Расчет входных устройств

2.1. Расчет контуров преселектора

2.1.1. Выбор схемы контура

Определяем номинальный коэффициент перекрытия диапазона в соответствии с заданием:

.

При Kдном>1.5, и настройке КПЕ, диапазон нерастянутый, схема контура приведена на рис 2.

Рис. 2. Ориентировочная схема входного устройства.

На схеме использованы следующие обозначения:

- индуктивность катушки контура;

- элемент настройки (варикап);

, где

- собственная ёмкость катушки индуктивности (несколько пФ);

- ёмкость монтажа (единицы пФ);

- блокировочный конденсатор.

Для гарантированной настройки на краях диапазона определяем расчетные частоты с запасом по перекрытию:

,

,

где

Определяем фактический коэффициент перекрытия:

.

и среднюю расчетную частоту:

Уточним значение и , выбранные в п. 1.4.

При электронной настройке в диапазоне УКВ отдельным варикапом его емкость выбирают минимально возможной, а определяют из условия

,

Где =2пФ. Выберем значение =18пФ

Проверяем выполнение условия:

- выполняется.

2.1.2. Расчет емкостей контура нерастянутого диапазона

Определяем минимальную и максимальную емкости контура:

.

2.1.3. Расчет индуктивности, полосы пропускания и проводимости контура

Определяем индуктивность контура:

.

На расчетных частотах определяем проводимость и полосу пропускания контура. В случае расчет производится на трех частотах диапазона: , и .

При :

.

.

При :

.

.

При :

.

.

Полученные значения , , являются конструктивными параметрами колебательного контура, т.е. «чистого» контура без учета влияния подключаемых к контуру внешних цепей.

2.2. Выбор схемы входного устройства

Выбрать схему входного устройства означает выбрать вид связей контура с антенной и АП1. Вид связи влияет на неравномерность резонансного коэффициента передачи в пределах диапазона. Величина связи (значения и ) влияет на значение , т.е. на чувствительность приемника.

При выборе вида связи необходимо учитывать также частотные зависимости проводимости антенной цепи и проводимости эквивалентного колебательного контура .

Частотная зависимость проводимости антенной цепи определяется типом антенны (характером сопротивления антенны – преимущественно емкостным или активным) и видом связи контура с антенной.

Зависимость от частоты очевидна при следующей записи:

,

где - добротность эквивалентного контура, которая с ростом частоты обычно уменьшается. Однако рост характеристического сопротивления компенсирует это уменьшение и в целом с ростом частоты всегда уменьшается.

Связь контура с АП1 может быть трансформаторной, автотрансформаторной или внутриемкостной. Выберем трансформаторную связь с АП1:

При трансформаторной связи - взаимная индуктивность между и . При этом

- коэффициент включения (трансформации) контура во входную цепь АП1 и от частоты не зависит.

Связь контура с антенной может быть трансформаторной (автотрансформаторной), либо внешнеемкостной. Связь с антенной выбираем внешнеемкостную.

При внешнеемкостной связи мы можем по своему усмотрению выбирать элемент связи общий для колебательного контура и антенной цепи. Это может быть либо индуктивность, либо ёмкость контура.

, , .

Сопротивление связи практически равно характеристическому сопротивлению эквивалентного контура, значение близко к единице от частоты настройки он не зависит.

Итоговая схема входного устройства представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема входного устройства.

2.3. Расчет схемы входного устройства

2.3.1. Исходные данные

Исходными данными являются:

Ø – сопротивление антенны при настроенной антенне.

Ø - входная проводимость АП1, .

Ø - разброс входной емкости АП1.

Ø - оптимальное с точки зрения значение проводимости генератора, которую «видит» АП1.

Ø Расчетные частоты диапазона: от до .

Ø Схема и конструктивные параметры контура, рассчитанные в п.2.1.

Ø Входная емкость приемника .

Ø Выбранное значение коэффициента расширения полосы пропускания (коэффициент ухудшения избирательности):

.

Расчет входного устройства состоит из трех этапов:

- определение элементов связи контура с АП1;

- определение элементов связи контура с антенной;

- расчет параметров спроектированного входного устройства при выбранных рабочих частотах.

2.3.2. Определение элементов связи контура с АП1

Расчет начинают с определения допустимого значения коэффициента включения в наихудших условиях. При трансформаторной связи его определяют на .

Рассчитываем допустимые значения исходя из условий:

- получения максимального коэффициента передачи при заданном расширении полосы:

,

- смещения частоты настройки входного контура не более чем на половину полосы пропускания

.

Из полученных значений выбираем наименьшее и обозначаем .

При трансформаторной связи определяем значение индуктивности связи:

,

где - коэффициент магнитной связи между катушками; его принимают равным 0.2…0.6 в зависимости от типа намотки и взаимного расположения катушек.

.

Значение в диапазоне частот остается постоянным.

2.3.3. Определение элементов связи контура с антенной при

Определяем элементы связи контура с антенной при , т.к. по заданию антенна настроенная.

При внешнеемкостной связи с антенной, исходя из заданного расширения полосы, рассчитывают значение активной проводимости , подключающейся параллельно контуру.

.

, где

.

Значение в диапазоне частот можно считать равным единице.

2.3.4. Расчет результирующих характеристик одноконтурного входного устройства

Расчет производим на трех частотах диапазона.

Рассчитаем модуль полного сопротивления антенной цепи и активную составляющую проводимости антенной цепи , включенную параллельно контуру:

При :

.

Рассчитываем следующие характеристики:

- проводимость эквивалентного контура:

- коэффициент расширения полосы пропускания (коэффициент ухудшения избирательности):

.

- добротность эквивалентного контура:

.

- проводимость эквивалентного генератора:

.

- полосу пропускания входного устройства:

.

- резонансный коэффициент передачи входного устройства:

При :

-

- .

Рассчитываем следующие характеристики:

- проводимость эквивалентного контура:

См

- коэффициент расширения полосы пропускания (коэффициент ухудшения избирательности):

.

- добротность эквивалентного контура:

.

- проводимость эквивалентного генератора:

.

- полосу пропускания входного устройства:

.

- резонансный коэффициент передачи входного устройства:

.

При :

-

- .

Рассчитываем следующие характеристики:

- проводимость эквивалентного контура:

См

- коэффициент расширения полосы пропускания (коэффициент ухудшения избирательности):

.

- добротность эквивалентного контура:

.

- проводимость эквивалентного генератора:

.

- полосу пропускания входного устройства:

.

- резонансный коэффициент передачи входного устройства:

.

Результаты расчета сведены в таблицу:

	Параметры
		0.136	1.801*10-5	2.863*10-5	1.59
		0.136	2.811*10-5	3.292*10-5	1.171
		0.136	2.25*10-5	2.958*10-5	1.315
	Параметры
	81.761	1.5*10-3	524*103	3.861
	111.012	1.731*10-3	247.2*103	2.151
	98.886	1.551*10-3	346.7*103	2.991

Неравномерность коэффициента передачи в пределах диапазона:

.

3. Расчет коэффициента нелинейности и напряжения шума АП1

3.1. Цели проектирования

В ТЗ требования по двухсигнальной избирательности заданы нормой на коэффициент интермодуляции 3-го порядка.

вызванный двумя помехами с амплитудами U_п1 и U_п2 и отстройками и . В общем случае K_им могут быть рассчитаны по следующим выражениям:

, где U_п1 – амплитуда помехи, ближе расположенной к частоте сигнала. Подбор транзистора АП1 и режима его работы с требуемым значением параметра нелинейности (ПНЛ) приводит к вариациям входной проводимости УРЧ g_вх а это, в свою очередь, к изменению коэффициента передачи входного устройства и чувствительности приёмника. В силу этого проектирование преселектора необходимо производить методом последовательного приближения.

3.2. Порядок проектирования

1блок. Выбор транзистора и начального режима его работы: начальных значений постоянной составляющей тока I_0нач, проводимости прямой передачи g₂₁₀, входной проводимости g₁₁, входной ёмкости С₁₁, оптимальной проводимости источника сигнала g_гопт, коэффициента шума АП1 K_шАП.

2блок. Расчёт параметров входного устройства при выбранном режиме работы АП1.

В результате расчёта должны быть получены значения следующих величин, необходимых для дальнейшего проектирования:

· минимальное и максимальное значения коэффициента передачи входного устройства (K_0вхмин и K_{0вхмакс}) в пределах рассчитываемого поддиапазона.

· значение добротности Q_кэ и полосы пропускания на частотах настройки, соответствующих K_0вхмин и K_{0вхмакс}.

3блок. Проверка требований по двухсигнальной избирательности. Рассчитываем напряжения сигнала и помех на входе АП1 при настройке на f_0вх = f_макс:

где - ослабление i-ой помехи в одноконтурном входном устройстве при заданной отстройке . Значение обобщённой расстройки рассчитывается по выражению

Для определения параметра нелинейности необходимо рассчитать g₂₁₀*R, где g₂₁₀ значение проводимости прямой передачи(крутизны) в исходной рабочей точке, R – суммарное сопротивление в цепи эмиттера или истока транзистора, обуславливающее отрицательную обратную связь по переменному току.

Параметры α, r_б’, r_и’ берутся из справочных данных на транзистор. При их отсутствии принимаются средние значения α=0.97, r_б’ = r_и’ = 50 Ом.

Значение g₂₁₀ для биполярного транзистора принимается равным g₂₁₀ = 30* I₀, где I₀ – постоянная составляющая тока транзистора в исходном режиме.

4блок. Пересчёт параметров транзистора при изменении режима или введении резистора обратной связи.

При изменении режима по постоянному току в первом приближении можно считать, что изменяется только проводимость прямой передачи. Её новое значение определяется пропорциональным пересчётом:

для БТ: g₂₁₀ = g_210нач*(I₀/I_0нач), где g_210нач – значение параметра в начальном режиме (при I_0нач).

При введении резистора обратной связи заметно изменяются также входная и выходная проводимости. Новые значения параметров АП1:

= g₂₁ = g₂₁₀/F, g_вх = g₁₁₀/F, g_вых = g₂₂₀/F, где F = 1 + g₂₁₀*R – глубина ООС, индекс «0» имеют параметры при отсутствии обратной связи.

Коррекцию параметров АП1 рекомендуется начать с введения резистора в эмиттерную цепь. Если при этом становится меньше 3…5 мСм, следует изменить режим по постоянному току.

Рассчитываем новое значение g_гопт = (3…10)g_вх и повторяем расчёт входного устройства.

5блок. Расчёт напряжения шума АП1.

При rэ < r’_б используем справочные данные K_шмин и g_гопт и определяем K_шАП1 в реальной схеме:

, где g_г – эквивалентная проводимость генератора, известная из расчёта входного устройства.

Рассчитываем квадрат суммарного напряжения шума на входе АП1, создаваемого транзистором и проводимостью g_г:

, где k = 1.38*10^-23 Дж/К, T₀ = 293 К, - полоса пропускания тракта ПЧ приёмника.

Рассчитываем получившееся значение U_швх1 = .

3.3. Расчёт

Использовав при проектировании метод последовательного приближения и проведя несколько циклов расчётов получаем, что условия требования ТЗ по двухсигнальной избирательности и шумам АП1 будут выполнены при использовании транзистора КТ339, в эмиттерную цепь которого включён резистор ООС r_э = 145 Ом. Параметры транзистора КТ339 без учёта влияния r_э были приведены в пункте 1.8. Следовательно необходимо пересчитать параметры АП1 с учётом r_э.

4блок. Пересчёт параметров транзистора:

R = r_э + r’_б *(1 – α) = 145 + 30*(1 – 0.97) = 145.9 Ом,

g₂₁₀ = 30*I₀ = 30*2*10^-3 = 0.06 См,

g₂₁₀*R = 145.9*0.06 = 8.754,

F = 1 + g₂₁₀*R = 1 + 8.754= 9.754,

= g₂₁₀/F = 0.06 /9.754 = 6.151 мСм,

g_вх = g_110/F = 0.4/9.754= 0.041 мСм,

g_гопт = (3…10)*g₁₁ = 10*0.041*10^-3 = 0.41 мСм,

g_вых = g₂₂₀/F = 7.9*10^-6/9.754 = 0.809 мкСм.

Пересчитанные параметры транзистора были использованы при расчёте входного устройства. Режим работы транзистора по постоянному току был изменён(I₀ = 2 мА) для уменьшения глубины ООС и уменьшения напряжения шума транзистора.

2блок. Рассчитанные параметры входного устройства:

Результаты расчёта:

f_макс = 42.84 МГц,

K_0вх = 3.861,

Q_вх = 81.761,

=524 кГц.

3блок. Рассчитываем K_им2,1 на f_макс.

f_п1 = f_0макс + 450*10³ = 42.84*10⁶ + 0.45*10⁶ = 43.29 МГц,

f_п2 = f_0макс + 990*10³ = 42.84*10⁶ + 0.99*10⁶ = 43.83 МГц,

U_Ап1 = 30 мВ,

U_Ап2 = 33 мВ.

Стандартный испытательный сигнал U_ст = 1 мВ.

1/В².

На f_макс определяем напряжение сигнала и помех на входе АП1:

U_свх = U_ст*K_0вх=3.861 мВ,

U_п1вх = U_Ап1*K_0вх* = 30*10^-3*3.861*0.505 = 0.058 В,

U_п2вх = U_Ап2*K_0вх* = 33*10^-3*3.861*0.259 = 0.033 В,

0.9%.

5блок. Расчёт U_швх1:

U_швх1 = В,

U_швх1 = >0.9 = В.

4. Расчет УРЧ и общих характеристик преселектора

4.1. Порядок расчета

Каскады УРЧ выполняют, как правило, на дискретных транзисторах. В УРЧ находят применение как биполярные (БТ), так и полевые (ПТ) транзисторы. Будем использовать схему на биполярном транзисторе, транзистор включен по схеме с общим эмиттером:

Рис. 4. Схема УРЧ на биполярном транзисторе.

Сигнал поступает на базу транзистора от контура входного устройства с коэффициентом включения . Проводимость, которую транзистор «видит» со стороны источника сигнала, – . Эти параметры известны из расчёта входного устройства. Колебательный контур в нагрузке транзистора выполнен по схеме колебательного контура входного устройства, перестраивается в том же диапазоне частот и имеет те же параметры , , , , . Эквивалентные параметры и связи колебательного контура с внешними цепями и будут определены при расчёте.

Исходными данными для расчёта являются также параметры транзистора в режиме, выбранном ранее при расчёте структурной схемы с учётом требований многосигнальной избирательности (с учётом сопротивления резистора , если он будет использоваться):

- модуль проводимости прямой передачи;

- проходная емкость транзистора;

- вещественная составляющая входной проводимости;

- составляющая выходной проводимости;

- входная емкость;

- выходная емкость;

- возможное отклонение от заданного значения;

возможное отклонение от заданного значения;

- значение постоянной составляющей тока транзистора.

Следующим каскадом является преобразователь частоты. Для расчёта УРЧ необходимы его параметры (параметры ИМС преобразователя частоты К174ПС1):

- вещественная составляющая входной проводимости;

- входная емкость;

- возможное отклонение от заданного значения;

- коэффициент шума.

В качестве , , принимаем соответствующие параметры ИМС преобразователя частоты.

Расчёт УРЧ состоит из расчёта характеристик каскада для усиливаемого сигнала (по переменному току) и расчёта элементов цепей питания (по постоянному току).

4.2. Расчет резонансного коэффициента усиления УРЧ и чувствительности приемника

Расчет производится на тех же частотах настройки, что и расчет входного устройства. Резонансный усилитель, работающий в диапазоне частот, имеет коэффициент усиления, зависящий от частоты настройки. В представленных схемах на верхней частоте диапазона имеет наибольшее значение. Влияние внешних цепей на параметры колебательного контура будет наибольшим также на верхней частоте, поэтому коэффициенты включения (трансформации) и выбирают, исходя из допустимого влияния внешних цепей на параметры колебательного контура, на максимальной частоте. В пределах рассчитываемого диапазона и от частоты не зависят.

Исходные данные:

;

;

;

;

.

Рассчитываем значение :

- из условия допустимого расширения полосы пропускания Значение D

выбираем равным 1.315:

,

- из условия допустимого влияния внутренней обратной связи на устойчивость работы УРЧ:

- из условия расстройки контура не более, чем на половину полосы пропускания за счет подключения к нему :

.

Из трех полученных значений выбираем меньшее , которое используем при дальнейших расчетах: .

Рассчитываем значение

- из условия допустимого расширения полосы пропускания:

,

- из условия допустимой расстройки контура:

.

Из двух значений выбираем меньшее , которое используем при дальнейших расчетах: .

Рассчитываем значения индуктивностей катушек связи:

где - коэффициент магнитной связи между катушками; при многослойной намотке.

,

.

Рассчитываем параметры УРЧ на частотах диапазона: Расчету подлежат:

- резонансная проводимость колебательного контура:

.

- резонансная проводимость эквивалентного контура:

,

при :

при :

при :

- эквивалентная добротность контура:

,

.

.

- полоса пропускания каскада:

,

.

.

.

- резонансный коэффициент усиления:

.

.

.

Результаты расчета сведены в таблицу:

27.44	28.11	33.78	108.19	253.6	1.218
34.29	22.5	28.16	103.85	330.2	1.461
42.84	18.01	23.67	98.89	433.2	1.738

Рассчитываем получающееся в результате значение чувствительности приемника при заданном в ТЗ отношении сигнал/шум на выходе. Рассчитываем квадрат напряжения шума, создаваемого преобразователем частоты на его входе:

, где

, ,

- коэффициент шума,

мСм -эквивалентная проводимость генератора.

Подставляя все известные данные, получим:

Рассчитываем значение - квадрат напряжения шума АП1, подведенного к входу приемника:

Суммарное напряжение шума на входе АП1:

.

Рассчитываем наихудшее в диапазоне (номинальное) значение чувствительности приемника, которое удалось получить в ходе расчётов:

, где

- наименьший в диапазоне коэффициент передачи входного устройства. Uа0>3мкВ.

4.3. Расчет элементов цепей питания

Исходной величиной для расчета является значение постоянной составляющей тока. Можно считать Напряжение между коллектором и эмиттером - справочное данное, оно слабо влияет на параметры транзистора. Напряжение между базой и эмиттером можно принять равным 0.6 В (для маломощных транзисторов). - сопротивление резистора, оптимальное с точки зрения температурной стабильности. По таблице номинальных значений выбираем сопротивление резистора , включенного в схему, и рассчитываем:

;

.

Если Uк<Uп, в цепь питания правее Сбл включаем дополнительный резистор с сопротивлением Rдоп=(Uп-Uк)/I0=0.2 кОм

Задаемся значением тока делителя , : . Рассчитываем напряжение между базой и корпусом:

и значения сопротивлений:

;

.

Подбираем по таблице номинальных значений ближайшие к рассчитанным:

.

Определяем вещественную составляющую входной проводимости каскада УРЧ с учетом сопротивлений делителя:

;

.