Проектирование усилителя приема полевого телефонного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование усилителя приема полевого телефонного аппарата

2014 г.

Содержание

Введение

1. Обоснование основных технических требований, предъявляемых к усилителям приема современных и перспективных телефонных аппаратов (ТА) системы местной батареи (МБ)

1.1 Факторы, определяющие основные требования к усилителям приема ТА системы МБ

1.2 Основные требования, предъявляемые к усилителям приема современных и перспективных ТА системы МБ

1.3 Основные направления совершенствования усилителей приема ТА МБ военного назначения

1.4 Обоснование выбора элементной базы

2. Обоснование и расчет усилителя приема ТА МБ

2.1 Основные характеристики усилителя приема

2.2 Разработка принципиальной схемы усилителя приема

3. Оценка эффективности и обоснование предложений по практической реализации разработанного устройства

3.1 Оценка преимущества разработанного устройства перед его аналогом

3.2 Разработка предложений по практической реализации разработанного устройства

Выводы по работе



Введение

Целью проекта является обоснование и расчет принципиальной схемы усилителя приема полевого телефонного аппарата, конкурентоспособной по своим основных характеристикам с аналогом ТА-57.

Результатом проектирования является разработка принципиальной схемы, обеспечивающей на современной элементной базе все основные характеристики аналога, и расчет ее элементов.



1. Обоснование основных технических требований, предъявляемых к усилителям приема современных и перспективных телефонных аппаратов (ТА) системы местной батареи (МБ)

1.1 Факторы, определяющие основные требования к усилителям приема ТА системы МБ

· уменьшение шума, поступающего из абонентской линии;

· усиления сигнала с телефона в режиме приема разговора;

· устранение прослушивания работы радиста при расположении аппарата вблизи радиостанции;

· обеспечение высокой шумостойкости тракта местного эффекта при нарушении баланса противоместной схемы;

· обеспечение оптимальной работы телефонного капсюля в аппарате.

1.2 Основные требования, предъявляемые к усилителям приема современных и перспективных ТА системы МБ

· высокая шумостойкость тракта местного эффекта;

· малошумящий;

· при крайне малом напряжении переменного тока на нем, раскачать телефонный капсюль;

· достаточное усиление сигнала по напряжению и подача на телефонный капсюль.

1.3 Основные направления совершенствования усилителей приема ТА МБ военного назначения

Применение транзисторов и ИМС в усилителях приема ТА МБ военного назначения обеспечивает повышение надежности и стабильности характеристик, незначительные размеры и т.д.

Ближайшей перспективой является разработка усилителей приема в виде специализированных интегральных микросхем.

1.4 Обоснование выбора элементной базы

Существование и развитие микроэлектроники обусловлено созданием нового сверхминиатюрного электронного элемента - интегральной микросхемы. Появление этих схем, основано на логике развития полупроводниковых приборов. Раньше каждый электронный компонент - транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, обладал индивидуальным корпусом и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Но постепенно полупроводниковая электроника создала предпосылки для создания подобных устройств на общем кристалле, а не из отдельных элементов.

Благодаря применению данной технологии, в настоящее время можно сразу создать на одном кристалле законченную схему из нескольких десятков, сотен или даже тысяч электронных компонентов. Преимущества новой разработки очевидны:

Снижение затрат (стоимость микросхемы обычно гораздо меньше, чем общая стоимость всех электронных элементов ее составляющих).

Надежность устройства. Это имеет огромное значение, поскольку поиск неисправности в схеме из десятков или сотен тысяч электронных компонентов - довольно сложная и трудоемкая работа.

Ввиду того, что электронные элементы интегральной микросхемы в сотни и тысячи раз меньше своих аналогов в обычной сборной схеме, их энергопотребление намного меньше, а КПД гораздо выше.

Интегральной микросхемой (ИМС)называют миниатюрное электронное устройство, выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигналов и содержащее большое число активных и пассивных элементов (от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом корпусе. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заключённую в корпус

Составной элемент не может быть отделен от ИМС как самостоятельное изделие. Компонент интегральной микросхемы - часть ИМС, выполняющая функцию какого-либо электронного элемента, которая до монтажа в ИМС была самостоятельным комплектующим изделием. Компонент может быть отделен от изготовленной ИМС (например, керамический конденсатор, бескорпусный транзистор). Корпус интегральной микросхемы, предназначен для защиты от внешних воздействий и соединения ее с внешними электрическими цепями посредством выводов. Подложка ИМС предназначается для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и межкомпонентные соединений, а также контактных площадок. Плата интегральной микросхемы является частью подложки или - всей подложкой гибридной или пленочной ИМС, на поверхность которой нанесены пленочные элементы ИМС, межэлементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки. Контакты площадки представляют собой металлизированные участки на плате, подложке или кристалле ИМС, предназначенные для присоединения выводных тактов, а также контроля электрических параметров и режимов ИМС.

Сегодня интегральные микросхемы являются одним из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Микросхемы способны облегчать расчет и проектирование функциональных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, ускорять процесс создания новых аппаратов и внедрения их в серийное производство. Широкое применение микросхем позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры.



2. Обоснование и расчет усилителя приема ТА МБ

2.1 Основные характеристики усилителя приема

К числу основных электрических характеристик, характеризующих работу усилителя приема, относятся следующие:

· коэффициент передачи или коэффициент усиления;

· динамическая и амплитудная характеристики;

· динамический диапазон;

· предельная чувствительность;

· амплитудно-частотная характеристика;

· фазочастотная характеристика;

· амплитудно-фазовая характеристика;

· линейные искажения: оцениваются соответствующими коэффициентами линейных (частотных и фазовых) искажений;

· нелинейные искажения: оцениваются разнообразными коэффициентами (коэффициент нелинейных искажений, коэффициент интермодуляции и т.п.).

Коэффициент передачи. Коэффициент передачи - это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи (наиболее распространены операторные формы по Фурье или Лапласу, а соответствующие коэффициенты передачи иногда называют операторными коэффициентами передачи). усилитель телефонный требование схема

При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемый сигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функции операторного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющими достаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления. Различают:

1. коэффициент усиления по напряжению

KU=UmвыхUmвх,

где Umвых, Umвх - амплитудные или действующие значения выходного и входного сигналов;

2. коэффициент усиления по току

KI=ImвыхImвх,

где Imвых, Imвх - амплитудные или действующие значения выходного и входного токов;

3. коэффициент усиления по мощности

KP=PmвыхPmвх=KUKI=UmвыхImвыхUmвхImвх.

Довольно часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах - децибелах, [дБ]:

KU [дБ]=20lg(UmвыхUmвх);

KI [дБ]=20lg(ImвыхImвх);

KP [дБ]=10lg(PmвыхPmвх).

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, то его общий логарифмический коэффициент усиления находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов:

KУ=K1?K2? K3?…;

KУ [дБ]=20lgKУ=20lgK1+20lgK2+20lgK3+…;

KУ [дБ]=K1 [дБ]+K2 [дБ]+K3 [дБ]+….

Более того, логарифмические единицы оказались настолько удобны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивается по отношению к уровню мощности в 1 мВт. При этом со знаком "+" или "-" пишется разность в децибелах текущего уровня мощности от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчета. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт), т.е., например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10 мВт - +10 дБм, 0,01 мВт - -20 дБм и т.п. Точно так же можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряжение. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1 мкВ, а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.

Динамическая и амплитудная характеристики. Динамическая характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения Uвых(t) от мгновенного значения входного напряжения Uвх(t) при гармоническом входном воздействии. Зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения Um1вых=f(Umвх) называется амплитудной характеристикой. Точка окончания линейного участка динамической характеристики носит название точки компрессии.

Динамический диапазон. Отношение (в децибелах) наибольшего допустимого значения амплитуды входного напряжения к ее наименьшему допустимому значению называется динамическим диапазоном амплитуд (или просто динамическим диапазоном). Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления (точка компрессии). В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.

Амплитудно-частотная характеристика. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала.

Фазочастотная характеристика. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) - зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи.

Рабочий диапазон частот. Рабочий диапазон частот (диапазон пропускаемых частот или полоса пропускания) представляет собой некоторый интервал значений частоты от fн до fв, внутри которого коэффициент усиления изменяется по определенному закону с известной степенью точности. Например, высококачественный усилитель низкой частоты должен характеризоваться законом K=const в диапазоне частот сигнала от fmin=10Гц до fmax=20кГц. Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ, т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в 2v?1,41 раза.

Амплитудно-фазовая характеристика. Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) - зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи.

Понятия об АЧХ, ФЧХ и АФХ становятся определенными лишь по отношению к линейным усилителям.

Переходная характеристика. Переходная характеристика - зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.

Линейные искажения. Отклонения частотных характеристик от идеальных в рабочем диапазоне частот называются частотными искажениями. Мерой частотных искажений является нормированное(относительное) усиление на границах рабочего диапазона частот, которое определяется как отношение коэффициента усиления на границе рабочего диапазона (Kн,Kв) к коэффициенту усиления на средней рабочей частоте (K0):

Gн=Kн/K0, Gн [дБ]=20lgKн/K0;

Gв=Kв/K0, Gв [дБ]=20lgKв/K0.

Часто используют величину, обратную нормированному усилению. Она носит названиекоэффициента частотных искажений:

Mн=1/Gн, Mв=1/Gв.

Вследствие отклонения реальной фазочастотной характеристики усилителя от идеальной в нем имеют место фазовые искажения. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. В результате такого неодинакового сдвига по фазе отдельных гармоник форма сигнала на выходе усилителя может стать существенно отличной от формы входного сигнала. Если вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте n-й гармоники пропорционален частоте цn=nщф, то сигнал на выходе усилителя окажется смещенным во времени на величину t. Ее называют временем задержки или временем фазового пробега. Таким образом, если цn - вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте n-й гармоники - пропорционален частоте (цn=nщф), то взаимное расположение гармоник, а следовательно, и форма сигнала не подвергаются изменению.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания

Дf=fв?fн,

в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала.

Нелинейные искажения. Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

kг=U2m2+U2m3+U2m4+...vU2m1,

где Um1, Um2, Um3, ... - амплитуды 1-й, 2-й, 3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15...20 %, а для высококачественных усилителей современной стереоаппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

Еще один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в выходном сигнале т.н. комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т. ч. и первыми) гармониками различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имеют значение интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если f1 и f2 - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго порядка обусловлены наличием на выходе усилителя сигналов с частотами f1±f2, а интермодуляционные искажения третьего порядка - с частотами 2f1±f2 и 2f2±f1).Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превышающей уровень собственных шумов усилителя.

Абсолютный уровень интермодуляционных искажений принято оценивать по положению т.н.интермодуляционных точек. Если линейный участок динамической характеристики условно продлить в области высокой входной мощности (когда эта характеристика на самом деле уже не линейна) и одновременно наложить на этот график линию, отражающую суммарную мощность интермодуляционных составляющих второго (третьего) порядка, то точка пересечения этой линии с продленным графиком называется, соответственно, точкой интермодуляции второго (третьего) порядка.

В реальных схемах интермодуляционные искажения второго порядка часто растут медленнее интермодуляционных искажений третьего прядка. Так что интермодуляционная точка третьего порядка лежит ниже (соответствует меньшему уровню входной мощности) интермодуляционной точки второго порядка и имеет большее значение.

Помимо интермодуляционных точек часто говорят о соответствующих им динамических диапазонах по интермодуляции. Выше мы уже дали определение амплитудного динамического диапазона как отношения амплитуд сигнала в точке компрессии и в точке его возможного минимума (определяется собственными шумами). Аналогично вводится и понятие динамического диапазона по интермодуляции, т.е. диапазона уровней мощности входного сигнала, в котором обеспечивается его "безынтермодуляционная" обработка. Снизу такой диапазон также ограничен уровнем собственных шумов усилителя. А вот его верхняя граница определяется как точка, в которой уровень соответствующих интермодуляционных помех становится выше уровня собственных шумов, т.е. эти помехи начинают оказывать на выходной сигнал влияние большее, чем собственные шумы.

Коэффициент шума. Коэффициент шума характеризует уровень шумов (искажений случайного характера, обусловленных различными механическими, тепловыми, молекулярными, электронными и т.п. процессами в радиокомпонентах и соединительных проводниках), привносимых в сигнал при его прохождении через усилитель. В реальных условиях сигнал уже содержит шумы, когда поступает на вход усилителя. Поэтому коэффициент шума определяется следующим образом:

Fш=Pсвх/PшвхPсвых/Pшвых=PшвыхPшвхKP=PшвхKP+PшсобствPшвхKP=1+PшсобствPшвхKP,

где: Pшвх - мощность шумов на входе усилителя;

Pшвых - мощность шумов на выходе усилителя;

Pсвх - мощность полезного сигнала на входе усилителя;

Pсвых - мощность полезного сигнала на выходе усилителя;

Pшсобств - собственная мощность шумов (мощность добавляемых в сигнал шумов).

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:

з=Pвых/Pп.

Выходная мощность. Номинальная выходная мощность (Pвыхном) - мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е. максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений.

Входные и выходные параметры усилителя. Помимо параметров, описывающих работу усилителя в целом, не менее важными являются характеристики его входной и выходной цепей. К ним относят в первую очередь входное и выходное сопротивления усилителя:

Rвх=Uвхном/Iвхном; Rвых=Um1выхном/Im1выхном,

где Um1выхном, Im1выхном - номинальные амплитудные значения напряжения и тока первой гармоники на выходе усилителя.

2.2 Разработка принципиальной схемы усилителя приема

Интегральные схемы серии ТСМ 1700, выполненные по биполярной технологии, позволят использовать в телефонных аппаратах вместо угольных дешевые и надежные пьезокерамические, электромагнитные и электретные микрофоны. Подгонка усиления усилителя приема посредством внешних резисторов под длину конкретной абонентской линии дает возможность применить эти чувствительные к высоким напряжениям и большим токам устройства и отказаться от использования громоздких дифференциальных трансформаторов. Делитель на внешних резисторах обеспечивает регулировку глубины местного эффекта.

Интегральные схемы серии ТСМ обеспечивают автоматически регулирующееся усиление и регулировку местного эффекта, а также заменяют тяжелый и громоздкий дифференциальный трансформатор. Эти ИС с 16 выводами знаменуют переход к легким, компактным и надежным телефонным аппаратам, приставкам. Кроме того, они могут быть приспособлены под любые изменения в требованиях к местным системам телефонной связи, так как несколько резисторов и конденсаторов, требующихся для подгонки, вынесено за пределы ИС.

Аппараты, в которых используются ИС серии 1700, могут работать в параллель с обычными аппаратами, причем это не сказывается отрицательно на работе ни того, ни другого аппарата. С учетом нынешней тенденции подключать несколько добавочных аппаратов к одной паре проводов эта возможность весьма полезна.

Биполярные микросхемы более пригодны для преодоления одного из важных затруднений, возникающих в сетях телефонной связи: разнообразия длин линий, ведущего к работе с различными напряжениями и рассеиваемыми мощностями.

Рис. Принципиальная схема усилителя приема на базе интегральной схемы серии ТСМ 1700

Резисторы используются для установки усиления приема, необходимого для работы телефонного капсюля в аппарате. R9 и R10 задают усиление приема.



3. Оценка эффективности и обоснование предложений по практической реализации разработанного устройства

3.1 Оценка преимущества разработанного устройства перед его аналогом

Разработанная принципиальная схема обладает достаточным усилением и достаточной чувствительностью на приеме для того, чтобы работать на конце линии с сопротивлением 5 кОм, что соответствует абонентскому шлейфу длиной 96 км при диаметре жил 0,9 мм. Это соответствует электрическим параметрам около 9 мА при 3,6 В или эффективной рабочей мощности 32,4 мВт, что значительно ниже минимального стандартного значения, предложенного Ассоциацией электронной промышленности. Местный эффект в схеме регулируется, как и усиление, соответственно току в линии, который в свою очередь обратно пропорционален суммарному сопротивлению шлейфа. Таким образом затухание местного эффекта автоматически регулируется в пределах от - 5 до - 15 дБ в диапазоне сопротивлений шлейфа от 0 до 1,3 кОм. Само усиление местного эффекта устанавливается подбором величин двух резисторов и одного конденсатора. Например, если R2равно 160 Ом, R6-2,5 кОм, R7 = 9,1 кОм, а С 5-22 нФ, то местный эффект будет оптимизирован для кабелей с медными жилами диаметром 0,4-0,5 мм.

3.2 Разработка предложений по практической реализации разработанного устройства

Данный разработанный усилитель приема можно использовать в телефонных аппаратах, которые могут работать в параллель с обычными аппаратами, причем это не сказывается отрицательно на работе ни того, ни другого аппарата. С учетом нынешней тенденции подключать несколько добавочных аппаратов к одной паре проводов эта возможность весьма полезна.

Схема такого телефонного аппарата будет иметь вид:

В данной схеме местный местный эффект создается подачей определенной доли сигнала с усилителя приема на вход через делитель, образованный из R8и R7. Для того чтобы все схемы регулировки оставались сбалансированными, усилитель приема должен иметь нулевое смещение.

Все эти средства регулировки и электрические характеристики схем делают их электрически эквивалентными обычному телефонному аппарату. Например, эквивалентная схема для характеристик интегральных схем дифференциального трансформатора по постоянному току имеет вид стабилитрона, включенного последовательно с резистором.

Наличие высокого входного сопротивления позволяет телефонным аппаратам, содержащим ИС серии ТСМ 1700, работать в параллель с обычными телефонными аппаратами, поскольку первые не создают чрезмерной нагрузки для линии. Прежние же интегральные схемы для телефонных аппаратов, напротив, могли бы стать неработоспособными из-за избыточного потребления мощности, если бы их включили параллельно с обычным телефонным аппаратом со снятой трубкой.



Выводы по работе

Разработанный усилитель приема может быть приспособлен под любые изменения в требованиях к местным системам телефонной связи.

Подгонка усиления усилителя приема посредством внешних резисторов под длину конкретной абонентской линии дает возможность применить эти чувствительные к высоким напряжениям и большим токам устройства и отказаться от использования громоздких дифференциальных трансформаторов.

Проблема, решаемая данным усилителем приема, заключается в том, чтобы раскачать телефонный капсюль при крайне малом напряжении переменного тока на нем. Конденсаторы связи не используются, и поэтому дифференциальный выход оставляется под плавающим потенциалом с мощностью, достаточной для непосредственной раскачки капсюля от внешней телефонной линии.

Размещено на Allbest.ru

...