HiFi-forstærker. -med digital volumenkontrol. Elektronik og Elektroteknik 3. semester Aalborg universitet 2005 Projektgruppe 05gr315

HiFi-forstærker -med digital volumenkontrol Elektronik og Elektroteknik 3. semester Aalborg universitet 2005 Projektgruppe 05gr315

Institut for Elektroniske Systemer Elektronik og Elektroteknik Fredriks Bajersvej 7 Telefon 96 35 86 50 Fax 98 15 15 83 http://kom.aau.dk/ Titel: HiFi-forstærker med digital volumenkontrol Tema: Analog og digital elektronik Projektperiode: P3, efterårssemesteret 2005 Projektgruppe: E3 05 315 Deltagere: Morten Christophersen Mark Aarup Mikaelsen Daniel Kirk Nielsen Morten Lundby Nielsen Thomas Deleuran Rasmussen Vejleder: Aage Baun Oplagstal: 8 Synopsis: Denne rapport omhandler konstruktionen af en HiFi-forstærker med digital volumenkontrol. Rapporten beskriver og dokumenterer forløbet frem til accepttesten af det endelige produkt, hvorefter der konkluderes og perspektiveres på denne. Kravene er opstillet ud fra DIN 45 500 standarden samt viden fra PE-kurser. Vha. simulering og tests af de enkelte blokke, eftervises om disse krav er opfyldt. For at opfylde kravene designes en modkoblet klasse B forstærker. Desuden konstrueres en mikrofonforstærker, indgangsvælger og tonekontrol ved brug af analog elektronik samt en volumenkontrol med digital elektronik. Det samlede produkt består kravene til systemet. Dog med den undtagelse at tonekontrollen skal være tilvalgt, når mikrofonen benyttes. Sidetal: 147 Appendiksantal: 10 Bilagsantal og art: 1 stk. CD-rom Afsluttet den 19/12-2005 Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne.

Institute for Elektronic Systems Elektronics & Electrotechnics Fredriks Bajersvej 7 Telefon 96 35 86 50 Fax 98 15 15 83 http://kom.aau.dk/ Title: HiFi-amplifier with digital volume control Tema: Analogue and digital elektronics Synopsis: Projekt period: P3, autumn semester 2005 Projekt group: E3 05 315 Participants: Morten Christophersen Mark Aarup Mikaelsen Daniel Kirk Nielsen Morten Lundby Nielsen Thomas Deleuran Rasmussen Supervisor: Aage Baun Copies: 8 Page numbers: 147 The content of this report concerns the construction of a HiFi-amplifier with digital volume control. The report describes and documents the progress till the test of the final product after which a conclusion is presented, and the product is put into perspective. The standards is set up by the DIN 45 500 standards and knowledge from our courses this autumn. Satisfaction of these standards fulfilment are documented by simulation and tests of the individual blocks and the final product. To satisfy the standards, the power amplifier is designed as a class B amplifier with feedback loop. Moreover the microphone amplifer, channel selector and equalizer are designed with a- nalogue electronics, while the volume control is designed using digital electronics. The report concludes that the final product meet its standards and is therefore evaluated as a succes. Though with the exception that the equalizer must be activated when the microphone is used. Appendices: 10 Enclosures: CD-rom Date of completion 19/12-2005 The content of this report is freely available, but publication (with reference source) may only be pursued due to agreement with the respective authors.

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Forord Denne P3-rapport er udarbejdet af gruppe 315 ved Institut for Elektroniske Systemer, Aalborg Universitet. Rapporten er udarbejdet i perioden fra den 2. september til den 19. december 2005. Ifølge projektenhedsbeskrivelsen skal projektet indeholde både analog og digital teknik. Ydermere skal projektet opdeles i delblokke med separate krav, og projektblokkene skal herefter testes individuelt og sammensat. Kildehenvisninger er i rapporten angivet efter Harvardmetoden ved [forfatter, år, evt. sidetal]. Er der mere end en forfatter, angives henvisningen som [første forfatter et al., år, evt. sidetal]. Henvisninger til bilag angives med sammen metode, hvor disse er at finde på medfølgende CD-rom. Enkelte forelæsningsnoter fra dette års kurser er ligeledes lagt på CD-rommen, da disse ikke altid forventes at være frit tilgængelige. Litteraturlisten forefindes bagerst i hovedrapporten på side 80. Alle angivelser af spænding [V], strøm [A] og effekt [W] er angivet som rms-værdier medmindre andet angives. Komponentværdier er i rapporten angivet efter den respektive blok, de bruges i. Dvs. komponentværdier i blok nummer et starter fra 101 (f.eks. R 101, R 102, C 101 ), blok nummer to fra 201 (R 201, R 202, C 201 ) osv. Alle simuleringer af kredsløb er lavet i OrCad 10.3, og tests af blokkene er foretaget i instituttets tilknyttede elektroniklaboratorie. I appendiks J side A 45 findes fold-ud-kredsløbsdiagrammer for de enkelte blokke. Disse kan med fordel foldes ud under gennemlæsningen af de respektive afsnit. Side I

Projektdeltagere: Morten Christophersen Mark Aarup Mikaelsen Daniel Kirk Nielsen Morten Lundby Nielsen Thomas Deleuran Rasmussen Side II P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Indhold Forord I Forkortelser 1 1 Indledning 2 2 Kravspecifikation 3 2.1 Systembeskrivelse............................. 3 2.2 Krav til samlet system.......................... 3 2.3 Blokkenes funktioner........................... 4 2.4 Tekniske krav til blokke......................... 5 3 Mikrofonforstærker 7 3.1 Formål................................... 7 3.2 Krav.................................... 8 3.3 Design................................... 8 3.4 Dimensionering.............................. 11 3.5 Simulering................................. 17 3.6 Test.................................... 17 3.7 Resultater................................. 18 3.8 Delkonklusion............................... 18 4 Indgangsvælger 19 4.1 Formål................................... 19 4.2 Krav.................................... 19 4.3 Design................................... 19 4.4 Dimensionering.............................. 20 4.5 Simulering................................. 20 4.6 Test.................................... 20 4.7 Resultater................................. 21 4.8 Delkonklusion............................... 21 5 Tonekontrol 22 5.1 Formål................................... 22 5.2 Krav.................................... 22 5.3 Design................................... 23 5.3.1 Baxandall tonekontrol...................... 23 5.3.2 Alternativ tonekontrol...................... 24 5.4 Dimensionering.............................. 25 Side III

INDHOLD 5.4.1 Diskantkontrol.......................... 25 5.4.2 Baskontrol............................ 28 5.4.3 Slew Rate............................. 31 5.4.4 Offset-beregning på tonekontrollen............... 31 5.4.5 Fravælger............................. 33 5.4.6 Ind- og udgangsimpedans.................... 33 5.5 Simulering................................. 35 5.6 Test.................................... 36 5.7 Resultater................................. 37 5.8 Delkonklusion............................... 38 6 Digital volumenkontrol 39 6.1 Formål................................... 39 6.2 Krav.................................... 39 6.3 Design & dimensionering......................... 40 6.3.1 Styring.............................. 40 6.3.2 Volumenregulering........................ 45 6.3.3 Display.............................. 48 6.3.4 Positioner............................. 50 6.4 Simulering................................. 50 6.5 Test.................................... 50 6.6 Resultater................................. 50 6.7 Delkonklusion............................... 51 7 Effektforstærker 52 7.1 Formål................................... 52 7.2 Krav.................................... 52 7.3 Design & dimensionering......................... 52 7.3.1 Strømforstærkertrin....................... 52 7.3.2 Spændingsforstærkertrin..................... 63 7.3.3 Tilbagekobling.......................... 65 7.3.4 Stabilitet............................. 66 7.3.5 Ind- og udgangsimpedans.................... 67 7.4 Simulering................................. 68 7.5 Test & resultater............................. 70 7.6 Delkonklusion............................... 70 8 Test af konstrueret forstærker 71 8.1 Formål................................... 71 8.2 Krav.................................... 71 8.3 Accepttest resultater........................... 71 9 Konklusion 76 9.1 Perspektivering.............................. 77 Litteraturliste 80 Appendiks A 1 Appendiks A: Målejournal for mikrofon................... A 1 Appendiks B: Målejournal for mikrofonforstærker.............. A 3 Appendiks C: Målejournal for indgangsvælger................ A 10 Appendiks D: Målejournal for tonekontrol.................. A 13 Appendiks E: Målejournal for volumenkontrol................ A 20 Side IV P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Appendiks F: Målejournal for effektforstærker................ A 25 Appendiks G: Målejournal for accepttest................... A 30 Appendiks H: Beregninger i forbindelse med tonekontrol.......... A 37 Appendiks I: Udledning af tællerlogik.................... A 41 Appendiks J: Kredsløbsdiagrammer for blokke............... A 45 Bilag 1: CD-rom B 1 Side V

FIGURER Figurer 2.1 Blokdiagram over det fulde system.................... 3 3.1 Mikrofonopkobling [Panasonic, 2005, side 2].............. 7 3.2 Common-source transistorkobling med uafkoblet source-modstand.. 8 3.3 AC-ækvivalentkredsløb for common-source transistorkobling med u- afkoblet source-modstand......................... 9 3.4 Model til beregning af udgangsimpedans................ 10 3.5 Minimum- og maksimumkurver for JFET-transistor samt input-biaslinje 12 3.6 Simuleret frekvensrespons........................ 17 3.7 Målt frekvensrespons........................... 18 4.1 Kredsløbsdiagram for indgangsvælger bestående af en drejekontakt, en analog switch samt en diode for hver kanal............. 20 5.1 Ukorrigeret bodeplot over den ønskede forstærkning i tonekontrol.. 23 5.2 Baxandall tonekontrol, der indeholder bas- og diskantregulering... 23 5.3 Alternativ tonekontrol med baskontrol sat i kaskade efter diskantkontrol..................................... 24 5.4 Diskantkontrol med tilbagekobling bygget symmetrisk omkring operationsforstærkerens inverterende indgang................ 25 5.5 Ukorrigeret bodeplot af overføringsfunktionen for diskantkontrol... 27 5.6 Baskontrol med tilbagekobling bygget symmetrisk omkring operationsforstærkerens inverterende indgang.................. 28 5.7 Ukorrigeret bodeplot af overføringsfunktionen for baskontrol..... 30 5.8 Kredsløbsdiagram for tonekontrollen med til/fra-vælger........ 33 5.9 Kredsløbsdiagram for tonekontrollen med standard komponentværdier. 34 5.10 Bodegainplot for tonekontrollen ved maksimal forstærkning/dæmpning. 36 5.11 Bodeplot for tonekontrollen ved forskellige grader af forstærkning/- dæmpning................................. 37 5.12 Bodegainplot for tonekontrollen ved maksimal forstærkning/dæmpning. 38 6.1 Blokdiagram over volumenkontrol.................... 40 6.2 Kredsløb over 555 timer [Sedra and Smith, 2004, side 1198]..... 41 6.3 Kredsløb med kontakten, anti-prel og beskyttelsesled......... 42 6.4 Kontakten i figur 6.3 har følgende specifikation............. 42 6.5 CMOS logiske niveauer og støjmargin. [Mikkelsen, 2005e, side 6].. 43 6.6 Typisk overføringskarakteristik for en Schmitt-trigger [Motorola, 2005, side 3]............... 43 6.7 Eksempel på Schmitt-triggerens virkemåde [Motorola, 2005, side 3]. 43 Side VI P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 6.8 Load-funktion et RC led og en Schmitt trigger............. 44 6.9 Tællerne i volumenregulering....................... 45 6.10 Det endelige kredsløb for en binær 4-bit tæller............. 47 6.11 Standardopkobling for AD7111ABN D/A-converteren. Opkoblingen er tilpasset 5-bit volumenkontrollen................... 49 6.12 Opbygning af displayet.......................... 49 6.13 Dæmpning som funktion af volumentrinnet............... 51 7.1 Illustration af operationsforstærkers slew rate, hvor V OA er det originale signal og V O er det slew rate korrigerede signal.......... 54 7.2 Collectorstrøm for forskellige forstærkerklasser. Klasse A (a), klasse B (b) og klasse AB (c).......................... 55 7.3 Forspænding af strømforstærker med dioder............... 56 7.4 Forspænding af strømforstærker med V BE -multiplier.......... 56 7.5 Konstantstrømsgeneratoren sikrer en konstant biasstrøm....... 57 7.6 Jo større hvilestrøm, der løber gennem transistorerne, des mere varme afsættes deri, og den konstante forspænding vil dermed trække en endnu større hvilestrøm. Figuren viser en ligevægtssituation...... 58 7.7 En emitter-modstand R E kan afhjælpe termisk runaway........ 58 7.8 En modkoblet klasse B forstærker.................... 59 7.9 Darlingtonkobling bestående af to npn-transistorer........... 60 7.10 Compoundkobling bestående af en pnp- og en npn-transistor..... 60 7.11 (T c, P D )-graf fra databladet for MJE3055 [Semiconductor, 2005, side 2]...................................... 61 7.12 Kredsløb til kortslutningssikring..................... 62 7.13 Differenstrin med matchede transistorer og ens collectormodstande.. 63 7.14 Differenstrin efterfulgt af en common-emitter spændingsforstærker.. 64 7.15 β-netværk i serie-shunt kobling...................... 65 7.16 Bodegain og -faseplot........................... 67 7.17 Effektforstærkerindgangstrin, som har betydning for indgangsimpedansen................................... 67 7.18 Effektforstærkeren bestående af et spændingsforstærknings- og strømforstærkningstrin.............................. 68 7.19 Endelig effektforstærker, hvor kortslutningssikringen er konstrueret med en flink finsikring........................... 69 7.20 Effektforstærkerens simulerede frekvensrespons............ 69 8.1 Frekvensresponsplot for forsøg nummer nr. 5 - plottet ligger stort set oven i 0 db linien............................. 73 8.2 Frekvensresponsplot for forsøg nummer nr. 6.............. 73 8.3 Faseplot for forsøg nr. 7.......................... 74 8.4 Faseplot for forsøg nr. 8.......................... 74 A.1 Måleopstilling 1: Måling af mikrofonens udgangsspænding med oscilloskop koblet på udgangen........................ A 2 B.1 Måleopstilling 1: Måling af forstærkning................. A 6 B.2 Måleopstilling 2: Måling af indgangsimpedans på mikrofonforstærkeren.a 6 B.3 Måleopstilling 3: Måling af udgangsimpedans på mikrofonforstærkeren.a 6 B.4 Måleopstilling 4: Måling af THD på tonegeneratoren.......... A 6 B.5 Måleopstilling 5: Måling af THD på mikrofonforstærkeren samt tonegenerator................................. A 7 B.6 Plot af frekvenskarakteristikken, som det ses er kurven tilnærmelsesvis lineær i intervallet 20 Hz - 20 khz.................. A 7 C.1 Måleopstilling 1: Måling af modstand igennem indgangsvælgeren... A 11 Side VII

FIGURER C.2 Måleopstilling 2: Måling af THD på indgangsvælgeren......... A 11 D.1 Måleopstilling 1: Frekvenskarakteristik.................. A 15 D.2 Måleopstilling 2: Måling af indgangsimpedans............. A 16 D.3 Måleopstilling 3: Måling af udgangsimpedans.............. A 16 D.4 Måleopstilling 4: Måling af THD..................... A 16 D.5 Frekvenskarakteristik for tonekontrol ved maksimal forstærkning/- dæmpning................................. A 19 E.1 Måleopstilling 1: Måling af indgangsimpedans for volumenkontrollen. A 22 E.2 Måleopstilling 2: Måling af udgangsimpedans for volumenkontrollen. A 22 E.3 Måleopstilling 3 og 4: Måling af THD på volumenkontrollen, samt for måling af dæmpning.......................... A 22 E.4 Måleopstilling 5: Måling af maksimal ind- og udgangsspænding.... A 22 F.1 Måleopstilling 1: Måling af frekvensrespons på effektforstærkeren... A 26 F.2 Måleopstilling 2: Måling af indgangsimpedans på effektforstærkeren. A 26 F.3 Måleopstilling 3: Måling af udgangsimpedans på effektforstærkeren.. A 27 F.4 Måleopstilling 4: Måling af effekt på effektforstærkeren........ A 27 F.5 Måleopstilling 5: Måling af THD på effektforstærkeren......... A 27 F.6 Plot af frekvenskarakteristikken..................... A 28 G.1 Måleopstilling 1: Måling af indgangsimpedans på forstærkeren.... A 33 G.2 Måleopstilling 2: Måling af maksimal udgangsspænding på forstærkeren.................................... A 33 G.3 Måleopstilling 3: Måling af forstærkerens effekt............. A 33 G.4 Måleopstilling 4: Måling af udgangsimpedans på forstærkeren..... A 33 G.5 Måleopstilling 5 og 6: Måling af forstærkerens frekvensrespons.... A 34 G.6 Måleopstilling 7 og 8: Måling af forstærkerens fasefrekvensrespons.. A 34 G.7 Måleopstilling 9: Måling af forstærkerens THD............. A 34 G.8 Måleopstilling 10: Måling af forstærkerens signal-støj forhold..... A 34 H.1 Diskantkontrol med tilbagekobling bygget symmetrisk omkring operationsforstærkerens inverterende indgang................ A 37 H.2 Baskontrolkredsløb med tilbagekobling bygget symmetrisk omkring operationsforstærkerens inverterende indgang.............. A 38 H.3 Effekten af biasstrømmene kan reduceres ved at indføre modstanden, R 3. [Sedra and Smith, 2004, side 103]................. A 40 I.1 Statediagram for en 4-bit tæller..................... A 41 I.2 Kredsløb for D0 og D1.......................... A 43 I.3 Kredsløb for D2.............................. A 44 I.4 Kredsløb for D3.............................. A 44 Side VIII P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Forkortelser MSB Most Significant Byte Udtryk brugt i digital teknik, om det mest betydende bit, i et parallelt digital signal. LSB Least Significant Byte Udtryk brugt i digital teknik, om det mindst betydende bit, i et parallelt digital signal. SNR Signal-to-Noise Ratio Angiver forskellen på signalets styrke og støjens styrke - målt i decibel. THD Total Harmonic Distortion Angivelse af den totale harmoniske forvrængning på udgangssignalet. HD n angiver den n te harmoniske svingning. SR Slew Rate Angivelse af en operationsforstærkers evne til at ændre spændingen pr. tidsenhed. Side 1

KAPITEL 1. INDLEDNING Kapitel 1 Indledning HiFi er en forkortelse for termen High Fidelity, der beskriver de produkter, der reproducerer et signal fra en lydgivende enhed. Dette kan f.eks. være lyd fra en CDafspiller, et lydkort eller ældre medier som vinylplader og kasettebånd. Formålet med reproduktionen er at forstærke lyden med mindst mulig forvrængning og støj. I løbet af 70 erne udgav Deutsches Institut für Normung, DIN, en række blade kaldet DIN 45 500, der sætter nogle minimumskrav for HiFi-udstyr. Denne HiFistandard vil i rapporten være med til at danne rammen for de krav, der stilles til en HiFi-forstærker. På baggrund af efterårets PE-kurser dette semester vil ekstra krav til forstærkeren også blive opstillet. Rapporten er struktureret således, at det samlede system beskrives, hvorefter der opstilles et blokdiagram. Herefter udarbejdes krav til det samlede system og grænseflader til de enkelte blokke. De enkelte blokke behandles efterfølgende hver for sig. Hvert kapitel vil starte med en beskrivelse af formålet med blokken efterfulgt af kravene til blokken. Dernæst vil blokken designes ud fra op til flere løsningsmuligheder hvorefter den valgte løsning dimensioneres. Blokken simuleres og testes herefter med en konklusion på resultaterne til følge. Side 2 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Kapitel 2 Kravspecifikation Formålet med dette afsnit er at optille krav til den HiFi-forstærker, der ønskes konstrueret. Forstærkerens opbygning beskrives i en systembeskrivelse i form af ønsker til systemet og i form af et blokdiagram over systemet. Der stilles herefter krav til det fulde system på baggrund af gældende HiFi-standard samt egne krav. Der stilles dernæst krav til de enkelte blokke i systemet og grænsefladerne mellem disse. 2.1 Systembeskrivelse Det fulde systems opgave er at kunne forstærke signaler fra forskellige lydkilder. Der skal kunne tilsluttes flere forskellige kilder samtidig, og brugeren af systemet skal kunne vælge hvilket signal, der skal forstærkes. Det samlede system består derfor af en mikrofonforstærker, indgangsvælger, tonekontrol, volumenkontrol, volumendisplay, volumenresetter og en effektforstærker. Systemet kan ses på blokdiagramform i figur 2.1. Volumen-display CD-afspiller Lydkort(PC) Mp3-afspiller Indgangsvælger Tonekontrol Bas/diskant Digital volumenkontrol Effektforstærker Højttaler Mikrofon Mikrofonforstærker Volumen-reset Figur 2.1: Blokdiagram over det fulde system. 2.2 Krav til samlet system De opstillede krav til det samlede system er opstillet efter DIN 45 500 standarden [DIN, 1974] samt efter egne ønsker til forstærkeren. Alle kravene stillet til forstærkeren er skærpede i forhold til DIN 45 500. Kravene fra DIN 45 500 er indskrevet i parentes efter de opstillede krav. Med hensyn til ind- og udgangsimpedanser mellem de forskellige blokke i systemet vælges det, at indgangsimpedansen skal være mindst 100 gange større end udgangsimpedansen fra forrige blok. Kravene til det samlede system er opstillet herunder. Side 3

KAPITEL 2. KRAVSPECIFIKATION Frekvensområde Frekvensområdet skal ligge fra 20 Hz til 20 khz ± 1,5 db med 1000 Hz som referencefrekvens. Dog for frekvenskorigerede indgange ±2 db (frekvensområde 40 Hz - 16 khz, ±1,5 db med 1000 Hz som referencefrekvens. Dog for frekvenskorrigerede indgange ±2 db) Indgangsimpedans Indgangsimpedans skal være 100 kω Udgangsimpedans Udgangsimpedans skal være 8 3 = 2, 66 Ω (dæmpningsfaktor på 3) Signal-støj forhold Signal-støj forholdet skal være på mindst 60 db (> 50 db) Harmonisk forvrængning Total harmonisk forvrængning < 0,7 % (< 1%) Udgangseffekt Udgangseffekten skal være på mindst 10 W ved 1 khz kontinuert i 10 min. (10 W ved 1 khz kontinuert i 10 min. ved 35 C, ikke skærpet!) De enkelte blokke i systemet vil nu blive beskrevet samt opstilling af tilhørende krav. 2.3 Blokkenes funktioner For specifikke krav se afsnit 2.4. Mikrofon med mikrofonforstærker Mikrofonforstærkerblokken skal sørge for at forstærke indgangssignalet fra mikrofonen til et ønsket udgangsniveau svarende til udgangsniveauet fra andre mulige lydkilder. Indgangsvælger Forstærkeren skal have en indgangsvælger, da den skal kunne forstærke forskellige lydkilder, og det skal være muligt for brugeren at vælge hvilken af de tilsluttede lydkilder, der skal forstærkes. Det er derfor valgt, at forstærkeren skal have tre indgangskanaler. To kanaler skal være phono-stik, hvortil CD-afspillere, PC-lydkort og MP3-afspillere kan tilsluttes. Den tredje kanal tilsluttes mikrofonforstærkeren. Tonekontrol Denne blok giver brugeren mulighed for at justere bas- og diskantniveauet for det valgte lydsignal. Bas- og diskantniveauet vil kunne reguleres med to drejepotentionmetre. Volumenkontrol Med volumenkontrollen skal det være muligt at dæmpe signalet fra indgangen for på den måde at kontrollere lydstyrken. Volumendisplayet skal kunne vise hvilket lydniveau, der er på signalet, og dermed hvilken lydstyrke signalet vil have, når det kommer ud af højttaleren. Volumenreset-funktionen skal sikre, at lydstyrken sættes tilbage til et fastsat niveau, hver gang forstærkeren tændes. Side 4 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Effektforstærker Effektforstærkeren skal forstærke lydsignalet inden det sendes ud i højttaleren, så det ønskede lydniveau opnås. 2.4 Tekniske krav til blokke I dette afsnit opstilles kravene til de enkelte blokke, jf. figur 2.1. Desuden vises det hvorfra disse krav stammer. Datablade, hvorfra der opstilles krav, forefindes på den vedlagte CD-rom. Endvidere er krav fra lydkilder til systemet også opstillet herunder. Lydkilder CD-afspiller Krav til belastning: 10 kω [Denon, 2005] Udgangsspænding: 2 V [Denon, 2005] Mikrofon Udgangsimpedans: < 2,2 kω [Panasonic, 2005] Udgangsspænding: 43 mv (målt) Lydkort Krav til belastning: 10 kω [Creative, 2005] Udgangsspænding: 2 V [Creative, 2005] HiFi-forstærkerens blokke Mikrofonforstærker Overstyringsreserve: > 12 db [DIN, 1974, blad 6, pkt. 3.1] Indgangsimpedans: 100 kω Udgangsimpedans: Ingen specielle krav da den ser direkte ind i en operationsforstærker i tonekontrollen som har en meget høj indgangsimpedans. THD < 0,5 % [DIN, 1974, blad 5, pkt. 2.3.1] Indgangsvælger THD < 0,2 % [DIN, 1974, blad 5, pkt. 2.3.1] Tonekontrol Frekvensområde: 20 Hz - 20 khz Maksimal forstærkning af indgangssignal: ±10 db Tolerance: ±2 db Knækfrekvens, bas: 150 Hz Knækfrekvens, diskant: 8 khz Indgangsimpedans: 10 kω Udgangsimpedans: 100 Ω THD < 0,2 % Fravælger Side 5

KAPITEL 2. KRAVSPECIFIKATION Digital volumenkontrol THD < 0,2 % Indgangsimpedans: 10 kω Udgangsimpedans: 100 Ω Skal kunne behandle et signal på mindst 7 V. Effekttrin THD < 0,3% Udgangseffekt: 10 W ved 1 khz i 10 min. ved 8 Ω belastning [DIN, 1974, blad 5, pkt. 2.6] Indgangsimpedans: 100 kω Indgangsspænding: 2 V, dvs. tonekontrollen ikke skal sættes til at forstærke signalet, medmindre volumenkontrollen dæmper tilsvarende. Udgangsimpedans: 2,66 Ω [DIN, 1974, blad 6, pkt. 2.7] Højttaler Belastningsimpedans: 8 Ω Side 6 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Kapitel 3 Mikrofonforstærker Som småsignalforstærker designes en mikrofonforstærker, men før denne beskrives, designes selve mikrofonopkoblingen til forstærkeren. Mikrofonopkobling Der vælges en electretmikrofon af typen WM-034B [Panasonic, 2005], som kobles efter databladets standardopkobling jf. figur 3.1. Vcc R101 R103 R102 Vout Mikrofon Figur 3.1: Mikrofonopkobling [Panasonic, 2005, side 2] Forsyningen vælges til 5 V, men da der i datablades angives 4,5 V, konstrueres en spændingdeler bestående af R 101 =100 kω og R 102 =909 kω, til at opnå denne spænding. Modstanden R 103 =2,2 kω er en størrelse, som direkte står angivet i databladet for mikrofonen [Panasonic, 2005]. På figur 3.1 er en AC-koblingskondensator udeladt, da den sidder i indgangen til mikrofonforstærkeren i stedet. For at fastlægge hvor stort et udgangssignal, der kommer ud af koblingen, foretages målinger, som er nærmere beskrevet i målejournal appendiks A, side A 1. Resultatet bliver et målt udgangssignal på ca. 43 mv. Dette signal skal forstærkes i mikrofonforstærkeren, som beskrives i det efterfølgende afsnit. 3.1 Formål Mikrofonforstærkeren skal kunne forstærke et mikrofonsignal til et niveau som ligger på højde med udgangssignalet fra en CD-afspiller, et lydkort og en MP3-afspiller. Side 7

KAPITEL 3. MIKROFONFORSTÆRKER Det viser sig ved målinger, at udgangsspændingen på den anvendte mikrofonkobling ved meget højrøstet tale, ligger på ca. 43 mv. Da udgangsspændingen for denne forstærkerblok ifølge DIN 45 500 højst må være 500 mv, pga. en 12 db overstyringsreserve, vælges det at mikrofonforstærkeren skal have en forstærkning på 10 gange, svarende til 20 db. 3.2 Krav Forstærkning på 10 gange (20 db) THD < 0,5 % Indgangsimpedans 100 kω Udgangsimpedans: Ingen specielle krav da den ser direkte ind i en operationsforstærker i tonekontrollen som har en meget høj indgangsimpedans. Frekvensområde: 20 Hz - 20 khz ± 1,5 db med 1 khz som reference. 3.3 Design Mikrofonforstærkeren baseres på en dertil egnet transistorkobling. Der findes flere forskellige transistorkoblinger, der udemærker sig på hver sin måde. Om koblingen bygger på en BJT- eller FET-transistor er heller ikke uden betydning. Grundet den meget høje indgangsimpedans og muligheden for at styre forstærkningen vælges en common-source kobling med uafkoblet source-modstand. JFET-transistorer giver desuden anledning til mindre forvrængning end BJT-transistorer. Kredsløbet ses på figur 3.2. VCC ID R1 RD C2 C1 VTH J1 D G S + VDS - IS rs RL VS R2 R S C3 Figur 3.2: Common-source transistorkobling med uafkoblet source-modstand. Side 8 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 AC-analyse AC-ækvivalentkredsløbet optegnes inklusiv modellen for transistoren og det antages, at transistorens indgangsmodstand R in og r o er uendeligt store, hvorved der kan ses bort fra disse i beregningerne jf. figur 3.3. + gm vgs vgs ro vs vi + - Rin - R 1 R2 rs + vo - R D RL Figur 3.3: AC-ækvivalentkredsløb for common-source transistorkobling med uafkoblet source-modstand. Spændingsforstærkningen A v opskrives vha. AC-ækvivalentet: v i = v GS + v rs = v GS + g m v GS r s = v GS (1 + g m r s ) [V] (3.1) Dermed bliver: hvor: v o = (R D R L ) ( g m v GS ) [V] (3.2) A v = v o = (R D R L ) ( g m v GS ) = (R D R L ) g m [ ] (3.3) v i v GS (1 + g m r s ) 1 + g m r s g m = ( 2IDSS V p ) ID I DSS [S] (3.4) [Sedra and Smith, 1998, side 451] Modstanden r s ønskes bestemt og isoleres i udtrykket for A v : A v = (R D R L ) g m = R D R L 1 + g m r 1 s + r s g m r s = R D R L A v 1 g m [Ω] (3.5) Indgangsimpedansen for transistorkoblingen bliver under antagelse af R in = : Z i = R 1 R 2 R in = R 1 R 2 = R 1 R 2 [Ω] (3.6) Udgangsimpedansen for transistorkoblingen findes ved at slutte en testspænding, V x, til udgangen, se figur 3.4. Under antagelse af at r o =, findes den modstand som R D kigger ind i. Spændingen v GS findes: v GS = v G v S = 0 r S g m v GS = r S g m v GS v GS + r S g m v GS = v GS (1 + r S g m ) = 0 v GS = 0 [V] (3.7) Side 9

KAPITEL 3. MIKROFONFORSTÆRKER + gm vgs vgs vi + - - R 1 R2 rs ix + - vx RD Figur 3.4: Model til beregning af udgangsimpedans. Teststrømmen i x er: Derfor bliver: i x = g m v GS = g m 0 = 0 v x = v x = [Ω] (3.8) i x 0 Z o = R D = R D [Ω] (3.9) Total harmonisk forvrængning Det ønskes nu at finde THD for mikrofonforstærkeren, hvilket gøres ved ud fra figur 3.3 at opskrive følgende udtryk: For JFET transistorer gælder, at: [Mikkelsen, 2005a, side 21] v s = v GS + i D r s [V] (3.10) i D = I DSS ( 1 v GS V p v GS = ( 1 id I DSS Indsættes dette udtryk for v GS i formel 3.10 fås: ( ) v s = 1 id I DSS ) ) 2 V p [V] (3.11) V p + i D r s [V] (3.12) I dette udtryk skal første, anden og tredje afledede af i D mht. v s findes. Her vises hvorledes første afledede fremkommer: ( 1 = 1 ( ) 1 ) id 2 V p i D + r s 2 I DSS I DSS v s ( i D = 1 ( ) 1 ) 1 id 2 V p + r s v s 2 I DSS I DSS ( ) 1 V p = 2 + r s [A/V ] (3.13) I DSS id Side 10 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Anden afledede fremkommer ved at differentiere første afledede mht. v s : ( ) 2 ( 2 i D v 2 = V p s 2 + r s V ( p I DSS id 2 1 )) ( ) I DSS 2 i D 3 id 2 v s ( ( id ) ) 1 2 ( = V ( p v s 2 1 )) ( ) I DSS 2 i D 3 id 2 v s = V ( ) p 4 i 3 3 2 id D [A/V 2 ] (3.14) I DSS v s Til sidst fremkommer tredje afledede ved at differentiere anden afledede mht. v s : 3 i D v 3 = V ( p s 4 3 ) ( ) 4 ( i 5 id D 2 + V ) ( ) 2 ( p I DSS 2 v s 4 i 3 id 2 ) i D D 2 3 I DSS v s v 2 s = 3V ( ) p 8 i 5 4 2 id D 3V ( ) p I DSS v s 4 i 3 2 2 id 2 i D D [A/V 3 ] (3.15) I DSS v s v 2 s Derefter kan den anden harmoniske forvrængning opskrives: HD 2 1 4 f 2 v s [ ] (3.16) f 1 Den tredje harmoniske forvrængning bliver: HD 3 1 24 f 3 f v s 2 [ ] (3.17) hvor: f (1) er lig i D v s [A/V ] f (2) er lig 2 i D v 2 s [A/V 2 ] f (3) er lig 3 i D v 3 s [A/V 3 ] Når der kun regnes med anden og tredje harmoniske forvrængninger, bliver THD en i procent: THD = HD 2 2 + HD 32 100 [%] (3.18) 3.4 Dimensionering Der vælges en JFET-transistor af typen BF245A. Desuden vælges en arbejdsstrøm I DQ på 1 ma. Forsyningen, V CC, vælges til ±15 V. DC-analyse Tages der udgangspunkt i kredsløbet på figur 3.2 under antagelse af, at der ikke løber nogen strøm ind i transistorens gate og at I S = I D, fås: V TH = V GS + V S = V GS + R S I S V GS = V TH R S I S = V TH R S I D [V] (3.19) hvor: VTH er Theveninspændingen R S er summen af modstandene r S og R S [V] [Ω] Side 11

KAPITEL 3. MIKROFONFORSTÆRKER For at undgå for stor afvigelse fra den ønskede I DQ pga. transistorvariation gøres følgende: I databladet [Semiconductors, 2005a] for transistoren findes minimum- og maksimumværdier for I DSS og V p : V Pmin = 0, 4 V V Pmax = 2, 2 V (3.20) I DSSmin = 2 ma I DSSmax = 6, 5 ma (3.21) For JFET-transistorer gælder det, som tidligere beskrevet, at: ( I D = I DSS 1 V ) 2 GS [A] (3.22) V p Ud fra denne formel tegnes min- og max-kurver for transistoren givet ved: ( I Dmin = I DSSmin 1 V ) 2 GS [A] (3.23) V pmin ( I Dmax = I DSSmax 1 V ) 2 GS [A] (3.24) V pmax Dette ses på figur 3.5. Der vælges en acceptabel variation på maksimum ±10 % for Figur 3.5: Minimum- og maksimumkurver for JFET-transistor samt input-biaslinje arbejdsstrømmen I DQ. Ved at tegne en ret linie gennem I DQmax på max-kurven og I DQmin på min-kurven opnås en input-biaslinie, som kan beskrives ved: I D = av GS + b b = I D av GS [A] (3.25) hvor: a er hældningen b er skæringen med I D -aksen [A/V] [A] Side 12 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 For at beregne disse størrelser er det nødvendigt først at finde: ( ) V GSQmin = V GSQmax = Ved indsættelse fås: 1 IDQmin I DSSmin V pmin ( ) 0, 9 10 3 = 1 2 10 3 ( 0, 4) = 0, 13 V (3.26) ( ) 1 IDQmax I DSSmax V pmax ( ) 1, 1 10 = 1 3 6, 5 10 3 ( 2, 2) = 1, 29 V (3.27) a = I DQmin I DQmax V GSQmin V GSQmax = 0, 9 10 3 1, 1 10 3 0, 13 ( 1, 29) = 172, 41 µa/v (3.28) b = I DQmin av GSQmin = 0, 9 10 3 ( 172, 41 10 6) ( 0, 13) = 877, 59 µa (3.29) Dernæst kan V GSQ findes: I DQ = av GSQ + b V GSQ = I DQ b a = 1 10 3 877, 59 10 6 172, 41 10 6 = 0, 71 V (3.30) Ud fra formel 3.19 ses, at V TH = V GS for I D = 0. Dvs. at den krævede Theveninspænding er der hvor bias-linien skærer V GS -aksen. Denne findes ved at substituere V GS med V TH i udtrykket for biaslinien og sætte det lig nul: Nu kan R S bestemmes: I D = av TH + b = 0 V TH = b a 877, 59 10 6 = = 5, 09 V (3.31) 172, 41 10 6 V TH = V GSQ + R S I DQ R S = V TH V GSQ I DQ 5, 09 ( 0, 71) = 1 10 3 = 5, 8 kω (3.32) Spændingen over transistoren vælges således, at den befinder sig et godt stykke inde i det område, hvor I D V DS -kurven er blevet flad. Det ses i databladet [Semiconductors, 2005a] at med den givne V GSQ vil V DS = 10 V være passende. Derfor vælges denne værdi. Side 13

KAPITEL 3. MIKROFONFORSTÆRKER Drain-modstanden bestemmes ud fra figur 3.2: V CC = R D I D + V DS + R S I D R D = V CC V DS R S I D I D = 30 10 5, 8 103 1 10 3 1 10 3 = 14, 2 kω (3.33) Som tidligere vist afhænger indgangsimpedansen af R 1 og R 2. Samtidig er R 1 og R 2 bestemmende for Thevenin-spændingen. Derfor skal dimensioneringen af R 1 og R 2 overholde kravene til både indgangsimpedans og V TH. For at gøre dette opskrives følgende: R 2 V TH = V CC R 1 + R 2 R 1 = V CC 1 = 30 1 = 4, 89 (3.34) R 2 V TH 5, 09 så: R TH = R 1 R 2 = R 1R 2 = R 1 R 1 + R R 1 2 R 2 + 1 ( ) R1 R 1 = R TH + 1 R 2 [Ω] (3.35) = 100 10 3 (4, 89 + 1) = 589 kω (3.36) R 2 = R 1 R 1 R 2 589 103 = 4, 89 = 120, 45 kω (3.37) hvor: R TH er Theveninmodstanden, som også er lig med indgangsimpedansen De beregnede komponentstørrelser er dog ikke tilgængelige. Derfor benyttes standardkomponenter med værdierne R 1 = 590 kω og R 2 = 121 kω Den sourcemodstand R S, der her i dimensioneringsafsnittet blev fundet, er i virkeligheden summen af to modstande r s og R S, jf. figur 3.2. Dvs: R S = r s + R S [Ω] R S = R S r s [Ω] (3.38) Modstanden r s bestemmes vha. formel 3.5 i analyseafsnittet. Ifølge kravene ønskes en forstærkning på A v = 10 og for typiske transistorværdier (aflæst grafisk i databladet [Semiconductors, 2005a]) er: ( ) 2IDSS ID g m = V p I DSS ( ) 2 4 10 3 1 10 3 = 2 = 2 ms (3.39) 4 10 3 Side 14 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Derfor bliver: og r s = R D R L 1 A v g m = 14, 2 103 1 10 6 1 = 900, 1 10 2 10 3 Ω (3.40) R S = R S r s = 5, 8 10 3 900, 1 = 4, 9 kω (3.41) De beregnede komponentstørrelser er dog ikke tilgængelige. Derfor benyttes standardkomponenter med værdierne r s = 909 Ω og R S = 4, 87 kω Kondensatordimensionering Kondensatorstørrelserne findes vha. tidskonstantmetoden. Dvs. det undersøges hvilke modstande den aktuelle kondensator kigger ind i, mens alle de andre kondensatorer ses som kortslutninger. Alle tre kondensatorer virker tilsammen som et højpasfilter, og det er dennes knækfrekvens f L, der skal bestemmes. Frekvensområdet skal ifølge kravene være 20 Hz til 20 khz, hvilket vil sige, at højpasfiltret bestående af de tre kondensatorer skal have en knækfrekvens, som ligger et godt stykke under de 20 Hz, så der ikke forekommer nogen nævneværdig dæmpning ved 20 Hz. Kondensatorerne bestemmes vha. følgende udtryk: C 1 : R C1 = R TH = R 1 R 2 [Ω] (3.42) C 2 : R C2 = R L + R D r o = R L + R D [Ω] (3.43) ( C 3 : R C3 = R S r s + 1 ) [Ω] (3.44) g m De modstande, som kondensatorerne kigger ind i, har størrelserne: R C1 = R TH = 100 kω (3.45) R C2 = R L + R D = 1 10 6 + 5, 8 10 3 = 1, 01 MΩ (3.46) ( R C3 = R S r s + 1 ) g m ( ) = 4, 9 10 3 1 900, 1 + 2 10 3 = 1, 09 kω (3.47) Da R C3 er den mindste modstand bliver det den dominerende. Nu kan kondensatorerne bestemmes: C 3 = 1 1 = = 73 µf (3.48) 2π f R C3 2π 2 1, 09 103 Kondensatorerne C 1 og C 2 dimensioneres til at give poler, der ligger en dekade lavere. 1 C 1 = = 8 2π 0, 2 R C1 µf (3.49) 1 C 2 = = 790 2π 0, 2 R C2 nf (3.50) De beregnede komponentstørrelser er dog ikke tilgængelige. Derfor benyttes standardkomponenter med værdierne C 1 = 10 µf og C 2 = 1 µf og C 3 = 100 µf Side 15

KAPITEL 3. MIKROFONFORSTÆRKER Beregning med standardværdier Nu kontrolleres om de anvendte standardkomponenter giver anledning til nævneværdig forringelse af koblingen i henhold til kravene: hvor g m har samme værdi som før, dvs. 2 ms. A v = (R D R L ) g m 1 + g m r s = 10, 01 (3.51) Z i = R 1 R 2 = 100, 41 kω (3.52) Z o = R D = 14, 3 kω (3.53) Mht. forvrængningen udregnes den ved indsættelse af standardværdier og typiske transistorværdier i formel 3.13 til formel 3.18. Herved fås: f 1 = i D v s ( ) 1 V p = 2 + r s I DSS id ( ) 1 2 = 2 4 10 3 + 909 = 709, 72 µa/v (3.54) 1 10 3 f 2 = 2 i D v 2 s = V ( ) p 4 i 3 3 2 id D I DSS v s 2 = 4 ( 1 10 3 ) 3 ( 2 709, 72 10 6) 3 = 89, 37 µa/v 2 4 10 3 (3.55) f 3 = 3 i D v 3 s = 3V ( ) p 8 i 5 4 2 id D 3V ( ) p I DSS v s 4 i 3 2 2 id 2 i D D I DSS v s v 2 s = 3 ( 2) 8 ( 1 10 3 ) 5 ( 2 709, 72 10 6) 4 4 10 3 3 ( 2) 4 ( 1 10 3 ) 3 ( 2 709, 72 10 6) 2 ( 89, 37 10 6 ) 4 10 3 = 61, 38 µa/v 3 (3.56) Derefter kan den anden harmoniske forvrængning opskrives: HD 2 1 4 f 2 = 1 4 f 1 v s 89, 37 10 6 709, 72 10 6 60, 81 10 3 = 1, 89 10 3 (3.57) Side 16 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Den tredje harmoniske bliver: HD 3 1 24 f 3 f 1 v s 2 = 1 38 10 6 61, 24 709, 72 10 6 (60, 81 10 3 ) 2 = 13, 33 10 6 (3.58) Således bliver THD en i procent: THD = HD 2 2 + HD 32 100% = (1, 89 10 3 ) 2 + (13, 33 10 6 ) 2 100% = 0, 189 % (3.59) 3.5 Simulering Ved simulering i OrCAD med ovenstående standardværdier og v s = 60 mv fås følgende frekvenskarakteristik: Nedre knækfrekvens f L aflæses på grafen til ca. 1,6 Hz. Desuden ses at: 25 20 A v = 20 log(v o /v i ) [db] 15 10 5 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 frekvens [Hz] Figur 3.6: Simuleret frekvensrespons A v 21 11 [db] [ ] Forvrængningen aflæses til 0,12 % Der er en lille afvigelse fra den beregnede f L som var 2 Hz. Samtidig viser simuleringen en forstærkning som er én gang større end beregnet. THD en er mindre end beregnet. 3.6 Test Der måles på transistorkoblingens ind- og udgangsimpedans, forstærkning samt THD. Desuden måles frekvensresponsen. Yderligere specifikation kan findes i målejournalen appendiks A, side A 3. Side 17

KAPITEL 3. MIKROFONFORSTÆRKER 3.7 Resultater Test Krav Målt Indgangimpedans 100 kω 98 kω Udgangsimpedans intet 13,55 kω THD THD 0,2 % 0,0178 % Frekvensrespons ± 1,5 db 0,1 db Tabel 3.1: Måleresultater for mikrofonforstærkeren. Testene viser, at forstærkeren opfylder kravene. Mht. THD en er den målte mindre end både den beregnede og den simulerede. Den målte forstærkning passer bedre med den beregnede end med simuleringen. Den målte frekvensrespons ses på figur 3.7. Resten af resultaterne kan findes i målejournalen appendiks A, side A 3. 30 25 20 A v [db] 15 10 5 0 1 10 2 10 3 10 Frekvens [Hz] 4 10 5 10 Figur 3.7: Målt frekvensrespons 3.8 Delkonklusion Den konstruerede mikrofon lever ifølge testene stort set op til de opstillede krav. Eneste afvigelse er at indgangsimpedansen målt til 98 kω og dermed ikke opfylder kravet på 100 kω. Dog er det så tæt på at det ikke betragtes som et problem. Det skal bemærkes at pga. af den måde, der tages højde for en 12 db overstyringsreserve derfor må forventes, at det bliver nødvendig at skrue ekstra op for volumen i den samlede forstærker for at kunne høre mikrofonsignalet på samme niveau som de andre lydkilder. Side 18 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 Kapitel 4 Indgangsvælger 4.1 Formål Formålet med en indgangsvælger er at kunne vælge signalenhed (CD-afspiller, lydkort, MP3-afspiller og mikrofon) uden at skulle skifte rundt på kablerne bag på forstærkeren. Brugeren skal kunne vælge signalenheden ved en drejeknap. 4.2 Krav Der må ikke kunne vælges mere end et signal af gangen Angivelse af den aktive kanal vha. lysdiode (rød) THD < 0,2% Da blokken ikke behandler selve signalet, men blot vælger det, er der ikke noget krav om at blokken skal overholde de fællesopstillede impedanskrav. Udgangsimpedansen bliver dermed summen af signalkildens udgangsimpedans og modstanden igennem switchen. 4.3 Design For at opfylde kravet om at det kun skal være muligt at vælge én signalkilde af gangen, vælges en simpel drejekontakt til signalvælger. Samtidig kobles en rød lysdiode til hver position på kontakten. Da det ikke er hensigtsmæssigt at lydsignalet gennemløber flere komponenter end højst nødvendigt, sættes drejekontakten til at styre en analog switch, således denne switch er den eneste lydsignalet løber igennem jf. figur 4.1. Side 19

KAPITEL 4. INDGANGSVÆLGER 5V Kanalvælger D201 D202 D203 IC201 IN1 IN2 IN3 IN4 V+ V- VL D1 D2 D3 D4 S1 S2 S3 S4 Vout CDin LYDKORTin MICin R201 R202 R203-5V Figur 4.1: Kredsløbsdiagram for indgangsvælger bestående af en drejekontakt, en analog switch samt en diode for hver kanal. For at opnå samme udgang fra switchen kortsluttes udgangene, således et enkelt output opnås. Til styresignalet bruges spændingsforsyningen på 5 V. Drejekontakten sender styresignalet til en af switchens kontrolindgange, hvorved switchen åbner for den tilsvarende lydkanal. Samtidig sendes styresignalet til stel gennem en rød lysdiode og en modstand. 4.4 Dimensionering Modstanden dimensioneres efter lysdioden. Ifølge databladet er passende værdier for spændingsfaldet over lysdioden 1,8 V og strømmen gennem den 10 ma. Vha. Ohms lov beregnes modstanden til: R = V D = 5 1, 8 = 320 Ω (4.1) I D 10 10 3 hvor: R er seriemodstanden for lysdioden V D er spændingsfaldet over lysdioden I D er strømmen igennem lysdioden Da lysdiode D 201, D 202 og D 203 er identiske, skal R 201, R 202 og R 203 også være identiske. De vælges således alle til 320 Ω. I praksis er den nærmeste modstand på 324 Ω, som derfor benyttes. [Ω] [V] [A] 4.5 Simulering Den analoge switch DG445 brugt i indgangsvælgeren findes ikke i OrCad 10.3. Da blokken samtidig er meget simpel, simuleres den ikke. Dvs. den bliver kun verificeret via praktiske tests. 4.6 Test Det testes om switchen afbryder alle andre indgange end den ene, for hvilken lysdioden lyser. Der måles også THD for en aktiv indgang. Yderligere specifikation kan findes i målejournalen appendiks C, side A 10. Side 20 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 4.7 Resultater Ved testen blev der målt en THD på 0,0034 %. Modstanden igennem blokken, for de forskellige blokke ses i tabel 4.1, samtidig ses det af tabellen at lysdioderne lyser som de skal: Kanal nr. Afbrudt Tilsluttet Modstand [MΩ] Diode Modstand [Ω] Diode 1 0,82-78,3 + 2 0,99-79,3 + 3 1,03-79,4 + Tabel 4.1: Måleresultater, et + angiver, at dioden lyser. 4.8 Delkonklusion Testene af indgangsvælgeren viser at den fungerer efter hensigten. Alle krav er opfyldt og blokkens THD overholder kravene. Dermed må blokken siges at være godkendt. Side 21

KAPITEL 5. TONEKONTROL Kapitel 5 Tonekontrol 5.1 Formål Formålet med tonekontrollen er at give brugeren mulighed for at styre diskant- og basniveauet i et lydsignal, så signalet, der sendes ud i højttalerne, er tilpasset brugerens ønsker. Da der ikke er krav til tonekontrol i DIN 45 500, er kravene til forstærkning/dæmpning udarbejdet udfra en eksisterende Denon HiFi-forstærker AVC-A1SRA, jf. databladet [Denon, 2005], som er vedlagt på bilags CD en. Knækfrekvenser er valgt udfra overvejelser angående frekvensområde for hhv. basog diskantområder. Ind- og udgangsimpedanser skal være hhv. mindst 10 kω og mindre end 100 Ω. Kravene for tonekontrollen opstilles således. 5.2 Krav Frekvensområde: 20 Hz - 20 khz Forstærkning af indgangssignal: ±10 db med en tolerance: ±2 db Knækfrekvens bas: 150 Hz Knækfrekvens diskant: 8 khz Indgangsimpedans: 10 kω Udgangsimpedans: 100 Ω THD 0,2 % Fravælger Der er ifølge den overordnede kravspecifikationen valgt, at HiFi-forstærkeren skal kunne gengive et frekvensområde fra 20 Hz til 20 khz. Derfor skal tonekontrollen også kunne arbejde i det område. Bas- og diskantområdet vil blive opdelt således, at knækfrekvensen for basområdet er valgt til 150 Hz og 8 khz for diskantområdet. Dermed fås et basområde fra 20 Hz til 150 Hz og et diskantområde fra 8 khz til 20 khz. I disse områder skal tonekontrollen kunne forstærke op til ±10 db med en tolerance på ±2 db. 10 db svarer til en forstærkning A v på: A v = 10 A 20 [ ] = 10 10 20 3, 16 (5.1) Side 22 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 De ±10 db skal være forstærkningen i yderpunkterne. Dvs. når brugeren forstærker eller dæmper bas- eller diskantområdet af signalet maksimalt. Den ønskede karakteristik er vist i figur 5.1, som viser et ukorrigeret bodeplot over den ønskede forstærkning i tonekontrollen. Bas- og diskantområderne skal ydermere kunne reguleres hver for sig. Figur 5.1: Ukorrigeret bodeplot over den ønskede forstærkning i tonekontrol. Hvordan disse forskellige krav kan opfyldes behandles i næste afsnit, hvor udvalgte tonekontroldesigns beskrives, og et design til brug i tonekontrollen vælges. 5.3 Design 5.3.1 Baxandall tonekontrol Designet bag en Baxandall tonekontrol er vist i figur 5.2. R3 Rp2 R4 C3 C4 R5 - + Vin - C1 R1 Rp1 R2 C2 + OUT + Vout - Figur 5.2: Baxandall tonekontrol, der indeholder bas- og diskantregulering. I denne type tonekontrol reguleres bas og diskant ved brug af de to potentiometre R P1 og R P2. Her er reguleringen til bassen den øverste del af kredsløbet, og reguleringen til diskanten den nederste. Det regulerede signal fra baskontrollen og det fra diskant-kontrollen samles i en inverterende operationsforstærker og kan benyttes videre i audioforstærkeren. Som det ses af figur 5.2 er bas- og diskantkontrol symmetrisk opbygget omkring de Side 23

KAPITEL 5. TONEKONTROL to potentiometre. Opbygningen med både bas- og diskantkontrol igennem samme operationsfortærker gør udregninger til Baxandall tonekontrol besværlige. 5.3.2 Alternativ tonekontrol En alternativ tonekontrol kunne bestå af en diskantkontrol sat i kaskade med en baskontrol, hvor begge er opbygget omkring hver sin inverterende operationsforstærker, som vist på figur 5.3. På den måde vil signalet inverteres to gange, inden C1 R1 xrp1 (1-x)Rp1 R2 C2 R5 xrp2 (1-x)Rp2 R6 + R3 R4 C3 C4 + Vin - - Vout OUT OUT + - - Diskantkontrol Baskontrol + Figur 5.3: Alternativ tonekontrol med baskontrol sat i kaskade efter diskantkontrol. det når videre til næste blok i forstærkeren. Ved en inverterende operationsforstærker fasedrejes signalet 180 jf. overføringsfunktionen A v = Z2 Z 1. Ved at benytte to inverterende koblinger sat i kaskade, fås først 180 fasedrej og dernæst 180 yderligere, hvilket giver et samlet fasedrej på 360. Diskantkontrollen består af et førsteordens aktivt højpasfilter, og baskontrollen består af et førsteordens aktivt lavpasfilter. Både diskant- og baskontrol er symmetriske omkring den inverterede indgang på operationsforstærkerne som i Baxandall tonekontrollen. Grundlaget for denne symmetri ligger i kondensatorens egenskaber ved vekselspænding. Når der er valgt en knækfrekvens, vil den ideelle kondensator virke som en kortslutning ved frekvenser over knækfrekvensen og som en afbrydelse for frekvenser under. I diskantkontrollen skal A v,lf = 1, og A v,hf være potentiometerafhængig. Ved de lave frekvenser virker kondensatorerne som afbrydelser, og de eneste komponenter, der vil have en betydning for forstærkning, er derfor R 3 og R 4. Forstærkningen A v,lf = 1 kræver derfor at R 3 = R 4. Endvidere skal A v,hf = 1 når potentiometeret er i midterstilling. Ved høje frekvenser virker kondensatorerne som kortslutninger og forstærkningen vil derfor udelukkende afhænge af parallelkoblingerne R 1 R 3 og R 2 R 4. Ved at lave R 3 = R 4 meget større end R 1 og R 2 kan der ses bort fra R 3 og R 4. For at A v,hf = 1 skal det derfor gælde at R 1 = R 2. Hvis størrelsesforholdet mellem de to kondensatorer er forskelligt fra 1:1, vil kondensatorerne have indflydelse på forstærkningen af signalet. Derfor skal C 1 = C 2. I baskontrollen ønskes A v,hf = 1, mens A v,lf skal være afhængig af potentiometerets position. Ved de høje frekvenser vil C 3 og C 4 virke som kortslutninger og derfor sikre A v,hf = 1. Når potentiometeret er i midterstilling ønskes A v,lf = 1 og jf. forstærkningen for en inverterende operationsforstærker skal R 5 = R 6 for at opnå dette. Som ved Side 24 P3-Rapport

Projektgruppe E3/05GR315 September - December 2005 diskantkontrollen vil det være hensigtsmæssigt at sætte C 3 = C 4 for at undgå kondensatorernes indvirkning på forstærkningen. Det alternative tonekontroldesign vil i dette projekt benyttes, da det har dimensioneringsmæssige fordele. 5.4 Dimensionering Da det alternative tonekontroldesign benyttes, behandles bas- og diskantdelen hver for sig. I de følgende to afsnit opstilles derfor en overføringsfunktion for hhv. diskantog basdelen. Herefter beregnes komponentstørrelserne udfra den ønskede knækfrekvens og forstærkning. Da det sjældent er muligt at få de beregnede komponentværdier vælges standardkomponentværdier, der ligger tættest muligt på de beregnede værdier. Forstærkning og knækfrekvenser udregnes igen efter valg af standardkomponenter. 5.4.1 Diskantkontrol På figur 5.4 ses den del af tonekontrollen, der styrer dæmpningen og forstærkningen af diskantfrekvenserne. Filteret er bygget op omkring en inverterende operations- Z1 Z2 C301 R301 xrp1 (1-x)Rp1 R304 C302 + R302 R305 + Vin - Vout - + OUT - Figur 5.4: Diskantkontrol med tilbagekobling bygget symmetrisk omkring operationsforstærkerens inverterende indgang. forstærker, og forstærkningen er derfor givet ved: H(s) = V out V in = Z 2 Z 1 [-] (5.2) Som det ses af figur 5.4 er de to impedanser Z 1 og Z 2 givet ved en modstand parallel med: en kondensator, en modstand samt den respektive del af potentiometeret. ( Z 1 = R 302 xr P1 + R 301 + 1 ) [Ω] (5.3) sc 301 ( Z 2 = R 305 (1 x)r P1 + R 304 + 1 ) [Ω] (5.4) sc 302 Side 25