49227

Расчет транзисторных широкодиапазонных передатчиков

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Задачей курсового расчета является проектирование транзисторного широкодиапазонного радиопередающего устройства, обеспечивающего формирование радиосигналов заданном рабочем диапазоне частот и заданную мощность, выделяемую на нагрузке, в состав которого входят следующие каскады...

Русский

2013-12-23

348.66 KB

10 чел.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ)

Факультет радиотехники и телекоммуникаций

Кафедра радиоэлектронных средств

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Устройства генерирования и формирования радиосигналов»

На тему: «Проектирование транзисторных широкодиапазонных передатчиков»

(Вариант № 24)

Выполнил

Оценка __________________

студент гр. 9105  

    Проверил

Калинина М.М.

Дата ____________________

     Санкт-Петербург

2013г.

1. Введение

Задачей курсового расчета является проектирование транзисторного широкодиапазонного радиопередающего устройства, обеспечивающего формирование радиосигналов заданном рабочем диапазоне частот и заданную мощность, выделяемую на нагрузке, в состав которого входят следующие каскады:

  1. ОКГ - опорный кварцевый генератор, являющийся источником высокостабильных колебаний (необходимо произвести расчет принципиальной схемы автогенератора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи);
  2. ССЧ - синтезатор сетки частот, формирующий из опорной частоты необходимые рабочие частоты (необходимо разработать функциональную схему компенсационного синтезатора сетки частот);
  3. ОК - оконечный каскад, обеспечивающий сопряжение устройства с другими и необходимую мощность (необходимо рассчитать принципиальную схему двухтактного усилителя, выполненного на биполярных транзисторах).

ОКГ и ССЧ представляют собой возбудитель, работающий на малой мощности для обеспечения более высокостабильных колебаний.

2. Задание на курсовую работу

Параметры курсового проекта:

Тип ОКГ

fкв, МГц

Тип ССЧ

Диапазон частот fн-fв, МГц

Шаг сетки fш, кГц

Вид модуляции

Тип транзистора

2

3

PLL

1-20

2

A3J

VRF151

kд

р

1,8

5

3. Функциональная схема передатчика

Передатчик может быть представлен как совокупность блоков:

Рис. 3.1 Функциональная схема передатчика.

ТУМ – тракт усиления мощности.

ОК – оконечный каскад.

УССФ – устройства согласования, связи и фильтрации.

Возбудитель может быть представлен совокупностью трёх блоков:

Рис. 3.2 Функциональная схема возбудителя.

ОКГ – опорный кварцевый генератор.

ССЧ – синтезатор сетки частот.

УВИС – устройство ввода информационного сигнала.


4. Расчёт опорного кварцевого генератора.

Автогенератор — это прибор, преобразующий энергию источников питания в энергию высокочастотных колебаний без внешнего возбуждения. Автогенераторы являются первичными источниками колебаний, амплитуда и частота которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий. В составе автогенератора обязательно должны быть генераторный прибор и колебательная система. Генераторный прибор управляет подачей порций энергии источников питания в колебательную систему для поддержания в ней колебаний постоянной амплитуды. Колебательная же система используется для задания частоты колебаний, обычно близкой к одной из ее собственных частот.

В данном варианте курсовой работы применяется схема автогенератора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи. В такой схеме кварцевый резонатор используется как высокодобротный последовательный контур.

4.1 Расчёт автогенератора (АГ).

Выбираем транзистор КТ324.

Параметры транзистора:

Тип прово-димости

Основные параметры

Предельные параметры

fт, ГГц

Sгр, A

β0

Eб0, В

Ск, пФ

rб, Ом

uk, В

uэ-б, В

iк, А

Pк, Вт

n-p-n

0,6..0,8

0,03

40

0,6

3,75

100

10

4

0,02

0,025

Параметры кварцевого резонатора:

fкв, МГц

Rкв, Ом

Qквˑ10-3

C0, пФ

3

82

45

5

Задаемся мощностью, рассеиваемой КвР, = 0,2 мВт.

Расчет параметров транзистора

1. Максимально возможная амплитуда импульса коллекторного тока транзистора (приняв α1=0,472, для угла отсечки θ=800):

  = = 4,679 мA.  

2. Задаемся = 4,5 мА и определяем значение крутизны коллекторного тока: A/B, таким образом, средняя крутизна тока по первой гармонике: A/B,  далее определим значение амплитуды первой гармоники напряжения на базе транзистора (зная, что Ik11*ikm=0.472*4.5мА=2,124мА и = S1): = Ik1/S1 = 0,094В.

Расчет параметров колебательной системы и цепи обратной связи

1. Сопротивление резистора в эмиттерной цепи = 0,094 / = 1114 Ом. (В ряду Е24: 1100Ом).

2. Сопротивление  =1114/(1+0,0231114)= 42,69 Ом. Задаемся = 0,2582= 20,5 Ом.

3. Вспомогательный параметр

=0,02320,542,69/(82+20,5+42,69) = 0,136.

4. Отношение емкостей  = 0,136(1–0,136) = 0,157.

5. Эквивалентное сопротивление контура

=20,5 (1+0,157)/0,157=1112 Ом.

6. Задаемся добротностью контура =50.

7. Параметры колебательной системы

=1112/50= 22,24 Ом;

=1/(2π31022,24) = 2386 пФ;

= 22,24/(2π310) = 1,18 мкГн;

С2 = Ск (1+К)/К = 2386 (1+0,157) / 0,157 = 17570 пФ; (для ряда Е24: 18000пФ)

= 0,15717,57 нФ = 2,76 нФ.                            (для ряда Е24: 2700 пФ)

8. Индуктивность, нейтрализующая емкость кварцедержателя =1/= 562,9 мкГн (для Е24: 560 мкГн).

Расчет энергетических параметров автогенератора

1. Параметр = (82+42,69) /1112 =6,083.

2. Сопротивление коллекторной нагрузки транзистора =1112/=713,2 Ом.

3. Амплитуда напряжения на коллекторе

= 4,5100,472713,2 = 1,515 В.

Расчет режима работы транзистора

1. Постоянное напряжение на коллекторе транзистора

= 0,310 = 3 В.

2. Проверка недонапряженного режима работы

= 3  0,0045 / 0,03 = 2,85 B.

3. Модуль эквивалентного сопротивления колебательного контура

= 1,515 /0,00212 = 714,6 Ом.

4. Мощность, потребляемая транзистором от источника коллекторного напряжения, где =0,286: = 3  0,0045  0,286 = 0,00386 Вт.

5. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

= 0,00386  0,0002 = 0,00366 Вт = 3,66 мВт.

6. Коэффициент полезного действия транзистора

= 0,2/3,86 = 0,052.

7. Постоянная составляющая тока базы

= 0,0045  0,286/40 = 0,03217 мA.

8. Напряжение смещения на базе

= -0,094  0,174 + 0,6 =0,584 В.

Расчет элементов цепей питания

1. Сопротивление делителя смещения в цепи базы

(20...50)X2 < Rд < Rэ(4...6), где Х2 = 1 /C2 = 1/2  3  106  17,27  10  3,02 Ом.

         Выбираем Rэ = 50/S0 = 50/0,058 = 0,862 кОм = 860 Ом.

Выбираем Rд = 2 кОм, тогда находим

, где

постоянная составляющая коллекторного тока: Ik0=0,0045*0,286 = 1,287 мА, тогда

Еик = 3 + 1,287*10-3*0,86*103 = 4,109 В

          А затем находим сопротивления R1 и R2:

R1 = 4,109*2000/(1,287*0,86+0,584+0,03217*2) = 4,68 кОм, (ряд Е24: 4,7 кОм)

R2 = 2000*4677/(4677-2000) = 3,494 кОм                                   (ряд Е24: 3,6 кОм)

2. Емкость конденсатора Сэ:

  Uкгр = 3-0,0045/0,03 = 2,85 В

Сэ = 20*0,00212/(2*3,14*3*106*0,094) = 23,9 нФ

(для ряда Е24: 24 нФ).

5. Расчёт транзисторного широкодиапазонного усилителя.

Для достижения необходимого уровня мощности на выходе генератора необходимо применить тракт усиления мощности, построенный на основе транзисторов. Транзисторы являются сравнительно маломощными приборами, поэтому для построения мощного усилителя нужно будет использовать несколько двухтактных ячеек, одна из которых изображена на рис. 5.1. Преимущество двухтактной схемы заключается в том, что на выходе её отсутствуют все нечётные гармоники кроме первой, а если установить угол отсечки 90˚, то можно добиться и отсутствие чётных гармоник.

Для расчёта оконечного каскада по заданию нужно использовать транзистор VRF151, который имеет следующие характеристики:

Тип

Еси, В

Рвых, Вт

f, МГц

S, А/В

Е0, В

Sгр, А/В

Сзи, пФ

Сси, пФ

Сзс, пФ

Uси, В

iсдоп, А

Rт. п-к, °С/Вт

t п. доп, °С

VRF151

50

150

175

5,0

2,9-4,4

1

375

200

12

170

20

0,6

200

Параметры транзисторов: uк.доп, iк m доп , Iк0 доп , tп. доп – максимально допустимые значения напряжения между коллектором и эмиттером, В, амплитуды импульса и постоянной составляющей коллекторного тока, А, температуры перехода, С; fт –граничная частота, МГц; 0 = h21 оэ – низкочастотное значение коэффициента передачи по току в схеме с общим эмиттером; Lэ, Lк, Lб – индуктивности выводов транзистора, нГн; Ск – суммарная емкость коллекторного перехода, пФ; rб – сопротивление тела базы, Ом; rнас – сопротивление насыщения коллекторного перехода, Ом; Rт.п-к – тепловое сопротивление участка переход - корпус транзистора, С/Вт. Для fт и 0 приведены усредненные значения.

5.1.  Расчет выходной цепи усилителя

1. Допустимое значение мощности рассеиваемой на стоке Pс:

       Примем температура корпуса (Tк) равной 700С.

        Вт

2.Определим амплитуду импульса тока стока:

 Eс = 50 В

Ic = 23,39 А, но максимальное допустимое значение тока стока 20 А, дальше считаем для него.

3. Рассчитаем сопротивление:

Rc = 3 Ом, но минимально возможное значение волнового сопротивления кабеля в таблице – 3.2 Ом, считаем дальше для этого значения.

4. Амплитуда импульса тока стока:

А

А

   Найденное значение iсm не превышает предельно допустимого.

Амплитуда первой гармоники тока стока:

 А , где  для угла отсечки 900

    Минимальное (остаточное) напряжение на стоке:

      В

Амплитуда переменного напряжения на стоке:

В

Мощность, отдаваемая транзистором:

Вт

Максимальное мгновенное значение напряжения на стоке:

= 80,769 В

Постоянная составляющая тока стока:

 А

5. Мощность, потребляемая транзистором от источника питания:

Вт

6. Мощность, рассеиваемая на стоке:

        Вт

7. Коэффициент полезного действия:

5.2.  Расчет входной цепи усилителя

Преобразование физической эквивалентной схемы транзистора (рис. 5.2, а) в эквивалентную схему (рис. 5.2, б):

Рис. 5.2

1. Нагрузочный коэффициент, учитывающий снижение усиления за счет действия обратной связи через проходную емкость транзистора:

kн = 1/(1 + Rс/Ri) = 1/(1+3,2/12,5) = 0,796,

где Rс = 3,2 Ом – сопротивление нагрузки транзистора (по первой гармонике);
Ri = iRi  = 12,5 Ом – выходное сопротивление транзистора по первой гармонике,  i – коэффициент приведения внутреннего сопротивления (i = 2 при угле отсечки  = 90), а

Ri = 375/5*12 =  6,25 Ом

2. Амплитуда напряжения на входе фазового контура, равного напряжению между затвором и истоком транзистора:

Uвх = Iс1/ kн 1S = 9,615/0,796*0,5*5 = 4,831 В.

3. Коэффициент усиления каскада по напряжению

KU = Uс/Uвх = 30,769/4,831 = 6,37.

4. Входная емкость транзистора

Cвх = Cзи + Cзс(1+KU) = 375+12*(6,37+1) = 463,4 пФ.

5. Расчет входной согласующей цепи:

Выберем Lи0 = 1 нГн

rвх = 0,796*5*1*10-9/375*10-9 = 10,616 Ом

ωs = 1/10,616*463,4*10-12 = 203,3 * 106 с-1

Граничная частота транзистора больше верхней частоты рабочего диапазона (125,7*106 с-1), поэтому считаем входное сопротивление транзистора ёмкостным. Выбираем неравномерность 0,5 дБ и соответственно коэффициенты b1=0.68, b2=0.93. Рассчитываем недостающие параметры:

Rбал = 2*0,93/125,7*106*463,4*10-12 = 31,938 Ом.

  С0 = 463,4*10-12*0,68/4*0,93 = 87,71 пФ.

       L = 2*0,932/(125,7*106)2*463,4*10-12 = 236,4 нГн.

                                   Lвх = 10 нГн.

   М = 118,2*10-9*(1-0,68/0,93)+10*10-9 = 41,17 нГн.

Lобщ = 2*(236,4 – 41,17) = 389,2 нГн.

6. Мощность, необходимая для возбуждения каскада

Pвх = Uвх2/2Rвх = 4,8312/2*31,939 = 0,365 Вт

7. Коэффициент усиления каскада по мощности

KP = P1/Pвх = 147,929/0,365 = 404,955.

6. Расчёт блока коммутируемых фильтров.

В широкополосных передатчиках, каскады которых не содержат резонансные фильтрующие цепи, между выходом устройства сложения мощностей отдельных двухтактных схем и входом согласующего устройства включается блок коммутируемых фильтров.

Каждый из фильтров блока может быть выполнен либо в виде ФНЧ, граничная частота которого меньше частоты второй гармоники усиливаемого сигнала, либо в виде полосового фильтра, верхняя ωвi и нижняя ωнi граничные частоты которого удовлетворяют соотношению ωвi/ωнi=kдi.

Рис. 6.1 Принципиальная схема фильтра.

Нижняя рабочая частота: с-1

Верхняя рабочая частота: с-1

Возьмём примерно коэффициент перекрытия

Количество фильтров = 5,09 ≈ 5.

Получаем диапазоны частот, на которые будут настроены фильтры:

.

1-й фильтр:  6,28…11,30 *106 с-1

2-й фильтр:  11,30…20,35 *106 с-1

3-й фильтр:  20,35…36,62 *106 с-1

4-й фильтр:  36,62…65,92 *106 с-1

5-й фильтр:          65,92…118,66 *106 с-1

7. Расчёт синтезатора сетки частот.

Для получения совокупности номинальных значений частот в заданном диапазоне, следующих друг за другом с заданным интервалом используется синтезатор сетки частот, схема которого приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1 Структурная схема синтезатора сетки частот.

Данная схема является многокольцевым ССЧ, т.к. каждый перемножитель f·Ni представляет систему с замкнутым кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАП). Такие устройства характеризуются сложностью настройки, но обеспечивают низкий уровень побочных составляющих.

Учитывая операции над частотами, осуществляемые в каждом из блоков ССЧ, для частоты сигнала на выходе синтезатора справедливо:

,

где (i=1,2,..5) – коэффициенты деления делителей с переменным коэффициентом деления в каждом из колец ФАП. Коэффициенты удовлетворяют соотношениям:

где ; , - максимальное и минимальное значения коэффициента деления в i-м кольце ФАП. Тогда получаем:

Принимаем величину шага сетки fш = 2 кГц и значение эталонной частоты    кГц. Будем рассчитывать .

Чтобы обеспечить значение в соответствии с заданием, необходимо подбирать :

 

 

 

 

 

 При  этом    должно быть целым числом.

Предположим :

 

 Комбинационные составляющие порядка меньше  5 не  должны попадать в полосу пропускание полосового фильтра.

Проверка:

 

 

Следовательно:

Проверка:

 

= 659,94

= 900

должно удовлетворять неравенству:

= 400, где  – максимально возможная цифра в старшем разряде частоты выходного сигнала.

Полученное нами значение  удовлетворяет условию (900>400).

Вывод:

В результате выполнения курсового проекта была разработана структурная схема синтезатора сетки частот, рассчитаны принципиальные схемы опорного кварцевого генератора, широкополосного двухтактного усилительного каскада. Разработана соответствующая конструкторская документация: структурные, электрические принципиальные схемы и спецификации.

Список литературы

  1.  Митрофанов А. В., Полевой В. В., Сафин В.Г., Соловьев А. А. Учебное пособие. Устройства генерирования и формирования радиосигналов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76367. Акустические методы НК 277.5 KB
  Природа и свойства ультразвуковых колебаний. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс. Диапазоны упругих колебаний в материальных средах Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Свойства упругих колебаний...
76368. Базисная теория таможенного тарифа 82.5 KB
  Базисная теория таможенного тарифа Несмотря на то что свободная торговля приводит к возрастанию экономического благосостояния всех стран как экспортеров так и импортеров на практике международная торговля практически нигде и никогда не развивалась действительно свободно без вмешательства государства. Инструменты используемые государством для регулирования международной торговли можно разделить на тарифные основанные на использовании таможенного тарифа и нетарифные квоты лицензии субсидии демпинг и т. При введении тарифа...
76369. Нетарифные методы торговой политики 90 KB
  Если правительство хочет ограничить объем импорта и устанавливает квоту размером Q то общее предложение зерна на внутреннем рынке с учетом импорта может быть представлено в виде кривой Sd Q. Таким образом в результате введения импортной квоты возникают чистые потери для страны в целом равные области b с то есть результаты воздействия квоты и тарифа на уровень благосостояние идентичны конечно это справедливо если объем лицензированного импорта меньше чем спрос на импорт на внутреннем рынке. Почему же в этом случае государство часто...
76370. Международная экономическая интеграция. Формы (уровни) международной экономической интеграции 260.5 KB
  Борьба за упрочение своего экономического положения побуждает страны к образованию различных интеграционных объединений. Партнеры по объединению получают определенные преференции по сравнению с другими странами но платят за это ответными обязательствами по отношению к партнерам. Международная экономическая интеграция это процесс хозяйственнополитического объединения стран на основе глубоких устойчивых взаимосвязей и разделения труда между национальными хозяйствами. На микроуровне этот процесс идет через взаимодействие отдельных фирм...
76371. Международное движение капитала. Сущность и формы движения капитала 121 KB
  Международное движение капитала Сущность и формы движения капитала Вывоз капитала зарубежное инвестирование представляет собой процесс изъятия части капитала из национального оборота в данной стране и перемещение его в товарной или денежной форме в производственный процесс и обращение другой страны. Важнейшими причинами вывоза капитала являются: 1. Более низкие экологические стандарты в принимающей стране чем в странедоноре капитала. В зависимости от собственника вывоз капитала делится на 3 вида: 1 частный вывоз капитала крупные...
76372. Международная миграция трудовых ресурсов. Проблемы оптимального размещения трудовых ресурсов в мировой экономике 106.5 KB
  Проблемы оптимального размещения трудовых ресурсов в мировой экономике Миграция рабочей силы переселение трудоспособного населения из одних государств в другие сроком более чем на год вызванное причинами экономического и иного характера. Различают внутреннюю миграцию рабочей силы происходящую между регионами одного государства и внешнюю миграцию затрагивающую несколько стран. силы – утечка мускулов перемещение высококвалифицированной раб. силы – утечка умов Первая форма получила свое развитие еще при рабовладельческом строе...
76373. Международные валютно-финансовые и кредитные отношения 87 KB
  Цена единицы национальной валюты выраженная в единицах иностранной валюты называется валютный обменный курс exchnge rte. Валютный курс играет важную роль в развитии международной торговли и движении капитала. Таким образом с помощью валютных курсов производители и потребители приводят цены на товары в сопоставимый вид и формируют на этой основе международные потоки товаров. Фиксирование курса национальной денежной единицы по отношению к иностранным денежным единицам принято называть валютной котировкой currency quottion.
76374. Платежный баланс. Понятие и структура платежного баланса 75.5 KB
  В этом случае итальянская фирма осуществила продажу а Сбербанк – покупку российских активов банковского депозита на сумму в 1000 долл и эта сделка будет отражена в российских счетах движения капитала. Такая операция создает две компенсирующие бухгалтерские записи в платежном балансе РФ: Кредит Дебет Покупка принтера текущий счет российский импорт 1000 долл Продажа банковского депозита осуществляемая Сбербанком счет движения капитала экспорт российских активов 1000 долл 2. Поэтому когда вы расплачиваетесь за свой обед за...
76375. Мировой рынок. Конъюнктура мирового рынка. Ценообразование в международной торговле 64.5 KB
  В зависимости от уровня конкретной цены на конкретный товар зависит решение тех или иных проблем возникающих у продавца: возмещение понесенных издержек производства и обращения товара доходность производства данного товара и его реализации появление новых стимулов для расширения внешнеэкономических связей или их свертывания. Цены в международной торговле как и внутри страны зависят от конкретной рыночной ситуации соотношения спроса и предложения но здесь оказывает влияние более широкий круг участников влияющих на конъюнктуру и...