Проектирование радиопередающего устройства

Найдем постоянную составляющую напряжения эмиттерного перехода

 

U_эп = u_отс – γ₀ (π –θ) ∙ Q_y1 /C_э = 1 – 0.5 ∙ 12.73 ∙ 10^-9 / 2300 ∙ 10^-12 = -0.76 В,

 

где u_отс – напряжение отсечки,  γ₀ - коэффициент Берга, C_э – емкость эмиттерного перехода (справ.).

 

Определим минимальное  мгновенное напряжение на эмиттерном переходе

 

u_{э min} = u_отс – (1 – cos (π –θ) ) ∙ Q_y1 / C_э = 1 – 12.73 ∙ 10^-9 / 2300 ∙ 10^-12 = - 4.5 В.

 

Рассчитаем выходное сопротивление транзистора

 

R_k = U_k1 / I_k1 = 18.4 / 4 = 4.6 Ом.

 

Определим коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается входная емкость транзистора счет паразитной емкости коллекторного перехода

 

æ = 1 + γ₁ (θ) ∙ ω_гр∙ С_к ∙R_k = 1 + 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ 150 ∙ 10^-12 ∙ 4.6 = 1.217,

 

где С_к – емкость коллекторного перехода.

 

Найдем амплитуду первой гармоники тока базы с учетом тока через емкость С_к

 

I_б = ω ∙ Q_y1 ∙ æ = 2 ∙ π ∙ 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

 

R_З = 1 / ω_β ∙ C_э = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 10⁶ ∙ 2300 ∙ 10^-12 = 13.8 Ом,

 

где ω_β – частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ω_β находится по формуле           ω_β = ω_гр / B , где В – средний коэффициент усиления тока (15…30).

 

Определим мощность, рассеивающуюся на корректирующем сопротивлении

 

= 0.55 Вт.

 

Найдем входное сопротивление  транзистора

 

R_вх = γ₁ (θ) ∙ ω_гр∙ L_э / æ =  0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ 1 ∙ 10^-9 / 1.217 = 0.26 Ом,

 

где L_э – индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).

 

Определим мощность, обусловленную  прямым прохождением мощности в нагрузку через L_э и связанную с R_вх

 

P^’’_вх =I²_б1 ∙ R_вх / 2 = 2.43² ∙ 0.26 / 2 = 0.76 Вт.

 

Рассчитаем входную мощность, требуемую  для обеспечения заданной выходной мощности

 

P_вх = P^’_вх + P^’’_вх = 0.55 + 0.76 = 1.31 Вт.

 

Найдем коэффициент передачи по мощности усилителя

 

K_p = (P₁ + P^’’_вх) / P_вх = ( 36.8 + 0.76 ) / 1.31 = 28.7

 

Определим входную индуктивность  усилителя

 

L_вх = L_б + L_э / æ = 1 ∙ 10^-9 + 2 ∙ 10^-9 / 1.217 = 2.82 нГн,

 

где L_б – индуктивность базового вывода транзистора (справ.).

 

Рассчитаем входную  емкость усилителя

 

С_вх = æ ∙ С_э / γ₁ (π - θ) = 1.217 ∙ 2300 ∙ 10^-9 / 0.5 = 5.6 нФ.

 

Найдем усредненное за период колебаний  сопротивление коррекции R_пар

 

R_пар = R_З ∙ γ₁ (π - θ) = 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.

 

 

Рис. 6.

 

Емкость С_бл с индуктивностью L_бл и емкостью С_р образуют колебательный контур резонирующий на частоте меньшей рабочей частоты усилителя, что может привести к возбуждению колебаний. Чтобы исключить их применяют антипаразитный резистор R_ап и проектируют цепь питания как ФНЧ.

 

Определим блокировочную  индуктивность из условия 

 

ω_min ∙ L_бл >> R_k

 

L_бл >> R_k / ω_min = 4.6 / 2 ∙ π ∙ 25 ∙ 10^-6 = 29.3 ∙ 10^-9

 

L_бл = 10 мкГн.

 

Рассчитаем сопротивление  антипаразитного резистора из условия

 

R_ап << 0.1 ∙ R_k = 0.1 ∙ 4.6 = 0.46

Определим емкость блокировочного и разделительного конденсаторов

 

С_бл = С_р = L_бл / 2 ∙ R_ап = 10 ∙ 10^-6 / 2 ∙ 0.46 = 10.9 мкФ.

 

 

3.4  Расчет цепи смещения  усилителя мощности.

 

Выбор схемы цепи смещения.

 

Напряжение смещения биполярного транзистора в оптимальном режиме зависит от входного напряжения, а следовательно от входной мощности.

Обеспечить требуемое напряжение смещения с помощью фиксированного смещения нецелесообразно, поскольку  изменение входной мощности приведет к отклонению режима работы транзистора по постоянному току от оптимального.

Для стабилизации режима работы транзистора применяют комбинированное  смещение, при этом к базе транзистора  необходимо подвести  постоянное напряжение отсечки u_отс и обеспечить автосмещение U_авт = γ₀( π – θ) ∙ Q_y1 / C_э.

 

Рассчитаем требуемое сопротивление  автосмещения и элементов схемы  смещения

R_см =

,

так как θ = 90˚ формула  приимет вид

R_см = R_з =

,

где τ_β –постоянная времени на частоте ω_β (частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ω_β находится по формуле ω_β = ω_гр / B , где В – средний коэффициент усиления тока) и находится по формуле τ_β = 1 / ω_β = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 10⁶ = 31.8 нс.

   R_см = 13.8 Ом.

Применяя схему смещения, приведенную  на рисунке7,

необходимо чтобы выполнялись  условия:

E_п ∙ R2 / ( R1 + R2 ) = U_отс , R1 ∙ R2 /( R1 + R2 ) = R_см.

 

Эти условия выполняются при 

R1 = 278.6 Ом ≈ 280 Ом и R2 = 14.6 Ом ≈ 15Ом.

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ  НАГРУЗОЧНОЙ СИСТЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ  МОЩНОСТИ.

 

Назначение нагрузочной  системы – фильтрация высших гармоник и согласование транзистора с  нагрузкой. Для обеспечения фильтрации высших гармоник в усилителе мощности нагрузочная система настраивается на частоту первой гармоники сигнала. Настроенная в резонанс нагрузочная система обладает на частоте первой гармоники чисто активным входным сопротивлением. Согласование нагрузки заключается в том, чтобы , подключив нагрузочную систему к транзистору и к нагрузке, обеспечить оптимальное (критическое) сопротивление нагрузки транзистора R_к.при согласовании не должно нарушаться условие резонанса, должен обеспечиваться по возможности большой к.п.д. нагрузочной системы η_к, добротность нагрузочной системы должна оставаться достаточно высокой для сохранения хорошей фильтрации высших гармонических составляющих.

 

В усилителях мощности на транзисторах широкое применение получил  П – образный контур, схема которого изображена на рисунке 8.

 

 

Рис. 8.

 

На частоте сигнала f входное сопротивление П – контура должно быть чисто активным и равным требуемому критическому сопротивлению нагрузки транзистора R_к. таким образом П – контур на частоте сигнала f трансформирует активное сопротивление нагрузки R_н в активное входное сопротивление R_к.

 

1. Электрический расчет нагрузочной системы

 

Зададимся величиной волнового  сопротивления контура 

 

ρ = 2 ∙ π ∙ f ∙ L₀ = 250 – 500 Ом

 

ρ = 300 Ом.

 

Определяем индуктивность контура L₀

 

L₀ = ρ / 2 ∙ π ∙ f = 300 / 2 ∙ π ∙ 25 ∙10⁶ = 1.91 мкГн.

 

На частоте сигнала f  П – контур сводится к виду, изображенному на рисунке 9, причём  L, L₀, C₀ находятся в соотношении

 

2 ∙ π ∙ f ∙ L = 2 ∙ π ∙ f ∙ L₀ – 1 / 2 ∙ π ∙ f ∙ C₀.

 

Рис. 9.

 

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой

 

L >

= = 118∙ 10^-9 ≈ 120 нГн.

 

Определяем С₀

 

С₀=1 / (4 ∙ π ²∙ f² ∙ (L₀ – L)) =1 / (4 ∙ π ²∙ (25 ∙10⁶)² ∙(1.91∙10^-6 – 120∙10^-9))=22.6 пФ.

 

Определяем емкости С1 и С2

 

С1 = = = =

 

= 573 пФ.

 

С2 = = = =

 

= 352 пФ.

 

Рассчитываем внесенное в контур сопротивление

 

r_вн =

= = 4.12 Ом.

 

Определим добротность  нагруженного контура

 

Q_н = ρ / (r₀ +r_вн ),

 

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.

 

Q_н = ρ / (r₀ +r_вн ) = 300 / ( 1 + 4.12) = 58.6.

 

Найдем коэффициент  фильтрации П – контура

 

ф = Q_н ∙( n² –1 ) ∙ n = 58.6 ∙ ( 2² – 1) ∙2 = 351.6,

 

где n =2 для однотактной схемы усилителя.

 

Определим к.п.д. (ориентировочный) нагрузочной системы

 

η_к = r_вн / (r_вн + 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.

Рис. 10.

 

Номинальные значения элементов  входящих в контур:

 

С₀ = 22 пФ; С2 =360 пФ.

 

Учитывая, что выходная емкость транзистора С_к = 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 ∙ η_к / K_s = 36.8 ∙ 0.8 / 0.5 = 58.9 см²,

 

где K_s = (0,1 – 1) –  удельная тепловая нагрузка на 1 см² сечения катушки, [Вт/см²].

 

Определим длину l и диаметр D катушки

 

 см;

= 6.86 см.

 

Рассчитаем число витков контурной катушки

 

= 6.86 ≈ 7,

 

где L0 – индуктивность катушки в мкГн.

 

Определим диаметр провода катушки  d (мм)

 

I_к = U_k1 ∙2 ∙ π ∙ f ∙ C1 = 18.4 ∙2 ∙ π ∙25 ∙ 10⁶ ∙ 430 ∙ 10^-12 = 1.2 A;

d ≥ 0.18 ∙ I_к ∙

= 0.18 ∙ 1.2 ∙ = 0.48 мм ≈ 1 мм,

 

где U_k1 – амплитуда импульсов коллекторного напряжения; I_к – амплитуда контурного тока в амперах, f – рабочая частота в МГц.

 

Найдем собственное сопротивление  потерь контурной катушки на рабочей  частоте

r₀ =

1.25 Ом,

где      f – рабочая частота, МГц; d – диаметр провода, мм; D – диаметр катушки, мм.

 

Определим к.п.д. контура

 

η_к = r_вн / ( r₀ + r_вн ) = 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.