Расчёт транзисторного генератора с посторонним возбуждением

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Омский государственный технический университет

Оборудование систем мобильной связи

Курсовой проект

ОМСК 2015

ВВЕДЕНИЕ

генератор радиочастота транзисторный

При изучении курса «Оборудование систем мобильной связи» важная роль отводится курсовому проектированию. По данным предварительного расчёта функциональных схем приёмника и передатчика производится выбор принципиальной схемы системы мобильной связи: передающей или приёмной, которую необходимо рассчитать в качестве части курсового проекта. Выбор схемы для проектирования определяется на установочных занятиях.

Для передающей части системы мобильной связи требуется разработать следующие каскады:

1) оконечный усилитель мощности;

2) предоконечный усилитель мощности;

3) буферный усилитель напряжения;

4) задающий автогенератор рабочей частоты;

5) частотный модулятор.

Для приёмной части системы мобильной связи необходимо рассчитать каскады:

1) двухкаскадный усилитель радиочастоты;

2) автогенератор первого гетеродина приёмника;

3) буферный усилитель;

4) первый преобразователь частоты с фильтром сосредоточенной избирательности в качестве нагрузки;

5) усилитель первой промежуточной частоты.

Для завершения разработки схемы приемника требуется выбрать микросхему, в состав которой входили бы второй преобразователь частоты со вторым гетеродином, а также усилитель второй промежуточной частоты, частотный детектор и предварительный усилитель звуковой частоты. Расчёты режимов работы микросхемы не производятся.

Каждый из каскадов рассчитывается по определенной методике. Достаточно полно методы расчёта каскадов представлены в данных методических указаниях. По результатам расчётов разрабатывается принципиальная электрическая схема, обеспечивающая реализацию всех рассчитанных параметров и характеристик системы мобильной связи. Элементы принципиальной схемы (резисторы, конденсаторы) должны быть представлены номинальными значениями, выбранными в соответствии с табличными данными, приведенными в прил. 2.

Курсовой проект должен содержать пояснительную записку объёмом до 30 страниц и схемы: структурную, функциональные и принципиальную электрическую (последнюю - по выбору - либо передатчика, либо приёмника).

1. РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ РАДИОЧАСТОТЫ

Основу технического расчёта транзисторного генератора с посторонним возбуждением составляет энергетический расчёт режима транзистора. Расчёт энергетики коллекторной и базовой цепей усилителя мощности высокой частоты производится по упрощенной методике. Исходными данными для энергетического расчёта являются основные технические параметры, приведенные в задании, а также полученные в результате предварительного расчёта функциональной схемы. По этим данным производится выбор транзистора, вследствие чего становятся известными следующие его параметры: fр, fгр, Ек0, Рвых max, Iк доп, Uк-э доп, Uб-э доп, h21э, U?б-э, Sкр, tп, Ск.а, Ск, Сэ, r?б, r?э, Rп.к, Тп доп. Параметры мощных и маломощных типовых транзисторов приведены в прил. 1.

Формулы, используемые в расчёте, соответствуют упрощенной эквивалентной схеме замещения мощного транзистора, приведенной на рис. 1. В этой схеме применены следующие обозначения: r?б - сопротивление материала тела базы транзистора между выводом и р-n-переходом; r - сопротивление рекомбинации; Сэ и Сд - соответственно барьерная и диффузионная емкость эмиттерного перехода; Ск.а и Ск - активная и общая емкость коллекторного перехода. Типовая рабочая схема выходного каскада представлена на рис. 2.

Угол отсечки коллекторного тока транзистора выбирается обычно для критического режима класса В: = 90 (1 = 0,5; 0 = 0,318). Коэффициенты
А.И. Берга приведены в прил. 2. Расчёт энергетики коллекторной и базовой цепей рекомендуется производить в следующем порядке.

1) Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме

,	(1.1)

при этом напряжение эквивалентного генератора

.	(1.2)

2) Амплитуда тока первой гармоники коллектора

.	(1.3)

Рисунок 1 - Упрощенная эквивалентная схема замещения транзистора

3) Проверка допустимого напряжения коллекторного перехода:

Uк max = Ек0 + Uг кр < Uк-э доп .	(1.4)

4) Нагрузка эквивалентного генератора

.	(1.5)

Рисунок 2 - Типовая электрическая схема оконечного каскада

5) Амплитуда импульса коллекторного тока

.	(1.6)

6) Постоянный ток коллектора

.	(1.7)

7) Мощность, потребляемая от источника питания,

.	(1.8)

8) Мощность, рассеиваемая на коллекторе,



.	(1.9)

9) КПД генератора

.	(1.10)

10) Угол дрейфа носителей тока через базу

.	(1.11)

11) Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока

.	(1.12)

Затем по таблице коэффициентов А.И. Берга (см. прил. 2) находятся коэффициенты разложения б1э и б0э, а также cos .

12) Постоянный ток эмиттера

.	(1.13)

13) Амплитуда эмиттерного тока

.	(1.14)

14) Ток первой гармоники эмиттера

.	(1.15)

15) Крутизна тока коллектора на рабочей частоте

.	(1.16)

16) Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы

.	(1.17)

17) Модуль коэффициента передачи напряжения возбуждения с входных электродов (б-э) на р-n-переход (б-э) определяется в соответствии с рис. 3:

.	(1.18)



Рисунок 3 - Схема внутреннего делителя напряжения б-э транзистора

18) Приближённое значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте

.	(1.19)

19) Мощность сигнала на входе оконечного каскада (ОК)

.	(1.20)

20) Коэффициент усиления мощности в оконечном каскаде

.	(1.21)

21) Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора

,	(1.22)

где tср ? +(30 - 40)С - температура окружающей транзистор среды;

Rп-к - тепловое сопротивление (переход - корпус) транзистора;

Rк.т ? (0,5 - 1) - тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, С/Вт.

По тепловому сопротивлению радиатора охлаждения Rт можно определить его объём и форму конструкции.

Энергетический расчёт предоконечных каскадов производится по методике, изложенной выше, только в качестве выходной мощности первого предоконечного каскада выбирается входная мощность оконечного каскада, увеличенная в Кзап раз, где Кзап - коэффициент запаса, обычно Кзап = 1,5, соответственно в качестве выходной мощности второго предоконечного каскада выбирается входная мощность первого предоконечного с коэффициентом запаса Кзап. В большинстве случаев надобности во втором предоконечном каскаде не бывает, так как мощность в десятки милливатт обеспечивает буферный усилитель.

2. РАСЧЁТ БУФЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ РАДИОЧАСТОТЫ

Промежуточный каскад усиления, включенный между автогенератором и каскадом усиления мощности, называется буферным, т. е. разделительным, он выполняет две функции: ослабляет влияние мощных усилительных каскадов на режим автогенератора; обеспечивает по возможности малую нагрузку для автогенератора с целью повышения стабильности его частоты. Первая функция требует минимальной проходной емкости с коллектора на базу буферного усилителя, вторая - высокого входного сопротивления усилителя. Обе задачи достаточно хорошо решаются в усилителе, собранном по так называемому каскадному принципу включения, когда первый каскад усиления включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ), а второй - по схеме с общей базой (ОБ). У такого усилителя получаются достаточно высокое (выше, чем у усилителя мощности) входное сопротивление и минимальная проходная емкость С12 ? 0,1 пФ. Кроме того, каскадный усилитель обеспечивает высокий устойчивый коэффициент усиления сигнала по напряжению.

Расчёт режима буферного усиления делится на три части: расчёт термостабилизации усиления; уточнение Y-параметров для каскадного включения транзисторов; расчёт всех параметров усиления. Схема буферного усилителя представлена на рис. 4. В качестве активных элементов VT1 и VT2 взяты транзисторы типа ГТ311Е. Параметры этого транзистора представлены в прил. 1, 4.

2.1 Расчёт режима термостабилизации

Расчёт режима постоянного тока и температурной стабилизации в интервале ±60С проводится по известной методике в следующем порядке.

1) Температурное смещение обратного тока коллектора транзистора

,	(2.1)

где Т - температура в абсолютной системе градусов Кельвина, так, например, Т0 = 293К.

2) Температурное смещение напряжения базы

,	(2.2)

где г = (1,6 - 2,1) - коэффициент температурного смещения, мВ/К.

Рисунок 4 - Схема буферного усилителя

3) Температурное смещение прямого тока коллектора

.	(2.3)

4) Сопротивление резистора в эмиттерной цепи

.	(2.4)

5) Общее сопротивление смещения

,	(2.5)

где r11 = 1/g11э, а Епит - напряжение питания (обычно Епит ? Uк-э доп).

6) Сопротивление базового смещения транзистора VT1

.	(2.6)

7) Сопротивление базового смещения транзистора VT2

.	(2.7)

8) Гасящее сопротивление

	(2.8)

9) Сопротивление фильтра

.	(2.9)

10) Блокировочные емкости

.	(2.10)

Все рассчитанные сопротивления и емкости должны быть выбраны по номиналу из прил. 3.

2.2 Расчёт Y-параметров для каскодного включения транзисторов

Для типового транзистора ГТ311Е Y-параметры приведены в прил. 4. Как показывает исследование свойств усилителя с включением транзисторов по принципу ОЭ - ОБ, его параметры заметно улучшаются благодаря изменению -параметров. Расчёт -параметров для каскодного включения транзисторов рекомендуется производить по следующим формулам:

	(2.11)

2.3 Расчёт режима усиления буферного усилителя

Расчёт начинается с выбора согласующего устройства в качестве высокочастотной нагрузки каскада в виде последовательного колебательного контура, представленного на рис. 5. Значения сопротивлений R1 и R2 равны соответственно выходному сопротивлению буферного усилителя и входному сопротивлению предоконечного каскада.

Рисунок 5 - Схема межкаскадного согласующего устройства

1) Устойчивый коэффициент усиления усилителя

.	(2.12)

2) Реальный коэффициент усиления не может превосходить коэффициент устойчивого усиления:

,	(2.13)

где gэкв - эквивалентная проводимость нагрузки буферного усилителя.

3) Эквивалентная проводимость определяется из выражения (2.13):

.	(2.14)

4) Сопротивление

.	(2.15)

5) По известной методике расчёта согласующей цепи [6] можно определить значения входящих в нее элементов, если вычислить эквивалентную добротность:

	(2.16)

6) Индуктивность контура

	(2.17)

7) Ёмкости:

	(2.18)

	(2.19)

8) Входное сопротивление буферного усилителя

	(2.20)

9) Если предположить, что с автогенератора на вход буферного усилителя поступает переменное напряжение Uвх б.у с амплитудой не менее 0,5 В, то выходное напряжение

.	(2.21)

10) Выходная мощность буферного усилителя

	(2.22)

При корректном расчёте значение выходной мощности должно значительно превосходить входную мощность предоконечного каскада (ПОК), создавая запас:

	(2.23)

3. РАСЧЁТ РЕЖИМА АВТОГЕНЕРАТОРА

Автогенераторами (АГ) называются устройства, в которых энергия источников питания преобразуется в энергию высокочастотных колебаний без внешнего возбуждения. Автогенераторы 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 автогенератора входят активный элемент (АЭ) и колебательная система (КС). Активный элемент управляет поступлением порций энергии источника питания в колебательную систему для поддержания амплитуды колебаний на определенном уровне. Колебательная система задает частоту колебаний, близкую к одной из ее собственных частот.

Автогенераторы применяются в качестве задающих генераторов, входящих в состав возбудителей передающих устройств, а также гетеродинов приемников. Выходная мощность АГ играет роль только в однокаскадных передатчиках. В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности частоты АГ, которую невозможно улучшить в последующих
каскадах.

Расчёт режима АГ делится на четыре части: расчёт режима постоянного тока, энергетический расчёт, расчёт колебательной системы и расчёт режима частотной модуляции полезным сигналом. При расчёте гетеродина приёмника расчёт режима частотной модуляции не производится.

Схема автогенератора, работающего в режиме частотной модуляции полезным сигналом и сигналом автоподстройки частоты от синтезатора, представлена на рис. 6. В основе АГ заложена схема трехточечного генератора Клаппа с колебательным контуром третьего вида. Все автогенераторы в проекте выполняются на транзисторе ГТ311Е, параметры которого приведены в прил. 1. Рабочая частота АГ определяется вариантом задания. В качестве шины питания в схеме предлагается использовать шину c напряжением Eк02 = +12 В для питания всех делителей напряжения, а для коллектора активного элемента напряжение Ек01 от этой шины подается через ограничивающее сопротивление Rогр.

Рисунок 6 - Схема автогенератора

3.1 Расчёт режима по постоянному току

Порядок расчёта следующий.

1) Температурное изменение обратного тока коллектора

	(3.1)

2) Тепловое смещение напряжения базы

	(3.2)

3) Температурное изменение прямого тока коллектора



	(3.3)

4) Сопротивление резистора в эмиттерной цепи

	(3.4)

где r11 = 1/g11э - активная часть входного сопротивления транзистора.

5) Напряжение коллекторного питания

	(3.5)

6) Сопротивления делителя напряжения:

	(3.6)
	(3.7)

7) Блокировочная емкость

.	(3.8)

8) Ограничивающее сопротивление в цепи питания коллектора

	(3.9)

Все рассчитанные сопротивления и емкости должны быть выбраны по номиналу из таблицы номинальных значений элементов, приведенной в
прил. 3.

3.2 Энергетический расчёт автогенератора

Энергетический расчёт начинается с выбора угла отсечки коллекторного тока , который для автогенераторов выбирается в пределах 60 - 90.

1) Пусть = 70, тогда в соответствии с таблицей коэффициентов
А.И. Берга (см. прил. 2) можно установить следующие значения:

	(3.10)

2) Амплитуда импульса коллекторного тока, соответствующего напряжению Uк0 = 5 В и току Iк0 = 5 мА,

.	(3.11)

3) Определяются коэффициенты положительной обратной связи, соответствующие работе АЭ в предельных режимах: Кi - по току Iк max; Кu - по напряжению Uэ-б max; Кр - по мощности транзистора Рк max. Эти формулы имеют вид:

	(3.12)
	(3.13)
	(3.14)

4) Рабочее значение коэффициента обратной связи должно быть меньше наименьшего значения величин, рассчитанных по формулам (3.12) - (3.14):

	(3.15)

5) Рассчитываются энергетические параметры для статической крутизны S = 0,1 См транзистора ГТ311Е при Uк0 = 5 B:

а) нормирующее напряжение базы

	(3.16)

б) напряжение возбуждения

	(3.17)

в) переменное напряжение «коллектор - эмиттер»

	(3.18)

г) ток первой гармоники коллектора

	(3.19)

д) напряжение базового смещения

	(3.20)

е) пиковое обратное напряжение базы

	(3.21)

ж) мощность, отдаваемая в нагрузку,

	(3.22)

з) мощность, потребляемая от источника питания,

	(3.23)

и) КПД автогенератора

	(3.24)

к) мощность, рассеиваемая коллектором,

	(3.25)

л) эквивалентное сопротивление генератора

	(3.26)

3.3 Расчёт колебательного контура

Перед началом расчёта колебательного контура, представленного на
рис. 7, необходимо задать его основные параметры. Для лучшей стабиль-
ности частоты целесообразно выбирать контур с высокой добротностью
(Q = 80 - 100) и большим характеристическим сопротивлением с. Кроме того, рекомендуется выбрать реактивное сопротивление емкости С2 в пределах
(5 - 10) Ом. Обычно на частотах до 150 МГц удается реализовать указанную добротность и с = 200 - 400 Ом. Установим Qх.х = 80; с = 350 Ом, а Х2 = 8 Ом. Произведем расчёт параметров контура в следующем порядке.

1) Ёмкость

	(3.27)

2) Реактивное сопротивление емкости С1

	(3.28)

3) Ёмкость

	(3.29)

Рисунок 7 - Колебательный контур трехточки Клаппа

4) Коэффициент включения нагрузки со стороны ёмкости С1

	(3.30)

5) Сопротивление реактивности

	(3.31)

6) Индуктивность L3 определяется из характеристического сопротивления колебательного контура:

	(3.32)

7) Реактивное сопротивление ёмкости С3

	(3.33)

8) Ёмкость

	(3.34)

9) Проводимость нагрузки автогенератора Gн обусловливается входным сопротивлением буферного усилителя, но оптимальное значение этой проводимости, гарантирующее максимум подводимой к нагрузке мощности, определяется эквивалентным сопротивлением генератора Rэкв, собственным сопротивлением колебательного контура Gк, а также суммарной активной межэлектродной проводимостью транзистора Gк-э-б, распределенной между реактивностями контура. Все эти проводимости определяются в следующем порядке:

а) собственная проводимость контура

	(3.35)

б) межэлектродная проводимость может быть рассчитана по формуле:

	(3.36)

однако ее значение обычно не выходит за пределы Gк-э-б = (1 - 10) мкСм, поэтому можно принять Gк-э-б = 5?10-6 См;

в) оптимальная проводимость нагрузки автогенератора

	(3.37)

10) Мощность автогенератора, подводимая к оптимальной нагрузке,

	(3.38)

11) Оптимальное сопротивление нагрузки

	(3.39)

Все рассчитанные сопротивления и емкости должны быть выбраны по номиналу из таблицы номинальных значений, приведенной в прил. 3.

3.4 Расчёт режима частотной модуляции

В проекте должен быть реализован прямой метод получения частотной модуляции сигнала автогенератора путем включения в его колебательный контур нелинейной емкости VD1 (VD2) варикапа (КВ123), как показано на рис. 6. На катод варикапа подведено напряжение обратного смещения Uв0 с делителя R1, R2 (R3, R4), равное +4 B, а через разделительный конденсатор Ср1 и дроссель L1 (Cp2, L2) подается напряжение звуковой частоты с подмодулятора передатчика. Второй варикап VD2 смещается сигналом автоподстройки частоты с синтезатора. Эквивалентная схема контура автогенератора совместно с емкостью варикапа приведена на рис. 8. Выбранный тип варикапа КВ123 при напряжении смещения Uв0 обеспечивает постоянные емкость Св0 ? 17 пФ и нелинейные искажения Кг = 0,05 (5 %) при коэффициенте нелинейности вольт-фарадной характеристики (ВФХ) н = 0,5.

Расчёт основных параметров модуляционного режима может быть выполнен в следующем порядке.

1) Амплитуда модулирующего напряжения

	(3.40)

2) Диапазон изменения ёмкости варикапа

	(3.41)

Рисунок 8 - Часть схемы контура с варикапом

3) Высокочастотная составляющая напряжения на варикапе

	(3.42)

4) Коэффициент включения варикапа

	(3.43)

5) Коэффициент вклада варикапа в суммарную ёмкость

,	(3.44)

где суммарная ёмкость колебательного контура.

6) Максимальная девиация частоты модулятора

	(3.45)

7) Ёмкость связи варикапа с контуром

	(3.46)

8) Откорректированная ёмкость контура за счёт режима частотной модуляции

	(3.47)

4. РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ РАДИОЧАСТОТЫ

Усиление радиочастотных сигналов, принятых антенной, производится с помощью биполярных и полевых транзисторов, а также микросхем, нагруженных на резонансные колебательные системы. От усилителя радиочастоты (УРЧ) в приемном тракте канала радиосвязи зависят два важнейших параметра приемника: чувствительность и избирательность по зеркальному каналу. В качестве активных элементов УРЧ используются маломощные СВЧ-транзисторы, имеющие устойчивость против паразитного самовозбуждения. Для дополнительного повышения устойчивости рекомендуется использовать каскодное соединение двух транзисторов, включенных в усилителе по принципу ОЭ - ОБ. За счёт повышения устойчивости увеличивается коэффициент усиления
каскада.

Расчёт усилителя радиочастоты складывается из расчёта режима постоянного тока каскадов и расчёта параметров усиления и колебательных систем входного и выходного контуров. В качестве активных элементов рекомендуется применить СВЧ-транзистор ГТ311И с высокой граничной частотой, параметры которого приведены в прил. 1 и 4. Схема УРЧ представлена на рис. 9, ее питание осуществляется от шины +12 В.

Рисунок 9 - Схема усилителя радиочастоты

4.1 Расчёт режима постоянного тока УРЧ

Расчёт сводится к определению сопротивлений R1 - R3, Rэ, Rф и емкостей Сэ, Сф, Сбл, правильный выбор которых обеспечивает стабильный температурный режим эксплуатации каскада в интервале ±60С. Порядок расчёта аналогичен тому, который применялся в расчёте режима постоянного тока буферного усилителя.

1) Тепловое изменение обратного тока коллектора рассчитывается по формуле:

	(4.1)

2) Тепловое смещение напряжения базы



	(4.2)

3) Температурное смещение прямого тока коллектора

	(4.3)

4) Сопротивление резистора в эмиттерной цепи

	(4.4)

5) Сопротивление фильтра

	(4.5)

6) Суммарное сопротивление делителя

	(4.6)

7) Сопротивления делителя:

	(4.7)
	(4.8)
	(4.9)

8) Блокировочные ёмкости:

	(4.10)
	(4.11)

4.2 Расчёт параметров усиления и колебательных систем

Входная цепь связывает антенно-фидерное устройство со входом первого каскада УРЧ, осуществляет предварительное выделение полезного сигнала и передачу его к усилителю с наименьшими потерями и искажениями. При работе с несимметричными (коаксиальными) кабелями обычно применяется входная цепь с автотрансформаторной связью, как показано на рис. 9. Кабельные устройства в системах низовой радиосвязи имеют волновые сопротивления W = 50 Ом, поэтому проводимость кабеля gф = 0,02 См. Значение входной проводимости первого каскада УРЧ может быть взято из прил. 4 или рассчитано по методике, приведенной в работе. Для транзистора ГТ311И g11э = 0,0153 См.

Оба контура имеют одинаковую конструкцию и одно значение индуктивности Lк, поэтому для диапазона частоты 150 МГц можно установить для них одинаковые конструктивные параметры для характеристического сопротивления с и добротности Qх.х. Пусть с = 100 Ом, а Qх.х = 100, тогда собственная проводимость каждого из контуров gк = 1/(с Qх.х) = 100 мкСм. Коэффициенты включения контуров неодинаковы. Так, в контуре входной цепи из-за высоких значений проводимости gф и g11э коэффициенты включения должны быть минимальными и мало отличающимися друг от друга. Пусть а В выходном контуре из-за малой выходной проводимости каскодного усилителя можно принять m1 = 1. Следующий каскад преобразователя частоты имеет обычно более высокую входную проводимость g11э, поэтому для уменьшения его шунтирующего влияния на избирательность и усиление УРЧ необходимо уменьшить коэффициент включения m2 до значения 0,1. Расчёт параметров УРЧ производится в следующей последовательности.

1) Коэффициент передачи напряжения входной цепи

2)

	(4.12)

2) Резонансный коэффициент усиления УРЧ

	(4.13)

3) Устойчивый коэффициент усиления усилителя ОЭ - ОБ

	(4.14)

необходимо, чтобы

	(4.15)

4) Индуктивность колебательных контуров

	(4.16)

5) Эквивалентная ёмкость колебательных контуров

	(4.17)

6) Собственная ёмкость контура входной цепи

	(4.18)

где См - монтажная ёмкость в месте подключения, обычно См = (5 - 10) пФ.

7) Собственная ёмкость контура выходной цепи

	(4.19)

В качестве Ск рекомендуется выбрать малогабаритные подстроечные конденсаторы типа КТ4-21 с номинальной емкостью 3 - 15 пФ.

5. РАСЧЁТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Транзисторные преобразователи частоты (ПЧ) строятся как с совмещенным, так и с отдельным гетеродином. Последние находят наибольшее применение, так как позволяют обеспечить более высокую стабильность гетеродина и оптимальный режим работы смесителя. Смесительные транзисторы в большинстве случаев включаются по схеме с общим эмиттером, что позволяет получить больший коэффициент усиления и меньшую входную проводимость ПЧ. Для уменьшения взаимной связи между цепями гетеродина и смесителя, а также для повышения стабильности работы ПЧ целесообразно напряжение сигнала подавать в цепь базы, а напряжение гетеродина - в цепь эмиттера.

Стабилизация режима ПЧ по постоянному току осуществляется такими же способами, как и в усилительных каскадах. Для уменьшения шунтирования контуров транзисторами применяется частичное включение транзисторов к контурам. Принципиальная схема транзисторного ПЧ с общим эмиттером и отдельным гетеродином изображена на рис. 10. При проектировании транзисторных ПЧ необходимо учитывать то, что нелинейный режим их работы наступает при сравнительно малых напряжениях входного сигнала (примерно 5 - 7 мВ). С увеличением напряжения гетеродина возрастают постоянные токи базы и коллектора смесительного транзистора, что приводит к изменению его входной и выходной проводимости, поэтому стремление увеличить коэффициент усиления ПЧ путем увеличения напряжения гетеродина может привести к значительному шунтированию и расстройке контуров преобразователя.

Рисунок 10 - Принципиальная схема преобразователя частоты

Исходными данными для расчёта преобразователя частоты на транзисторе являются частота преобразуемого сигнала fc; преобразованная (промежуточная частота) fпр; собственное затухание выходного контура ПЧ d1; входная проводимость g11 и емкость С11 следующего каскада.

В качестве нагрузки преобразователя частоты используется пьезокерамический фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) Ф2П4-272-21, 4М-18К, который обеспечивает необходимую полосу пропускания и требуемую избирательность.

Расчёт преобразователя сводится к определению параметров транзистора в режиме преобразования, выбору рабочей точки и амплитуды гетеродина, определению элементов согласования ФСС с преобразователем.

5.1 Расчёт параметров транзистора в режиме преобразования

В качестве активного элемента для ПЧ рекомендуется применить транзистор ГТ311Е с высокой граничной частотой, параметры которого в режиме усиления приведены в прил. 1 и 4. Параметры транзистора в режиме преобразования могут иметь следующие усредненные значения:



g11п = (0,5 - 0,8) g11; Y21п = 0,25Y21; g22п = (0,3 - 0,5)g22; Y12п = (0,1 - 0,2)Y12; С22п = (0,3 - 0,5); С11п = (0,5 - 0,8) С11,	(5.1)

где g11, Y21, g22, Y12, C22, C11 - параметры транзистора в усилительном режиме (определяются на частоте гетеродина).

5.2 Энергетический расчёт преобразователя

1) По статической характеристике транзистора Iк = (Uб-э) определить напряжение отсечки коллекторного тока Еотс и максимальное напряжение Еmax на базе, при котором наступает линейность коллекторного тока. Указанные построения для транзистора ГТ311Е выполнены на рис. 11.

2) Используя данные, полученные из графического построения, рассчитать амплитуду напряжения гетеродина Uмг и напряжения смещения на базе Есм по формулам:

	(5.2)

где - угол отсечки коллекторного тока.

При преобразовании на первой гармонике частоты гетеродина оптимальный угол отсечки тока 1опт = 120.

3) По характеристике Iк = (Uб-э) определить максимальное значение импульса коллекторного тока Iк max при напряжении на базе, равном Еmax, а затем рассчитать среднее значение и амплитуду первой гармоники коллекторного тока по формулам:

	(5.3)

	(5.4)

где бк() - к-й коэффициент разложения импульса коллекторного тока (коэффициент Берга), для =
= 120 0 = 0,406; 1 = 0,536. Отметим, что в транзисторах преобразователей частоты чаще всего используется преобразование на первой гармонике частоты гетеродина. Преобразование на высших гармониках рекомендуется применять при достаточно высокой преобразуемой частоте, что вызывает трудности при проектировании гетеродина, или в некоторых других специальных случаях

Рисунок 11 - Проходная характеристика транзистора ГТ311Е

5.3 Расчёт элементов согласования ФСС

Наибольшее распространение на практике получила схема межкаскадной связи, в которой фильтр подключен к коллекторной и базовой цепям соответственно через широкополосный контур и согласующий трансформатор.

Расчёт проводится в следующем порядке.

1) Показатель связи фильтра с усилителем

,	(5.6)

где - обобщенный параметр связи;

dк - конструктивное затухание контура, dк ? 0,01;

Пк - полоса пропускания контура, Пк = (3 - 5)Ппр;

Ппр - полоса пропускания приемника.

2) Индуктивность контурной катушки

	(5.7)

3) Индуктивности катушек согласующего трансформатора

;	(5.8)
	(5.9)

где К2 - коэффициент связи, К2 полагают равным 0,7 - 0,9.

4) Коэффициент включения

.	(5.10)

В формулах (5.8) и (5.10) Rб и Rк - соответственно выходное и входное сопротивление пьезокерамического фильтра (обычно Rк = 2 кОм; Rб = 1 кОм). Если при расчёте m1 больше единицы, принять m1, равным единице.

5) Индуктивность катушки связи фильтра с контуром

	(5.11)

где К1 - коэффициент связи, К1 принять равным 0,7 - 0,9.

6) Ёмкость контура

	(5.12)

7) Резонансный коэффициент усиления каскада преобразования

	(5.13)

где Кф - затухание, вносимое фильтром на резонансной частоте, для пьезомеханических фильтров Кф = (5 - 8) дБ.

5.4 Расчёт цепей термостабилизации по постоянному току

Этот расчёт производится по методике подразд. 4.1.

6. РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ ПЕРВОЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

Усилители промежуточной частоты (УПЧ) работают, как правило, на фиксированной частоте. Так как основная селекция сигнала осуществляется фильтром сосредоточенной селекции каскада преобразования частоты, то особых требований к избирательности каскадов УПЧ не предъявляют. Основное их назначение - обеспечить необходимое усиление. Полоса пропускания УПЧ берется в три - пять раз больше требуемой. Схема каскада приведена на рис. 12.

Расчёт УПЧ целесообразно проводить в следующей последовательности.

1) Руководствуясь справочными данными, выбрать тип транзистора, режим его работы по постоянному току (Iк, Uк-э) и определить параметры на
частоте fп.

2) Из условия обеспечения заданной полосы пропускания приемника определить эквивалентное затухание контура:

	(6.1)

где dп - требуемое эквивалентное затухание каждого из контуров УПЧ, обеспечивающее заданную полосу пропускания;

n - число каскадов УПЧ;

Ппр - полоса пропускания приемника, Ппр = 25 кГц.

3) Рассчитать резонансный коэффициент усиления из условия обеспечения режима согласования и требуемой полосы пропускания по формуле:



	(6.2)

4) Определить устойчивый коэффициент по формуле

	(6.3)

и сравнить его с коэффициентом усиления, рассчитанным по формуле (6.2). Усилитель устойчив, если выполняется неравенство:

.	(6.4)

При невыполнении условия (6.4) необходимо принять меры для повышения устойчивости усилителя.

Рисунок - 12. Схема каскада УПЧ1: а - на транзисторе по схеме с ОЭ;

б - с каскодным включением транзисторов ОЭ

5) Так как полоса пропускания каскадов УПЧ выбирается в три - пять раз шире полосы пропускания приемника, то к стабильности частотной характеристики УПЧ жестких требований не предъявляется, поэтому можно задаться минимальной эквивалентной емкостью контура

.	(6.5)

В диапазоне метровых и более коротких волн обычно .

6) Рассчитать коэффициенты трансформации по формулам:

;	(6.6)
	(6.7)

7) Если окажется, что коэффициент трансформации m1 > 1, то необходимо положить m1 равным единице и определить оптимальную эквивалентную емкость Сэ опт по выражению:

	(6.8)

При этом коэффициент трансформации m2 рассчитывается по уравнению:

	(6.9)

8) Определить собственную емкость контура Ск по формуле:

.	(6.10)

В случае, когда m1 = 1, в формулу (6.10) вместо Сэ min подставить значение Сэ опт, вычисленное по соотношению (6.8), а также новое значение m2, определенное по выражению (6.9). При этом, если окажется, что Ск < 0, необходимо выбрать большее значение Сэ min и заново провести расчёт коэффициентов трансформации m1 и m2 по формулам (6.6) и (6.7).

9) Рассчитать индуктивность катушки контура:

	(6.11)

Если m1 = 1, то в выражение (6.11) необходимо подставить значение Сэ опт, вычисленное по формуле (6.8).

10) Если хотя бы один из коэффициентов трансформации равен единице, рассчитать резонансный коэффициент усиления по уравнению

	(6.12)

и сравнить его с устойчивым, вычисленным по формуле (6.3). Если условие (6.4) выполняется, то можно продолжать расчёт дальше.

11) В случае, когда условие Ку К01max не выполняется и К01/Ку 2, целесообразно применить пассивный способ повышения устойчивости, заключающийся в уменьшении резонансного коэффициента усиления до устойчивого. Этого можно достичь путем выбора коэффициента трансформации m1 и m2 из условий обеспечения устойчивого коэффициента усиления и заданной полосы пропускания по выражениям:

;	(6.13)
,	(6.14)

где К0 и Ку - коэффициенты усиления, определенные по формулам
(6.2) и (6.3).

Резонансный коэффициент усиления каскада при этом будет равен устойчивому, рассчитанному по формуле (6.3).

12) Если отношение К01/Ку > 2, то необходимо использовать каскодное включение транзисторов по схеме ОЭ - ОБ (рис. 12), определить параметры составного транзистора и заново произвести расчёт каскада УПЧ, начиная с п. 3.

13) В тех случаях, когда усилитель, построенный по каскодной схеме, окажется неустойчивым, необходимо определить коэффициенты трансформации m1 и m2 по формулам (6.13) и (6.14), подставив в них параметры составного резистора.

14) Расчёт цепей термостабилизации по постоянному току производится по методике подразд. 4.1.

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАСКАДА ВТОРОЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

Завершение расчёта приемника может быть реализовано в соответствии со схемой, представленной на рис. 13. Выделение информационного сигнала должен взять на себя усилитель второй промежуточной частоты fпр2, выполненный на микросхеме DA1 K174ХА26, которая является полным аналогом микросхемы МС3359. Эта микросхема в пластмассовом корпусе DIP-18 (корпус двухрядный, расстояние между выводами - 2,5 мм, число выводов - 18) содержит полный набор необходимых каскадов: второй смеситель, второй гетеродин (fг2), усилитель-ограничитель второй промежуточной частоты (fпр2), частотный демодулятор, предварительный усилитель звуковой частоты. Внутренняя структура и расположение выводов микросхемы МС3359 показаны в прил. 5. Эта микросхема имеет верхнюю рабочую частоту со входа смесителя 45 МГц, нижнюю границу напряжения питания - (+4 В) и потребляет ток 5 - 7 мА.

В дальнейшем микросхема МС3359 модифицировалась в микросхему МС3361 с уменьшением числа выводов до 16 и главное - с понижением нижней границы рабочего напряжения до +2 В. Цоколевка и структура микросхем модификации МС3361/71/72 полностью соответствуют цоколевке и структуре микросхемы МС3359, но не имеют дополнительного вывода для демодулятора АПЧГ и вывода фильтра демодулятора (см. прил. 5). Имеется отечественный аналог микросхемы МС3361 в двух типах корпусов - КС1066ХА2 (DIP-16) и КФ1066ХА2 (SOIC-16 - малогабаритный с шагом между выводами 1,25 мм для поверхностного монтажа). Микросхемы (МС) в корпусах DIP-16 (МС3361/71, КС1066ХА2 и др.) можно заменять МС с 18 выводами (МС3359, К174ХА26), так как все основные узлы и тех, и других микросхем аналогичны по своей структуре и расположению выводов. При обратной замене остаются незадействованными выводы 9 и 10, являющиеся второстепенными (см. прил. 5).

Рисунок 13 - Схема обработки сигнала второй промежуточной частоты

Высокочастотный трансформатор усилителя первой промежуточной частоты служит для согласования выхода этого усилителя со входом микросхемы К174ХА26, которая предоставляет необходимый набор каскадов завершающей части радиоприемника. Микросхема нуждается в навесных элементах: второй гетеродин работает на частоте fг2 = 21,865 МГц кварцевого резонатора ZQ1, которая равна сумме значений второй (fпр2 = 465 кГц) и первой (fпр1 = 21,4 МГц) промежуточной частоты, представляющей собой сигнал на входе микросхемы.

Амплитудно-частотная характеристика УПЧ2 формируется фильтром сосредоточенной селекции Z1, имеющим полосу пропускания 460 - 470 кГц,
после него вторая промежуточная частота поступает на демодулятор - частотно-фазовый детектор с опорным (квадратурным) контуром L2C10, зашунтированным резистором R2 для расширения полосы пропускания частот до 5 - 6 кГц. К четвертому и восьмому выводам микросхемы должно быть подведено питающее напряжение Uпит = +(4 - 12) В с необходимыми фильтрующими цепями, взятое от стандартной шины питания приемника. Никаких расчётных операций по выбору всех навесных деталей микросхемы К174ХА26 не требуется.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Атаев А. И. Радиотехнический справочник по аналоговым микросхемам / А. И. Атаев, Д. А. Болотников. М., 1993. 412 с.

2. Петров Б. Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах / Б. Е. Петров, В. А. Романюк. М., 1989. 232 с.

3. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред.
Г. М. Уткина. М., 1979. 318 с.

4. Радиоприемные устройства / Под ред. В. И. Сифорова. М.,
1974. 560 с.

5. Проектирование радиоприемных устройств / Под ред. А. П. Сиверса. М., 1974. 488 с.

6. Музыка З. Н. Расчёт высокочастотных каскадов радиоприемных устройств на транзисторах / З. Н. Музыка, В. Е. Пустоваров, Б. Г. Синицкий. М., 1975. 156 с.

7. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры /
В. А. Волгов. М., 1976. 543 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Параметры транзисторов

Параметр транзистора	Тип транзистора
	ГТ311Е	ГТ311И	КТ606	КТ907А	КТ909А	КТ909Б
fтип, МГц	-	-	400	400	500	500
fгр, МГц	300	600	450	600	650	650
	-	-	0,8	10	24	42
Ек0, В	6,5	6,5	28	28	28	28
Ктип	-	-	3	3	2,4	2,1
Uк0, В	5	5	-	-	-	-
Iк0, мА	5	5	-	-	-	-
	0,05	0,05	0,8	3	4	8
I0к обр, мкА	2	2	-	-	-	-
Uк-э доп, В	12	12	60	60	60	60
Uб-э доп, В	1,5	1,5	4	4	3,5	3,5
h21э	50	200	20	50	15	20
Uб-э, В	0,3	0,3	0,7	0,6	0,6	0,6
Sгр, См	0,05	0,05	0,03	0,19	0,46	0,64
tп, C	70	70	120	120	120	120
Cк, пФ	2	2	4	15	24	40
Ск.а, пФ	1	1	1,5	5	8	13
Ск.п, пФ	1	1	2,5	10	16	27
Сэ, пФ	4	4	30	110	150	300
r'б, Ом	60	50	4	1	2	0,5
r'э, Ом	-	-	0,2	0,4	0,1	0,05
Rп.к, С/Вт	300	300	44	7,5	3,8	1,9

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Коэффициенты А. И. Берга

	cos	0	1	2	3	г0	г1	g1
20	0,940	0,074	0,146	0,141	0,132	0,004	0,009	1,976
22	0,927	0,082	0,160	0,153	0,142	0,006	0,012	1,971
24	0,914	0,089	0,174	0,165	0,151	0,008	0,015	1,965
26	0,899	0,097	0,188	0,177	0,159	0,010	0,019	1,959
28	0,883	0,104	0,202	0,188	0,166	0,012	0,024	1,953
30	0,866	0,111	0,215	0,198	0,172	0,015	0,029	1,946
32	0,848	0,118	0,229	0,208	0,176	0,018	0,035	1,939
34	0,829	0,125	0,241	0,217	0,180	0,021	0,041	1,931
36	0,809	0,133	0,255	0,226	0,182	0,025	0,049	1,923
38	0,788	0,140	0,268	0,234	0,184	0,030	0,057	1,914
40	0,766	0,147	0,280	0,241	0,185	0,034	0,065	1,905
42	0,743	0,154	0,292	0,248	0,184	0,040	0,075	1,896
44	0,719	0,162	0,304	0,253	0,182	0,045	0,085	1,886
46	0,695	0,169	0,316	0,259	0,180	0,051	0,096	1,876
48	0,669	0,176	0,327	0,263	0,176	0,058	0,108	1,865
50	0,643	0,183	0,339	0,267	0,172	0,065	0,121	1,854
52	0,616	0,190	0,350	0,270	0,166	0,073	0,134	1,842
54	0,588	0,197	0,360	0,272	0,160	0,081	0,149	1,831
56	0,559	0,204	0,371	0,274	0,153	0,090	0,164	1,819
58	0,530	0,211	0,381	0,275	0,146	0,098	0,179	1,806
60	0,500	0,218	0,391	0,276	0,138	0,109	0,196	1,794
62	0,469	0,225	0,400	0,275	0,129	0,119	0,212	1,780
64	0,438	0,232	0,410	0,274	0,120	0,130	0,239	1,767
66	0,407	0,239	0,419	0,273	0,110	0,142	0,248	1,754
68	0,375	0,246	0,427	0,270	0,101	0,154	0,267	1,740
70	0,342	0,253	0,436	0,267	0,091	0,166	0,287	1,725
72	0,309	0,259	0,444	0,264	0,082	0,179	0,306	1,711
74	0,276	0,266	0,452	0,260	0,072	0,193	0,327	1,696
	cos	0	1	2	3	г0	г1	g1
76	0,242	0,273	0,459	0,256	0,062	0,207	0,348	1,681
78	0,208	0,279	0,466	0,251	0,052	0,221	0,368	1,666
80	0,174	0,286	0,472	0,245	0,043	0,236	0,390	1,650
82	0,139	0,293	0,478	0,239	0,033	0,251	0,412	1,635
84	0,105	0,299	0,484	0,233	0,024	0,268	0,434	1,619
86	0,070	0,305	0,490	0,226	0,016	0,284	0,456	1,603
88	0,035	0,312	0,496	0,219	0,008	0,302	0,478	1,588
90	0	0,318	0,500	0,212	0	0,318	0,500	1,571
92	0,035	0,325	0,504	0,205	0,007	0,336	0,522	1,554
94	0,070	0,331	0,508	0,197	0,014	0,353	0,544	1,538
96	0,105	0,337	0,512	0,189	0,020	0,373	0,566	1,521
98	0,139	0,343	0,516	0,181	0,025	0,391	0,588	1,505
100	0,174	0,350	0,520	0,172	0,030	0,410	0,610	1,488
102	0,208	0,355	0,522	0,164	0,034	0,429	0,631	1,471
104	0,242	0,361	0,525	0,156	0,038	0,449	0,652	1,454
106	0,276	0,366	0,527	0,147	0,041	0,468	0,673	1,438
108	0,309	0,373	0,529	0,139	0,043	0,488	0,694	1,421
110	0,342	0,379	0,531	0,131	0,045	0,508	0,713	1,404
112	0,375	0,384	0,532	0,123	0,046	0,528	0,733	1,387
114	0,407	0,390	0,534	0,115	0,047	0,548	0,752	1,370
116	0,438	0,395	0,535	0,107	0,047	0,569	0,770	1,354
118	0,469	0,401	0,535	0,099	0,047	0,589	0,788	1,337
120	0,500	0,406	0,536	0,092	0,046	0,609	0,805	1,321
122	0,530	0,411	0,536	0,085	0,045	0,629	0,821	1,305
124	0,560	0,416	0,536	0,078	0,043	0,649	0,835	1,289
126	0,588	0,422	0,536	0,071	0,042	0,669	0,851	1,273
128	0,616	0,426	0,535	0,064	0,040	0,689	0,866	1,257
130	0,643	0,431	0,534	0,058	0,037	0,708	0,878	1,240

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Шкала номинальных значений сопротивлений и емкостей

Номинальные значения сопротивлений и емкостей
Ом, кОм, МОм, пФ, нФ	мкФ
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
±20 %	±10 %	±5 %	±20 %	±10 %	±5 %	±20 %	±10 %	±5 %	±10 %	±5 %	±10 %
1,000	1,000	1,000	10	10	10	100	100	100	0,01	0,1	1
		1,100			11			110
	1,200	1,200		12	12			120	0,012	0,12
		1,300			13			130
1,5	1,5	1,5	15	15	15	150	150	150	0,015	0,15	1,5
		1,6			16			160
	1,8	1,8		18	18		180	180	0,018
		2,0			20			200
2,2	2,2	2,2	22	22	22	220	220	220	0,022	0,22	2,2
		2,4			24			240
	2,7	2,7		27	27		270	270	0,027
		3,0			30			300
3,3	3,3	3,3	33	33	33	330	330	330	0,033	0,33	3,3
		3,6			36			360

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Y-параметры транзисторов ГТ311Е и ГТ311И

Параметры, Cм	Схема с ОЭ	Схема ОЭ - ОБ
Транзистор ГТ311Е (h21э = 50; fраб = 150 МГц)
Y11 = g11 + jb11	0,013 + j 0,0048	0,013 + j 0,0048
Y22 = g22 + jb22	0,0017 + j 0, 0028	0,00033 + j 0,00084
Y21 = g21 + jb21	0,010 - j 0,036	0,010 - j 0,036
Y12 = g12 + jb12	- 0,00033 - j 0,00084	0,0000724 - j 0,0000294
|Y22|	0,0033	0,00090
|Y21|	0,037	0,037
|Y12|	0,00090	0,00080
Транзистор ГТ311И (h21э = 200; fраб = 150 МГц)
Y11 = g11 + jb11	0,015 + j 0,0082	0,015 + j 0,0082
Y22 = g22 + jb22	0,0076 + j 0,0062	0,00077 + j 0,00044
Y21 = g21 + jb21	0,046 - j 0,080	0,046 - j 0,080
Y12 = g12 + jb12	- 0,00077 - j 0,00044	0,000059 - j 0,000073
|Y22|	0,0098	0,00089
|Y21|	0,0923	0,0923
|Y12|	0,00089	0,000094
Транзистор ГТ311Е (h21э = 50; fраб = 21, 4 МГц)
Y11 = g11 + jb11	0,0078 + j 0,0063	0,0078 + j 0,0063
Y22 = g22 + jb22	0,0013 + j 0,0020	0,00010 + j 0,00014
Y21 = g21 + jb21	0,108 - j 0,077	0,108 - j 0,077
Y12 = g12 + jb12	- 0,00010 - j 0,00014	0,00000034 - j 0,00000024
|Y22|	0,0024	0,00017
|Y21|	0,133	0,133
|Y12|	0,000175	0,00000041

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Структурные схемы и расположение выводов микросхем

а б

а - микросхема МС3359; б - микросхема МС3361

Размещено на Allbest.ru