Расчет радиопередатчика с ЧМ модуляцией - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
[pic] = 26 / IК0 = 26 / 5 = 5.2 Ом.
S = 100 / ( 71.43 + 100 ? 5.2) = 169 мА/В.
Зададим коэффициент регенерации GP = (3…7) = 5 и определим управляющее
сопротивление
RУ = GP / S = 5 / 169 ? 10-3 = 29.6 Ом.
Зададим коэффициент обратной связи автогенератора К’ОС = С3 / С2 = 1 и
вычислим реактивное сопротивление емкости С3
X3 = [pic]=[pic]= 27.5 Ом,
где rкв - сопротивление кварцевого резонатора, которое находится по формуле
rкв = 1 / ? ? Ck ? Qk = 1 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 ? 1 ? 10-15 ? 2 ? 106 =
25.5 Ом.
Ck - емкость кварцевого резонатора, Qk – додротность кварцевого
резонатора.
Найдем емкость конденсаторов С2 и С3
С2 = С3 = 1 / ?кв ? X3 = 1 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 ? 27.5 = 1.85 нФ.
Стандартное значение: С2 = С3 = 2 нФ.
Вычислим ёмкость блокировочного конденсатора
С1 = (10…20) [pic] = 20 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 ? 5.2 = 196 нФ,
стандартное значение С1 = 220 нФ.
Рассчитаем индуктивность блокировочного дросселя
Lk = (20…30) [pic] = 20 ? 27.5 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 = 28 мкГн.
Определим необходимость дросселя LБ из условия
R1 ? R2 / (R1 + R2 ) ? (20…30) ? X2,
если оно не выполняется, то дроссель необходим.
Проверка
5.6 ? 103 ? 12 ? 103 ? 25 ? 27.5
67200 ? 687.5
Условие выполняется, следовательно, дроссель не нужен.
4. Энергетический расчёт автогенератора.
Определим коэффициент Берга ?1 = 1 / Gp и через него коэффициенты ?0 и ?1.
?1 = 1 / Gp = 1 / 5 = 0.2; ? = 60?;
?0 = 0.11; ?0 = 0.21; ?1= 0.4.
Вычисляем амплитуду импульса коллекторного тока
Imk = Ik0 / ?0(?) = 5 ? 10-3 / 0.21 = 23.8 mA.
Проверяем условие Imk < Imk доп, 23.8 mA < 100 mA.
Определяем амплитуду первой гармоники коллекторного тока
Ik1 =?1(?) ? Imk = 0.4 ? 23.8 ? 10-3 = 9.5 mA.
Рассчитываем амплитуду напряжения на базе транзистора
UmБ = Ik1 ? Ry = 9.5 ? 10-3 ? 29.6 = 0.282 B.
Вычисляем модуль коэффициента обратной связи
[pic]= [pic] = 0.73.
Находим амплитуду напряжения на коллекторе
Umk = [pic]= 0.282 / 0.73 = 0.386 B.
Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью
P0 = Ik0 ? EКЭ = 5 ? 10-3 ? 7 = 35 мВт;
мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором
Pкв = 0.5 ? ( UmБ / X2 ) 2 ? rкв = 0.5 ? ( 0.282 / 27.5 ) 2 ? 25.5 = 1.34
мВт;
Проверяем условие Pкв < Pкв доп, где Pкв доп - допустимая мощность
рассеиваемая на кварцевом резонаторе, 1.34 мВт < 100 мВт.
мощность, рассеиваемая транзистором
Pk = P0 – Pкв = 35 – 1,34 = 33.66 мВт;
Проверяем условие Pк < Pк доп, где Pк доп – допустимая мощность
рассеиваемая транзистором, 33.66 мВт < 150 мВт.
Оценим величину допустимого сопротивления нагрузки
R н доп ? 5 ? U2mk / Pкв = 5 ? 0.3862 / 1.34 ? 10-3 = 556 Ом.
Из условия, что будет потребляться мощность
Pн = 0.1 ? Pкв = 0.1 ? 1.34 = 0.134 мВт
найдем к.п.д. автогенератора
? =Pн / P0 = ( 0.134 / 35 ) ? 100% = 0.14 %.
3. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.
Требования к усилителю мощности:
рабочая частота – 25 МГц;
выходная мощность – не менее 25 Вт.
В качестве активного элемента в усилителе мощности будет использоваться
биполярный транзистор КТ927Б т. к. он обеспечивает требуемую выходную
мощность и может работать на требуемой частоте. Параметры транзистора
приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 2.
1. Схема усилителя мощности.
Схема усилителя мощности приведена на рисунке 5.
[pic]
Рис.5.
Назначение элементов схемы усилителя мощности:
R1 и R2 - используются как делитель напряжения для обеспечения
фиксированного смещения; обеспечивают автосмещение; корректируют
частотную характеристику;
С1 и С5 – разделительные емкости;
L2 – блокировочная индуктивность;
С3 – блокировочная емкость;
L1 и С2 – входная согласующая цепь;
L3 и С3 – выходная согласующая цепь.
2. Расчет режима работы и энергетический расчет
Выбираем амплитуду импульсов коллекторного тока ik max из условия:
ik max ? (0.8 … 0.9) ? ik доп,
где ik доп – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.);
ik max = 0.8 ? 10 = 8 А.
Выбираем напряжение источника питания из условия:
Еп ? Uк доп /2,
где Uк доп – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);
Еп ? 70 / 2 = 35, выбираем Еп = 20 В.
Рассчитываем напряженность граничного режима работы активного элемента ?гр
?гр = 1- iк max / Sгр? Еп = 1- 8 / 5 ? 20 = 0.92,
где Sгр – крутизна граничного режима (справ.).
Найдем амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного напряжения
Uk1 = ?гр ? Еп = 0.92 ? 20 = 18.4 В.
Определим амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного тока
Ik1 = ?1(?)? ik max = 0.5 ? 8 = 4 А,
где ?1(?) – коэффициент Берга, ? = 90?.
Рассчитаем постоянный ток, потребляемый коллекторной цепью транзистора
Ik0 = ?0(?)? ik max = 0.318 ? 8 = 2.54 А,
где ?0(?) – коэффициент Берга, ? = 90?.
Найдем мощность первой гармоники
P1 = Ik1 ? Uk1 / 2 = 4 ? 18.4 / 2 = 36.8 Вт.
Определим мощность, потребляемую от источника питания
P0 = Ik0 ? Eп = 2.54 ? 20 = 50.8 Вт.
Рассчитаем мощность, рассеиваемую на активном элементе
Pрас = Р0 – Р1 = 50.8 – 36.8 = 14 Вт.
Найдем к.п.д. усилителя
? = Р1 / Р0 = 36.8 / 50.8 = 0.72, т.е 72%.
Определим амплитуду управляющего заряда
Qy1 = ik max / [?гр ? ( 1- cos ? )]= 8 / [2 ? ? ? 100 ? 106 ? ( 1- cos 90?
)] = 12.73 ? 10-9 Кл,
где ?гр – граничная частота работы транзистора, ? – угол осечки
коллекторного тока.
Найдем постоянную составляющую напряжения эмиттерного перехода
Uэп = uотс – ?0 (? –?) ? Qy1 /Cэ = 1 – 0.5 ? 12.73 ? 10-9 / 2300 ? 10-12 =
-0.76 В,
где uотс – напряжение отсечки, ?0 - коэффициент Берга, Cэ – емкость
эмиттерного перехода (справ.).
Определим минимальное мгновенное напряжение на эмиттерном переходе
uэ min = uотс – (1 – cos (? –?) ) ? Qy1 / Cэ = 1 – 12.73 ? 10-9 / 2300 ?
10-12 = - 4.5 В.
Рассчитаем выходное сопротивление транзистора
Rk = Uk1 / Ik1 = 18.4 / 4 = 4.6 Ом.
Определим коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается входная
емкость транзистора счет паразитной емкости коллекторного перехода
ж = 1 + ?1 (?) ? ?гр? Ск ?Rk = 1 + 0.5 ?2 ? ? ? 100 ? 106 ? 150 ? 10-12 ?
4.6 = 1.217,
где Ск – емкость коллекторного перехода.
Найдем амплитуду первой гармоники тока базы с учетом тока через емкость Ск
Iб = ? ? Qy1 ? ж = 2 ? ? ? 25 ? 106 ? 12.73 ? 10-9 ? 1.217 = 2.43 A.
Рассчитаем сопротивление корректирующего резистора, подключаемого
параллельно входу транзистора, служащего для симметрирования импульсов
коллекторного тока
RЗ = 1 / ?? ? Cэ = 1 / 2 ? ? ? 5 ? 106 ? 2300 ? 10-12 = 13.8 Ом,
где ?? – частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в
динамическом режиме уменьшается в ?2 раз по сравнению со статическим
режимом. ?? находится по формуле ?? = ?гр / B , где В – средний
коэффициент усиления тока (15…30).
Определим мощность, рассеивающуюся на корректирующем сопротивлении
[pic]= 0.55 Вт.
Найдем входное сопротивление транзистора
Rвх = ?1 (?) ? ?гр? Lэ / ж = 0.5 ?2 ? ? ? 100 ? 106 ? 1 ? 10-9 / 1.217 =
0.26 Ом,
где Lэ – индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).
Определим мощность, обусловленную прямым прохождением мощности в нагрузку
через Lэ и связанную с Rвх
P’’вх =I2б1 ? Rвх / 2 = 2.432 ? 0.26 / 2 = 0.76 Вт.
Рассчитаем входную мощность, требуемую для обеспечения заданной выходной
мощности
Pвх = P’вх + P’’вх = 0.55 + 0.76 = 1.31 Вт.
Найдем коэффициент передачи по мощности усилителя
Kp = (P1 + P’’вх) / Pвх = ( 36.8 + 0.76 ) / 1.31 = 28.7
Определим входную индуктивность усилителя
Lвх = Lб + Lэ / ж = 1 ? 10-9 + 2 ? 10-9 / 1.217 = 2.82 нГн,
где Lб – индуктивность базового вывода транзистора (справ.).
Рассчитаем входную емкость усилителя
Свх = ж ? Сэ / ?1 (? - ?) = 1.217 ? 2300 ? 10-9 / 0.5 = 5.6 нФ.
Найдем усредненное за период колебаний сопротивление коррекции Rпар
Rпар = RЗ ? ?1 (? - ?) = 13.8 ? 0.5 = 6.9 Ом.
3.3 Расчет цепи питания усилителя мощности.
Выбор схемы цепи питания.
Цепь питания содержит источник постоянного напряжения и блокировочные
элементы. Благодаря блокировочным элементам исключаются потери
высокочастотной мощности в источнике питания, и устраняется нежелательная
связь между каскадами через источник питания.
В качестве схемы цепи питания выберем параллельную схему (рис. 6.),
когда источник питания, активный элемент и выходная цепь включены
параллельно. Последовательная схема цепи питания не будет использоваться,
потому что требуется, чтобы выходная согласующая цепь пропускала постоянный
ток.
[pic]
Рис. 6.
Емкость Сбл с индуктивностью Lбл и емкостью Ср образуют колебательный
контур резонирующий на частоте меньшей рабочей частоты усилителя, что может
привести к возбуждению колебаний. Чтобы исключить их применяют
антипаразитный резистор Rап и проектируют цепь питания как ФНЧ.
Определим блокировочную индуктивность из условия
?min ? Lбл >> Rk
Lбл >> Rk / ?min = 4.6 / 2 ? ? ? 25 ? 10-6 = 29.3 ? 10-9
Lбл = 10 мкГн.
Рассчитаем сопротивление антипаразитного резистора из условия
Rап << 0.1 ? Rk = 0.1 ? 4.6 = 0.46
Определим емкость блокировочного и разделительного конденсаторов
Сбл = Ср = Lбл / 2 ? Rап = 10 ? 10-6 / 2 ? 0.46 = 10.9 мкФ.
3.4 Расчет цепи смещения усилителя мощности.
Выбор схемы цепи смещения.
Напряжение смещения биполярного транзистора в оптимальном режиме зависит
от входного напряжения, а следовательно от входной мощности.
Обеспечить требуемое напряжение смещения с помощью фиксированного
смещения нецелесообразно, поскольку изменение входной мощности приведет к
отклонению режима работы транзистора по постоянному току от оптимального.
Для стабилизации режима работы транзистора применяют комбинированное
смещение, при этом к базе транзистора необходимо подвести постоянное
напряжение отсечки uотс и обеспечить автосмещение Uавт = ?0( ? – ?) ? Qy1 /
Cэ.
Рассчитаем требуемое сопротивление автосмещения и элементов схемы смещения
Rсм = [pic],
так как ? = 90? формула приимет вид
Rсм = Rз = [pic],
где ?? –постоянная времени на частоте ?? (частота, на которой модуль
коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в ?2 раз по
сравнению со статическим режимом. ?? находится по формуле ?? = ?гр / B ,
где В – средний коэффициент усиления тока) и находится по формуле ?? = 1 /
?? = 1 / 2 ? ? ? 5 ? 106 = 31.8 нс.
Rсм = 13.8 Ом.
Применяя схему смещения, приведенную на рисунке7,
необходимо чтобы выполнялись условия:
Eп ? R2 / ( R1 + R2 ) = Uотс , R1 ? R2 /( R1 + R2 ) = Rсм.
Эти условия выполняются при
R1 = 278.6 Ом ? 280 Ом и R2 = 14.6 Ом ? 15Ом.
4. РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ НАГРУЗОЧНОЙ СИСТЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.
Назначение нагрузочной системы – фильтрация высших гармоник и
согласование транзистора с нагрузкой. Для обеспечения фильтрации высших
гармоник в усилителе мощности нагрузочная система настраивается на частоту
первой гармоники сигнала. Настроенная в резонанс нагрузочная система
обладает на частоте первой гармоники чисто активным входным сопротивлением.
Согласование нагрузки заключается в том, чтобы , подключив нагрузочную
систему к транзистору и к нагрузке, обеспечить оптимальное (критическое)
сопротивление нагрузки транзистора Rк.при согласовании не должно нарушаться
условие резонанса, должен обеспечиваться по возможности большой к.п.д.
нагрузочной системы ?к, добротность нагрузочной системы должна оставаться
достаточно высокой для сохранения хорошей фильтрации высших гармонических
составляющих.
В усилителях мощности на транзисторах широкое применение получил П –
образный контур, схема которого изображена на рисунке 8.
[pic]
Рис. 8.
На частоте сигнала f входное сопротивление П – контура должно быть чисто
активным и равным требуемому критическому сопротивлению нагрузки
транзистора Rк. таким образом П – контур на частоте сигнала f
трансформирует активное сопротивление нагрузки Rн в активное входное
сопротивление Rк.
1. Электрический расчет нагрузочной системы
Зададимся величиной волнового сопротивления контура
? = 2 ? ? ? f ? L0 = 250 – 500 Ом
? = 300 Ом.
Определяем индуктивность контура L0
L0 = ? / 2 ? ? ? f = 300 / 2 ? ? ? 25 ?106 = 1.91 мкГн.
На частоте сигнала f П – контур сводится к виду, изображенному на рисунке
9, причём L, L0, C0 находятся в соотношении
2 ? ? ? f ? L = 2 ? ? ? f ? L0 – 1 / 2 ? ? ? f ? C0.
[pic]
Рис. 9.
Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой
L > [pic] = [pic] = 118? 10-9 ? 120 нГн.
Определяем С0
С0=1 / (4 ? ? 2? f2 ? (L0 – L)) =1 / (4 ? ? 2? (25 ?106)2 ?(1.91?10-6 –
120?10-9))=22.6 пФ.
Определяем емкости С1 и С2
С1 = [pic]= =[pic]=
= 573 пФ.
С2 = [pic]= =[pic]=
= 352 пФ.
Рассчитываем внесенное в контур сопротивление
rвн = [pic] = [pic]= 4.12 Ом.
Определим добротность нагруженного контура
Qн = ? / (r0 +rвн ),
где r0 – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности L0. Эта
величина точно определяется при конструктивном расчете контурной катушки
индуктивности, а на данном этапе можно принять r0 = (1…2) Ом = 1 Ом.
Qн = ? / (r0 +rвн ) = 300 / ( 1 + 4.12) = 58.6.
Найдем коэффициент фильтрации П – контура
ф = Qн ?( n2 –1 ) ? n = 58.6 ? ( 22 – 1) ?2 = 351.6,
где n =2 для однотактной схемы усилителя.
Определим к.п.д. (ориентировочный) нагрузочной системы
?к = rвн / (rвн + r0) = 4.12 / ( 1 + 4.12) = 0.8.
4.2 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы
В процессе конструктивного расчета нагрузочной системы необходимо
выбрать номинальные значения стандартных деталей (С0, С1, С2 ), входящих в
контур, и определить конструктивные размеры контурной катушки L0.
При выборе номинального значения конденсатора С1 необходимо учитывать,
что параллельно ему подключена выходная емкость транзистора усилителя
мощности.
Для настройки контура в резонанс и обеспечения оптимальной связи с
нагрузкой в состав емкостей С0 и С2 целесообразно включить подстроечные
конденсаторы. При включении в цепь подстроечных конденсаторов схема контура
примет вид изображенный на рисунке 10.
[pic]
Рис. 10.
Номинальные значения элементов входящих в контур:
С0 = 22 пФ; С2 =360 пФ.
Учитывая, что выходная емкость транзистора Ск = 150 пФ емкость С1
определится так С1 = 573 – 150 = 423 пФ, номинальное значение равно 430
пФ.
Произведем расчет контурной катушки:
Зададим отношение длины намотки катушки ( l ) к диаметру намотки ( D )
v = l / D = (0.5…2) = 1.25.
Определим площадь продольного сечения катушки S = l ? D по формуле
S = P1 ? ?к / Ks = 36.8 ? 0.8 / 0.5 = 58.9 см2,
где Ks = (0,1 – 1) – удельная тепловая нагрузка на 1 см2 сечения катушки,
[Вт/см2].
Определим длину l и диаметр D катушки
[pic] см;
[pic]= 6.86 см.
Рассчитаем число витков контурной катушки
[pic]= 6.86 ? 7,
где L0 – индуктивность катушки в мкГн.
Определим диаметр провода катушки d (мм)
Iк = Uk1 ?2 ? ? ? f ? C1 = 18.4 ?2 ? ? ?25 ? 106 ? 430 ? 10-12 = 1.2 A;
d ? 0.18 ? Iк ?[pic]= 0.18 ? 1.2 ?[pic]= 0.48 мм ? 1 мм,
где Uk1 – амплитуда импульсов коллекторного напряжения; Iк – амплитуда
контурного тока в амперах, f – рабочая частота в МГц.
Найдем собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей
частоте
r0 = [pic][pic]1.25 Ом,
где f – рабочая частота, МГц; d – диаметр провода, мм; D –
диаметр катушки, мм.
Определим к.п.д. контура
?к = rвн / ( r0 + rвн ) = 4.12 / (1.25 + 4.12 ) = 0.77.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проектирования и расчетов отдельных блоков получились
следующие результаты:
Кварцевый генератор построен по схеме емкостной трехточки и обеспечивает
стабильность частоты порядка 10-6. Имеет выходную мощность 0.134 мВт и
к.п.д. 0.14 %.
Усилитель мощности построен по схеме с общим эмиттером, имеет выходную
мощность 36.8 Вт, к.п.д. равен 72 %.
Выходная согласующая цепь построена в виде П-образного контура с к.п.д. 77%
и коэффициентом фильтрации 351.6.
Также в результате проектирования предъявлены требования к нерассчитанным
блокам.
Проделанная работа закрепила полученные на лекциях знания в области
проектирования и анализа работы радиопередающих устройств.
Список литературы
1. Терещук Р. М., Фукс Л. Б. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник
радиолюбителя – Киев: Наукова думка. – 1967
2. Лаповок Я. С. Я строю КВ радиостанцию. – 2-е изд., прераб. И доп. – М.:
Патриот, 1992.
3. Шахгильдян В.В. и др., Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. –
3-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, - 1996.
4. Петров Б. Е., Романюк В. А., Радиопередающие устройства на
полупроводниковых приборах.: Учебное пособие для радиотехн. Спец. Вузов.
– М.: Высшая школа – 1989.
5.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры транзистора КТ 315Б
Обратный ток коллектора при UКБ = 10 В 1 мкА;
Обратный ток эмиттера при
|
