To samo robimy z tonami wysokimi przez zmianę C3. Przykładowy układ dla C3 1nF, 2,2nF i 3,3nF:
Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Moderatorzy: gsmok, tszczesn, Romekd, Einherjer, OTLamp
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Zmniejszając wartość C1 i C2 podbicie tonów niskich przesunie się w kierunku większych częstotliwości. Teraz symulacja dla C1=C2 10nF, 22nF i 33nF. Tym razem pokażemy tylko skrajne położenia potencjometrów regulacji barwy.
Linie zielona i czerwona są dla 10nF, błękitna i szara dla 22nF oraz ciemnozielona i brązowa dla 33nF.
To samo robimy z tonami wysokimi przez zmianę C3. Przykładowy układ dla C3 1nF, 2,2nF i 3,3nF: Linie zielona i czerwona są dla 1nF, błękitna i szara dla 2,2nF, ciemno zielona i brązowa 3,3nF.
To samo robimy z tonami wysokimi przez zmianę C3. Przykładowy układ dla C3 1nF, 2,2nF i 3,3nF: Linie zielona i czerwona są dla 1nF, błękitna i szara dla 2,2nF, ciemno zielona i brązowa 3,3nF.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
W następnym kroku musimy ustalić 2 rzeczy: napięcie zasilania układu korekcji barwy oraz miejsce wpięcia potencjometru głośności - czy będzie on między układem korekcji barwy a końcówką mocy czy na wejściu całego układu. Zacznijmy od potencjometru.
1 przypadek - potencjometr między układem korekcji barwy a końcówką mocy
Zalety: nie słychać szumów układu regulacji barwy przy maksymalnie ściszonym potencjometrze głośności.
Problemy: typowe cyfrowe źródła dźwięku dają na wyjściu 2V wartości skutecznej, co po podbiciu w naszym regulatorze barwy dźwięku o 10dB da nam wartość szczytową 9V. Aby przenieść taki sygnał przy zniekształceniach mniejszych niż wprowadzane przez końcówkę mocy nasz korektor musiałby być zasilany z 30V oraz mieć na wyjściu układ przeciwsobny - trochę kłóci się to z ideą prostego wzmacniacza.
2 przypadek - potencjometr przed układem korekcji barwy
Zalety: układ nie przesteruje się przed przesterowaniem końcówki mocy. Sygnał potrzebny do przesterowania końcówki to 600mV. Przy tak niskim poziomie sygnału zniekształcenia powinny być niższe niż końcówki mocy - sprawdzimy tą tezę
Wady: będzie słychać szumy układu korekcji barwy przy maksymalnie ściszonym potencjometrze głośności.
Wybieramy wersję 2. To rozwiązanie było często stosowane w krajowych wzmacniaczach z lat 80.
Określamy napięcie zasilania naszego układu korekcji. Przyjęliśmy znamionowe napięcie zasilania końcówki mocy 40V. Jednak ne zaprojektowaliśmy jeszcze zasilacza i nie wiemy jak to napięcie będzie się zmieniać w różnych warunkach. Wiemy tylko, że będzie to zasilacz niestabilizowany. Napięcie sieci może spaść o 10% od wartości znamionowe, zatem nasze 40V spadnie do 36V. Dojdą jeszcze tętnienia napięcia zasilania i spadek związany z obciążeniem wzmacniacza. W szacunkach możemy przyjąć, że minimalna wartość napięcia to będzie jakieś 32V. Później jak już dobierzemy konkretny transformator sprawdzimy to założenie. Napięcie zasilające układ korekcji powinno być stabilizowane i takie będzie. Przyjmujemy znamionowe napięcie zasilania naszego układu korekcji 25V.
Oto nasz układ:
Elementy C6, C12 R15 i R16 są elementami końcówki. C6 i R16 nie były jeszcze liczone.
1 przypadek - potencjometr między układem korekcji barwy a końcówką mocy
Zalety: nie słychać szumów układu regulacji barwy przy maksymalnie ściszonym potencjometrze głośności.
Problemy: typowe cyfrowe źródła dźwięku dają na wyjściu 2V wartości skutecznej, co po podbiciu w naszym regulatorze barwy dźwięku o 10dB da nam wartość szczytową 9V. Aby przenieść taki sygnał przy zniekształceniach mniejszych niż wprowadzane przez końcówkę mocy nasz korektor musiałby być zasilany z 30V oraz mieć na wyjściu układ przeciwsobny - trochę kłóci się to z ideą prostego wzmacniacza.
2 przypadek - potencjometr przed układem korekcji barwy
Zalety: układ nie przesteruje się przed przesterowaniem końcówki mocy. Sygnał potrzebny do przesterowania końcówki to 600mV. Przy tak niskim poziomie sygnału zniekształcenia powinny być niższe niż końcówki mocy - sprawdzimy tą tezę
Wady: będzie słychać szumy układu korekcji barwy przy maksymalnie ściszonym potencjometrze głośności.
Wybieramy wersję 2. To rozwiązanie było często stosowane w krajowych wzmacniaczach z lat 80.
Określamy napięcie zasilania naszego układu korekcji. Przyjęliśmy znamionowe napięcie zasilania końcówki mocy 40V. Jednak ne zaprojektowaliśmy jeszcze zasilacza i nie wiemy jak to napięcie będzie się zmieniać w różnych warunkach. Wiemy tylko, że będzie to zasilacz niestabilizowany. Napięcie sieci może spaść o 10% od wartości znamionowe, zatem nasze 40V spadnie do 36V. Dojdą jeszcze tętnienia napięcia zasilania i spadek związany z obciążeniem wzmacniacza. W szacunkach możemy przyjąć, że minimalna wartość napięcia to będzie jakieś 32V. Później jak już dobierzemy konkretny transformator sprawdzimy to założenie. Napięcie zasilające układ korekcji powinno być stabilizowane i takie będzie. Przyjmujemy znamionowe napięcie zasilania naszego układu korekcji 25V.
Oto nasz układ:
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Określamy wartości R16 i C6. Jest to filtr zabezpieczający końcówkę przed wpływem sygnałów wielkiej częstotliwości podanych na wejście na jej pracę. Wcześniej określiliśmy maksymalną szybkość narastania napięcia na wyjściu końcówki SR=30V/us oraz częstotliwość graniczną dla małych sygnałów 3MHz. Obliczmy częstotliwość graniczną końcówki dla amplitudy sygnału U=16V (moc maksymalna):
f=SR/(2*π*U)=300kHz
Aby nie wprowadzać nadmiernego tłumienia określamy wartość R16 na poziomie około 5% z R15. Przyjmujemy wartość 2kΩ. Znowu przyjmujemy- częstotliwość graniczna dla filtra R16 i C6 równą 300kHz. Ze wzoru na kondensator otrzymujemy C6=270pF. Ta pojemność nie jest krytyczna i całkiem dobrze możemy zastosować kondensator z przedziału 220-330pF.
W następnym kroku obliczmy minimalną rezystancję obciążenia dla naszego korektora. Dla wysokich częstotliwości korektor będzie widział połączenie równoległe R4, R8 i R16. Otrzymujemy R=1,5kΩ. Dla maksymalnej amplitudy sygnału na wyjściu czyli 600mV obliczmy prąd płynący na wyjściu naszego korektora: I=0,4mA. Obliczmy prąd emitera Q2. Aby układ miał małe zniekształcenia jego wartość powinna być kilkukrotnie wyższa od prądu płynącego na wyjściu. Przyjmijmy, że będzie to coś z przedziału 3-5mA. Dla napięcia na emiterze Q2 Ue=0,5*V2 obliczamy wartość R=R14+R23=U/I=2,5-4,1kΩ. Dla prądu 5mA obliczamy moc traconą w Q2 P=12,5*5=62,5mW. Jako Q2 wybieramy zwykły tranzystor BC547C.
f=SR/(2*π*U)=300kHz
Aby nie wprowadzać nadmiernego tłumienia określamy wartość R16 na poziomie około 5% z R15. Przyjmujemy wartość 2kΩ. Znowu przyjmujemy- częstotliwość graniczna dla filtra R16 i C6 równą 300kHz. Ze wzoru na kondensator otrzymujemy C6=270pF. Ta pojemność nie jest krytyczna i całkiem dobrze możemy zastosować kondensator z przedziału 220-330pF.
W następnym kroku obliczmy minimalną rezystancję obciążenia dla naszego korektora. Dla wysokich częstotliwości korektor będzie widział połączenie równoległe R4, R8 i R16. Otrzymujemy R=1,5kΩ. Dla maksymalnej amplitudy sygnału na wyjściu czyli 600mV obliczmy prąd płynący na wyjściu naszego korektora: I=0,4mA. Obliczmy prąd emitera Q2. Aby układ miał małe zniekształcenia jego wartość powinna być kilkukrotnie wyższa od prądu płynącego na wyjściu. Przyjmijmy, że będzie to coś z przedziału 3-5mA. Dla napięcia na emiterze Q2 Ue=0,5*V2 obliczamy wartość R=R14+R23=U/I=2,5-4,1kΩ. Dla prądu 5mA obliczamy moc traconą w Q2 P=12,5*5=62,5mW. Jako Q2 wybieramy zwykły tranzystor BC547C.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Dla prądu kolektora 5mA obliczamy typowy prąd bazy Q2:
I=Ic/H21e=5mA/500=10uA
Nie będzie przesadą jeżeli ustalimy prąd kolektora Q3 na poziomie 0,25mA. Obliczamy wartość R11. Pamiętamy, że założyliśmy napięcie na emiterze Q2 równe połowie napięcia zasilania, więc spadek napięcia na R11 będzie równy:
U=0,5*V2-UBE=12,5V-0,6V=11,9V
Znając spadek napięcia i prąd obliczamy R11
R11=U/I=11,9V/0,25mA=47,6kΩ
Przyjmujemy R11=47kΩ
Jako Q3 wybieramy tranzystor BC547C. Ktoś mógłby powiedzieć, że dobrze by było dać tranzystor niskoszumny BC550C. Oczywiście można, kosztuje praktycznie tyle samo, jednak w naszym układzie głównym źródłem szumów będą rezystory.
Wcześniej, gdy symulowaliśmy sam mostek do regulacji barwy przyjęliśmy wartość wzmocnienia wzmacniacza 50 i zostawimy taką wartość. Wzór na wzmocnienie stopnia na Q3 ma postać:
k=Robc/(R13+re)
Robc stanowi równoległe połączenie rezystancji wejściowej wtórnika na Q2 połączonej równolegle z R11. Rezystancję wejściowa Q2 wyliczmy ze wzoru:
R=(R23+R14)*H21e
Dla minimalnej wartości rezystancji wyliczonej wcześniej i typowego H21e wychodzi nam:
R=1250kΩ
Obliczmy Robc=45kΩ
Obliczmy dla prądu 0,25mA obliczmy re=26mV/0,25mA=100Ω
Dla wzmocnienia 50 obliczamy R13:
R13=Robc/k-re=45kΩ/50-0,1kΩ=800Ω
przyjmujemy wartość R13=820Ω
Tak naprawdę wartość wzmocnienia naszego układu nie jest krytyczna i można stosować zależność bardziej uproszczoną k=R11/R13.
I=Ic/H21e=5mA/500=10uA
Nie będzie przesadą jeżeli ustalimy prąd kolektora Q3 na poziomie 0,25mA. Obliczamy wartość R11. Pamiętamy, że założyliśmy napięcie na emiterze Q2 równe połowie napięcia zasilania, więc spadek napięcia na R11 będzie równy:
U=0,5*V2-UBE=12,5V-0,6V=11,9V
Znając spadek napięcia i prąd obliczamy R11
R11=U/I=11,9V/0,25mA=47,6kΩ
Przyjmujemy R11=47kΩ
Jako Q3 wybieramy tranzystor BC547C. Ktoś mógłby powiedzieć, że dobrze by było dać tranzystor niskoszumny BC550C. Oczywiście można, kosztuje praktycznie tyle samo, jednak w naszym układzie głównym źródłem szumów będą rezystory.
Wcześniej, gdy symulowaliśmy sam mostek do regulacji barwy przyjęliśmy wartość wzmocnienia wzmacniacza 50 i zostawimy taką wartość. Wzór na wzmocnienie stopnia na Q3 ma postać:
k=Robc/(R13+re)
Robc stanowi równoległe połączenie rezystancji wejściowej wtórnika na Q2 połączonej równolegle z R11. Rezystancję wejściowa Q2 wyliczmy ze wzoru:
R=(R23+R14)*H21e
Dla minimalnej wartości rezystancji wyliczonej wcześniej i typowego H21e wychodzi nam:
R=1250kΩ
Obliczmy Robc=45kΩ
Obliczmy dla prądu 0,25mA obliczmy re=26mV/0,25mA=100Ω
Dla wzmocnienia 50 obliczamy R13:
R13=Robc/k-re=45kΩ/50-0,1kΩ=800Ω
przyjmujemy wartość R13=820Ω
Tak naprawdę wartość wzmocnienia naszego układu nie jest krytyczna i można stosować zależność bardziej uproszczoną k=R11/R13.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Obliczamy prąd bazy Q3. Dla prądu kolektora 0,25mA typowa wartość H21e dla BC547C to 350.
Ib=Ic/H21e=250uA/350=0,7uA
Dobieramy R12. Z jednej strony powinien być możliwie mały aby rozrzut H21e Q3 nie wpływał na punkt pracy układu, z drugiej jak największy żeby nie wprowadzać dodatkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Na początku zastosuję R12=1MΩ. Później zobaczymy co z tego wyszło.
Obliczamy napięcie jakie powinno być w punkcie połączenia R12, R13 i R23. W przypadku BC547C dla ułatwienia obliczeń przyjmujemy Ic=Ie
U=R13*Ie+Ube+R12*Ib=820Ω*0,25mA+0,6V+1MΩ*0,7uA=0,2V+0,6V+0,7V=1,5V
Ponieważ prąd płynący przez R12 jest ponad 1000 razy mniejszy od prądu emitera Q2 pomijamy go w obliczeniach.
Obliczamy R14. Wcześniej przyjęliśmy prąd płynący przez R14 3-5mA
R14=U/I=300-500Ω. Wybieram R14=360Ω
Obliczamy Aktualny prąd płynący przez R14
I=U/R=1,5V/360Ω=4,17mA
Obliczamy nową wartość R23+R14
R23+R14=0,5*V2/I=12,5V/4,17mA=3kΩ
R23=3kΩ-360Ω=2,64kΩ
Przyjmujemy R23=2,7kΩ
Ib=Ic/H21e=250uA/350=0,7uA
Dobieramy R12. Z jednej strony powinien być możliwie mały aby rozrzut H21e Q3 nie wpływał na punkt pracy układu, z drugiej jak największy żeby nie wprowadzać dodatkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Na początku zastosuję R12=1MΩ. Później zobaczymy co z tego wyszło.
Obliczamy napięcie jakie powinno być w punkcie połączenia R12, R13 i R23. W przypadku BC547C dla ułatwienia obliczeń przyjmujemy Ic=Ie
U=R13*Ie+Ube+R12*Ib=820Ω*0,25mA+0,6V+1MΩ*0,7uA=0,2V+0,6V+0,7V=1,5V
Ponieważ prąd płynący przez R12 jest ponad 1000 razy mniejszy od prądu emitera Q2 pomijamy go w obliczeniach.
Obliczamy R14. Wcześniej przyjęliśmy prąd płynący przez R14 3-5mA
R14=U/I=300-500Ω. Wybieram R14=360Ω
Obliczamy Aktualny prąd płynący przez R14
I=U/R=1,5V/360Ω=4,17mA
Obliczamy nową wartość R23+R14
R23+R14=0,5*V2/I=12,5V/4,17mA=3kΩ
R23=3kΩ-360Ω=2,64kΩ
Przyjmujemy R23=2,7kΩ
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Rezystor R17 ma wyłącznie funkcję żeby cały układ regulacji barwy był na potencjale masy. Jego wartość przyjmuję na poziomie kilkukrotnie większym niż R1. Wybieram wartość R17=100kΩ.
Obliczmy minimalną rezystancję wejściową układu regulacji - jest to połączenie równoległe R1, R5 i R17. Otrzymuję R=6,25kΩ
Dla napięcia 600mV obliczam prąd wejściowy I=0,1mA. Aby wtórnik wprowadzał jak najmniejsze zniekształcenia prąd płynący przez R18 powinien być około 20 razy większy niż prąd wejściowy układu regulacji. Przyjmuję prąd płynący przez R18 około 2mA. Dla napięcia na emiterze Q1 równego połowie napięcia zasilania obliczam wartość R18:
R18=0,5*V2/I=12,5V/2mA=6,25kΩ
Wybieram wartość R18=6,2kΩ
Jako Q1 wybieram BC547C. W tym wypadku im większe mamy wzmocnienie prądowe tym lepiej.
Obliczam prąd bazy:
Ib=Ie/H21e=2mA/500=4uA
Obliczam rezystancję wejściową wtórnika:
Rwe=R18*H21e=3,1MΩ
Teraz muszę się zastanowić jaką chcę mieć rezystancję wejściową układu. Wzmacniacz nie ma być zgodny z dawnymi normami. Na wejściu zastosuję potencjometr 50kΩ. R21 przyjmę 2 razy większy niż rezystancja potencjometru. R22 ma niewielką wartość. 4,7kΩ będzie w sam raz. R22 razem z C9 stanowią filtr dolnoprzepustowy zabezpieczający nasz układ przed wpływem sygnałów wcz podanych na wejście.
R21=100kΩ. Obliczam napięcie w punkcie połączenia R19, R20 i R21:
U=0,5*V2+Ube+R21*Ib=12,5V+0,6V+0,4V=13,5V
Przyjmując prąd R19 i R20 dużo większy niż prąd bazy Q1 obliczam R19=45,3kΩ przyjmuję wartość 47kΩ oraz R20-54kΩ przyjmuje wartość 56kΩ.
Obliczmy minimalną rezystancję wejściową układu regulacji - jest to połączenie równoległe R1, R5 i R17. Otrzymuję R=6,25kΩ
Dla napięcia 600mV obliczam prąd wejściowy I=0,1mA. Aby wtórnik wprowadzał jak najmniejsze zniekształcenia prąd płynący przez R18 powinien być około 20 razy większy niż prąd wejściowy układu regulacji. Przyjmuję prąd płynący przez R18 około 2mA. Dla napięcia na emiterze Q1 równego połowie napięcia zasilania obliczam wartość R18:
R18=0,5*V2/I=12,5V/2mA=6,25kΩ
Wybieram wartość R18=6,2kΩ
Jako Q1 wybieram BC547C. W tym wypadku im większe mamy wzmocnienie prądowe tym lepiej.
Obliczam prąd bazy:
Ib=Ie/H21e=2mA/500=4uA
Obliczam rezystancję wejściową wtórnika:
Rwe=R18*H21e=3,1MΩ
Teraz muszę się zastanowić jaką chcę mieć rezystancję wejściową układu. Wzmacniacz nie ma być zgodny z dawnymi normami. Na wejściu zastosuję potencjometr 50kΩ. R21 przyjmę 2 razy większy niż rezystancja potencjometru. R22 ma niewielką wartość. 4,7kΩ będzie w sam raz. R22 razem z C9 stanowią filtr dolnoprzepustowy zabezpieczający nasz układ przed wpływem sygnałów wcz podanych na wejście.
R21=100kΩ. Obliczam napięcie w punkcie połączenia R19, R20 i R21:
U=0,5*V2+Ube+R21*Ib=12,5V+0,6V+0,4V=13,5V
Przyjmując prąd R19 i R20 dużo większy niż prąd bazy Q1 obliczam R19=45,3kΩ przyjmuję wartość 47kΩ oraz R20-54kΩ przyjmuje wartość 56kΩ.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Obliczanie kondensatorów. Zaczynamy od obliczenia C7 i C8. Znamy minimalną rezystancję wejściową układu korekcji barwy R=6,25kΩ. Dla częstotliwości 20Hz ze wzoru na pojemność obliczamy:
C7=C8=1,27uF
przyjmujemy wartość 5-10 razy większą C7=C8=10uF
Z C5 sprawa jest nieco trudniejsza. Jest to spowodowane sprzężeniem zwrotnym wprowadzanym przez R12. Na początku obliczamy wartość rezystancji wejściowej wtórnika na Q3 bez uwzględnienia R12.
Rwe=R13*H21e=820Ωx350=287kΩ. Obliczamy minimalną rezystancję źródła sygnału dla małych częstotliwości:
R=R10+R9+Rp
Rp jet połączeniem równoległym R1 z (R potencjometru + R4)
Rp=20k*(50k+20k)/(20k+50k+20k)=15,5kΩ
zatem R=20k+10k+15,5k=45,5k
Jeżeli nie znamy rezystancji wejściowej układu można do szacunków przyjąć wartość 0. Wówczas do obliczeń stosujemy wartość rezystancji źródła czyli R. Te szacunki są obarczone sporym błędem ale ten błąd popełniamy w bezpieczną stronę. Dla częstotliwości 20Hz obliczamy kondensator C5:
C5=174nF
Znowu przyjmujemy wartość 5-10 razy większą C5=1uF
C7=C8=1,27uF
przyjmujemy wartość 5-10 razy większą C7=C8=10uF
Z C5 sprawa jest nieco trudniejsza. Jest to spowodowane sprzężeniem zwrotnym wprowadzanym przez R12. Na początku obliczamy wartość rezystancji wejściowej wtórnika na Q3 bez uwzględnienia R12.
Rwe=R13*H21e=820Ωx350=287kΩ. Obliczamy minimalną rezystancję źródła sygnału dla małych częstotliwości:
R=R10+R9+Rp
Rp jet połączeniem równoległym R1 z (R potencjometru + R4)
Rp=20k*(50k+20k)/(20k+50k+20k)=15,5kΩ
zatem R=20k+10k+15,5k=45,5k
Jeżeli nie znamy rezystancji wejściowej układu można do szacunków przyjąć wartość 0. Wówczas do obliczeń stosujemy wartość rezystancji źródła czyli R. Te szacunki są obarczone sporym błędem ale ten błąd popełniamy w bezpieczną stronę. Dla częstotliwości 20Hz obliczamy kondensator C5:
C5=174nF
Znowu przyjmujemy wartość 5-10 razy większą C5=1uF
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Teraz dla uzupełnienia poprzednich wyliczeń dodam trochę na temat rezystancji wejściowej wzmacniacza odwracającego. Wyobraźmy sobie najprostszy układ czyli wzmacniacz operacyjny z wejściem nieodwracającym podłączonym do masy, między wyjściem a wejściem odwracającym podłączymy rezystor R. Nasz wzmacniacz operacyjny ma na tyle dużą rezystancję wejściową, że możemy ją pominąć. Sygnał będziemy podawać na wejście odwracające. Teraz pytanie - jaką rezystancję będzie widziało źródło sygnału? Wzór jest prosty:
Rwe=R/k gdzie k to wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego w otwartej pętli. Z tego wzoru wynika, że rezystancja wejściowa dla wzmacniacza idealnego o nieskończonym wzmocnieniu w otwartej pętli to 0. Dla wzmacniacza o wzmocnieniu 100000 i R =1MΩ rezystancja wejściowa to 10Ω.
Wracając do naszego układu, wcześniej ograniczyliśmy w nim wzmocnienie w otwartej pętli do 50. Rezystor sprzężenia zwrotnego widziany przez wejście to R12, jednak jego wartość jest zwielokrotniona przez dzielnik R23 i R14. R12 jest dużo większy niż R23 i R14 stosujemy uproszczone obliczenia. Obliczamy rezystancję sprzężenia zwrotnego widzianą przez wejście naszego wzmacniacza
R=R12*(R23+R14)/R14=1MΩ*(2700Ω+360Ω)/360Ω=8,5MΩ
Obliczamy rezystancję wejściową:
Rwe=R/k=8,5MΩ/50=170kΩ
Wcześniej obliczyliśmy rezystancję wejściową dla Q3 z odłączonym R12 Rwe=287kΩ. Zatem nowa rezystancja wejściowa naszego układu będzie połączeniem równoległym tych dwóch rezystancji Rwe. Wyznaczamy Rwe'=106kΩ. Gdyby nasz układ miał większe wzmocnienie jego rezystancja wejściowa będzie mniejsza. Pojemność C5 pozostawiamy niezmienioną.
Rwe=R/k gdzie k to wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego w otwartej pętli. Z tego wzoru wynika, że rezystancja wejściowa dla wzmacniacza idealnego o nieskończonym wzmocnieniu w otwartej pętli to 0. Dla wzmacniacza o wzmocnieniu 100000 i R =1MΩ rezystancja wejściowa to 10Ω.
Wracając do naszego układu, wcześniej ograniczyliśmy w nim wzmocnienie w otwartej pętli do 50. Rezystor sprzężenia zwrotnego widziany przez wejście to R12, jednak jego wartość jest zwielokrotniona przez dzielnik R23 i R14. R12 jest dużo większy niż R23 i R14 stosujemy uproszczone obliczenia. Obliczamy rezystancję sprzężenia zwrotnego widzianą przez wejście naszego wzmacniacza
R=R12*(R23+R14)/R14=1MΩ*(2700Ω+360Ω)/360Ω=8,5MΩ
Obliczamy rezystancję wejściową:
Rwe=R/k=8,5MΩ/50=170kΩ
Wcześniej obliczyliśmy rezystancję wejściową dla Q3 z odłączonym R12 Rwe=287kΩ. Zatem nowa rezystancja wejściowa naszego układu będzie połączeniem równoległym tych dwóch rezystancji Rwe. Wyznaczamy Rwe'=106kΩ. Gdyby nasz układ miał większe wzmocnienie jego rezystancja wejściowa będzie mniejsza. Pojemność C5 pozostawiamy niezmienioną.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Do obliczenia C10 musimy obliczyć jaką minimalną rezystancję będzie on widział. Źródło sygnału jest podłączone za pomocą potencjometru 50kΩ. To powoduje, że dla idealnego źródła sygnału rezystancja źródła będzie się zmieniała w zakresie od 0 do 12,5kΩ. Z drugiej strony kondensator "widzi"
R= R22+RweQ1*R21/(R21+RweQ1)
RweQ1 wyznaczyliśmy wcześniej i było równe 3,1MΩ i od razu widzę błąd w obliczeniach. Powinno być:
RweQ1=R18*R/(R18+R) gdzie R to minimalna rezystancja wejściowa układu regulacji barwy. Zatem:
RweQ1=6,2k*6,25k/((6,2k+6,25k)*H21e)=1,5MΩ
Obliczamy R "widziane" przez C10:
R=4,7k+1,5M*100k/(1,5M+100k)=98,5k
Dla częstotliwości 20Hz obliczam C10
C10=80nF
Wartość powinna być 5-10 razy większa. Właściwa wartość to 470nF, jednak żeby nie mnożyć wartości kondensatorów zastosuję C10=1uF
Kondensator C9 jest filtrem ograniczającym poziom sygnału wcz na wejściu i obliczam go podobnie jak C6. Do obliczeń przyjmujemy częstotliwość 300kHz oraz maksymalną rezystancję źródła sygnału 12,5kΩ.
Dla R= 12,5kΩ+R22=17,2kΩ obliczmy C9=30pF.
R= R22+RweQ1*R21/(R21+RweQ1)
RweQ1 wyznaczyliśmy wcześniej i było równe 3,1MΩ i od razu widzę błąd w obliczeniach. Powinno być:
RweQ1=R18*R/(R18+R) gdzie R to minimalna rezystancja wejściowa układu regulacji barwy. Zatem:
RweQ1=6,2k*6,25k/((6,2k+6,25k)*H21e)=1,5MΩ
Obliczamy R "widziane" przez C10:
R=4,7k+1,5M*100k/(1,5M+100k)=98,5k
Dla częstotliwości 20Hz obliczam C10
C10=80nF
Wartość powinna być 5-10 razy większa. Właściwa wartość to 470nF, jednak żeby nie mnożyć wartości kondensatorów zastosuję C10=1uF
Kondensator C9 jest filtrem ograniczającym poziom sygnału wcz na wejściu i obliczam go podobnie jak C6. Do obliczeń przyjmujemy częstotliwość 300kHz oraz maksymalną rezystancję źródła sygnału 12,5kΩ.
Dla R= 12,5kΩ+R22=17,2kΩ obliczmy C9=30pF.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Pozostaje do obliczenia ostatni kondensator C10. Układ ma być zasilany z stabilizatora napięcia zatem tłumienie tętnień nie musi być idealne. Przyjmę dla 100Hz Xc=(100-1000)*R19. Ze wzoru na pojemność otrzymuję wynik C11=3,4-34uF. W układzie był już stosowany kondensator 10uF zatem na początek przyjmę C11=10uF. Oto układ z wartościami:
Nie znam jeszcze wartości C4. Na schemacie wpisuje 1pF. Symulator żeby działał potrzebuje wartości. Uruchamiam symulację punktu pracy i na emiterze Q1 mam 12,5V czyli obliczenia są ok, na emiterze Q2 11,13V. Trochę się rozjechał. Sprawdzam prąd bazy Q3 i wynosi on 0,5uA zamiast obliczonego 0,7uA. Wygląda na to, że w modelu współczynnik wzmocnienia prądowego wynosi około 500 zamiast założonego 350. Ponieważ rozjazd wyników jest dla mnie akceptowalny nie będę już tego korygował. W rzeczywistości nie wiem jaki współczynnik wzmocnienia będzie miał Q3. W przyszłych układach aby ograniczyć wpływ rozrzutu wzmocnienia prądowego Q3 należałoby zmniejszyć wartość R12. Dla C9=1fF (femtofarad 0,001pF) czyli pomijalnego i C4=1pF uruchamiam analizę AC dla małych sygnałów i otrzymuję wynik:
Zielony wykres to barwa na maksimum, niebieski położenie środkowe, czerwony barwa na minimum. Nie widać żadnych uwypukleń. Układ wygląda na stabilny. Wykres wygląd podobnie dla C4=0. To samo w paśmie 10Hz-100kHz:
Widać wpływ ograniczonego wzmocnienia w otwartej pętli i w neutralnym położeniu potencjometrów układ ma wzmocnienie ok -1dB. Charakterystyka częstotliwościowa mi się podoba i nie będę na razie nic zmieniał.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Prostokąt 1V na wejściu dla różnych położeń suwaka potencjometru. C9=1fF, C4=1pF:
Szybkość zmian napięcia na wyjściu 17V/us.
To samo dla C9=30pF
Zniekształcenia na wyjściu przy środkowym położeniu suwaka potencjometru przy częstotliwości 20kHz dla napięć wejściowych 10mV, 100mV i 1V:
To samo dla 1kHz:
To samo dla C9=30pF
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Po optymistycznych wynikach dotyczących pasma przenoszenia, szybkości i zniekształceń czas na sprawdzenie tłumienia wpływu tętnień (zakłóceń) wprowadzanych przez zasilanie. W tym celu montuję specjalny układ:
W miejscu źródła sygnału pojawia się rezystor 12,5kΩ będący modelem potencjometru w pozycji środkowej podłączonego do źródła sygnału o zerowej rezystancji wyjściowej. Pojawia się także dodatkowe źródło zasilania V4. W pierwszej symulacji źródłem zakłóceń jest właśnie ono i dla tego pojawił się na nim symbol AC 1. Oto wynik:
dla częstotliwości 100Hz i potencjometrach barwy ustawionych na maksimum tłumienie wynosi -51dB czyli sukces. Teraz zmieniam układ i usuwam AC 1 z V4 i podaje na V2. Oto wynik:
Niecałe 24dB dla 100Hz czyli katastrofa. Zakłócenia "wchodzą" do układu przez R11. Aby wpływ tych zakłóceń ograniczyć muszę zastosować filtr tłumiący zakłócenia o blisko 40db. Dla rezystora 10kΩ Xc dla 100Hz powinno być na poziomie 100Ω. Ze wzoru na kondensator obliczam:
C=16uF. Wrysowuje w układ filtr R=10kΩ i C=10uF i wychodzi coś takiego:
Ponieważ napięcie na emiterze Q2 spadło do około 10V postanowiłem skorygować wartość R14 z 360Ω na 270Ω. Napięcie na emiterze wynosi obecnie 12,2V i ten wynik jest ok. Sprawdzam tłumienie:
Znowu sukces. Teraz tłumienie wynosi blisko 59dB. Usuwam V4 i zasilam układ tylko z V2 z zakłóceniami. Oto wynik:
58dB. Sukces.
Ponieważ wprowadziłem istotną zmianę w układzie muszę ponownie wykonać symulacje THD.
Jest to wynik dla środkowego położenia potencjometrów dla napięć wejściowych 10mV, 100mV i 1V i częstotliwości 20kHz. Zniekształcenia nieco wzrosły.
C=16uF. Wrysowuje w układ filtr R=10kΩ i C=10uF i wychodzi coś takiego:
Ponieważ wprowadziłem istotną zmianę w układzie muszę ponownie wykonać symulacje THD.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Układ regulacji barwy jest już wstępnie obliczony i zasymulowany. Kolejnym elementem w prostym wzmacniaczu jest wzmacniacz korekcyjny dla gramofonu. Jeżeli chodzi o teorię to proponuję książkę Douglasa Selfa Small Signal Audio Design. Z tej książki jest zaczerpnięty pierwszy układ - odwrócony RIAA. Ten układ będzie służył jako źródło sygnału RIAA do symulacji układu korekcji. Oto on:
Jego charakterystyka częstotliwościowa:
Dla częstotliwości 1kHz napięcie wyjściowe wynosi 0dB. Wyjście oznaczyłem w sposób nieco mylący jako we. Jest to celowe działanie gdyż to będzie wejście symulowanego układu. Teraz czas na uproszczony schemat wzmacniacza korekcyjnego. Elementy w pętli sprzężenia zwrotnego są zaczerpnięte również z wcześniej wspomnianej książki D. Selfa. Reszta elementów to już moja inwencja. E3 to wzmacniacz idealny o wzmocnieniu 10000 (80dB).
Jego charakterystyka częstotliwościowa:
Układ ma wzmocnienie 30dB. Do projektowanego wzmacniacza potrzebuję nieco więcej przynajmniej 40dB a najlepiej 43dB. Uwypuklenie tonów wysokich wynika ze zjawiska, że minimalne wzmocnienie układu w takiej konfiguracji będzie dążyło do 1. Ten efekt nie dotyczy układów korektorów biernych oraz mieszanych. Uwypuklenie na częstotliwościach niskich wynika z niedokładnego doboru elementów odpowiedzialnych za stałą czasową 7950us.
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Czas na układ. Dla uzyskania wzmocnienia ponad 40dB dla 1kHz zmieniłem wartości w pętli sprzężenia zwrotnego na nowe. Te wartości zaczerpnąłem z jednego z przykładów z książki Macieja Feszczuka Wzmacniacze elektroakustyczne.
. W układzie R22 to potencjometr regulacji głośności ustawiony na maksimum, R10, R24 i C15 to elementy obwodu wejściowego układu regulacji barwy dźwięku. Obliczam rezystancję którą widzi C14 dla małych częstotliwości. Jest to połączenie równoległe R22 z połączeniem szeregowym R10 i R24.
R=R22*(R10+R24)/(R22+R10+R24)=33,8kΩ
Dla częstotliwości 20Hz ze wzoru na kondensator obliczam C14=236nF. Wybieram wartość kilkukrotnie większą C14=1uF.
Obliczam rezystancję obciążenia wzmacniacza dla wielkich częstotliwości. Będzie to równoległe połączenie R7, R22 i R10 co daje R=210Ω.
Dla amplitudy sygnału 1V - będzie to maksymalna amplituda dla standardowej wkładki obliczam prąd płynący z wyjścia układu. I=4,8mA. Na podstawie tych obliczeń przyjmuję prąd emitera Q1 I=5mA oraz napięcie na emiterze U=V1/2=12,5V. Jako Q1 wybieram BC547C. Obliczam typowy prąd bazy Q1 - I=5mA/500=10uA. Prąd płynący przez R19 i R20 powinien być około 10 razy większy niż prąd bazy. Przyjmuję wartość okrągłą 100uA. Napięcie na bazie Q1 to 13,1V, obliczam wartość R19+R20=(V1-13,1V)/100uA=119kΩ. Wybieram wartości R20=47kΩ i R19=75kΩ. Dla R20+R19=122kΩ obliczam prąd przez nie płynący I=(V1-13,1V)/122kΩ=97uA, pomniejszam ten prąd o prąd bazy Q1 i otrzymuję prąd kolektora Q2 I=87uA. Jako Q2 wybieram także BC547C. Dla prądu kolektora 87uA wzmocnienie prądowe BC547C będzie na poziomie 250. Obliczam prąd bazy I=87uA/250=350nA. Ze względu na znikomy prąd bazy Q2 przyjmuję prąd kolektora Q3 I=30uA. Obliczam R14=0,6v/30uA=20kΩ. Jako Q3 wybieram tranzystor niskoszumny BC560C.
cdn
R=R22*(R10+R24)/(R22+R10+R24)=33,8kΩ
Dla częstotliwości 20Hz ze wzoru na kondensator obliczam C14=236nF. Wybieram wartość kilkukrotnie większą C14=1uF.
Obliczam rezystancję obciążenia wzmacniacza dla wielkich częstotliwości. Będzie to równoległe połączenie R7, R22 i R10 co daje R=210Ω.
Dla amplitudy sygnału 1V - będzie to maksymalna amplituda dla standardowej wkładki obliczam prąd płynący z wyjścia układu. I=4,8mA. Na podstawie tych obliczeń przyjmuję prąd emitera Q1 I=5mA oraz napięcie na emiterze U=V1/2=12,5V. Jako Q1 wybieram BC547C. Obliczam typowy prąd bazy Q1 - I=5mA/500=10uA. Prąd płynący przez R19 i R20 powinien być około 10 razy większy niż prąd bazy. Przyjmuję wartość okrągłą 100uA. Napięcie na bazie Q1 to 13,1V, obliczam wartość R19+R20=(V1-13,1V)/100uA=119kΩ. Wybieram wartości R20=47kΩ i R19=75kΩ. Dla R20+R19=122kΩ obliczam prąd przez nie płynący I=(V1-13,1V)/122kΩ=97uA, pomniejszam ten prąd o prąd bazy Q1 i otrzymuję prąd kolektora Q2 I=87uA. Jako Q2 wybieram także BC547C. Dla prądu kolektora 87uA wzmocnienie prądowe BC547C będzie na poziomie 250. Obliczam prąd bazy I=87uA/250=350nA. Ze względu na znikomy prąd bazy Q2 przyjmuję prąd kolektora Q3 I=30uA. Obliczam R14=0,6v/30uA=20kΩ. Jako Q3 wybieram tranzystor niskoszumny BC560C.
cdn
Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza
Przyjmuję wartość optymalną R15=R7 czyli będzie to 220Ω. Rezystancja wejściowa układu powinna wynosić 47kΩ. Przyjmuję R16 o jedną wartość większą w szeregu czyli R16=51kΩ. Ze wzoru na połączenie równoległe rezystorów obliczam R23=570kΩ. Przyjmuje najbliższą wartość R23=560kΩ. Obliczam prąd bazy Q3. Dla prądu kolektora 30uA BC560C ma wzmocnienie prądowe ok. 300. Prąd bazy będzie wynosił 100nA. Oblliczam spacek napięcia na R16. Wychodzi 5.1mV. Ponieważ jest to wartość ponad 100 razy mniejsza niż Ube tranzystora pomijam ją w dalszych obliczeniach. Przyjmuję napięcie na emiterze Q3. To napięcie musi być na tyle duże aby tranzystor działał liniowo i mniejsze niż napięcie emitera Q1. Wybór jest ogromny i wybieram 5V. Obliczam napięcie na bazie Q3 równe 4,4V. Wybieram wartość R21=47kΩ. Obliczam prąd płynący przez R21 I=4,4V/47kΩ=93,6uA. Prąd płynący przez ten rezystor jest blisko 1000 razy większy niż prąd bazy Q3, zatem pomijam prąd bazy w dalszych obliczeniach. Obliczam (R17+R18)=(V1-4,4V)/93,6uA=220kΩ. Przyjmuję R17=R18=110kΩ. dla spadku napięcia na R14 w przedziale 1-2V oraz znając prąd kolektora Q3 równy w przybliżeniu prądowi emitera obliczam R13= 33-66kΩ. Przyjmuję wartość R13=47kΩ. Znając napięcie na emiterze Q3 oraz znając prąd płynący przez R13 obliczam napięcie w punkcie połączenia R11, R12 i R13 U=5V+30uA(R13+R7)=6,42V. Ponieważ prąd płynący przez R13 jest około 150 razy większy niż prąd emitera Q1 pomijam prąd emitera w dalszych obliczeniach. Obliczam R12=6,42V/5mA=1,28kΩ. Przyjmuje R12=1,3kΩ. Obliczam R11=(12,5V-6,4V)/5mA=1,22kΩ. Przyjmuję wartość R11=1,2kΩ. Dla częstotliwości 20Hz i R20=47kΩ obliczam kondensator C13=169nF. Aby uniknąć spadku wzmocnienia dla niskich częstotliwości wartość znacznie większą C13=1uF. Aby osiągnąć zadowalające tłumienie tętnień zasilania przyjmuję Xc przy 100Hz dla C12 1000razy mniejszą niż R17. Obliczam C12=14uF. Przyjmuję C12=C11=10uF. Jak będą zbyt małe to je zwiększe. C10 ma wartość typową dla tego typu układu C10=220pF.