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

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 № 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

41610. Первинні засоби пожежогасіння. Вибір типу та визначення необхідної кількості первинних засобів пожежогасіння 309.89 KB
  Головним критерієм вибору виду вогнегасників є величина можливого осередку пожежі. Визначаємо рекомендовані типи вогнегасників. Користуючись рекомендаціями таблиці Д5 щодо порошкових вогнегасників визначаємо що для захисту промислових обєктів рекомендованими є такі типи переносних порошкових вогнегасників: ВП5 ВП6 ВП9 ВП12 записуємо в табл. Визначаємо кількість вогнегасників.
41611. Диференціальні рівняння в частинних похідних 44.88 KB
  resizeN1; forint i = 0; i N1; i u[0][i] = conditionih; forint j = 1; j NT; j { file T: htj endl; forint i = 1; i N; i f[i] = u[j1][i1] 2u[j1][i] u[j1][i1] 2hh u[j1][i]1 ht Q 2; l[2] = c; b[2] = f[1] c; u[j][0] = 0; u[j][N] = 0; forint i = 2; i N; i { l[i1] = c l[i]; b[i1] = f[i] b[i] c l[i]; } forint i = N1; i 0; i u[j][i] = l[i1]u[j][i1] b[i1]; int emx = 0; for int i = 0; i N; i { file x: ih ...
41612. Створення нової бази даних в середовищі MySQL 138.93 KB
  Створити нову базу даних та заповнити її даними. Короткі теоретичні відомості: Основи роботи з phpMydmin При установці Denwer також встановлюється на комп'ютер phpMydmin за допомогою якого можна керувати базою даних MySQL через вебінтерфейс. У цьому полі латинськими буквами записується назва бази даних наприклад exmple і натискається створити.
41613. Приближенное вычисление интеграла методом Симпсона и методом Гаусса 92.3 KB
  Требуется вычислить интеграл: Требуется использовать: метод Симпсона метод Гаусса Теория: 1 Метод Симпсона Для приближённого вычисления интеграла чаще всего подынтегральную функцию заменяют близкой ей вспомогательной функцией интеграла от которой вычисляется аналитически. В частности если при вычислении подынтегральную функцию заменить интерполяционным многочленом второй степени построенным по значениям функции в трёх...
41614. Состояние дерматовенерологических больных в Винницкой области 354.5 KB
  Проблема совершенствования лекарственного обеспечения населения регионов Украины остается актуальной. Особое значение в её решении имеет региональный подход к изучению фармацевтического рынка, его насыщенности и рациональному использованию лекарственных средств. С этой целью широко используются метод фармакоэкономического анализа
41615. Решение уравнения f(x)=0 методами простых итераций и Ньютона 134.65 KB
  Если же то вычисления заканчивают и за приближённое значение корня принимают величину . Абсциссы вершин этой ломанной представляют собой последовательные приближения корня . Из рисунков видно что если на отрезке то последовательные приближения колеблются около корня если же производная положительна то последовательные приближения сходятся к корню монотонно. Если через точку с координатами провести касательную то абсцисса точки пересечения этой касательной с осью и есть очередное приближение корня уравнения .
41616. Інтенсифікація сільськогосподарського виробництва в землеробстві і удосконалення с структури посівних площ в господарстві \"Студенний Яр\" у селі Купа Новоушицького району Хмельницької області 541.5 KB
  Загальні відомості про господарство на період написання курсової роботи. Агрокліматичні умови зони розташування господарства. Агрохімічна характеристика ґрунтів та рекомендації до їх раціонального використання. Експлікація і трансформація земельних угідь господарства. Існуюча система сівозмін у господарстві. Обґрунтування та проектування нової системи сівозмін для господарства
41617. Приближённое решение задачи Коши методами Эйлера и Рунге-Кутта 97.24 KB
  Решить на отрезке с шагом задачу Коши для системы второго порядка = Требуется использовать: метод Эйлера метод Рунге-Кутта Теория: 1 Метод Эйлера Пусть требуется найти приближённое решение дифференциального уравнения удовлетворяющее начальному условию. Чаще всего 1 Этот метод относится к группе одношаговых методов в которых для расчёта точки...
41618. Автоматизация кодирования графа переходов 145 KB
  В результате выполнения данной лабораторной работы я приобрёл навыки по автоматизации соседнего кодирования графа переходов автомата Мили. Соседнее кодирование реализовано по алгоритму, описаному выше...