Курсовая работа: Расчет каскадов ЧМ передатчика
Курсовой проект
по дисциплине
«Устройства генерирования и передачи сигналов»
по теме:
«Расчет каскадов ЧМ передатчика»
Составление блок-схемы передатчика
Составление блок-схемы передатчика начинается с выходного каскада начинается с выходного каскада. Данные, определяющие его мощность, содержатся в задании. Также задается колебательная мощность в антенне в режиме несущей частоты. В данном передатчике необходимо применить умножитель частоты, в качестве которого может работать предоконечный или дополнительный предварительный каскад, включаемый между возбудителем и предоконечным каскадом. Вид блок-схемы передатчика с частотной модуляцией представлен на рисунке:
Техническое задание:
Требуется произвести расчет передатчика, работающего на 120 МГц.
Вид модуляции – частотная (ЧМ)
Максимальная девиация частоты – 100 кГц
Вид передаваемых сообщений – аудиосигналы
Мощность передатчика – 100 Вт
1. Расчет выходного каскада
Для работы в выходном каскаде выберем транзистор
Приведем его характеристики.
Тип – кремниевый n‑канальный высокочастотный МОП – транзистор вертикальной структуры, выполненный по технологии с двойной диффузией, рекомендован производителем для применения в промышленных устройствах в КВ\УКВ диапазоне.
Достоинства:
– высокий коэффициент усиления по мощности (19 дБ на 108 МГц)
– низкие интермодуляционные искажения
– высокая температурная стабильность
– устойчивость при работе на согласованную нагрузку.
Технические характеристики:
Пробойное
напряжение сток-исток 
> 110 В
Ток утечки
сток-исток 
(при 
= 50 В, 
=0) < 2,5 мА
Ток утечки
затвор-исток 
(при = 20 В) < 1 мкА
Крутизна
линии граничного режима 
4,5 – 6,2 См
Напряжение
отсеки определим по проходной характеристике транзистора 
Крутизна передаточной характеристики S = 5 См
Коэффициенты
Берга, соответствующие выбранному углу отсечки 
,
Расчетные данные
50 В
Ток стока 
20 А
110 В
(данная величина
рекомендована для УКВ-диапазона)
130 Вт
1. Коэффициент использования стокового напряжения
2. Амплитуда стокового напряжения:
3. Амплитуда первой гармоники стокового тока:
4. Амплитуда импульсов стокового тока:
5. Постоянная составляющая стокового тока:
6. Эквивалентное сопротивление нагрузки:
7. Напряжение возбуждения:
Напряжение
смещения для угла отсечки = 
будет
равно напряжению отсечки по паспорту транзистора, т.е. 3 В, тогда амплитуда
напряжения на затворе будет равна 5,85 В.
7. Посчитаем входную мощность ГВВ:
8. Коэффициент усиления по мощности:
Таким образом, схема генератора с внешним возбуждением будет выглядеть так:
9. Выходное сопротивление транзистора:
Для
согласования с пятидесятиомной нагрузкой нужна схема с неполным включением индуктивности,
при этом, емкость конденсатора в колебательном контуре рекомендуется брать 
, а индуктивность катушки 
2. Расчет модулятора
В проектируемом передатчике частотная модуляция будет получена из фазовой методом расстройки колебательного контура:
Схема модулятора выглядит следующим образом:
Выберем диод Д902. При напряжении смещения 5 В, его характеристика имеет достаточно большую крутизну и линейность. По графику для Д902 определяем
S=2 пФ/В.
Амплитуда
возбуждения звуковой частоты – 1 В, значит максимальное изменение емкости
составит 2 пФ. Начальная емкость 
при
отсутствии сигнала ЗЧ составит
8 пФ.
В результате подбора параметров получены следующие величины:
Частота
возбуждения: 
, т.е. 
рад/с
Коэффициент умножения – 10
Индуктивность:
Максимальное
отклонение частоты от 
:
рад/с
Зададим добротностью колебательного контура, равной 20.
Величина фазовой модуляции:
рад
Девиация частоты при частоте модулирующего сигнала 15 кГц:
рад/с
Индекс модуляции, получаемый в фазовом модуляторе: M=0,307. При умножении частоты в 10 раз, индекс модуляции получится равным 3,07.
Выберем транзистор КТ312А. Он обладает следующими параметрами:
Расчет коллекторной цепи
Выбираем
напряжение на коллекторе 
,
зададим угол отсечки 
и определим
коэффициенты разложения (
, 
).
1. Коэффициент использования коллекторного напряжения:
2. Амплитуда напряжения на коллекторе:
3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:
4. Амплитуда импульсов коллекторного тока:
Выполним
проверку условия 
– условие
выполняется.
5. Постоянная составляющая постоянного тока:
6. Эквивалентное сопротивление нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим:
7. Мощность, потребляемая от источника питания:
8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе:
При этом, мощность, рассеиваемая на коллекторе, меньше предельно допустимой.
9. КПД коллекторной цепи:
Расчет базовой цепи
1. Находим предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером равен 1:
2. Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим угол дрейфа на высшей частоте:
Т.к. угол
дрейфа меньше 
, то считаем, что
и 
.
4. Амплитуда переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
5. Модуль коэффициента передачи напряжения со входа на переход эмиттер-база:
6. Амплитуда напряжения возбуждения, требуемая от источника возбуждения:
7. Входное сопротивление:
8. Мощность возбуждения:
9. Первая гармоника тока базы:
10. Реальная величина тока базы:
Напряжение смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки базового тока:
11. Максимальное значение положительного импульса тока базы:
12. Постоянная составляющая положительных импульсов тока базы:
13. Мощность рассеяния в цепи базы:
14.
Рассчитаем
сопротивления делителя напряжения цепи смещения 
и
. Значения индуктивностей
(кроме колебательного контура) должны быть такими, чтобы не предоставлять
значительного сопротивления постоянному току, в то же время, блокируя переменную
составляющую на частоте 10 МГц:
3. Расчет возбудителя
Схема возбудителя с кварцевой стабилизацией.
Выбираем транзистор КТ312А.
Приведем параметры, применяемые при расчете:
Определим коэффициент обратной связи:
(
–
динамическое сопротивление кварца, 
– коэффициент
регенерации, 
– нормированное
управляющее сопротивление)
, где 
–
фаза крутизны 
,
– обобщенная расстройка –
– затухание кварца.
Для заданной
частоты – 10,1 МГц – 
=10 пФ, 
= 80 Ом
Рассчитаем
емкость 
, включенную между базой и
эмиттером:
Тогда,
емкость 
, включенная между
эмиттером и коллектором, будет равна:
Вычисляем функцию угла отсечки:
– характеристическое
сопротивление кварца (
=0,025 Гн)
– добротность кварца
По таблицам
значений Берга, это значение соответствует 
.
Расчет коллекторной цепи возбудителя
Выбираем
напряжение на коллекторе .
В генераторе необходимо развить мощность, требующуюся для возбуждения следующего каскада с учетом потерь в согласующей цепи:
1. Коэффициент использования коллекторного напряжения:
2. Амплитуда напряжения на коллекторе:
3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:
4. Амплитуда импульсов коллекторного тока:
.
5. Постоянная составляющая постоянного тока:
6. Эквивалентное сопротивление нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим:
7. Мощность, потребляемая от источника питания:
8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе:
При этом, мощность, рассеиваемая на коллекторе, меньше предельно допустимой.
9. КПД коллекторной цепи:
Расчет базовой цепи возбудителя
1. Находим предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером равен 1:
2. Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим угол дрейфа на высшей частоте:
Т.к. угол
дрейфа меньше , то считаем, что
и .
4. Амплитуда переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
5. Модуль коэффициента передачи напряжения с входа на переход эмиттер-база:
6. Амплитуда напряжения возбуждения:
7. Входное сопротивление:
8. Мощность возбуждения:
9. Первая гармоника тока базы:
10.
11. Напряжение смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки базового тока:
12. Сопротивление в цепи базового смещения, обеспечивающее заданное напряжение смещения R = 4590 Ом.
4. Расчет умножителя частоты
Для умножения
частоты в 10 раз нужно выбрать угол отсечки 
.
При таком малом угле отсечки резко увеличивается ток возбуждения, падает КПД и выходная мощность, поэтому, чтобы получить необходимую для следующего каскада мощность приходится применять мощный транзистор КТ904А
Схема умножителя:
В расчете
требуются 10-е коэффициенты Берга: 
и 
.
Умножитель должен на 10-й гармонике развивать мощность 0,06 Вт.
Расчет коллекторной цепи
Напряжение
питания: 
.
1. Коэффициент использования коллекторного напряжения:
2. Коэффициент использования коллекторного напряжения на 10‑й гармонике:
3. Амплитуда напряжения на коллекторе:
4. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:
5. Амплитуда десятой гармоники коллекторного тока:
6. Амплитуда импульсов коллекторного тока:
7. Постоянная составляющая постоянного тока:
8. Эквивалентное сопротивление нагрузки коллекторного контура на 10-й гармонике:
Расчет базовой цепи
1. Находим предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером равен 1:
2. Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим угол дрейфа на высшей частоте:
Т.к. угол
дрейфа меньше , то считаем, что
и .
4. Амплитуда переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
5. Модуль коэффициента передачи напряжения со входа на переход эмиттер-база:
по графику
определяем 
.
6. Амплитуда напряжения возбуждения, требуемая от источника возбуждения:
7. Входное сопротивление:
8. Мощность возбуждения:
9. Первая гармоника тока базы:
10. Реальная величина тока базы:
11. Напряжение смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки базового тока:
Колебательный контур, на который нагружен транзистор, должен при частоте 100 МГц иметь эквивалентное сопротивление 1650 Ом:
Рассчитаем емкость и индуктивность:
Индуктивность
на входе: 
5. Расчет предоконечного каскада
Схема предоконечного каскада
В первой
части расчета мощность возбуждения выходного каскада получилась равной 2,11 Вт.
С учетом потерь в согласующей цепи. Зададим мощность предоконечного каскада: 
.
Исходя из
требований по мощности и частоте, выберем транзистор КТ903А. Угол отсечки
примем равным .
Расчет коллекторной цепи
Выбираем
напряжение питания .
1. Коэффициент использования коллекторного напряжения:
2. Амплитуда напряжения на коллекторе:
3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:
4. Амплитуда импульсов коллекторного тока:
5. Постоянная составляющая постоянного тока:
6. Эквивалентное сопротивление нагрузки, обеспечивающее рассчитываемый режим:
7. Мощность, потребляемая от источника питания:
8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе:
При этом, мощность, рассеиваемая на коллекторе, меньше предельно допустимой.
9. КПД коллекторной цепи:
Расчет базовой цепи
1. Находим предельную частоту транзистора, при которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером равен 1:
2. Рассчитываем время дрейфа транзистора:
3. Определим угол дрейфа на наивысшей частоте:
4. Нижний угол отсечки положительных импульсов эмиттерного тока:
Коэффициенты 
и 
, соответствующие углу
отсечки 
: 
и 
.
5. Модуль коэффициента передачи по току на рабочей частоте:
где 
6. Амплитуда первой гармоники тока эмиттера:
7. Амплитуда положительного импульса эмиттерного тока:
8. Постоянная составляющая тока эмиттера:
9. Амплитуда переменного напряжения на переходе эмиттер-база:
10. Модуль коэффициента передачи напряжения с входа на переход эмиттер-база:
по графику
определяем 
.
11. Амплитуда сигнала возбуждения, требуемая от предыдущего каскада:
12. Входное сопротивление:
13. Мощность, требуемая от предыдущего каскада:
14. Первая гармоника тока базы:
15. Напряжение смещения:
16. Индуктивность на входе:
17. Емкость и индуктивность на выходе колебательного контура:
и 
Расчет коэффициентов трансформации согласующих трансформаторов
1. Согласование возбудителя и модулятора.
2. Согласование модулятора и умножителя частоты.
3. Согласование умножителя частоты и предусилителя.
Список использованной литературы
1. «Радиопередающие устройства» – под ред. В.В. Шахгильдяна, РиС, 1996 г.
2. «Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств» – Сиверс Г.А., РиС, 1989 г.
3. «Проектирование радиопередающих устройств» – под ред. В.В. Шахгильдяна, РиС, 1998 г.