Расчет каскадов ЧМ передатчика
Курсовой проект
по дисциплине
«Устройства генерирования
и передачи сигналов»
по теме:
«Расчет каскадов ЧМ
передатчика»
Составление
блок-схемы передатчика
Составление
блок-схемы передатчика начинается с выходного каскада начинается с выходного
каскада. Данные, определяющие его мощность, содержатся в задании. Также
задается колебательная мощность в антенне в режиме несущей частоты. В данном
передатчике необходимо применить умножитель частоты, в качестве которого может
работать предоконечный или дополнительный предварительный каскад, включаемый
между возбудителем и предоконечным каскадом. Вид блок-схемы передатчика с
частотной модуляцией представлен на рисунке:
Техническое
задание:
Требуется
произвести расчет передатчика, работающего на 120 МГц.
Вид модуляции
– частотная (ЧМ)
Максимальная
девиация частоты – 100 кГц
Вид
передаваемых сообщений – аудиосигналы
Мощность
передатчика – 100 Вт
1. Расчет
выходного каскада
Для работы в
выходном каскаде выберем транзистор
Приведем его
характеристики.
Тип –
кремниевый n‑канальный
высокочастотный МОП – транзистор вертикальной структуры, выполненный по
технологии с двойной диффузией, рекомендован производителем для применения в
промышленных устройствах в КВ\УКВ диапазоне.
Достоинства:
– высокий
коэффициент усиления по мощности (19 дБ на 108 МГц)
– низкие
интермодуляционные искажения
– высокая
температурная стабильность
– устойчивость
при работе на согласованную нагрузку.
Технические
характеристики:
Пробойное
напряжение сток-исток > 110 В
Ток утечки
сток-исток (при = 50 В, =0) < 2,5 мА
Ток утечки
затвор-исток (при = 20 В) <
1 мкА
Крутизна
линии граничного режима 4,5 – 6,2 См
Напряжение
отсеки определим по проходной характеристике транзистора
Крутизна
передаточной характеристики S = 5 См
Коэффициенты
Берга, соответствующие выбранному углу отсечки ,
Расчетные
данные
50 В
Ток стока 20 А
110 В
(данная величина рекомендована для
УКВ-диапазона)
130 Вт
1.
Коэффициент
использования стокового напряжения
2.
Амплитуда
стокового напряжения:
3.
Амплитуда
первой гармоники стокового тока:
4.
Амплитуда
импульсов стокового тока:
5.
Постоянная
составляющая стокового тока:
6.
Эквивалентное
сопротивление нагрузки:
7. Напряжение
возбуждения:
Напряжение
смещения для угла отсечки = будет равно напряжению
отсечки по паспорту транзистора, т.е. 3 В, тогда амплитуда напряжения на
затворе будет равна 5,85 В.
7.
Посчитаем
входную мощность ГВВ:
8.
Коэффициент
усиления по мощности:
Таким
образом, схема генератора с внешним возбуждением будет выглядеть так:
9.
Выходное
сопротивление транзистора:
Для
согласования с пятидесятиомной нагрузкой нужна схема с неполным включением индуктивности,
при этом, емкость конденсатора в колебательном контуре рекомендуется брать , а индуктивность катушки
2. Расчет
модулятора
В
проектируемом передатчике частотная модуляция будет получена из фазовой методом
расстройки колебательного контура:
Схема
модулятора выглядит следующим образом:
Выберем диод
Д902. При напряжении смещения 5 В, его характеристика имеет достаточно большую
крутизну и линейность. По графику для Д902 определяем
S=2 пФ/В.
Амплитуда
возбуждения звуковой частоты – 1 В, значит максимальное изменение емкости
составит 2 пФ. Начальная емкость при отсутствии сигнала ЗЧ
составит
8 пФ.
В результате
подбора параметров получены следующие величины:
Частота
возбуждения: , т.е. рад/с
Коэффициент
умножения – 10
Индуктивность:
Максимальное
отклонение частоты от :
рад/с
Зададим
добротностью колебательного контура, равной 20.
Величина
фазовой модуляции:
рад
Девиация
частоты при частоте модулирующего сигнала 15 кГц:
рад/с
Индекс
модуляции, получаемый в фазовом модуляторе: M=0,307. При умножении
частоты в 10 раз, индекс модуляции получится равным 3,07.
Выберем
транзистор КТ312А. Он обладает следующими параметрами:
Расчет
коллекторной цепи
Выбираем
напряжение на коллекторе , зададим угол отсечки и определим коэффициенты разложения (, ).
1.
Коэффициент
использования коллекторного напряжения:
2.
Амплитуда
напряжения на коллекторе:
3.
Амплитуда
первой гармоники коллекторного тока:
4.
Амплитуда
импульсов коллекторного тока:
Выполним
проверку условия – условие выполняется.
5.
Постоянная
составляющая постоянного тока:
6.
Эквивалентное
сопротивление нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим:
7.
Мощность,
потребляемая от источника питания:
8.
Мощность,
рассеиваемая на коллекторе:
При этом,
мощность, рассеиваемая на коллекторе, меньше предельно допустимой.
9.
КПД
коллекторной цепи:
Расчет
базовой цепи
1. Находим
предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в
схеме с общим эмиттером равен 1:
2.
Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим
угол дрейфа на высшей частоте:
Т.к. угол
дрейфа меньше , то считаем, что и .
4. Амплитуда
переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
5. Модуль
коэффициента передачи напряжения со входа на переход эмиттер-база:
6. Амплитуда
напряжения возбуждения, требуемая от источника возбуждения:
7. Входное
сопротивление:
8. Мощность
возбуждения:
9. Первая
гармоника тока базы:
10.
Реальная
величина тока базы:
Напряжение
смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки базового тока:
11.
Максимальное
значение положительного импульса тока базы:
12.
Постоянная
составляющая положительных импульсов тока базы:
13.
Мощность
рассеяния в цепи базы:
3. Расчет
возбудителя
Схема
возбудителя с кварцевой стабилизацией.
Выбираем
транзистор КТ312А.
Приведем
параметры, применяемые при расчете:
Определим
коэффициент обратной связи:
( – динамическое
сопротивление кварца, – коэффициент регенерации, – нормированное управляющее сопротивление)
, где – фаза
крутизны ,
– обобщенная расстройка –
– затухание кварца.
Для заданной
частоты – 10,1 МГц – =10 пФ, = 80 Ом
Рассчитаем
емкость , включенную между базой и эмиттером:
Тогда,
емкость , включенная между эмиттером и коллектором,
будет равна:
Вычисляем
функцию угла отсечки:
– характеристическое сопротивление кварца (=0,025 Гн)
– добротность кварца
По таблицам
значений Берга, это значение соответствует .
Расчет
коллекторной цепи возбудителя
Выбираем
напряжение на коллекторе .
В генераторе
необходимо развить мощность, требующуюся для возбуждения следующего каскада с
учетом потерь в согласующей цепи:
1.
Коэффициент
использования коллекторного напряжения:
2.
Амплитуда
напряжения на коллекторе:
3.
Амплитуда
первой гармоники коллекторного тока:
4.
Амплитуда
импульсов коллекторного тока:
.
5.
Постоянная
составляющая постоянного тока:
6.
Эквивалентное
сопротивление нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим:
7.
Мощность,
потребляемая от источника питания:
8.
Мощность,
рассеиваемая на коллекторе:
При этом,
мощность, рассеиваемая на коллекторе, меньше предельно допустимой.
9.
КПД
коллекторной цепи:
Расчет
базовой цепи возбудителя
1. Находим
предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в
схеме с общим эмиттером равен 1:
2.
Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим
угол дрейфа на высшей частоте:
Т.к. угол
дрейфа меньше , то считаем, что и .
4. Амплитуда
переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
5. Модуль
коэффициента передачи напряжения с входа на переход эмиттер-база:
6. Амплитуда
напряжения возбуждения:
7. Входное
сопротивление:
8. Мощность
возбуждения:
9. Первая
гармоника тока базы:
10.
11.
Напряжение
смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки базового тока:
12. Сопротивление
в цепи базового смещения, обеспечивающее заданное напряжение смещения R = 4590 Ом.
4. Расчет
умножителя частоты
Для умножения
частоты в 10 раз нужно выбрать угол отсечки .
При таком
малом угле отсечки резко увеличивается ток возбуждения, падает КПД и выходная
мощность, поэтому, чтобы получить необходимую для следующего каскада мощность
приходится применять мощный транзистор КТ904А
Схема
умножителя:
В расчете
требуются 10-е коэффициенты Берга: и .
Умножитель
должен на 10-й гармонике развивать мощность 0,06 Вт.
Расчет
коллекторной цепи
Напряжение
питания: .
1.
Коэффициент использования коллекторного напряжения:
2.
Коэффициент использования коллекторного напряжения на 10‑й гармонике:
3. Амплитуда
напряжения на коллекторе:
4. Амплитуда
первой гармоники коллекторного тока:
5. Амплитуда
десятой гармоники коллекторного тока:
6. Амплитуда
импульсов коллекторного тока:
7. Постоянная
составляющая постоянного тока:
8. Эквивалентное
сопротивление нагрузки коллекторного контура на 10-й гармонике:
Расчет
базовой цепи
1. Находим
предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в
схеме с общим эмиттером равен 1:
2.
Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим
угол дрейфа на высшей частоте:
Т.к. угол
дрейфа меньше , то считаем, что и .
4. Амплитуда
переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
5. Модуль
коэффициента передачи напряжения со входа на переход эмиттер-база:
по графику
определяем .
6. Амплитуда
напряжения возбуждения, требуемая от источника возбуждения:
7. Входное
сопротивление:
8. Мощность
возбуждения:
9. Первая
гармоника тока базы:
10. Реальная
величина тока базы:
11. Напряжение
смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки базового тока:
Колебательный
контур, на который нагружен транзистор, должен при частоте 100 МГц иметь
эквивалентное сопротивление 1650 Ом:
Рассчитаем
емкость и индуктивность:
Индуктивность
на входе:
5. Расчет
предоконечного каскада
Схема
предоконечного каскада
В первой
части расчета мощность возбуждения выходного каскада получилась равной 2,11 Вт.
С учетом потерь в согласующей цепи. Зададим мощность предоконечного каскада: .
Расчет
коллекторной цепи
Выбираем
напряжение питания .
1. Коэффициент
использования коллекторного напряжения:
2. Амплитуда
напряжения на коллекторе:
3. Амплитуда
первой гармоники коллекторного тока:
4. Амплитуда
импульсов коллекторного тока:
5. Постоянная
составляющая постоянного тока:
6. Эквивалентное
сопротивление нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим:
7. Мощность,
потребляемая от источника питания:
8. Мощность,
рассеиваемая на коллекторе:
При этом,
мощность, рассеиваемая на коллекторе, меньше предельно допустимой.
9. КПД
коллекторной цепи:
Расчет
базовой цепи
1. Находим
предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в
схеме с общим эмиттером равен 1:
2. Рассчитываем
время дрейфа транзистора:
3. Определим
угол дрейфа на наивысшей частоте:
4. Нижний
угол отсечки положительных импульсов эмиттерного тока:
Коэффициенты и , соответствующие углу
отсечки : и .
5. Модуль
коэффициента передачи по току на рабочей частоте:
где
6. Амплитуда
первой гармоники тока эмиттера:
7. Амплитуда
положительного импульса эмиттерного тока:
8. Постоянная
составляющая тока эмиттера:
9. Амплитуда
переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
10. Модуль
коэффициента передачи напряжения с входа на переход эмиттер-база:
по графику
определяем .
11. Амплитуда
сигнала возбуждения, требуемая от предыдущего каскада:
12. Входное
сопротивление:
13. Мощность,
требуемая от предыдущего каскада:
14. Первая
гармоника тока базы:
15.
Напряжение
смещения:
16.
Индуктивность
на входе:
17. Емкость и
индуктивность на выходе колебательного контура:
и
Расчет
коэффициентов трансформации согласующих трансформаторов
1.
Согласование
возбудителя и модулятора.
2.
Согласование
модулятора и умножителя частоты.
3.
Согласование
умножителя частоты и предусилителя.
1. «Радиопередающие
устройства» – под ред. В.В. Шахгильдяна, РиС, 1996 г.
2. «Проектирование и
техническая эксплуатация радиопередающих устройств» – Сиверс Г.А., РиС,
1989 г.
3. «Проектирование
радиопередающих устройств» – под ред. В.В. Шахгильдяна, РиС, 1998 г.