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

27417. Понятие открытого образовательного пространства как пространства субъектного действия. Модульная система оргформ порождения и становления образовательного пространства в области художественного образования 48.5 KB
  Когда мы говорим о пространстве образования то имеем в виду пространство где формируется образ человека его внутренняя форма. Фомина рассматривает образовательное пространство района как систему управления развитием личности. Автор отмечает что образовательное пространство формируется с помощью целого комплекса направлений деятельности. Под образовательным пространством мы понимаем пространственновременное поле функционирования и развития системы образования как открытой и активной социальной сферы в которой действует своя идеология...
27418. Методика обучения основам синтетических видов искусства (9ый класс). Синтетические искусства и изображение (театр, кино, видео, компьютерные экранные технологии, анимация) 60 KB
  Методика обучения основам синтетических видов искусства 9ый класс. Синтетические искусства и изображение театр кино видео компьютерные экранные технологии анимация. Общая характеристика учебного предмета9 клаcc Этот тематический блок представляет собой расширение курса визуальнопластических искусств и осознание их прочной связи с синтетическими искусствами кино телевидение и др. Именно синтетические искусства непосредственно происходящие от изобразительных являются сегодня господствующими во всей системе видеокультуры.
27419. Народная художественная культура национальные, этнические формы искусства. Методы и формы приобщения учащихся к многообразию культурного наследия, к региональным (местным) национальным культурам и искусству на уроках ИЗО и во внеклассной работе 46.5 KB
  Виды и формы ДПИ. Методика обучения основам ДПИ в школе и формах дополнительного образования. ДПИ невозможно без художественного творчества так же как невозможно и без ремесленных основ владения технологией обработки тех или иных материалов. Методика преподавания ДПИ основанного на традиционной народной культуре сравнительно молодой раздел методики преподавания образовательной области Технология .
27420. Особенности методики преподавания искусства в детских художественных школах и школах искусств. Технологии преподавания рисунка, живописи, композиции, скульптуры, ДПИ, истории искусств 89 KB
  первый этап обучения в общеобразовательной школе должен через искусство заложить основы художественного эстетического восприятия явлений окружающей действительности. За четыре года начального обучения необходимо в сознании и эмоциональном развитии ребенка создать фундамент художественных представлений на которые он сможет опираться во всем дальнейшем обучении. Педагог должен с самого начала обучения создавать вокруг темы урока ситуацию уподобления т. ЦЕЛИ:Единство воспитания и образования обучения и творческой деятельности учащихся...
27421. Проектирование, моделирование, исследование и творчество – ведущие способы эффективной деятельности учителя и учащихся 45.5 KB
  Проектирование моделирование исследование и творчество – ведущие способы эффективной деятельности учителя и учащихся. Он формирует опыт деятельности поэтому незаменим. Философия цели и деятельности.Обратите внимание предполагает ли решение проблемы различные виды деятельности изготовление предметов рисунки аппликации записи на плёнку интервью короткую пьесу и.
27422. Методика организации и проведения педагогического эксперимента в области художественного образования/эстетического воспитания и обучения искусству 81.5 KB
  Так имеются методы дидактического воспитательного частнометодического управленческого лабораторного и естественного ограниченного и массового качественного и количественного экспериментов и т. К методам педагогического эксперимента примыкают и взаимопроникают методы психологического физиологического медицинского социологического экономического и других исследований.Внутри эксперимента понимаемого как комплексный метод исследования используются теоретические методы: анализ и синтез индукция и дедукция сравнение аналогия...
27423. Методика обучения конструктивным видам искусства: архитектура и дизайн в жизни человека (8 класс). Интегрированный подход 52.5 KB
  Методика обучения конструктивным видам искусства: архитектура и дизайн в жизни человека 8 класс. Язык этого вида искусства всегда строился и строится на организации пространства здания города села парка и проживания в нём человека. но возникновение этого вида искусства прочно связано с промышленностью с расцветом индустриального производства. Выход за рамки одного искусства одного предмета.
27424. История художественного образования.Обучение искусству в древних цивилизациях:Др.Египет, др.Греция, Античный Рим 48 KB
  Общеобразовательная система художественного образования строилось на обучении рисунку так как написание иероглифов требовало определенных навыков. Система образования имела строгие требования к дисциплине. Система художественного образования в Древней Греции.
27425. Обучение искусству в эпоху Средневековья. Зависимость образовательность моделей с существующими в данной формации духовным (религиозным) идеалом и назначением человека.Школа-монастырь.Методы обучения рисованию в Древней Руси 34 KB
  Методы обучения рисованию в Древней Руси. Основа обучения в этот период – механическое копирование. Итак в эпоху средневековья: основной метод обучения – копирование по образцам способствовавшее развитию ремесленного труда; процесс обучения – самостоятельная работа в составе артели мастеров. службы школыобщежития для подготовки мальчиков к монашеству школы обучения грамоте и церков.