Расчет радиопередатчика с ЧМ модуляцией
[pic] = 26 / IК0 = 26 / 5 = 5.2 Ом.
S = 100 / ( 71.43 + 100 ? 5.2) = 169 мА/В.
Зададим коэффициент регенерации GP = (3…7) = 5 и определим управляющее
сопротивление
RУ = GP / S = 5 / 169 ? 10-3 = 29.6 Ом.
Зададим коэффициент обратной связи автогенератора К’ОС = С3 / С2 = 1 и
вычислим реактивное сопротивление емкости С3
X3 = [pic]=[pic]= 27.5 Ом,
где rкв - сопротивление кварцевого резонатора, которое находится по формуле
rкв = 1 / ? ? Ck ? Qk = 1 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 ? 1 ? 10-15 ? 2 ? 106 =
25.5 Ом.
Ck - емкость кварцевого резонатора, Qk – додротность кварцевого
резонатора.
Найдем емкость конденсаторов С2 и С3
С2 = С3 = 1 / ?кв ? X3 = 1 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 ? 27.5 = 1.85 нФ.
Стандартное значение: С2 = С3 = 2 нФ.
Вычислим ёмкость блокировочного конденсатора
С1 = (10…20) [pic] = 20 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 ? 5.2 = 196 нФ,
стандартное значение С1 = 220 нФ.
Рассчитаем индуктивность блокировочного дросселя
Lk = (20…30) [pic] = 20 ? 27.5 / 2 ? ? ? 3.125 ? 106 = 28 мкГн.
Определим необходимость дросселя LБ из условия
R1 ? R2 / (R1 + R2 ) ? (20…30) ? X2,
если оно не выполняется, то дроссель необходим.
Проверка
5.6 ? 103 ? 12 ? 103 ? 25 ? 27.5
67200 ? 687.5
Условие выполняется, следовательно, дроссель не нужен.
4. Энергетический расчёт автогенератора.
Определим коэффициент Берга ?1 = 1 / Gp и через него коэффициенты ?0 и ?1.
?1 = 1 / Gp = 1 / 5 = 0.2; ? = 60?;
?0 = 0.11; ?0 = 0.21; ?1= 0.4.
Вычисляем амплитуду импульса коллекторного тока
Imk = Ik0 / ?0(?) = 5 ? 10-3 / 0.21 = 23.8 mA.
Проверяем условие Imk < Imk доп, 23.8 mA < 100 mA.
Определяем амплитуду первой гармоники коллекторного тока
Ik1 =?1(?) ? Imk = 0.4 ? 23.8 ? 10-3 = 9.5 mA.
Рассчитываем амплитуду напряжения на базе транзистора
UmБ = Ik1 ? Ry = 9.5 ? 10-3 ? 29.6 = 0.282 B.
Вычисляем модуль коэффициента обратной связи
[pic]= [pic] = 0.73.
Находим амплитуду напряжения на коллекторе
Umk = [pic]= 0.282 / 0.73 = 0.386 B.
Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью
P0 = Ik0 ? EКЭ = 5 ? 10-3 ? 7 = 35 мВт;
мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором
Pкв = 0.5 ? ( UmБ / X2 ) 2 ? rкв = 0.5 ? ( 0.282 / 27.5 ) 2 ? 25.5 = 1.34
мВт;
Проверяем условие Pкв < Pкв доп, где Pкв доп - допустимая мощность
рассеиваемая на кварцевом резонаторе, 1.34 мВт < 100 мВт.
мощность, рассеиваемая транзистором
Pk = P0 – Pкв = 35 – 1,34 = 33.66 мВт;
Проверяем условие Pк < Pк доп, где Pк доп – допустимая мощность
рассеиваемая транзистором, 33.66 мВт < 150 мВт.
Оценим величину допустимого сопротивления нагрузки
R н доп ? 5 ? U2mk / Pкв = 5 ? 0.3862 / 1.34 ? 10-3 = 556 Ом.
Из условия, что будет потребляться мощность
Pн = 0.1 ? Pкв = 0.1 ? 1.34 = 0.134 мВт
найдем к.п.д. автогенератора
? =Pн / P0 = ( 0.134 / 35 ) ? 100% = 0.14 %.
3. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.
Требования к усилителю мощности:
рабочая частота – 25 МГц;
выходная мощность – не менее 25 Вт.
В качестве активного элемента в усилителе мощности будет использоваться
биполярный транзистор КТ927Б т. к. он обеспечивает требуемую выходную
мощность и может работать на требуемой частоте. Параметры транзистора
приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 2.
1. Схема усилителя мощности.
Схема усилителя мощности приведена на рисунке 5.
[pic]
Рис.5.
Назначение элементов схемы усилителя мощности:
R1 и R2 - используются как делитель напряжения для обеспечения
фиксированного смещения; обеспечивают автосмещение; корректируют
частотную характеристику;
С1 и С5 – разделительные емкости;
L2 – блокировочная индуктивность;
С3 – блокировочная емкость;
L1 и С2 – входная согласующая цепь;
L3 и С3 – выходная согласующая цепь.
2. Расчет режима работы и энергетический расчет
Выбираем амплитуду импульсов коллекторного тока ik max из условия:
ik max ? (0.8 … 0.9) ? ik доп,
где ik доп – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.);
ik max = 0.8 ? 10 = 8 А.
Выбираем напряжение источника питания из условия:
Еп ? Uк доп /2,
где Uк доп – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);
Еп ? 70 / 2 = 35, выбираем Еп = 20 В.
Рассчитываем напряженность граничного режима работы активного элемента ?гр
?гр = 1- iк max / Sгр? Еп = 1- 8 / 5 ? 20 = 0.92,
где Sгр – крутизна граничного режима (справ.).
Найдем амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного напряжения
Uk1 = ?гр ? Еп = 0.92 ? 20 = 18.4 В.
Определим амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного тока
Ik1 = ?1(?)? ik max = 0.5 ? 8 = 4 А,
где ?1(?) – коэффициент Берга, ? = 90?.
Рассчитаем постоянный ток, потребляемый коллекторной цепью транзистора
Ik0 = ?0(?)? ik max = 0.318 ? 8 = 2.54 А,
где ?0(?) – коэффициент Берга, ? = 90?.
Найдем мощность первой гармоники
P1 = Ik1 ? Uk1 / 2 = 4 ? 18.4 / 2 = 36.8 Вт.
Определим мощность, потребляемую от источника питания
P0 = Ik0 ? Eп = 2.54 ? 20 = 50.8 Вт.
Рассчитаем мощность, рассеиваемую на активном элементе
Pрас = Р0 – Р1 = 50.8 – 36.8 = 14 Вт.
Найдем к.п.д. усилителя
? = Р1 / Р0 = 36.8 / 50.8 = 0.72, т.е 72%.
Определим амплитуду управляющего заряда
Qy1 = ik max / [?гр ? ( 1- cos ? )]= 8 / [2 ? ? ? 100 ? 106 ? ( 1- cos 90?
)] = 12.73 ? 10-9 Кл,
где ?гр – граничная частота работы транзистора, ? – угол осечки
коллекторного тока.
Найдем постоянную составляющую напряжения эмиттерного перехода
Uэп = uотс – ?0 (? –?) ? Qy1 /Cэ = 1 – 0.5 ? 12.73 ? 10-9 / 2300 ? 10-12 =
-0.76 В,
где uотс – напряжение отсечки, ?0 - коэффициент Берга, Cэ – емкость
эмиттерного перехода (справ.).
Определим минимальное мгновенное напряжение на эмиттерном переходе
uэ min = uотс – (1 – cos (? –?) ) ? Qy1 / Cэ = 1 – 12.73 ? 10-9 / 2300 ?
10-12 = - 4.5 В.
Рассчитаем выходное сопротивление транзистора
Rk = Uk1 / Ik1 = 18.4 / 4 = 4.6 Ом.
Определим коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается входная
емкость транзистора счет паразитной емкости коллекторного перехода
ж = 1 + ?1 (?) ? ?гр? Ск ?Rk = 1 + 0.5 ?2 ? ? ? 100 ? 106 ? 150 ? 10-12 ?
4.6 = 1.217,
где Ск – емкость коллекторного перехода.
Найдем амплитуду первой гармоники тока базы с учетом тока через емкость Ск
Iб = ? ? Qy1 ? ж = 2 ? ? ? 25 ? 106 ? 12.73 ? 10-9 ? 1.217 = 2.43 A.
Рассчитаем сопротивление корректирующего резистора, подключаемого
параллельно входу транзистора, служащего для симметрирования импульсов
коллекторного тока
RЗ = 1 / ?? ? Cэ = 1 / 2 ? ? ? 5 ? 106 ? 2300 ? 10-12 = 13.8 Ом,
где ?? – частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в
динамическом режиме уменьшается в ?2 раз по сравнению со статическим
режимом. ?? находится по формуле ?? = ?гр / B , где В – средний
коэффициент усиления тока (15…30).
Определим мощность, рассеивающуюся на корректирующем сопротивлении
[pic]= 0.55 Вт.
Найдем входное сопротивление транзистора
Rвх = ?1 (?) ? ?гр? Lэ / ж = 0.5 ?2 ? ? ? 100 ? 106 ? 1 ? 10-9 / 1.217 =
0.26 Ом,
где Lэ – индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).
Определим мощность, обусловленную прямым прохождением мощности в нагрузку
через Lэ и связанную с Rвх
P’’вх =I2б1 ? Rвх / 2 = 2.432 ? 0.26 / 2 = 0.76 Вт.
Рассчитаем входную мощность, требуемую для обеспечения заданной выходной
мощности
Pвх = P’вх + P’’вх = 0.55 + 0.76 = 1.31 Вт.
Найдем коэффициент передачи по мощности усилителя
Kp = (P1 + P’’вх) / Pвх = ( 36.8 + 0.76 ) / 1.31 = 28.7
Определим входную индуктивность усилителя
Lвх = Lб + Lэ / ж = 1 ? 10-9 + 2 ? 10-9 / 1.217 = 2.82 нГн,
где Lб – индуктивность базового вывода транзистора (справ.).
Рассчитаем входную емкость усилителя
Свх = ж ? Сэ / ?1 (? - ?) = 1.217 ? 2300 ? 10-9 / 0.5 = 5.6 нФ.
Найдем усредненное за период колебаний сопротивление коррекции Rпар
Rпар = RЗ ? ?1 (? - ?) = 13.8 ? 0.5 = 6.9 Ом.
3.3 Расчет цепи питания усилителя мощности.
Выбор схемы цепи питания.
Цепь питания содержит источник постоянного напряжения и блокировочные
элементы. Благодаря блокировочным элементам исключаются потери
высокочастотной мощности в источнике питания, и устраняется нежелательная
связь между каскадами через источник питания.
В качестве схемы цепи питания выберем параллельную схему (рис. 6.),
когда источник питания, активный элемент и выходная цепь включены
параллельно. Последовательная схема цепи питания не будет использоваться,
потому что требуется, чтобы выходная согласующая цепь пропускала постоянный
ток.
[pic]
Рис. 6.
Емкость Сбл с индуктивностью Lбл и емкостью Ср образуют колебательный
контур резонирующий на частоте меньшей рабочей частоты усилителя, что может
привести к возбуждению колебаний. Чтобы исключить их применяют
антипаразитный резистор Rап и проектируют цепь питания как ФНЧ.
Определим блокировочную индуктивность из условия
?min ? Lбл >> Rk
Lбл >> Rk / ?min = 4.6 / 2 ? ? ? 25 ? 10-6 = 29.3 ? 10-9
Lбл = 10 мкГн.
Рассчитаем сопротивление антипаразитного резистора из условия
Rап [pic] = [pic] = 118? 10-9 ? 120 нГн.
Определяем С0
С0=1 / (4 ? ? 2? f2 ? (L0 – L)) =1 / (4 ? ? 2? (25 ?106)2 ?(1.91?10-6 –
120?10-9))=22.6 пФ.
Определяем емкости С1 и С2
С1 = [pic]= =[pic]=
= 573 пФ.
С2 = [pic]= =[pic]=
= 352 пФ.
Рассчитываем внесенное в контур сопротивление
rвн = [pic] = [pic]= 4.12 Ом.
Определим добротность нагруженного контура
Qн = ? / (r0 +rвн ),
где r0 – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности L0. Эта
величина точно определяется при конструктивном расчете контурной катушки
индуктивности, а на данном этапе можно принять r0 = (1…2) Ом = 1 Ом.
Qн = ? / (r0 +rвн ) = 300 / ( 1 + 4.12) = 58.6.
Найдем коэффициент фильтрации П – контура
ф = Qн ?( n2 –1 ) ? n = 58.6 ? ( 22 – 1) ?2 = 351.6,
где n =2 для однотактной схемы усилителя.
Определим к.п.д. (ориентировочный) нагрузочной системы
?к = rвн / (rвн + r0) = 4.12 / ( 1 + 4.12) = 0.8.
4.2 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы
В процессе конструктивного расчета нагрузочной системы необходимо
выбрать номинальные значения стандартных деталей (С0, С1, С2 ), входящих в
контур, и определить конструктивные размеры контурной катушки L0.
При выборе номинального значения конденсатора С1 необходимо учитывать,
что параллельно ему подключена выходная емкость транзистора усилителя
мощности.
Для настройки контура в резонанс и обеспечения оптимальной связи с
нагрузкой в состав емкостей С0 и С2 целесообразно включить подстроечные
конденсаторы. При включении в цепь подстроечных конденсаторов схема контура
примет вид изображенный на рисунке 10.
[pic]
Рис. 10.
Номинальные значения элементов входящих в контур:
С0 = 22 пФ; С2 =360 пФ.
Учитывая, что выходная емкость транзистора Ск = 150 пФ емкость С1
определится так С1 = 573 – 150 = 423 пФ, номинальное значение равно 430
пФ.
Произведем расчет контурной катушки:
Зададим отношение длины намотки катушки ( l ) к диаметру намотки ( D )
v = l / D = (0.5…2) = 1.25.
Определим площадь продольного сечения катушки S = l ? D по формуле
S = P1 ? ?к / Ks = 36.8 ? 0.8 / 0.5 = 58.9 см2,
где Ks = (0,1 – 1) – удельная тепловая нагрузка на 1 см2 сечения катушки,
[Вт/см2].
Определим длину l и диаметр D катушки
[pic] см;
[pic]= 6.86 см.
Рассчитаем число витков контурной катушки
[pic]= 6.86 ? 7,
где L0 – индуктивность катушки в мкГн.
Определим диаметр провода катушки d (мм)
Iк = Uk1 ?2 ? ? ? f ? C1 = 18.4 ?2 ? ? ?25 ? 106 ? 430 ? 10-12 = 1.2 A;
d ? 0.18 ? Iк ?[pic]= 0.18 ? 1.2 ?[pic]= 0.48 мм ? 1 мм,
где Uk1 – амплитуда импульсов коллекторного напряжения; Iк – амплитуда
контурного тока в амперах, f – рабочая частота в МГц.
Найдем собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей
частоте
r0 = [pic][pic]1.25 Ом,
где f – рабочая частота, МГц; d – диаметр провода, мм; D –
диаметр катушки, мм.
Определим к.п.д. контура
?к = rвн / ( r0 + rвн ) = 4.12 / (1.25 + 4.12 ) = 0.77.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проектирования и расчетов отдельных блоков получились
следующие результаты:
Кварцевый генератор построен по схеме емкостной трехточки и обеспечивает
стабильность частоты порядка 10-6. Имеет выходную мощность 0.134 мВт и
к.п.д. 0.14 %.
Усилитель мощности построен по схеме с общим эмиттером, имеет выходную
мощность 36.8 Вт, к.п.д. равен 72 %.
Выходная согласующая цепь построена в виде П-образного контура с к.п.д. 77%
и коэффициентом фильтрации 351.6.
Также в результате проектирования предъявлены требования к нерассчитанным
блокам.
Проделанная работа закрепила полученные на лекциях знания в области
проектирования и анализа работы радиопередающих устройств.
Список литературы
1. Терещук Р. М., Фукс Л. Б. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник
радиолюбителя – Киев: Наукова думка. – 1967
2. Лаповок Я. С. Я строю КВ радиостанцию. – 2-е изд., прераб. И доп. – М.:
Патриот, 1992.
3. Шахгильдян В.В. и др., Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. –
3-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, - 1996.
4. Петров Б. Е., Романюк В. А., Радиопередающие устройства на
полупроводниковых приборах.: Учебное пособие для радиотехн. Спец. Вузов.
– М.: Высшая школа – 1989.
5.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры транзистора КТ 315Б
Обратный ток коллектора при UКБ = 10 В 1 мкА;
Обратный ток эмиттера при UЭБ = 5 В 30 мкА;
Выходное сопротивление h11Б 40 Ом;
Коэффициент передачи тока h21Э 50…350;
Выходная полная проводимость h22Б 0.3 мкСм;
Режим измерения h- параметров:
напряжение коллектора UК 10 В,
ток коллектора IК 1 мА;
Граничная частота коэффициента передачи fгр 250 МГц;
Емкость коллекторного перехода СК 7 пФ;
Постоянная времени цепи обратной связи ?К 300 пс;
Максимально допустимые параметры
постоянное напряжение коллектор – эмиттер UКЭ MAX 15 В;
постоянный ток коллектора IК 100 мА;
рассеиваемая мощность без теплоотвода РMAX 150 мВт;
Диапазон рабочих температур +100…-55?С.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Параметры транзистора КТ 927Б
Обратный ток эмиттера при Uк = 3.5В 0.1 мА;
Напряжение насыщения коллектор – эмиттер при Iк = 10 А 0.5 В;
Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте 5;
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ 30;
Емкость эмиттерного перехода 2300 пФ;
Емкость коллекторногоперехода 150 пФ;
Максимально допустимые параметры
постоянный ток коллектора 10 А;
импульсный ток коллектора 30 А;
постоянное напряжение эмиттер – база 3.5 В;
постоянное напряжение коллектор – база 70 В;
постоянное напряжение коллектор – эмиттер 70 В;
рассеиваемая мощность коллектора 83.3 Вт;
Диапазон рабочих температур -60…+100?С.
[pic]
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Схема электрическая принципиальная задающего генератора.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Схема электрическая принципиальная усилителя мощности.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Спецификация к принципиальной схеме задающего генератора
|Поз. |Наименование |Кол.|Примечание |
|Обозначение | | | |
| | | | |
| |Конденсаторы | | |
| | | | |
|C1, C3 |КМ-6 - М75 – 2 нФ ±5% |2 | |
|C2 |КМ-6 - М75 – 220 нФ ±5% |1 | |
| | | | |
| | | | |
| |Резисторы | | |
| | | | |
|R1 |МЛТ - 0,125 – 5,6 кОм ± |1 | |
|R2 |10% |1 | |
|R3 |МЛТ - 0,125 – 12 кОм ± 10%|1 | |
| | | | |
| |МЛТ - 0,125 – 430 Ом ± 10%| | |
|VT1 | | | |
| | | | |
| | | | |
|ZQ1 |Транзистор КТ315Б | | |
| | |1 | |
| | | | |
| |Кварцевый резонатор на | | |
| |частоту 3125 кГц | | |
|L1 | |1 | |
| |Катушки индуктивности | | |
| | | | |
| |28 мкГн | | |
| | | | |
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Спецификация к принципиальной схеме усилителя мощности
|Поз. |Наименование |Кол.|Примечание |
|Обозначение | | | |
| | | | |
| |Конденсаторы | | |
| | | | |
|C1, C2 |Рассчитываются во входной | | |
| |согласующей цепи |1 | |
|C3 |К73-11 – 10 мкФ ± 10% |1 | |
|С4 |КТ – Н70 - 430 пФ ± 10% |1 | |
|С5 |КТ – Н70 - 22 пФ ± 10% |1 | |
|С6 |КТ – Н70 - 360 пФ ± 10% |1 | |
| | | | |
| |Резисторы | | |
| | | | |
|R1 |МЛТ - 0,5 – 280 Ом ± 10% |1 | |
|R2 |МЛТ - 0,5 – 15 Ом ± 10% |1 | |
| | | | |
| | | | |
|VT1 |Транзистор КТ927Б |1 | |
| | | | |
| | | | |
| |Катушки индуктивности | | |
| | | | |
|L1 |Рассчитывается во входной |1 | |
| |цепи | | |
|L2 |10 мкГн |1 | |
|L3 |2 мкГн |1 | |
| | | | |
-----------------------
?
[pic]
?
+EG
R1
АЭ
R2
Рис. 7
Страницы: 1, 2
|