49228

Проектирование транзисторных широкодиапазонных передатчиков

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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.

Русский

2013-12-23

348.61 KB

11 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 № 21)

Выполнил

Оценка __________________

студент гр. 9105  

    Проверил

Торлопова А.А.

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

2

PLL

3-38

2

A3В

VRF141

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

2

210

50

3,5

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):

  = = 2,924 мA.  

2. Задаемся = 2,5 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*2.5мА=1,18мА и = S1): = Ik1/S1 = 0,088В.

Расчет параметров колебательной системы и цепи обратной связи

1. Сопротивление резистора в эмиттерной цепи = 0,088 / = 440,9 Ом. (В ряду Е24: 430Ом).

2. Сопротивление  =440,9/(1+0,013440,9)= 63,935 Ом. Задаемся = 0,25210= 52,5 Ом.

3. Вспомогательный параметр

=0,01363,952,5/(210+63,9+52,5) = 0,138.

4. Отношение емкостей  = 0,138(1–0,138) = 0,159.

5. Эквивалентное сопротивление контура

=52,5 (1+0,159)/0,159=2777 Ом.

6. Задаемся добротностью контура =50.

7. Параметры колебательной системы

=2777/50= 55,5 Ом;

=1/(2π21055,5) = 1433 пФ;

= 55,5/(2π210) = 4,419 мкГн;

С2 = Ск (1+К)/К = 1433 (1+0,159) / 0,159 = 10420 пФ; (для ряда Е24: 10000пФ)

= 0,15910,42 нФ = 1,661 нФ.                          (для ряда Е24: 1600 пФ)

8. Индуктивность, нейтрализующая емкость кварцедержателя =1/= 1809 мкГн (для Е24: 1800 мкГн).

Расчет энергетических параметров автогенератора

1. Параметр = (210+63,935) /2777 =5,218.

2. Сопротивление коллекторной нагрузки транзистора =2777/=1733 Ом.

3. Амплитуда напряжения на коллекторе

= 2,5100,4721733 = 2,045 В.

Расчет режима работы транзистора

1. Постоянное напряжение на коллекторе транзистора

= 0,310 = 3 В.

2. Проверка недонапряженного режима работы

= 3  0,0025 / 0,03 = 2,92 B.

3. Модуль эквивалентного сопротивления колебательного контура

= 2,045 /0,00118 = 1733,05 Ом.

4. Мощность, потребляемая транзистором от источника коллекторного напряжения, где =0,286: = 3  0,0025  0,286 = 0,002145 Вт.

5. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

= 0,002145  0,0002 = 0,001945 Вт = 1,945 мВт.

6. Коэффициент полезного действия транзистора

= 0,2/2,145 = 0,093.

7. Постоянная составляющая тока базы

= 0,0025  0,286/40 = 0,01787 мA.

8. Напряжение смещения на базе

= -0,088  0,174 + 0,6 =0,585 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  2  106  10,42  10  7,637 Ом.

         Выбираем Rэ = 50/S0 = 50/0,034 = 1,471 кОм = 1.5 кОм.

Выбираем Rд = 4 кОм, тогда находим

, где

постоянная составляющая коллекторного тока: Ik0=0,0025*0,286 = 0,715 мА, тогда

Еик = 3 + 0,715*10-3*1,471*103 = 4,051 В

          А затем находим сопротивления R1 и R2:

R1 = 4,051*4000/(0,715*1,5+0,585+0,01787*4) = 9,49 кОм, (ряд Е24: 9,1 кОм)

R2 = 4000*6914/(6914-4000) = 6,914 кОм                                 (ряд Е24: 6,8 кОм)

2. Емкость конденсатора Сэ:

  Uкгр = 3-0,0025/0,03 = 2,917 В

Сэ = 20*0,00118/(2*3,14*2*106*0,088) = 21,28 нФ

(для ряда Е24: 22 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 VRF141, 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

VRF141

28

150

175

5,0

2,9-4,4

4

400

375

50

80

30

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 = 28 В

Ic = 45,53 А, но максимальное допустимое значение тока стока 30 А, дальше считаем для него.

3. Рассчитаем сопротивление:

Rc = 1,367 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

    Минимальное (остаточное) напряжение на стоке:

      В

Амплитуда переменного напряжения на стоке:

В

Мощность, отдаваемая транзистором:

Вт

Максимальное мгновенное значение напряжения на стоке:

= 52,216 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) = 0,5,

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

Ri = 1,6 Ом

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

Uвх = Iс1/ kн 1S = 7,568/0,5*0,5*5 = 6,054 В.

3. Коэффициент усиления каскада по напряжению

KU = Uс/Uвх = 24,216/6,054 = 4.

4. Входная емкость транзистора

Cвх = Cзи + Cзс(1+KU) = 400+50*(4+1) = 650 пФ.

5. Расчет входной согласующей цепи:

Выберем Lи0 = 1 нГн

rвх = 0,5*5*1*10-9/400*10-9 = 6,25 Ом

ωs = 1/6,25*650*10-12 = 246,2 * 106 с-1

Граничная частота транзистора больше верхней частоты рабочего диапазона (238,8*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*0,93/238,8*106*650*10-12 = 11,985 Ом.

  С0 = 650*10-12*0,68/4*0,93 = 118,8 пФ.

       L = 2*0,932/(238,8*106)2*650*10-12 = 46,68 нГн.

                                   Lвх = 10 нГн.

   М = 23,34*10-9*(1-0,68/0,93)+10*10-9 = 16,27 нГн.

Lобщ = 2*(46,68 – 16,27) = 60,82 нГн.

6. Мощность, необходимая для возбуждения каскада

Pвх = Uвх2/2Rвх = 6,0542/2*11,985 = 1,529 Вт

7. Коэффициент усиления каскада по мощности

KP = P1/Pвх = 91,629/1,529 = 59,918.

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 = 4,32 ≈ 5.

Получаем диапазоны частот, на которые будут настроены фильтры:

.

1-й фильтр:  18,84…33,91 *106 с-1

2-й фильтр:  33,91…61,04 *106 с-1

3-й фильтр:  61,04…109,87 *106 с-1

4-й фильтр:  109,87…197,77 *106 с-1

5-й фильтр:          197,77…238,76 *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:

= 680, где  – максимально возможная цифра в старшем разряде частоты выходного сигнала.

Полученное нами значение  удовлетворяет условию (900>680).

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

21676. Определение индуктированных напряжений и токов опасного и мешающего влияний 334 KB
  Цепи будем считать однородными по длине и параллельными в пределах сближения. Когда во влияющей цепи 1 протекает переменный ток I1 то в результате магнитной индукции по всей длине цепи 2 будет индуцироваться э. Если ток во влияющей цепи I1 не изменяется в пределах всего сближения то продольная э. Практически это может быть если обе цепи электрически короткие.
21677. Взаимные влияния между цепями связи, телемеханики и меры защиты 307.5 KB
  Первичные параметры влияния на цепи связи в воздушных линиях связи; 3. Первичные параметры ЭМ влияния между цепями симметричных кабелей связи; 4. Причины взаимного влияния между цепями связей и основные параметрыпервичные и вторичные параметры влияния Качество и дальность связи обуславливаются не столько собственным затуханием цепей сколько мешающими взаимными влияниями между соседними цепями которые проявляются в виде переходного разговора или шума.
21678. Основное уравнение влияния между цепями 153.5 KB
  Токи электрического влияния ближнем и дальнем концах; 2. Токи магнитного влияния на ближнем и дальнем концах; Полный ток электромагнитного влияния на ближнем и даль нем концах. Токи электрического влияния ближнем и дальнем концах Рассмотрим общий случай когда две двухпроводные цепи с параллельными проводами имеют различные параметры и замкнуты на концах на согласованные нагрузки рис. Обозначим напряжения и токи во влияющей цепи U10 I10; на ближнем конце U20 I20 и U2l I2l на дальнем конце цепи подверженной влиянию.
21679. Переходное затухание между цепями в кабельных линиях 336.5 KB
  На ближнем конце ; дБ На дальнем конце . дБ Так как мощность в начале влияющей цепи; мощность в начале цепи подверженной влиянию мощность на дальнем конце цепи подверженной влиянию. 1 где уровни передачи в начале и в конце цепей. Согласно определению защищённости на ближнем конце: Откуда переходное затухание на ближнем конце.
21680. Общие понятия об организации связи на железнодорожном транспорте и видах НС 41 KB
  Организация связи на железнодорожном транспорте; 4. автоматики телемеханики и связи Изучение дисциплины будет проходить в 6ом семестре. Вы должны самостоятельно изучить следующие вопросы: Конструкции и свойства воздушных линий связи и высоковольтных линий автоблокировки; кабельных линий автоматики телемеханики и связи: кабелей связи ВЧ и НЧ; коаксиальных кабелей; кабелей автоматики телемеханики и силовых; волоконнооптических кабелей; волноводов; сверхпроводящих кабелей.
21681. Основы электродинамики направляющих систем 183.5 KB
  Исходные уравнения электродинамики; 2.Исходные уравнения электродинамики Основные уравнения электродинамики поля называемые уравнениями Максвелла обобщают два основных закона электродинамики: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.2 представляют собой интегральную запись уравнений Максвелла чаще пользуются уравнениями в дифференциальной форме. Второе слагаемое в правой части уравнения 2.
21682. Особенности электромагнитных процессов в направляющих системах 222 KB
  1 Скорость перемещения фазы поля называют фазовой скоростью. На практике основной интерес представляет знание характеристик поля на очень больших расстояниях от излучателя таких что .8 Величину принято называть эквивалентной глубиной проникновения поля. Расчетные соотношения глубины проникновения поля для некоторых металлов приведены в таблице: Таблица 2.
21683. Параметры передачи цепей воздушных и кабельных линий 280 KB
  Первичные параметры цепи; 2. Первичными параметрами цепи называются индуктивность активное сопротивление проводов цепи емкость между проводами цепи а также проводимость изоляции между проводами отнесённые к единице длины линии километру и равномерно распределённые по всей длине линии. Индуктивность проводов L Гн км характеризует способность цепи накапливать энергию в магнитном поле а также определяет связь между током в проводах цепи и сцепленным с ним магнитным потоком: . Емкость C Ф км характеризует способность цепи накапливать...
21684. Оптимальное соотношение между первичными параметрами кабельных цепей 263 KB
  Уравнение однородной линии; 2.Уравнение однородной линии При определённых условиях первичные параметры полностью характеризуют электрические свойства линейных цепей связи. Однако в отличии от сосредоточенных параметров они распределены по всей длине линии.Вторичные параметры цепи Из приведённых выше формул следует что распространение энергии по линии ток и напряжение в любой точке цепи обусловлены в первую очередь параметрами и .