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

9 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

33752. Ответственность сторон за нарушение условий договора поставки 14.48 KB
  Ответственность сторон за нарушение условий договора поставки. Ответственность по договору поставки в основном регламентируется общими положениями о куплепродаже но существуют следующие особенности: покупатель вправе предъявить требования предусмотренные статьей 475 ГК Последствия передачи товара ненадлежащего качества при нарушении поставщиком условий договора о качестве и комплектности товара только если поставщик незамедлительно после получения уведомления о допущенных недостатках не заменит недоброкачественный товар либо не...
33753. Прекращение договора поставки 14.05 KB
  Прекращение договора поставки. Основаниями прекращения договора поставки являются: ненадлежащее исполнение договора; соглашение сторон о расторжении договора; односторонний отказ от исполнения договора в случае существенного нарушения договора другой стороной ст. Основаниями для одностороннего отказа от исполнения договора поставки являются: нарушения допущенные поставщиком; поставка товаров с недостатками не устранимыми в приемлемый для покупателя срок п.
33754. Поставка товаров для государственных нужд 15.58 KB
  Поставка товаров для государственных нужд разновидность договора поставки. Срок выполнения действий по заключению договора ограничен законом он определен либо в 30 дней либо в 20. Особенности договора поставки для государственных нужд состоят в том что участниками этого типа договора являются три лица: заказчик; поставщик; получатель товара. Предметом вышеназванного договора являются вещи определяемые родовыми признаками; потребность в заказываемых вещах выявляется из государственных программ форма этого договора должна быть всегда...
33755. Договор контрактации, обязанности сторон 22.42 KB
  Характеристика договора контрактации консенсуальный взаимный возмездный. Разновидностью данного договора является поставка сельскохозяйственной продукции для государственных нужд. Предметом договора контрактации могут быть вещи трех видов: непереработанная продукция; переработанная продукция; сырье. Предмет этого договора не предназначен для личного семейного домашнего т.
33756. Договор о снабжении энергетическими и другими ресурсами 15.89 KB
  Договор о снабжении энергетическими и другими ресурсами. По договору энергоснабжения энергоснабжающая организация обязуется подавать потребителю абоненту энергию через присоединенную сеть а потребитель абонент обязуется оплачивать принятую энергию а также соблюдать предусмотренный договором режим ее потребления. Договор энергоснабжения является разновидностью договора куплипродажи и по своей природе двусторонний и возмездный. Особенности договора энергоснабжения: необычность электроэнергии как объекта: электроэнергию нельзя...
33757. Institute on Mathematics and Mechanics, Urals Branch of Russian Academy of Science 16.5 KB
  Semiotics, dealing with sign systems and with practice of their functioning, may be considered as tools for descriptions of theories of HCI and Computer Visualization just as Mathematics is tools for descriptions of Physics Theories.
33758. Договор дарения 16.24 KB
  Договор дарения. Договор дарения договор по которому одна сторона даритель безвозмездно передает или обязуется передать другой стороне одаряемому вещь в собственность либо имущественное право требование к себе или третьему лицу либо освобождает или обязуется освободить ее от имущественной обязанности перед собой или третьим лицом. Разновидностью договора дарения является пожертвование дарение сделанное в отношении неопределенного круга лиц в общеполезных целях. Договор дарения может быть как консенсуальным так и...
33759. Договор ренты (понятие, виды) 14.34 KB
  Договор ренты понятие виды. По договору ренты одна сторона получатель ренты передает другой стороне плательщику ренты в собственность имущество а плательщик ренты обязуется в обмен на полученное имущество периодически выплачивать получателю определенную денежную сумму либо предоставить средства на его содержание в иной форме. Виды договора ренты: постоянная рента; пожизненная рента; пожизненное содержание с иждивением. Эти виды договора ренты имеют ряд общих признаков но различаются: формой предоставления содержания...
33760. Исполнение, новация и другие способы прекращения обязательств 17.24 KB
  Наиболее частым и нормальным способом прекращения обязательства является его исполнение Однако это имеет место если произведенное исполнение является надлежащим т. соответствует всем условиям самого обязательства и требованиям законодательства установленным для данного вида обязательств. Факт исполнения обязательства во взаимоотношениях предпринимателей обычно подтверждается составлением двустороннего акта приемки. Возможно частичное исполнение обязательства по предмету или сроку и тогда обязательство в соответствующей части...