preamplificatorului audio

Conform temei de proiectare variatiile tensiunii de alimentare sunt ±10%. Pentru o tensiune medie la iesirea redresorului V_R=30V, tensiunea maxima la iesirea redresorului si tensiunea minima la iesirea redresorului sunt V_RM=33V si V_Rm=27V.

Curentul de alimentare pentru doua canale de preamplificare si celelalte etaje intermediare se estimeaza la 10mA.

Proiectarea stabilizatorului

1. Alegerea tranzistorului regulator serie

Se alege tranzistorul T₁=BC107A cu PSFul I_C=10mA si V_CE=5V pentru care .

2. Alegerea diodei stabilizatoare

Se alege dioda PL12V care are I_min=2mA, P_M=100mW si R_Z=5Ω.

Se conecteaza in serie 2 diode si se considera curentul maxim admisibil I_{max adm}=9mA, iar pentru curentul minim se alege I_min=3mA.

Din considerente de stabilitate a PSFului se verifica polarizarea bazei tranzistorului regulator serie T₁.

3. Dimensionarea rezistentei R₁

Dimensionarea rezistentei R₁ se face astfel ca la tensiunea de intrare minima sa se asigure functionarea diodei Zener.

In conditiile in care tensiunea de intrare este maxima, curentul prin dioda nu trebuie sa depaseasca valoarea maxim admisibila:

4. Verificarea puterii disipate de tranzistorul regulator serie T₁

Pentru verificarea puterii disipate de T₁, in cazul cel mai defavorabil calculam tensiunea colector-emitor cand prin dioda trece curentul maxim de 10mA. In aceasta situatie tensiunea pe rezistenta R₁ este . Deoarece

.

5. Coeficientul de stabilizare cu tensiunea

Deoarece

6. Rezistenta de iesire a stabilizatorului

Proiectarea redresorului

1. Dimensionarea puntii redresoare

Pentru dimensionarea puntii redresoare calculam tensiunea inversa si curentul maxim prin aceasta:

Se alege o punte 1PM1 cu tensiunea inversa de 100V si curentul mediu redresat de 1,2A.

2. Dimensionarea condensatorului de filtraj

Condensatorul de filtraj C₁ se dimensioneaza utilizand inegalitatea:

Se alege

3. Estimarea tensiunii si curentului in secundarul transformatorului

Estimarea tensiunii si curentului in secundarul transformatorului este necesara pentru dimensionarea numarului de spire si diametrul infasurarii secundare a transformatorului.

, unde:

R_i este rezistenta corespunzatoare diodelor din puntea redresoare;

R_T este rezistenta corespunzatoare tranzistorului regulator serie;

R_O este rezistenta de iesire a redresorului.

,

8. Lista componentelor

Lista componentelor amplificatorului audio de intrare

Rezistente

R₁=50KΩ                         5% R₂=200KΩ 5%

R₃=1KΩ 2,5% R₄=15KΩ 5%

R₅=1KΩ 5% R₆=360KΩ 5%

R₇=100KΩ                       2,5% R₈=190KΩ 2,5%

R₉=65KΩ                         2,5% R₁₀=800KΩ 2%

R₁₁=100KΩ                     2,5% R₁₂=4KΩ 2,5%

R₁₃=1MΩ                        2,5% R₁₄=18KΩ 2,5%

P₁=25KΩ                  E_C=18V

Condensatori

C₁=2,2μF/ 10V                            C₂=15μF/ 15V

C₃=10μF/ 15V                             C₄=200μF/ 10V

C₅=1nF 5% C₆=4nF 5%

Tranzistori

T₁, T₂=BC109C

Lista componentelor stabilizatorului

Rezistente               Condensatori

R₁=1KΩ             5% C₁=200μF/ 50V

Transformator monofazat                    Punti redresoare

V₂=22,6V                               1PM1

I₂=31mA