Выбор схемы автогенератора

Автогенераторы (АГ) в радиопередатчиках являются источниками колебаний, частота и амплитуда которых определяется только собственными параметрами схемы и должна в очень малой степени зависеть от внешних условий. В состав АГ обязательно входит активный элемент (транзистор) и колебательная система, определяющая частоту колебаний.

В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности АГ. С этой целью АГ стараются защитить от внешних воздействий: температуры, вибраций, электромагнитных излучений, нестабильности напряжения источников питания и т.д. Стабильность частоты автогенератора (АГ) существенно зависит от добротности и стабильности его колебательной системы. В АГ с LC контурами (их добротность обычно не выше 200-300) стабильность частоты не превышает 10^-3 ... 10^-4. В АГ СВЧ, где используют объемные резонаторы из специальных материалов с малыми потерями, с малыми изменениями размеров при дестабилизирующих воздействиях и с доб­ротностью до нескольких тысяч, стабилизирующее действие колебательной системы увеличено. Добротность кварцевых резонаторов (КР) во много раз превышает добротность прочих колебательных систем и составляет около 10⁴...10⁶. Современный уровень развития пьезокварцевой техники, использование кварцевых резонаторов в качестве основных элементов стабилизации частоты позволяют получить кварцевые генераторы с нестабильностью частоты до 10^-11 за сутки.

Исходя из этого, будем использовать в качестве задающего автогенератора автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты. Существует много разновидностей схем кварцевых автогенераторов. В настоящее время чаше всего применяются два вида: осцилляторные схемы и схемы, в которых кварцевый резонатор включается как последовательный элемент цепи обратной связи. Будем использовать осцилляторную схему автогенератора. Во-первых, кварцевый резонатор может иметь индуктивное сопротивление только в том случае, если он исправен и кварцевая пластина в нём колеблется. В противном случае, а также в случае отсутствия в схеме кварцевого резонатора автоколебания невозможны. Во-вторых, в этом случае обеспечивается более высокая стабильность частоты автогенератора.

Из осцилляторных схем, в свою очередь, наибольшее распространение имеют автогенераторы, построенные по схеме ёмкостной трёхточки, которых кварцевый резонатор включен между коллектором и базой транзистора. Эта схема выделяется из осцилляторных схем следующими тремя преимуществами: схема имеет меньшую склонность к паразитной генерации на частотах, выше рабочей; автогенератор может быть построен без катушек индуктивности, что особенно важно при микросхемном исполнении; частоту автогенератора можно менять в достаточно широком диапазоне путём смены только кварцевого резонатора.

На основе сказанного выберем осцилляторную схему емкостной трёх­точки.

Выбор транзистора

Так как мощность автогенератора не превышает нескольких десятков милливатт, то транзистор может быть выбран из широкого класса маломощных германиевых и кремниевых транзисторов. Определяющими факторами при выборе выступают рабочая частота автогенератора и диапазон рабочих температур.

В автогенераторе следует применять транзистор с граничной частотой, много большей рабочей частоты. В этом случае можно не учитывать инерционные свойства транзистора, благодаря чему упрощается расчёт автогенератора, но, главное - уменьшается нестабильность частоты, связанная с нестабильностью фазового угла крутизны.

Исходя из сказанного, выбираем конкретный тип транзистора. По всем параметрам для данного каскада подходит высокочастотный транзистор малой мощности структуры n-p-п КТ342Б. Приведём требуемые для дальнейших расчётов усреднённые характеристики выбранного транзистора[5].

- максимальный постоянный ток коллектора......................................I_к.max = 50 мА;

- максимальный ток коллектора в импульсе.................................. I_к.и.max = 300 мА;

- максимальное напряжение коллекторного перехода........................U_кэ.доп = 25 В;

- максимальная средняя мощность на коллекторе..............................Р_к = 250 мВт;

- предельная частота коэффициента передачи тока

в схеме с ОЭ………………………………………………………… f_T = 300 МГц;

- ёмкость коллекторного перехода при напряжении

на нём U_Cк0 = 5 В......................................................................................С_к0 = 8 пФ;

- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ..............β₀ = (200…500);

- постоянная времени цепи внутренней обратной связи.......................t_ос = 300 пс.

Примем раз.

6.3 Электрический расчёт автогенератора

Электрический расчёт кварцевого автогенератора проведем по [1].

Проведем расчет по постоянному току.

Зададимся величиной постоянного тока коллектора I_к0 = 0,5 мА, постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером транзистора Е_кэ = 9 В и постоянным напряжением на эмиттере относительно общего провода Е_э = 3 В.

Рассчитаем требуемое напряжение источника питания:

В,

Определим величину проходной ёмкости при конкретном значении напряжения между коллектором и базой:

Ф.

Сопротивление резистора обратной связи (здесь и далее обозначения элементов приведены согласно принципиальной схеме на рисунке 6.2):

Ом.

Постоянная составляющая импульсов тока базы:

Задаем ток делителя:

A

Сопротивление делителя:

Ом

Постоянный потенциал на базе относительно общего провода:

В.

Сопротивление резистора нижнего плеча делителя:

кОм.

Сопротивление резистора верхнего плеча делителя:

кОм.

Определим мощность, на которую должны быть рассчитаны резисторы R1, R2 и R3:

Вт,

Вт,

Вт

Выберем, исходя из расчётных мощностей, для резисторов R1, R2 и R3 марку МЛТ-0,125.

Переходим к расчёту по переменному току.

Определим высокочастотное сопротивление базы:

Ом

Рассчитаем сопротивление эмиттерного перехода:

Ом

Найдем крутизну транзистора:

мА/В

Зададим коэффициент регистрации G = 5,7 и определим управляющее сопротивление:

Ом

Задаем отношение К^!_ос = 0,1 и вычисляем реактивное сопротивление конденсатора С3:

Ом

Отсюда емкость конденсатора:

пФ.

Тогда

пФ

Следовательно,

Ом.

Определим величину емкости блокировочного конденсатора С2:

пФ

Рассчитаем дроссель L1 цепи коллекторного питания:

мкГн

Сопротивление базового делителя переменному току

Ом

Как видим сопротивление делителя гораздо больше реактивного сопротивления конденсаторе С1. Следовательно, он не зашунтирует вход транзистора. Поэтому необходимость в разделительном дросселе между делителем и базой транзистора отпадает.

Определим коэффициент γ₁(θ) для стационарного режима:

.

По графику (рисунок 6.1) определим угол отсечки импульсов тока, соответствующий рассчитанному коэффициенту γ₁(θ). Итак, θ = 58^°.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Рисунок 6.1

Для найденного угла отсечки рассчитываем коэффициенты Берга α₀(58^°) = 0,21, α₁(58^°) = 0,37

Вычислим амплитуду импульса коллекторного тока

мА

Определим амплитуду первой гармоники коллекторного тока.

мА

Рассчитаем амплитуду напряжения на базе:

В.

Вычислим модуль коэффициента обратной связи:

Находим амплитуду переменного напряжения на коллекторе:

В

Определяем мощность, потребляемую от источника питания коллекторной цепью:

Вт.

Мощность рассеиваемая кварцевым резонатором:

мВт.

Оценим величину допустимого сопротивления нагрузки:

кОм

Напомним, что входное сопротивление умножителя частоты оказалось равным 4,13 кОм. Таким образом, допустимую величину сопротивления нагрузки автогенератора мы выдержали.

Мощность, отдаваемая в нагрузку:

мВт

Требуемая для умножителя частоты мощность возбуждения 1,145 мВт, а амплитуда входного переменною напряжения 3,076 В. Из проведённых расчетов автогенератора видно, что мы обеспечили согласование автогенератора с умножителем частоты по всем основным параметрам: сопротивлению нагрузки автогенератора, мощности возбуждения умножителя частоты и требуемой амплитуды переменного напряжения на его входе.

Рассчитаем ёмкость разделительного конденсатора С4:

пФ.

где R_вх.умн, - входное сопротивление каскада умножителя частоты.

Выберем номиналы элементов из стандартного ряда значений Е24, и приведем окончательную принципиальную схему автогенератора (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2. Окончательная принципиальная схема автогенератора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта был спроектирован радиопередатчик с базовой модуляцией с рабочей точкой 54,5 МГц, мощностью 70 Вт, полностью удовлетворяющий требования ТЗ.

Составлена структурная и электрическая принципиальная схемы.

Рассчитаны автогенератор, умножитель, модулируемый каскад и усилитель модулированных колебаний.

Определена требуемая мощность модулятора и произведен конструктивный расчет нагрузочной системы.

Учитывая опыт применения телевизионных передатчиков, рассчитанный радиопередатчик может применяться для связи на расстоянии до 30 км при условии прямой видимости антенны.

Список литературы

1. Проектирование радиопередатчиков: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В. В. Шахгильдяна. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2000. – 656 с.

2. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В. В. Шахгильдян, В. Б. Козырев, А. А. Ляховкин и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003. – 560 с.

3. Радиопередающие устройства / Под ред. М.В. Благовещенского и Г. М. Уткина. – М.: Радио и связь, 1982. – 408 с.

4. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред. Г. М. Уткина. – М.: Сов. радио, 1979. – 320 с.

5. Вовченко П.С., Дегтярь Г.А. Устройства генерирования и формирования сигналов (радиопередающие устройства): учеб. пособие. – Новосибирск: изд-во НГТУ, 2006. – 75 с.

6. Дегтярь Г. А. Устройства генерирования и формирования сигналов: Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996. – Ч.3. Кн.1. – 192 с.

7. Курсовое и дипломное проектирование. Методические указания для студентов специальностей 190200 и 200700. Омск. – Изд-во ОмГТУ, 1997. – 44 с.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / Под ред. А. В. Голомедова. – М.: Радио и связь, 1989. – 640 с.

9. Устройства генерирования и формирования сигналов. Методические указания к курсовому проектированию. А. К. Ельцов. Омск. – Изд-во ОмГТУ, 2009. – 46 с.

10. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. - М.: Изд-во стандартов, 1986. – 55с.

11. ГОСТ 16019-2001. Требования по устойчивости к механическим и климатическим воздействиям и методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 2001.- 23с.

12. ГОСТ Р 51742-2001. Передатчики радиовещательные стационарные с амплитудной модуляцией диапазонов низких, средних и высоких частот. – М.: Изд-во стандартов, 2001.- 34с.

13. ГОСТ 20532-83. Радиопередатчики телевизионные I-V диапазонов. – М.: Изд-во стандартов, 1983.- 54с.