АМ ВЧ– тракт радиопередающего устройства

АМ ВЧ– тракт радиопередающего устройства

Расчёт структурной схемы

УБМ

Составил:

Ст. преп. каф. РЭКУ Гимадеева Л.А.

Казань 2015

Содержание

Введение………………………………………………………………………………... 3

1. Обобщенная структурная схема…………………………………………………..... 4

1.1. Структурная схема ВЧ – тракта передатчика……………………………………….. 7

2. Энергетический и электрический расчёты двухкаскадного усилителя мощности по
схеме с общим эмиттером (УМ с ОЭ) ……………………………………………. ..

Введение

Основная задача проектирования радиопередающего устройства ( РПдУ) состоит в выборе наиболее эффективных решений с учётом государственных стандартов и современной элементной базы при реализации РПдУ в зависимости от назначения, условий эксплуатации, мощности в антенне, диапазона рабочих частот, вида модуляции, нестабильности рабочей частоты, уровня внеполосного излучения.

При курсовом проектировании РПдУпрежде, чем производить расчет каскадов, необходимо рассчитать структурную схему РПдУ.

В предлагаемых методическихуказаниях рассматривается многокаскадный ВЧ-тракт РПдУна биполярных транзисторах.

Результатом расчета структурной схемы является:

а) тип активного элемента каждого каскада;

б) номинальная величина напряжения питания каждого каскада;

в) ориентировочные величины параметров каскадов:

коэффициент усиления по мощности - К_Р,

выходная мощность - Р_вых,

входная мощность - Р_вх,

коэффициент полезного действия - η;

г) количество каскадов.

Расчет оконечного каскада (ОК)

Исходные данные:

Мощность в антенне Р_А=20Вт

Рабочая частота f_раб=30МГц

Исходя из заданной мощности излучения в антенне в несущем режиме Р_А и с учетом потерь в фидере h_f» 0,8…0,9 и потерь в колебательной системе h_кс = 0,8…0,9, определяется требуемая мощность транзистора модулируемого каскада (в данном случае оконечного каскада) :

(1.27)

ГдеР_ок – мощность на коллекторе оконечного каскада.

где m – заданная глубина модуляции.

Выбор активного элемента

Транзистор оконечного каскада выбирается, исходя из требуемой мощности в максимальном режиме и заданной рабочей частоты f_раб.

Мощность, которую можно будет получить при выборе данного транзистора, будет примерно равна:

Р_вых≈(1…1,3)∙Р_{расс ,} (1.28)

где Р_расс - мощность рассеивания на коллекторе.

При f_раб → f_т – Р_вых ↓, К_р ↓, то режим устойчивый;

При f_раб → f_β – Р_вых ↑, К_р ↑, то режим неустойчивый.

Также получение большой мощности приводит к снижению надежности транзистора.

По мощности подходят транзистор КТ927А (см. справочники).

Для максимального использования активного элемента биполярный транзистор применяется в области высоких частот и выбирается, исходя из заданной частоты /1/:

f_Т>f_раб> 3f_β

где f_β – частота, на которой коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ падает до уровня 0,707 от статического низкочастотного коэффициента усиления по току, приведенного в справочнике.

f_T – граничная частота приводится в справочнике, если f_T не указана, то ее можно определить по формуле :

= (1.29)

где |h_21э|_спр – модуль коэффициента усиления по току, измеренный на частоте f_спр.

Для транзистора КТ927А:

(1.30)

Используем =30(см. спр-к).

Или

Статический коэффициент по току

= (1.31)

Коэффициент усиления по току на рабочей частоте:

= (1.32)

Проверим справедливость неравенства:

f_Т>f_раб> 3f_β

Для КТ927А1.5 ∙10⁸>30 ∙10⁶> 3∙ 5∙ 10⁶

Условие выполняется, расчёт можно продолжать.

h21э0

0,707h21э0

fβ

fТ

f

h21э

Рис.3. Зависимость коэффициента усиления по току от частоты.

Для проверки получения на выбранном транзисторе возможной мощности воспользуемся формулой через предельные допустимые параметры транзистора.

(1.33)

где

α₁ - коэффициент Берга, при θ = 90^◦ α₁=0.5

– крутизна критического режима.

Рассчитаем r_нас по одной из формул в зависимости от приведённых параметров в справочнике:

Для 2Т…в справочнике ,

а)r_насуказано в справочнике

r_нас[Ом]=0.07Ом (1.34а)

или

б)U_КЭнас, I_Кнас – напряжение и ток в режиме насыщения, указаны в справочнике

(1.34б)

или

в)

Если в справочнике приведена выходная характеристика, то сопротивление насыщения можно определить (см.рис.5б и П.2) по формуле:

(1.15в)

i

Iк мах

S

iк

iБ

Е' Е'Б

UБЭраб

SБ

IБ мах

UБЭ

Нагрузочная прямая

iк

Iк мах

UКЭост

Ек

Uк

IБ мах

а) б)

Рис.5.

а) Входная, проходная б) выходная характеристики биполярного транзистора

где S_Б – крутизна входной характеристики касательная в рабочей точке I_Бмах,

E'_Б »Е',

E'_Б – напряжение отсечки базового тока,

Соответствуют выбранному режиму IКmах и IБmах =

Е' – напряжение отсечки коллекторного тока ( напряжение сдвига проходной характеристики ).

U_{КЭосткр}– остаточное напряжение К-Э,

U_БЭраб– напряжение Б-Э

или

г)

Если в справочнике нет сведений о параметрах насыщения или выходной характеристики, но имеется выходная мощность, измеренная при напряжении U_КЭ, то сопротивление насыщения можно определить по формуле:

(1.34г)

,

где Р_вых – выходная мощность, измеренная при U_КЭ.

Рассчитаем мощность ф. (1.33) при использовании транзистора КТ927А

Требуется 80.001(см. ф.(1.27)).

Транзистор КТ927Аподходит.

Поскольку запас по мощности большой, уточним режим работы транзистора:

Уточним режим работы транзистора.

Напряжение на коллекторе в максимальном режиме:

(1.17)

(1.18)

Зададимся E_Кmax =28,9В и I_Кmax=6,07А, определим мощность.

Требуется 80,001Вт

Расчет мощности модулятора

Мощность модулятора Р_Ω – является исходной величиной для расчёта низкочастотного тракта и зависит от способа модуляции. Расчет проводится после определения параметров транзистора(п.2).

При коллекторной модуляции мощность, потребляемая от источника питания:

= (1.19)

где - постоянная составляющая коллекторного тока в несущем режиме.

(1.20)

- высота импульса коллекторного тока (см.ф.(1.16б)) и рис. 4б.

m- из исходных данных.

Мощность модулятора:

Р_Ω [Вт]= 0,5∙m²∙P_0нес = (1.21)

Нагрузкой модулятора будет сопротивление:

= (1.22)

=

2.2. Определим коэффициент усиления по мощности:

, (2.2)

где параметры со штрихом K'_P , f ', E'_K , P'₁ – параметры выбранного транзистора, приведенные в справочнике, (генератор может иметь коэффициент усиления K'_P на частоте f ' при питании E'_K , при этом на коллекторе данного транзистора можно получить мощность P'₁) ,

ƒ_раб – рабочая частота,

P₁ – требуемая мощность,

E_K – задаваемое напряжение питания.

При расчете Кр следует задавать режимы, близкие к справочным, большой запас по частоте может привести к неустойчивой работе генератора.

Напряжение питания должно выбираться:

(2.3)

где – максимально допустимое напряжение К-Э, приведенное в справочнике .

В выражении (2.3) берется равенство, если требуется максимальная мощность с выбранного транзистора, и менее, если требуется меньшая мощность, а другие типы транзисторов не подходят, но и слишком маленькое напряжение питания задавать нельзя, так как существует остаточное напряжение и при малых напряжениях питания, транзистор не будет работать рис.10б. .

Получение мощности P₁>P'₁ приводит к снижению надежности транзистора. Целесообразно выбрать такой транзистор, у которого в результате расчета

ф. (2.2);

25…30 >K_P> 1,5

По формуле (2.2) коэффициент усиления по мощности можно определить для биполярных транзисторов, у которых приведены необходимые параметры в справочнике. К сожалению, такие параметры имеются только для мощных высокочастотных транзисторов. В таких случаях рассчитывают коэффициент усиления по мощности /3.4/ по следующей формуле:

(2.4)

где ƒ_max– максимальная частота усиления по мощности биполярного транзистора.

2.1.7.Максимальная частота усиления мощности f_max.

Поскольку при расчете ГВВ транзистор используется в области высоких частот, на параметры транзистора влияет его инерционность, т.е. на энергетические показатели ГВВ: выходная мощность, КПД, коэффициент усиления по мощности уменьшаются. Поэтому при определении f_maxнеобходимо учитывать инерционность транзистора и работу ГВВ в режиме с отсечкой коллекторного тока θ_ВЧ/4/:

(2.30)

(2.30а)

в общем случае определяется по формуле:

(2.31)

Далее производится расчет параметров выбранного транзистора

Входная мощность

Все параметры сведем в таблицу.

Ikmax, А	Eк, В	КР	Pок, Вт	Pвх, Вт
6.07		4.78	80.001	16.737

Итак, все параметры ОК каскада определены и отвечают требованиям устойчивой работы каскада, требуемой мощности, высокого КПД.

Выбор активного элемента

Транзистор оконечного каскада выбирается, исходя из требуемой мощности в максимальном режиме и заданной рабочей частоты f_раб.

Мощность, которую можно будет получить при выборе данного транзистора, будет примерно равна:

Р_вых≈(1…1,3)∙Р_{расс ,} (1.28)

где Р_расс - мощность рассеивания на коллекторе.

При f_раб → f_т – Р_вых ↓, К_р ↓, то режим устойчивый;

При f_раб → f_β – Р_вых ↑, К_р ↑, то режим неустойчивый.

Также получение большой мощности приводит к снижению надежности транзистора.

По мощности подходят транзистор 2Т955A. (см. справочники).

Для максимального использования активного элемента биполярный транзистор применяется в области высоких частот и выбирается, исходя из заданной частоты /1/:

f_Т>f_раб> 3f_β

где f_β – частота, на которой коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ падает до уровня 0,707 от статического низкочастотного коэффициента усиления по току, приведенного в справочнике.

f_T – граничная частота приводится в справочнике, если f_T не указана, то ее можно определить по формуле :

= (1.29)

где |h_21э|_спр – модуль коэффициента усиления по току, измеренный на частоте f_спр.

Для транзистора 2Т955A:

(1.30)

Используем =35(см. спр-к).

Или

Статический коэффициент по току

= (1.31)

Коэффициент усиления по току на рабочей частоте:

= (1.32)

Проверим справедливость неравенства:

f_Т>f_раб> 3f_β

Для 2Т955A3 ∙10⁸>30 ∙10⁶> 3∙ 8.571∙ 10⁶

Условие выполняется, расчёт можно продолжать.

h21э0

0,707h21э0

fβ

fТ

f

h21э

Рис.3. Зависимость коэффициента усиления по току от частоты.

Для проверки получения на выбранном транзисторе возможной мощности воспользуемся формулой через предельные допустимые параметры транзистора.

(1.33)

где

α₁ - коэффициент Берга, при θ = 90^◦ α₁=0.5

– крутизна критического режима.

Рассчитаем r_нас по одной из формул в зависимости от приведённых параметров в справочнике:

Для 2Т…в справочнике ,

а)r_насуказано в справочнике

r_нас[Ом]=0.15Ом (1.34а)

или

б) U_КЭнас, I_Кнас – напряжение и ток в режиме насыщения, указаны в справочнике

(1.34б)

или

в)

Если в справочнике приведена выходная характеристика, то сопротивление насыщения можно определить (см.рис.5б и П.2) по формуле:

(1.15в)

i

Iк мах

S

iк

iБ

Е' Е'Б

UБЭраб

SБ

IБ мах

UБЭ

Нагрузочная прямая

iк

Iк мах

UКЭост

Ек

Uк

IБ мах

а) б)

Рис.5.

а) Входная, проходная б) выходная характеристики биполярного транзистора

где S_Б – крутизна входной характеристики касательная в рабочей точке I_Бмах,

E'_Б »Е',

E'_Б – напряжение отсечки базового тока,

Соответствуют выбранному режиму IКmах и IБmах =

Е' – напряжение отсечки коллекторного тока ( напряжение сдвига проходной характеристики ).

U_{КЭосткр}– остаточное напряжение К-Э,

U_БЭраб– напряжение Б-Э

или

г)

Если в справочнике нет сведений о параметрах насыщения или выходной характеристики, но имеется выходная мощность, измеренная при напряжении U_КЭ, то сопротивление насыщения можно определить по формуле:

(1.34г)

,

где Р_вых – выходная мощность, измеренная при U_КЭ.

Рассчитаем мощность ф. (1.33) при использовании транзистора 2Т955A

Требуется 19.691(см. ф.(1.27)).

Транзистор 2Т955A подходит.

Поскольку запас по мощности большой, уточним режим работы транзистора.

Выбираем напряжение питания

Е_К – напряжение питания, выбирается из следующего выражения:

(1.35)

- максимально допустимое напряжение К-Э ( приводится в справочнике ).

В выражении (1.35) берется равенство, если требуется максимальная мощность с выбранного транзистора, и менее, если требуется меньшая мощность, а другие типы транзисторов не подходят, но и слишком маленькое напряжение питания задавать нельзя, так как существует остаточное напряжение и при малых напряжениях питания, транзистор не будет работать рис.10б.

(Е_К >U_КЭост; U_ВЫХ ≈ Е_К - U_КЭост ).

Подбирая E_к , I_Кmax

Допустим

зададим E_к=28.7В, I_Кmax=5.5А,

определим возможную мощность:

По заданию требуется Р_ОК=19.691Вт, т.е. транзистор 2Т955A подходит.

2.2. Определим коэффициент усиления по мощности:

, (2.2)

где параметры со штрихом K'_P , f ', E'_K , P'₁ – параметры выбранного транзистора, приведенные в справочнике, (генератор может иметь коэффициент усиления K'_P на частоте f ' при питании E'_K , при этом на коллекторе данного транзистора можно получить мощность P'₁) ,

ƒ_раб – рабочая частота,

P₁ – требуемая мощность,

E_K – задаваемое напряжение питания.

При расчете Кр следует задавать режимы, близкие к справочным, большой запас по частоте может привести к неустойчивой работе генератора.

Напряжение питания должно выбираться:

(2.3)

где – максимально допустимое напряжение К-Э, приведенное в справочнике .

В выражении (2.3) берется равенство, если требуется максимальная мощность с выбранного транзистора, и менее, если требуется меньшая мощность, а другие типы транзисторов не подходят, но и слишком маленькое напряжение питания задавать нельзя, так как существует остаточное напряжение и при малых напряжениях питания, транзистор не будет работать рис.10б. .

Получение мощности P₁>P'₁ приводит к снижению надежности транзистора. Целесообразно выбрать такой транзистор, у которого в результате расчета

ф. (2.2);

25…30 >K_P> 1,5

По формуле (2.2) коэффициент усиления по мощности можно определить для биполярных транзисторов, у которых приведены необходимые параметры в справочнике. К сожалению, такие параметры имеются только для мощных высокочастотных транзисторов. В таких случаях рассчитывают коэффициент усиления по мощности /3.4/ по следующей формуле:

(2.4)

где ƒ_max– максимальная частота усиления по мощности биполярного транзистора.

2.1.7.Максимальная частота усиления мощности f_max.

Поскольку при расчете ГВВ транзистор используется в области высоких частот, на параметры транзистора влияет его инерционность, т.е. на энергетические показатели ГВВ: выходная мощность, КПД, коэффициент усиления по мощности уменьшаются. Поэтому при определении f_maxнеобходимо учитывать инерционность транзистора и работу ГВВ в режиме с отсечкой коллекторного тока θ_ВЧ/4/:

(2.30)

(2.30а)

в общем случае определяется по формуле:

(2.31)

Далее производится расчет параметров выбранного транзистора

Входная мощность

Все параметры сведем в таблицу.

Ikmax, А	Eк,В	КР	PПредОК,Вт	PвхПредОК,Вт
в5,5	28,7	21,31	19,691	0,924

Итак, все параметры ПредОК каскада определены и отвечают требованиям устойчивой работы каскада, требуемой мощности, высокого КПД.

Список литературы

1. Радиопередающие устройства. /Под ред. В.В. Шахгильдяна; - М.: Радио и связь, 1996. – 560с

2. Проектирование радиопередатчиков: Учеб.пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др. ; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2000. – 656с.: ил.

3. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио,1970.

4. Ю. В. Корчагин. О выборе типа транзистора для высокочастотного усилителя мощности. // Сб. “Полупроводниковые приборы в технике электросвязи.” Вып. 13 / Под ред. Николаевского. – М.: Связь, 1974.

5. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб.пособие для вузов. /Под ред. Г. М. Уткина. - М.: Сов. Радио, 1979, -320 с.

6. Каганов В. И. Транзисторные радиопередатчики. - М.: Энергия, 1970. - 328 с.

7. Судаков Ю.И. Амплитудная модуляция и автомодуляция транзисторных генераторов: М.: Энергия, 1969.- 3

8. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. /Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина.

9. Верзунов М. В. И др. Проектирование радиопередающих устройств малой и средней мощности М.: Энергия, 1967.- 376 с.: ил.

10. Справочник по акустике. /Под ред. Сапожкова М.А.; - M.: Связь, 1979

11. Ю.И. Козюренко. Звукозапись с микрофона. – М.: Радио и связь, 1988. – 112с.: ил. – (Массовая радио библиотека).

12. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб.пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989. – 400с.: ил.

13. Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Б.П. Кудряшов, Ю.В. Назаров, Б.В. Тарабрин, В.А. Ушибышев. – М.: Радио и связь, 1981. – 160с., ил. – (Массовая радиобиблиотека; вып. 1033).

14. Шахмаев М.М. Системы радиосвязи с однополосной угловой модуляцией. – Казань: Фен, 2001. – 192с.

15. Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. А.П.Сиверса. Учебное пособие для вузов, М., 1976. Авторы: Клич С.М., Кривенко А.С., Носиков Г.Н. и др.

17.Ворона В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчёта:

Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007 – 384с.:

ил.

АМ ВЧ– тракт радиопередающего устройства

Расчёт структурной схемы

УБМ

Составил:

Ст. преп. каф. РЭКУ Гимадеева Л.А.

Казань 2015

Содержание

Введение………………………………………………………………………………... 3

1. Обобщенная структурная схема…………………………………………………..... 4

1.1. Структурная схема ВЧ – тракта передатчика……………………………………….. 7

2. Энергетический и электрический расчёты двухкаскадного усилителя мощности по
схеме с общим эмиттером (УМ с ОЭ) ……………………………………………. ..

Введение

Основная задача проектирования радиопередающего устройства ( РПдУ) состоит в выборе наиболее эффективных решений с учётом государственных стандартов и современной элементной базы при реализации РПдУ в зависимости от назначения, условий эксплуатации, мощности в антенне, диапазона рабочих частот, вида модуляции, нестабильности рабочей частоты, уровня внеполосного излучения.

При курсовом проектировании РПдУпрежде, чем производить расчет каскадов, необходимо рассчитать структурную схему РПдУ.

В предлагаемых методическихуказаниях рассматривается многокаскадный ВЧ-тракт РПдУна биполярных транзисторах.

Результатом расчета структурной схемы является:

а) тип активного элемента каждого каскада;

б) номинальная величина напряжения питания каждого каскада;

в) ориентировочные величины параметров каскадов:

коэффициент усиления по мощности - К_Р,

выходная мощность - Р_вых,

входная мощность - Р_вх,

коэффициент полезного действия - η;

г) количество каскадов.