Расчёт усилительных и умножительных каскадов.

Предварительная разработка схемы.

Исходными требования при составлении структурной схемы передатчика являются те, которые вытекают из технических условий на радиосистему в целом:

- рабочая частота f=143 Мгц;

- полезная мощность (мощность в видере) P=7 Вт;

- относительная нестабильность частоты 10^-6.

Общие технические требования:

- габариты;

- масса;

- себестоимость;

- надёжность;

- долговечность

и др.

Решающим в выборе схемы является требование к нестабильности частоты (считается, что в однокаскадных передатчиках можно реализовать относительную нестабильность частоты не менее 10^-4): при условии, что относительная нестабильность составляет 10-6, необходимо реализовать передатчик по многокаскадной схеме.

Частотную модуляцию будем осуществлять простым в реализации прямым методом (изменение частоты производится в задающем генераторе). С учётом заданной нестабильность целесообразным будет использование в качестве задающего генератора автогенератора с кварцевым резонатором, в котором кварц необходимо возбуждать на первой гармонике, так как на более высоких гармониках управление частотой кварцевого резонатора менее эффективно. Так как АГ выдает 24 МГц, то для получения на выходе заданной частоты f=143 МГц будем использовать каскады умножения частоты (утроитель и удвоитель частоты).

Для выполнения требования заданной выходной мощности и частоты передатчик рассчитываем от выхода ко входу (с оконечного каскада до возбудителя). Оконечный каскад (усилитель мощности) в значительной мере определяет энергетические, эксплуатационные и конструктивные показатели всего передатчика; он потребляет больше всего энергии, в связи с чем первостепенной задачей является выбор транзистора для этого каскада. Также будем его проектировать по возможности с высоким КПД. Транзистор выходного каскада выбирается по заданной центральной частоте в центре спектра ЧМ сигнала и по мощности с учётом КПД выходной ЦС.

В следующую очередь рассчитываем каскады усилителей и умножителей частоты. Использование транзисторных умножителей частоты позволяет как повысить частоту и девиацию частоты в «n» раз, так и увеличить мощность входного сигнала. Однако с ростом коэффициента умножения частоты «n» падают как выходная мощность, так и КПД.

Схема передатчика должна содержать цепи согласования (ЦС), которые обеспечивают:

- трансформацию активной составляющей сопротивления потребителя в сопротивление нагрузки, требуемое для работы активного элемента (АЭ) в выбранном режиме. Сопротивление должно трансформироваться в полосе частот, определяемой шириной спектра передаваемого колебания или диапазоном перестройки передатчика;

- необходимую форму тока в сопротивлении потребителя;

- форму напряжения на выходном электроде АЭ в соответствии с выбранным режимом работы;

- малые потери в элементах ЦС;

- возможность перестройки или регулировки параметров ЦС при смене рабочей частоты или изменении параметров ЦС или АЭ.

При расчёте каскадов КПД ЦС между каскадами принимается равным 0.8-0.9. С уменьшением выходной мощности каскада требование к КПД снижается. Выходная мощность каждого из остальных каскадов равна:

По полученной мощности и заданной частоте выбирается транзистор данного каскада.

В последнюю очередь рассчитываем ЦС.

Таким образом, схема передатчика должна включать в себя возбудитель (кварцевый генератор), как минимум один усилитель мощности, умножители частоты. Тракт умножения должен обеспечивать умножение частоты с 24 до 143 МГц, т.е. приблизительно в 6 раз. Эта задача решается с использованием одного утроителя и одного удвоителя частоты.

Структурная схема передатчика приведена ниже:

Рис. 1. Структурная схема транзисторного передатчика с ЧМ.

ЧМКГ – частотно-модулируемый кварцевый генератор;

ЦС – цепь согласования;

УЧ – умножитель частоты;

УМ – усилитель мощности.

Режим работы – критический.

Так как при отсутствии обратной связи коэффициент усиления мощности превышает 30 (k_p=192), то вводим R_Э=1 Ом. В дальнейших расчётах учитывается величина этого сопротивления.

Расчёт маломощного умножителя частоты с общим эмиттером:

1. коэффициенты гармоник:

2. коэффициент формы:

3. коэффициент использования транзистора по напряжению источника питания:

4. напряжение 3-й гармоники коллекторного напряжения:

U_{КЭ ДОП}

5. амплитуда 2-й гармоники тока коллектора:

6. максимальное сопротивление нагрузки:

7. сопротивление нагрузки умножителя:

8. амплитуда импульса тока коллектора:

9. постоянная составляющая коллекторного тока:

10. амплитуда первой гармоники тока коллектора:

11. крутизна по переходу:

12. сопротивление рекомбинации неосновных носителей в базе:

13. статическая крутизна транзистора:

14. диффузионная емкость эмиттерного перехода:

15. постоянная времени открытого эмиттерного перехода:

16. частота, на которой крутизна транзистора уменьшается от 0.7 до S:

17. нормированная частота:

18. косинус фазового аргумента крутизны:

19. амплитуда напряжения возбуждения:

20. фаза первой гармоники тока коллектора в градусах:

21. входная проводимость (параллельный эквивалент):

22. входное сопротивление (последовательный эквивалент):

23. мощность возбуждения:

24. коэффициент усиления мощности:

25. потребляемая мощность:

26. коэффициент полезного действия:

27. допустимая мощность, рассеиваемая в транзисторе:

28. мощность, рассеиваемая в транзисторе в виде тепла:

29. напряжение смещения:

30. обратное пиковое напряжение на эмиттерном переходе:

Режим работы – критический.

Так как при отсутствии обратной связи коэффициент усиления мощности превышает 30 (k_p=318), то вводим R_Э=3 Ом. В дальнейших расчётах учитывается величина этого сопротивления.

Расчёт маломощного умножителя частоты с общим эмиттером:

1. коэффициенты гармоник:

2. коэффициент формы:

3. коэффициент использования транзистора по напряжению источника питания:

4. напряжение 3-й гармоники коллекторного напряжения:

U_{КЭ ДОП}

5. амплитуда 3-й гармоники тока коллектора:

6. максимальное сопротивление нагрузки:

7. сопротивление нагрузки умножителя:

8. амплитуда импульса тока коллектора:

9. постоянная составляющая коллекторного тока:

10. амплитуда первой гармоники тока коллектора:

11. крутизна по переходу:

12. сопротивление рекомбинации неосновных носителей в базе:

13. статическая крутизна транзистора:

14. диффузионная емкость эмиттерного перехода:

15. постоянная времени открытого эмиттерного перехода:

16. частота, на которой крутизна транзистора уменьшается от 0.7 до S:

17. нормированная частота:

18. косинус фазового аргумента крутизны:

19. амплитуда напряжения возбуждения:

20. фаза первой гармоники тока коллектора в градусах:

21. входная проводимость (параллельный эквивалент):

22. входное сопротивление (последовательный эквивалент):

23. мощность возбуждения:

24. коэффициент усиления мощности:

25. потребляемая мощность:

26. коэффициент полезного действия:

27. допустимая мощность, рассеиваемая в транзисторе:

28. мощность, рассеиваемая в транзисторе в виде тепла:

29. напряжение смещения:

30. обратное пиковое напряжение на эмиттерном переходе:

Расчёт цепей согласования.

Предварительная разработка схемы.

Исходными требования при составлении структурной схемы передатчика являются те, которые вытекают из технических условий на радиосистему в целом:

- рабочая частота f=143 Мгц;

- полезная мощность (мощность в видере) P=7 Вт;

- относительная нестабильность частоты 10^-6.

Общие технические требования:

- габариты;

- масса;

- себестоимость;

- надёжность;

- долговечность

и др.

Решающим в выборе схемы является требование к нестабильности частоты (считается, что в однокаскадных передатчиках можно реализовать относительную нестабильность частоты не менее 10^-4): при условии, что относительная нестабильность составляет 10-6, необходимо реализовать передатчик по многокаскадной схеме.

Частотную модуляцию будем осуществлять простым в реализации прямым методом (изменение частоты производится в задающем генераторе). С учётом заданной нестабильность целесообразным будет использование в качестве задающего генератора автогенератора с кварцевым резонатором, в котором кварц необходимо возбуждать на первой гармонике, так как на более высоких гармониках управление частотой кварцевого резонатора менее эффективно. Так как АГ выдает 24 МГц, то для получения на выходе заданной частоты f=143 МГц будем использовать каскады умножения частоты (утроитель и удвоитель частоты).

Для выполнения требования заданной выходной мощности и частоты передатчик рассчитываем от выхода ко входу (с оконечного каскада до возбудителя). Оконечный каскад (усилитель мощности) в значительной мере определяет энергетические, эксплуатационные и конструктивные показатели всего передатчика; он потребляет больше всего энергии, в связи с чем первостепенной задачей является выбор транзистора для этого каскада. Также будем его проектировать по возможности с высоким КПД. Транзистор выходного каскада выбирается по заданной центральной частоте в центре спектра ЧМ сигнала и по мощности с учётом КПД выходной ЦС.

В следующую очередь рассчитываем каскады усилителей и умножителей частоты. Использование транзисторных умножителей частоты позволяет как повысить частоту и девиацию частоты в «n» раз, так и увеличить мощность входного сигнала. Однако с ростом коэффициента умножения частоты «n» падают как выходная мощность, так и КПД.

Схема передатчика должна содержать цепи согласования (ЦС), которые обеспечивают:

- трансформацию активной составляющей сопротивления потребителя в сопротивление нагрузки, требуемое для работы активного элемента (АЭ) в выбранном режиме. Сопротивление должно трансформироваться в полосе частот, определяемой шириной спектра передаваемого колебания или диапазоном перестройки передатчика;

- необходимую форму тока в сопротивлении потребителя;

- форму напряжения на выходном электроде АЭ в соответствии с выбранным режимом работы;

- малые потери в элементах ЦС;

- возможность перестройки или регулировки параметров ЦС при смене рабочей частоты или изменении параметров ЦС или АЭ.

При расчёте каскадов КПД ЦС между каскадами принимается равным 0.8-0.9. С уменьшением выходной мощности каскада требование к КПД снижается. Выходная мощность каждого из остальных каскадов равна:

По полученной мощности и заданной частоте выбирается транзистор данного каскада.

В последнюю очередь рассчитываем ЦС.

Таким образом, схема передатчика должна включать в себя возбудитель (кварцевый генератор), как минимум один усилитель мощности, умножители частоты. Тракт умножения должен обеспечивать умножение частоты с 24 до 143 МГц, т.е. приблизительно в 6 раз. Эта задача решается с использованием одного утроителя и одного удвоителя частоты.

Структурная схема передатчика приведена ниже:

Рис. 1. Структурная схема транзисторного передатчика с ЧМ.

ЧМКГ – частотно-модулируемый кварцевый генератор;

ЦС – цепь согласования;

УЧ – умножитель частоты;

УМ – усилитель мощности.

Расчёт усилительных и умножительных каскадов.