Проектирование передатчика амплитудно-модулированных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пояснительная записка 67с, 8 рисунков, 3 источника.

КОЛЛЕКТОРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, РАДИОПЕРЕДАТЧИК, УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, МОДУЛИРУЕМЫЙ КАСКАД, УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, УГОЛ ОТСЕЧКИ, ПОЛОСА ЧАСТОТ, КВАРЦЕВЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР.

Цель работы:

Приобретение навыков аналитического расчета радиопередающего устройства по заданным к нему требованиям.

В данной работе в соответствии с техническим заданием (ТЗ) спроектирован передатчик амплитудно-модулированных сигналов. Данный передатчик обеспечивает удовлетворительное качество передачи голосовой речи с полосой звуковых частот 300 Гц - 3500 Гц. Спроектированное устройство содержит кварцевый автогенератор, усилители мощности, модулирующий каскад, усилитель модулированных колебаний, схему сложения мощностей и имеет следующие электрические показатели: выходная мощность, излучаемая в пространство 10 Вт (в режиме максимальной мощности), рабочая частота 27 МГц, максимальный коэффициент модуляции 1. В пояснительной записке представлен электрический расчёт каждого из названных выше каскадов, а также конструктивный расчёт нагрузочной системы оконечного каскада.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе MicrosoftWord 10.



Содержание

Введение

1. Расчет и обоснование структурной схемы передатчика

1.1Обоснование структуры радиопередатчика

1.2 Предварительный расчет

2. Расчет оконечного каскада

2.1 Выбор транзистора

2.2 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность

2.3 Электрический расчет нагрузочной системы выходного каскада

2.4 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы

2.5 Расчет элементной базы оконечного каскада

3. Расчет модулируемого каскада

3.1 Теория коллекторной модуляции и предварительные расчеты

3.2 Выбор транзистора

3.3 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность

3.4 Расчет режима молчания

3.5 Электрический расчет нагрузочной системы модулируемого каскада

3.6 Расчет элементной базы модулируемого каскада

4. Расчет промежуточного каскада

4.1 Предварительные расчеты и выбор транзистора

4.2 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность

4.3 Электрический расчет нагрузочной системы промежуточного каскада

4.4 Расчет элементной базы промежуточного каскада

5. Расчет умножителя частоты

5.1 Теоритический сведения и предварительные расчеты

5.2 Выбор транзистора

5.3 Энергетический расчет каскада умножителя частоты

5.4 Электрический расчет нагрузочной системы умножителя частоты

5.5 Расчет элементной базы умножителя каскада

6. Расчет кварцевого автогенератора

6.1 Выбор и обоснование схемы автогенератора

6.2 Выбор транзистора

6.3 Электрический расчет автогенератора по постоянному току

6.4 Электрический расчет автогенератора по переменному току

Заключение

Список использованных источников

Схема электрическая принципиальная



Введение

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой и сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.

техника радиопередающих устройств развивается непрерывно и интенсивно. Это обусловлено определяющей ролью передатчиков в энергопотреблении, качестве работы, надежности, стоимости радиосистем передачи и приёма информации, радиоуправления (радиосвязь, радиовещание и телевидение, радионавигация и др.).

Применение транзисторов в передатчиках способствует повышению надёжности устройств по сравнению с ламповыми аналогами, однако, полупроводники обладают гораздо меньшей радиационной устойчивостью. Требования, которым должен удовлетворять передатчик: простота схемного исполнения, дешевизна, надёжность, минимум искажений, а также высокий КПД. На основе этих требований был спроектирован описываемый ниже радиопередатчик.



1. Расчет и обоснование структурной схемы передатчика

1.1 Обоснование структуры радиопередатчика

В начале проектирования необходимо составить структурную схему всего тракта радиочастоты передатчика. На первом этапе схема является ориентировочной. В процессе выполнения работы, когда рассчитывается большинство каскадов передатчика, иногда в структурную схему приходится вносить некоторые изменения.

Если передатчик предназначен для амплитудно-модулированного вещания, он содержит модулируемый каскад. Этот каскад является почти обычным усилителем высокочастотных колебаний, однако, его амплитуда на выходе пропорциональна величине модулирующего сигнала.

В качестве возбудителя колебаний будем использовать автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты (см. ТЗ). Частота кварцевого резонатора для получения относительной нестабильности не должна превышать 10 МГц. Эта частота и задана в качестве рабочей частоты передатчика, поэтому нет необходимости ставить умножители частоты.

По техническому заданию требуется осуществить амплитудную модуляцию (АМ), но именно какую не указывается. Поэтому выбираем коллекторную модуляцию, т.к. при этом виде модуляции высокий КПД (70-80%), линейная модуляционная характеристика и получение большого коэффициента модуляции с малыми искажениями.

Для уменьшения влияния умножителей частоты на задающий генератор (ЗГ), поставим после ЗГ буферный каскад (маломощный усилительный каскад).

Все каскады, стоящие между автогенератором и антенной являются усилительными. К ним относятся: умножитель частоты,модулируемый каскад и усилитель модулированных колебаний. В основном, активный элемент (в нашем случае применены биполярные транзисторы) в усилительных каскадах включают по схеме с общим эмиттером (ОЭ), т.к. такое включение обеспечивает максимальный коэффициент усиления по мощности. Однако, иногда, возможно применение и других вариантов включения АЭ.

Между каскадами включены резонансные нагрузочные системы, которые служат для селекции нужной гармоники коллекторного тока, а также для трансформации входного сопротивления последующего каскада в сопротивление нагрузки предыдущего каскада, являющееся критическим с точки зрения максимальной выходной мощности. Кроме того выбранный тип цепей согласования осуществляет развязку каскадов по постоянному току.

По ТЗ предполагается самостоятельный выбор способа связи с антенной. Наиболее реально предположить, что передача энергии от передатчика к антенне будет осуществляться по коаксиальному кабелю, т.к. для используемой рабочей частоты подойдёт только такой вид фидера: частота слишком высока, чтобы передавать колебания по обычной двухпроводной линии (вследствие больших потерь) и недостаточна для передачи энергии по волноводу (из-за невозможности реализации низкочастотного волноводного тракта в связи с наличием критической длины волны в волноводе). Выберем для использования с конструируемым передатчиком одну из распространённых марок коаксиального кабеля - РК-75. Этот кабель имеет волновое сопротивление 75 Ом, о чём говорит число 75 в обозначении его марки. Для полной отдачи энергии в антенну необходимо согласование волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением излучателя, иначе в подводящем тракте возможно появление, наряду с падающей волной, волны отражённой от входа антенны, что может привести к уменьшению суммарной амплитуды колебаний в излучателе. Согласование означает равенство активного сопротивления антенны волновому сопротивлению используемого кабеля, при этом реактивное сопротивление антенны должно отсутствовать (быть скомпенсированным). Из сказанного следует считать сопротивление нагрузки каскада равным 75 Ом.

1.2 Предварительные расчеты

Начальными данными при расчете являются рабочая частота передатчика (27МГц) и мощность излучаемая в пространство (10Вт) в режиме максимальной мощности). Все каскады передатчика будем рассчитывать в режиме максимальной мощности, чтобы обеспечить работоспособность активных элементов (АЭ).

При передачи мощности от оконечного каскада в нагрузку, будут потери мощности в цепях согласования и в фидере, поэтому необходимо учесть эти потери. Примем КПД фидера и цепей согласования равными 0,9. Тогда максимальная мощность непосредственно на выходе оконечного каскада будет равна:

На этом этап выбора структуры радиопередатчик заканчивается. Структурная схема передатчика приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. - Структурная схема передатчика.

где АГ - автогенератор;

F/nF - умножитель частоты;

УМ - усилитель мощности;

МК - модулируемый каскад;

ССМ -схема сложения мощностей;

М - модулятор.



2. Расчет оконечного каскада

2.1 Выбор транзистора

Электрический расчет оконечного каскада начнём с выбора транзистора. Как было сказано выше, он должен обеспечить номинальную мощность на выходе, не меньшую мощности в максимальном режиме, т.е. 59,259 Вт. По всем параметрам нам для данного каскада подходит высокочастотный транзистор большой мощности структуры n-p-n, 2Т957А.

-максимальный постоянный ток коллектора ……………….

-максимальное напряжение коллекторного перехода…....

-максимальная средняя мощность на коллекторе.……....…

-предельная частота коэффициента передачи тока

в схеме с ОЭ…………………………………………...………

-ёмкость коллекторного перехода при напряжении

на нём ………………………………...………….

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ…………

-высокочастотное сопротивление насыщения………….….

-сопротивление базы…………………………………….…….

2.2 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность

Перейдём непосредственно к энергетическому расчету.

Исходные данные расчета.

-полезная мощность, генерируемая транзистором……...

-рабочая частота……………………………………...……….

-сопротивление нагрузки……………………………………….

Порядок энергетического расчета на заданную мощность в критическом режиме следующий:

Выбираем угол отсечки коллекторного тока , т.е. . Для данного угла отсечки подсчитаем величины коэффициентов Берга и по следующим формулам:

(3.1)

(3.2)

Амплитуда переменного напряжения на коллекторе:

(3.3)

Максимальное возможное напряжение коллекторного питания:

(3.4)

Выберем в качестве напряжения источника коллекторного питания значение из стандартного ряда, удовлетворяющие условию:

(3.5)

Уточним значение амплитуды переменного напряжения на коллекторе:

(3.6)

Остаточное напряжение на коллекторе:

(3.7)

Амплитуда импульса коллекторного тока:

(3.8)

Постоянная составляющая тока коллектора:

(3.9)

Постоянная составляющая тока эмиттера:

(3.10)

Коллекторная ёмкость транзистора:

(3.11)

Расчет высокочастотныхY-параметров транзистора на рабочей частоте:

(3.12)

(3.13)

(3.14)

(3.15)

(3.16)

(3.17)

(3.18)

Активная составляющая выходного сопротивления транзистора:

(3.19)

Первая гармоника коллекторного тока, генерируемая транзистором определяется выражением:

(3.20)

Первая гармоника коллекторного тока, протекающая через выходное сопротивление транзистора:

(3.21)

Первая гармоника коллекторного тока, протекающая через нагрузочный контур:

(3.22)

Оптимальное сопротивление нагрузки идеального транзистора, обеспечивающее критический режим:

(3.23)

Входное сопротивление нагрузочного контура:

(3.24)

Потребляемая мощность:

(3.25)

Мощность переменного тока, поступающая в нагрузочный контур:

(3.26)

КПД генератора:

(3.27)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

(3.28)

Переходим к энергетическому расчету цепей эмиттера и базы.

(3.29)

Угол отсечки импульсов базового тока имеет следующее значение:

(3.30)

Модуль комплексной крутизны нарабочей частоте:

(3.31)

Амплитуда напряжения возбуждения на рабочей частоте:

(3.32)

Постоянная составляющая тока базы:

(3.33)

Напряжение смещения на базе:

(3.34)

Активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте:

(3.35)

где ) - действительная часть входной проводимости транзистора.

Мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре:

(3.36)

Коэффициент усиления по мощности на рабочей частоте без учета потерь во входном и выходном согласующих контурах:

(3.37)

Общая мощность, рассеиваемая транзистором, определяется выражением:

(3.38)

Подставляя в формулы (3.3)-(3.38) численные значения, получаем:

Стандартный ряд значений напряжений источника питания имеет в своём составе следующие величины: 3; 4; 5; 6; 6.3; 9; 12; 12.6; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60 В. Итак, пусть .

;

Re()=1,921 См;

Re()=0,127 См;

Re()=0,015 См;

2.3 Электрический расчет нагрузочной системы выходного каскада

При проектировании выходных колебательных систем (ВКС), устанавливаемых после оконечного каскада передатчика, на первом плане стоит задача обеспечения заданной фильтрации высших гармоник. Высшие гармоники тока или напряжения, образованные в транзисторах в нелинейном режиме, должны быть ослаблены в нагрузке передатчика (антенне, фидере) до уровня, определяемого международными нормами.

Кроме этого, к ВКС ставится требование к трансформации нагрузочного сопротивления при достаточно простой конструктивной реализации, даже ценой некоторого снижения требований к КПД цепей связи и к фильтрации побочных составляющих. В отдельных случаях, цепи согласования и коррекции могут включать полную или частичную трансформацию нагрузочных сопротивлений.

В узкополосных усилителях мощности на транзисторах широкое применение получил П-образный контур, принципиальная схема которого изображена на рисунке3.1. Этот контур сводится к приведённому П-образному контуру (см. рис. 3.2).

Рисунок 3.1 Рисунок 3.2

Данная цепь согласования - это параллельный колебательный контур с разделёнными ёмкостями. Такое разделение и обеспечивает получение коэффициентов включения транзистора и нагрузки в контур, отличных от единицы. При определённом выборе коэффициентов включения осуществляется трансформация сопротивления нагрузки в оптимальное для каскада.

Очень важна в применяемой ЦС роль конденсатора С0. Во-первых, он осуществляет развязку каскадов по постоянному току, а главное, - обеспечивает реальность выполнения катушки индуктивности L (рис.3.2). Часто при расчётах величина индуктивности L0 оказывается невыполнимо малой. Поскольку L, L0, C0 находятся в соотношении:

(3.39)

то, при введении конденсатора С0, для сохранения величины эквивалентной индуктивности контура L, необходимо увеличить значение индуктивности L0 (скомпенсировать отрицательную ёмкостную реактивность). Это при определённом соотношении между С0 и L приведёт к реальности выполнения катушки индуктивности L0.

Зададимся величиной характеристического сопротивления контура:

(3.40)

Эквивалентная индуктивность контура:

(3.41)

Минимальная требуемая индуктивность контура:

(3.42)

Емкость контура:

(3.43)

Емкости контура:

(3.44)

(3.45)

Внесенное в контур сопротивление:

(3.46)

Добротность нагруженного контура:

(3.47)

где собственное сопротивление потерь контурной индуктивности . Эта величина точно определяется в процессе конструктивного расчета контурной катушки индуктивности , а на данном этапе можно принять

Коэффициент фильтрации П-контура:

(3.48)

Требуемый коэффициент фильтрации:

(3.49)

Для каскадов усиления модулированных колебаний или для модулируемых каскадов необходимо проверить нагрузочную систему на обеспечение требуемой полосы пропускания по формуле:

(3.50)

Для АМ требуемая полоса пропускания равна удвоенной максимальной частоте модуляции

(3.51)

Подставляя в формулы (3.40)-(3.51) численные значения, получаем:

,

2.4 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы

В качестве элементов, входящих в ВКС, выступают в основном стандартные, такие как конденсаторы. Но, к сожалению, элемент, обеспечивающий необходимую индуктивность в ВКС, является нестандартным и не гостированным. Поэтому катушки индуктивностей, необходимо проектировать отдельно. Выходными данными в подобных расчётах являются: параметры сердечника (основания) катушки, толщина намоточного провода, количество витков в намотке, сопротивление потерь. Методика расчета, приведенная ниже, соответствует методике представленной в [3]. На рисунке 3.3 представлено поперечное сечение катушки индуктивности и обозначены основные габаритные величины, используемые в дальнейшем при расчете. Порядок расчета следующий.

Рисунок 3.3- Поперечное сечение катушки индуктивности

Задаемся отношение в пределах

.

Площадь продольного сечения катушки S=ID:

(3.52)

где удельная тепловая нагрузка на сечения катушки,

Длина и диаметр катушки:

(3.53)

(3.54)

Число витков Nкатушки:

(3.55)

где индуктивность,мкГн.

Диаметр провода катушки:

(3.56)

где амплитуда контурного тока в амперах,f- рабочая частота, МГц,

Собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей частоте:

(3.57)

где f - рабочая частота, МГц;

d-диаметр провода, (мм);

D - диаметр катушки, (мм).

Коэффициент полезного действия контура:

(3.58)

Подставляя в формулы (3.52)-(3.58) численные значения, получаем:

2.5 Расчет элементной базы оконечного каскада

В процессе расчёта выходного усилителя мощности были получены необходимые напряжения и токи, обеспечивающие работу транзистора по постоянному току. Для получения в определённых цепях транзистора требуемого постоянного тока рассчитаем элементную базу усилителя мощности. Начнем с рассмотрения конкретной схемы ГВВ представленной на рисунке 3.4. Именно эта схема соответствует нашему выходному усилителю мощности.

Рисунок 3.4- Принципиальная схема усилителя мощности

Как показано на схеме, в цепи коллектора имеется источник питания, который необходим для усиления высокочастотного колебания (величина напряжения этого источника известна из предыдущих расчётов), кроме того, в коллекторной цепи имеются блокировочные конденсатор и низкочастотный дроссель. Данные элементы необходимы для того, чтобы высокочастотный сигнал не поступал на источник питания, что в свою очередь может привести к самовозбуждению. Величина емкости блокировочного конденсатора и индуктивности блокировочной катушки в цепи коллектора определяются следующим образом:

Блокировочная индуктивность на коллекторе:

(3.59)

Блокировочная емкость на коллекторе:

(3.60)

Для обеспечения рабочей точки, мы используем делитель напряжения (в общем случае), состоящий из сопротивлений и. Конденсатор ставят для того, чтобы переменная составляющая, прошедшая через не проходила на источник. Для этого изначально зададимся величиной постоянного тока, протекающего через резистивный делитель, а также величиной отрицательного напряжения источника питания цепи базового смещения из стандартного ряда значений. Пусть и Рассчитаем номиналы этих сопротивлений, индуктивности и емкости.

Сопротивления на базе:

(3.61)

(3.62)

Блокировочная индуктивность на базе:

(3.63)

Блокировочная ёмкость на базе:

(3.64)

Мощность, на которую должны быть рассчитаны резисторы и

(3.65)

(3.66)

Подставляя в формулы (3.59)-(3.66) численные значения, получаем:



3. Расчет модулируемого каскада

3.1 Теория коллекторной модуляции и предварительные расчеты

По техническому заданию нам не задан конкретный вид модуляции. Поэтому выбрали коллекторную модуляцию, т.к. при этом виде модуляции осуществляется высокий КПД (70-80%), линейная модуляционная характеристика и возможно получение большого коэффициента модуляции (нам необходимо m=1) с малыми искажениями.

Коллекторная модуляция применяется в перенапряженном режиме. Этот вид модуляции обладает высокой энергетической эффективностью. КПД при этом практически постоянный. Модулирующее напряжение включают последовательно с постоянным напряжением в цепи коллектора , определяющего режим молчания

(4.1)

где - коэффициент модуляции.

Для лучшего использования транзистора нужно максимальный режим совмещать с критическим, а режим несущей (молчания) - с серединой линейного участка статической линейной характеристики (СМХ).

При расчете каскада с коллекторной модуляцией исходными являются выходная мощность (в нашем случае в максимальном режиме), коэффициент модуляции m (1), рабочая частота передатчика f (8Мгц), требуемая полоса частот модуляции (20…16000 Гц).

Расчет каскада с коллекторной модуляцией начинается с режима максимальной мощности. Его выполняют как обычный расчет усилителя мощности в критическом режиме на заданную мощность. Тогда мощность, требуемая от транзистора с коллекторной модуляцией определяется как

(4.2)

где коэффициент производственного запаса;

мощность возбуждения схемой сложенной мощностей;

к. п. д. контура и фидера.

3.2 Выбор транзистора

Выбор транзистора будем производить аналогично тому, как это сделано в подразделе 3.1, т.е. исходя из максимальной мощности 89,813 Вт (формула (4.2)). По всем параметрам нам для данного каскада подходит высокочастотный транзистор большой мощности структуры n-p-n KT957А.

-максимальный постоянный ток коллектора ……………….

-максимальное напряжение коллекторного перехода…....

-максимальная средняя мощность на коллекторе.……....…

-предельная частота коэффициента передачи тока

в схеме с ОЭ…………………………………………...………

-ёмкость коллекторного перехода при напряжении

на нём ………………………………...………….

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ…………

-высокочастотное сопротивление насыщения………….….

-сопротивление базы…………………………………….…….



3.3 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность

Произведём расчёт коллекторной цепи транзистора по формулам, приведенным в пункте 3.2.

Амплитуда переменного напряжения на коллекторе:

Максимальное возможное напряжение коллекторного питания:

Выберем в качестве напряжения источника коллекторного питания значение из стандартного ряда, удовлетворяющие условию:

Стандартный ряд значений напряжений источника питания имеет в своём составе следующие величины: 3; 4; 5; 6; 6.3; 9; 12; 12.6; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60 В. Итак, пусть .

Уточним значение амплитуды переменного напряжения на коллекторе:

Остаточное напряжение на коллекторе:

Амплитуда импульса коллекторного тока:

Постоянная составляющая тока коллектора:

Постоянная составляющая тока эмиттера:

Коллекторная ёмкость транзистора:

Расчет высокочастотныхY-параметров транзистора на рабочей частоте:

Re()=1,997 См;

Re()=0,138;

Re()=6,774 mСм;

Активная составляющая выходного сопротивления транзистора:

Первая гармоника коллекторного тока, генерируемая транзистором определяется выражением:

Первая гармоника коллекторного тока, протекающая через выходное сопротивление транзистора:

Первая гармоника коллекторного тока, протекающая через нагрузочный контур:

Оптимальное сопротивление нагрузки идеального транзистора, обеспечивающее критический режим:

Входное сопротивление нагрузочного контура:

Потребляемая мощность:

Мощность переменного тока, поступающая в нагрузочный контур:

КПД генератора:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Переходим к энергетическому расчету цепей эмиттера и базы.

Угол дрейфа на рабочей частоте (в радианах):

Угол отсечки импульсов базового тока имеет следующее значение:

Модуль комплексной крутизны на рабочей частоте:

Амплитуда напряжения возбуждения на рабочей частоте:

Постоянная составляющая тока базы:

Напряжение смещения на базе:

Активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте:

Мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре:

Общая мощность, рассеиваемая транзистором, определяется выражением:

3.4 Расчет режима молчания

Благодаря высокой линейности статической модуляционной характеристики при коллекторной модуляции, режим молчания или несущей волны пересчитывается из максимального режима через коэффициент модуляции.

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

(4.3)

Постоянная составляющая тока коллектора:



(4.4)

Напряжение на коллекторе транзистора:

(4.5)

Мощность, потребляемая генератором:

(4.6)

Мощность первой гармоники:

(4.7)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

(4.8)

Средняя мощность за период модуляции:

(4.9)

(4.10)

Средняя мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

(4.11)

Мощность модулятора (мощность усилителя низкой частоты, с выхода которого подается модулирующее напряжение на коллектор модулируемого каскада):

(4.12)

Амплитуда напряжения модулирующего сигнала:

(4.13)

Амплитуда тока модулирующего сигнала:

(4.14)

Мощность модулятора (проверка):

(4.15)

Сопротивление нагрузки для модулятора:

(4.16)

Подставляя в формулы (4.3)-(4.16) численные значения, получаем:

3.5 Электрический расчет нагрузочной системы модулируемого каскада

Электрический расчет нагрузочной системы модулируемого каскада полностью идентичен произведённому в подразделе 3.3 расчету нагрузочной системы выходного каскада.

Зададимся величиной характеристического сопротивления контура:

Эквивалентная индуктивность контура:

Минимальная требуемая индуктивность контура:

Емкость контура:

Емкости контура:

Внесенное в контур сопротивление:

Добротность нагруженного контура:

3.6 Расчет элементной базы модулируемого каскада

Произведем расчет параметров элементов схемы модулируемого каскада:

Определяем индуктивность дросселя :

(4.17)



Определяем индуктивность дросселя

(4.18)

где

Определяем сопротивление дополнительного резистора

(4.19)

Определяем емкость блокировочного конденсатора

Определяем емкость блокировочного конденсатора



4. Расчет промежуточного каскада

4.1 Предварительные расчеты и выбор транзистора

Выходная мощность промежуточного каскада будет равна

(5.1)

Выбор транзистора будем производить аналогично тому, как это сделано в подразделе 3.1, т.е. исходя из максимальной мощности 8,112 Вт (формула (5.1)). По всем параметрам нам для данного каскада подходит высокочастотный транзистор большой мощности структуры n-p-n 2T955А.

-максимальный постоянный ток коллектора …………..…….

-максимальное напряжение коллекторного перехода…......

-максимальная средняя мощность на коллекторе.……......…

-предельная частота коэффициента передачи тока

в схеме с ОЭ………………………………………....………

-ёмкость коллекторного перехода при напряжении

на нём ………………………….…...………….

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ…………

-высокочастотное сопротивление насыщения………….….

-сопротивление базы…………………………………..….…….



4.2 Энергетический расчет каскада на максимальную мощность

Расчет промежуточного каскада на максимальную мощность полностью идентичен произведенному в подразделе 3.2.

Амплитуда переменного напряжения на коллекторе:

Максимальное возможное напряжение коллекторного питания:

Выберем в качестве напряжения источника коллекторного питания значение из стандартного ряда, удовлетворяющие условию:

Стандартный ряд значений напряжений источника питания имеет в своём составе следующие величины: 3; 4; 5; 6; 6.3; 9; 12; 12.6; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60 В. Итак, пусть .

Уточним значение амплитуды переменного напряжения на коллекторе:

Остаточное напряжение на коллекторе:

Амплитуда импульса коллекторного тока:

Постоянная составляющая тока коллектора:

Постоянная составляющая тока эмиттера:

Коллекторная ёмкость транзистора:

Расчет высокочастотныхY-параметров транзистора на рабочей частоте:

Re()=1,951См;

Re()=0,388 См;

Re()=4,126 mСм;

Активная составляющая выходного сопротивления транзистора:

Первая гармоника коллекторного тока, генерируемая транзистором определяется выражением:

Первая гармоника коллекторного тока, протекающая через выходное сопротивление транзистора:

Первая гармоника коллекторного тока, протекающая через нагрузочный контур:

Оптимальное сопротивление нагрузки идеального транзистора, обеспечивающее критический режим:

Входное сопротивление нагрузочного контура:

Потребляемая мощность:

Мощность переменного тока, поступающая в нагрузочный контур:

КПД генератора:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Переходим к энергетическому расчету цепей эмиттера и базы.

Угол дрейфа на рабочей частоте (в радианах):

Угол отсечки импульсов базового тока имеет следующее значение:

Модуль комплексной крутизны на рабочей частоте:

Амплитуда напряжения возбуждения на рабочей частоте:

Постоянная составляющая тока базы:

Напряжение смещения на базе:

Активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте:

Мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре:

4.3 Электрический расчет нагрузочной системы промежуточного каскада

Электрический расчет нагрузочной системы модулируемого каскада полностью идентичен произведённому в подразделе 3.3 расчету нагрузочной системы выходного каскада.

Зададимся величиной характеристического сопротивления контура:

Эквивалентная индуктивность контура:

Минимальная требуемая индуктивность контура:

Емкость контура:

Емкости контура:

Внесенное в контур сопротивление:

Добротность нагруженного контура:

4.4 Расчет элементной базы промежуточного каскада

Расчет элементной базы промежуточного каскада полностью идентичен произведенному в подразделе 3.5.

Блокировочная индуктивность на коллекторе:

Блокировочная емкость на коллекторе:

Пусть и Рассчитаем номиналы этих сопротивлений, индуктивности и емкости.

Сопротивления на базе:

Блокировочная индуктивность на базе:

Блокировочная ёмкость на базе:

Мощность, на которую должны быть рассчитаны резисторы и



5. Расчет умножителя частоты

5.1 Теоретический сведения и предварительные расчеты

Особенностью транзисторных умножителей частоты, по сравнению с усилителями мощности, является более низкий к.п.д. Это обусловлено, во-первых, меньшей амплитудой высших гармоник в импульсе коллекторного тока и, во-вторых, высокой добротностью колебательного контура (нагрузочной системы). Высокая добротность контура требуется, чтобы сигнал претерпевал меньшее затухание во время свободных колебаний между импульсами тока умножаемой частоты. Транзисторы рекомендуется выбирать с большим значением граничной частоты и работать при пониженном напряжении коллекторного питания. Если предельная частота коэффициента усиления тока в схеме с ОЭ для выбранного транзистора гораздо больше рабочей частоты, то транзистор можно считать безынерционным элементом. Рассчитаем требуемую выходную мощность умножителя по формуле, аналогичной (5.1)

(6.1)

Определим требуемый коэффициент умножения частоты. Поскольку в

кварцевых автогенераторах не рекомендуется использовать частоты выше 10 МГц, то коэффициент умножения определяется формулой:

(6.2)

где допустимая частота колебаний задающего автогенератора.

Принимая n=2,7, определим точное значение частоты колебаний автогенератора:

(6.3)

Рассчитаем угол отсечки импульсов тока:

(6.4)

Для полученного угла отсечки определяем коэффициенты Берга:

5.2 Выбор транзистора

Выбор транзистора будем производить аналогично тому, как это сделано в подразделе 3.1, т.е. исходя из максимальной мощности 540 m Вт (формула (6.1)). По всем параметрам нам для данного каскада подходит высокочастотный транзистор большой мощности структуры n-p-n KT610А.

-максимальный постоянный ток коллектора ………….

-максимальное напряжение коллекторного перехода…......

-максимальная средняя мощность на коллекторе.…….…

-предельная частота коэффициента передачи тока

в схеме с ОЭ………………………………………....………

-ёмкость коллекторного перехода при напряжении

на нём ………………………………....………...….

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ……

-высокочастотное сопротивление насыщения………….….

-сопротивление базы…………………………………..….…….



5.3 Энергетический расчет каскада умножителя частоты

Для электрического расчета рекомендуется использовать приведенную ниже методику.

(6.5)

Проходная емкость:

(6.6)

Коэффициент использования коллекторного напряжения:

(6.7)

Амплитуда переменного напряжения на коллекторе:

(6.8)

Амплитуда четвертой гармоники коллекторного тока:

(6.9)

Максимальное значение коллекторного тока:

(6.10)

Постоянная составляющая коллекторного тока:

(6.11)

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

(6.12)

Оптимальное сопротивление нагрузки идеального транзистора, обеспечивающее критический режим:

(6.13)

Потребляемая мощность:

(6.14)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе:

(6.15)

(6.16)

Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ на частоте входных колебаний умножителя (частота генерации автогенератора):

(6.17)

Крутизна передачи тока идеального транзистора без учета внутренних сопротивлений и :

(6.18)

где температура перехода в градусах Цельсия.

Крутизна проходной ВАХ транзистора:

(6.19)

Амплитуда переменного напряжения на базе:

(6.20)

Амплитуда первой гармоники базового тока:

(6.21)

Постоянная составляющая базового тока:

(6.22)

Мощность возбуждения:

(6.23)

Коэффициент усиления по мощности:

(6.24)

Входное сопротивление:

(6.25)

Напряжение смещения на базе:

(6.26)

Подставляя в формулы (6.5)-(6.25) численные значения, получаем:

Примем напряжение источника питания .

5.4 Электрический расчет нагрузочной системы умножителя частоты

Электрический расчет нагрузочной системы модулируемого каскада полностью идентичен произведённому в подразделе 3.3 расчету нагрузочной системы выходного каскада.

Зададимся величиной характеристического сопротивления контура:

Эквивалентная индуктивность контура:

Минимальная требуемая индуктивность контура:

Емкость контура:

Емкости контура:

Внесенное в контур сопротивление:

Добротность нагруженного контура:

5.5 Расчет элементной базы умножителя каскада

транзистор передатчик нагрузочный частота

Произведем расчет цепи обеспечения постоянного напряжения смещения на базе для получения нужного угла отсечки импульсов базового тока. Как видно из результатов расчета по формуле (6.26), требуемое напряжение смещения оказалось отрицательным. Поскольку амплитуда колебаний входного напряжения и входного тока (постоянной и переменной составляющих) не изменяются во времени, то в данном каскаде умножения частоты применима цепь автоматического базового смещения (6.1).

Рисунок 6.1. Принципиальная схема умножителя частоты

Если выбрать величину индуктивности так, чтобы величиной переменной составляющей тока через резистор можно было пренебречь, то конденсатор можно из схемы исключить.

Рассчитаем номиналы элементов цепи автосмещения:

Определим мощность, на которую должен быть рассчитан резистор:

Перейдем к расчету цепи коллекторного питания. Он идентичен произведенному для оконечного каскада в подразделе 3.5.

По формулам (3.59)и (3.60)определяем элементов схемы:

Конденсатор исключим из схемы ввиду малого значения его емкости.

На рисунке 6.2 приведен принципиальную схему каскада умножителя частоты.

Рисунок 6.2. Принципиальная схема умножителя частоты



6. Расчет кварцевого автогенератора

6.1 Выбор и обоснование схемы автогенератора

Автогенератор (АГ) в радиопередатчиках являются первичными источниками колебаний, частота и амплитуда которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий. В состав АГ обязательно входит активный элемент (в нашем случае транзистор) и колебательная система, определяющая частоту колебаний.

В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности АГ. С этой целью АГ стараются защитить от внешних воздействий: температуры, вибраций, электромагнитных излучений, нестабильности источников питания и т.д. В нашем техническом задании задана кварцевая стабилизация частоты. Так как основное назначение кварцевого АГ - быть первичным источником колебаний стабильной частоты, то к энергетическим показателям его не предъявляют высоких требований. Чаще всего мощность АГ составляет 1-10 мВт, КПД 2-5%, выходное напряжение от 50 мВ до 1 В.

В качестве схемы нашего автогенератора выбрали осцилляторную схему, построенной по схеме емкостной трехточки. Это схема, полученная путем включения кварцевого резонатора в емкостнуютрехточку между коллектором и базой транзистора. В этом АГ колебания устанавливаются на такой частоте, при которой сопротивление резонатора является индуктивным. Эта схема имеет меньшую склонность к паразитной генерации на частотах выше рабочей; может быть построена без катушек индуктивности, что особенно важно при микросхемном исполнении; частоту АГ можно менять в достаточно широком диапазоне путем смены только кварцевого резонатора.

Рассчитаем выходная мощность автогенератора:

(7.1)

6.2 Выбор транзистора

Так как мощность автогенератора не превышает нескольких десятков милливатт, то транзистор может быть выбран из широкого класса маломощных германиевых и кремниевых транзисторов.

По всем параметрам для данного каскада подходит высокочастотный транзистор малой мощности структуры n-p-n KT340A.

-максимальный постоянный ток коллектора …………….

-максимальное напряжение коллекторного перехода…......

-максимальная средняя мощность на коллекторе.…….…

-предельная частота коэффициента передачи тока

в схеме с ОЭ………………………………………....………

-ёмкость коллекторного перехода при напряжении

на нём ……………………………….…...………...….

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ……

-высокочастотное сопротивление насыщения………….….

-сопротивление базы…………………………………..….…….



6.3 Электрический расчет автогенератора по постоянному току

Зададимся величиной постоянного тока коллектора постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером транзистора и постоянным напряжением на эмиттере относительно общего провода

Рассчитаем требуемое напряжение источника питания:

(7.2)

Определим величину проходной емкости при конкретном значении напряжения между коллектором и базой:

(7.3)

Сопротивление резистора обратной связи:

(7.4)

Постоянная составляющая импульсов тока базы:

(7.5)

Задаем ток делителя:

(7.6)

Сопротивление делителя:

(7.7)

Постоянный потенциал на базе относительно общего провода:

(7.8)

Сопротивление резистора нижнего плеча делителя:

(7.9)

Сопротивление резистора верхнего плеча делителя:

(7.10)

Определим мощность, на которую должны быть рассчитаны резисторы

и

(7.11)

(7.12)

(7.13)

6.4 Электрический расчет автогенератора по переменному току

Определим высокочастотное сопротивление базы:

(7.14)

Рассчитаем сопротивление эмиттерного перехода:

(7.15)

Найдем крутизну транзистора:

(7.16)

Зададим коэффициент регенерации G=5.7 и определим управляющее сопротивление:

(7.17)

Задаем отношение и вычисляем реактивное сопротивление конденсатора

(7.18)

Отсюда емкость конденсатора:

(7.19)

Тогда

(7.20)

Следовательно,

(7.21)

Определим величину емкости блокировочного конденсатора

(7.22)

Рассчитаем дроссель цепи коллекторного питания:

(7.23)

Сопротивление базового делителя переменному току:

(7.24)

Как видим, сопротивление делителя гораздо больше реактивное сопротивление конденсатора Следовательно, он не зашунтирует вход транзистора. Поэтому необходимость в разделительном дросселе между базовым делителем и базой транзистора отпадает.

Определим коэффициент для стационарного режима:

(7.25)

Итак,

Для найденного угла отсечки рассчитываем коэффициенты Берга

Вычислим амплитуду импульса коллекторного тока:

(7.26)

Определим амплитуду первой гармоники коллекторного тока:

(7.27)

Рассчитаем амплитуду напряжения на базе:

(7.28)

Вычислим модуль коэффициента обратной связи:

(7.29)

Находим амплитуду переменного напряжения на коллекторе:

(7.30)

Определяем мощность, потребляемую от источника питания

(7.31)

Мощность, рассеваемая кварцевым резонатором:

(7.32)

Оценим величину допустимого сопротивления нагрузки:

(7.33)

Мощность, отдаваемая в нагрузку:

(7.34)

Рассчитаем емкость разделительного конденсатора

(7.35)

где входное сопротивление каскада умножителя частоты.

На рисунке 7.1 приведен принципиальную схему автогенератора.

Рисунок 7.1. Принципиальная схема автогенератора



Заключение

В результате проделанной работы был рассчитан передатчик радиовещания, использующий амплитудную модуляцию (коллекторную), получена структурная и принципиальная схема передатчика с рабочей частотой 27 МГц, с полосой частот модуляции от 300 Гц до 3500 Гц, мощностью в антенне 10 Вт.

Использование транзисторов и стандартных фильтров, которые полностью обеспечивают требуемую полосу пропускания, позволило достаточно просто реализовать схему передатчика, а на практике повысило бы его надёжность и уменьшило бы его массогабаритные характеристики.

В результате все требования технического задания выполнены и данный радиопередатчик можно использовать на практике.



Список использованных источников

1 Устройства формирования сигналов: Учебное методическое пособие/ Бордус Г.Д., Ильин А.Г., Казанцев Г.Д., Пороховниченко А.М. -Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. - 141 с.

2 Проектирование радиопередающих устройств/ Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.«Радио и связь», 1984. - 421 с.

3 Полупроводниковые приборы: Транзисторы малой мощности. Справочник/ Под ред. А.В.Голомедова. - М.: «Радио и связь», 1989. - 384 с.



Схема электрическая принципиальная

Размещено на Allbest.ru

...