Расчёт структурной схемы РПдУ АМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский

технический университетим. А.Н. Туполева-КАИ»

(КНИТУ-КАИ)

Институт радиоэлектроники и телекомуникаций

(наименование института (факультета), филиала)

Кафедра радиоэлектронных и квантовых устройств

(наименование кафедры)

 

 

11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы

 (шифр и наименование направления подготовки (специальности))

 

 

Курсовая работа

 

       по дисциплине: « Устройства генерирования и формирования сигналов»

на тему: «АМ передатчик»

 

Обучающийся       5304 ____________   Кузнецов А.С

(номер группы)         (подпись, дата)(Ф.И.О.)

 

Руководитель старший преподавательГимадеееваЛ.А

                                         (должность)                                                 (Ф.И.О.)

 

 

Курсовая работа  зачтена с оценкой ________________

 

___________________

(подпись, дата)

 

 

Казань 2017

Содержание

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

1.Расчёт структурной схемы…………………………………………………......4

1.1 Выбор активного элемента оконечного каскада…………………………....4

1.2 Расчёт модулятора............................................................................................7

1.3 Выбор активного элемента предоконечного каскада..................................10

2. Расчёт усилителей мощности...........................................................................15

2.1 Усилитель мощности оконечного каскада....................................................15

2.2 Усилитель мощности предоконечного каскада.............................................26

3. Расчёт вспомогательных элементов схемы......................................................38

4.Структурная схема...............................................................................................40

Список литературы..................................................................................................41

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 РПдУ прежде, чем производить расчет каскадов, необходимо рассчитать структурную схему РПдУ.

В предлагаемых методических указаниях рассматривается многокаскадный ВЧ-тракт РПдУ на 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.

 

 

Расчёт структурной схемы РПдУ АМ

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):

 

Где Р_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,

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:

 

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:

 

=                                                                   

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

 

Для транзистора КТ927А:  

 

Используем =30(см. спр-к).         

 

 

Коэффициент усиления по току на рабочей частоте:                                              =                                           

                          

 

Проверим справедливость неравенства:

f _Т >f_раб> 3f _β

Для КТ927А 1.5 ∙10⁸>30 ∙10⁶> 3∙ 5∙ 10⁶

Условие выполняется, расчёт можно продолжать.

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

где

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

– крутизна критического режима.

 

Рассчитаем r _нас

   Для КТ927А в справочнике,

 

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

                            

                                                

Рассчитаем мощность ф. (1.33) при использовании транзистора КТ927А

 

Требуется 80.001

Транзистор КТ927А подходит.

Поскольку запас по мощности большой, уточним режим работы транзистора:

Уточним режим работы транзистора.

Напряжение на коллекторе в максимальном режиме:

 

 

 

Зададимся E_Кmax =53.2В 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.

 

При коллекторной модуляции мощность, потребляемая от источника питания:

 

=                                      

 

где - постоянная составляющая коллекторного тока в несущем режиме.

                                                                                    

- высота импульса коллекторного тока

m- из исходных данных.

 

Мощность модулятора:

Р_Ω [Вт]= 0,5∙m²∙P_0нес =

        

Нагрузкой модулятора будет сопротивление:

 

 =         

=

2.2. Определим коэффициент усиления по мощности:

 

 

                          

 

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:

 

                               

в общем случае определяется по формуле:

Далее производится расчет параметров выбранного транзистора

Входное сопротивление

 В справочнике имеется

= 2.65 Ом

 

КТ927А:                                                             

Для данного тр-ра

S _П – крутизна поэмиттерному переходу:

КТ927А:                                                             

 

 

 

I_K1 – ток первой гармоники коллекторного тока

 

 

I_Kmax – высота импульса коллекторного тока, выбирается в зависимости от требуемой мощности

t_П – температура перехода [^◦С] (см. справочник, предельные эксплуатационные данные) для выбранного транзистора t_П=200⁰С

2.3.2. Сопротивление эмиттера r _э рассчитывается по формуле:

 

2.3.3. L – индуктивность выводов, если нет данного параметра в справочнике, то

L~ (1…1,5) [ ] ∙ ℓ [мм],                                                  

 где ℓ– длина вывода, определяется из чертежа выбранного транзистора.

КТ827А:                                                             

L_Б =2.1нГн

L_Э =2.1нГн

                          

 

Входная мощность

Все параметры сведем в таблицу.

 

Ikmax, А	Екmax,В	Eк, В	КР	Pок, Вт	Pвх, Вт
6.07	53.2	28	4.78	80.001	16.737

 

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

 

Выбираем напряжение питания

Е_К – напряжение питания, выбирается из следующего выражения:

 

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

 В выражении 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=23В, I_Кmax=3.9А,

определим возможную мощность:

По заданию требуется Р_ОК=19.691 Вт, т.е. транзистор 2Т955 A подходит.

 

2.2. Определим коэффициент усиления по мощности:

 

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:

 

                               

в общем случае определяется по формуле:

 

Далее производится расчет параметров выбранного транзистора

Входное сопротивление

В справочнике имеется

Модуль сопротивления базы

 

 

С_К – емкость коллекторного перехода приводится в справочнике.

Т955А:                                                             

С_К[пФ]=60

 

 

S _П – крутизна поэмиттерному переходу:

Т955А:                                                             

 

I_K1 – ток первой гармоники коллекторного тока

 

I_Kmax – высота импульса коллекторного тока, выбирается в зависимости от требуемой мощности,

t_П – температура перехода [^◦С] (см. справочник, предельные эксплуатационные данные) для выбранного транзистора t_П=200⁰С

2.3.2. Сопротивление эмиттера r _э рассчитывается по формуле:

 

 

 

2.3.3. L – индуктивность выводов, если нет данного параметра в справочнике, то

L~ (1…1,5) [ ] ∙ ℓ [мм],                                                  

 где ℓ– длина вывода, определяется из чертежа выбранного транзистора.

Т955 A:                                                             

L_Б =2нГн

L_Э =2нГн

                          

 

Входная мощность

Все параметры сведем в таблицу.

 

 

Ikmax, А	Eк,В	КР	PПредОК,Вт	PвхПредОК,Вт
3.9	23	21,31	19,691	0,924

 

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

Расчет усилителя мощности

Расчет усилителя мощности оконечного каскада (УМ)

 

При расчёте УМ используют параметры транзистора из структурной схемы, определенные по методике (1).

1. Расчет коллекторной цепи транзистора.

1.1.  Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе U_{к кр} в критическом режиме:

угол отсечки 120⁰>θ_нч>80⁰  ,       

Е_к – напряжение питания берутся из расчета структурной схемы.

 

P₁– мощность 1-ой гармоники на коллекторе, рассчитываемого каскада (оконечного, предоконечного или промежуточного).

 

1.2. Максимальное напряжение на коллекторе.

 

1.3.  Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

 

1.4.  Постоянная составляющая коллекторного тока:

 

1.5.  Высота импульса коллекторного тока:                                  

, 

 

где -максимально допустимый коллекторный ток (приводится в справочнике)

6.063A 10 А

 

1.6.  Мощность, потребляемая от источника питания:

 

 

1.7.  Коэффициент полезного действия коллекторной цепи:

проверка:

 

1.8.  Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

- допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе (из справочника)

1.9.  Сопротивление коллекторной нагрузки:

R_экв. для мощных ВЧ-генераторов имеет малую величину и может составлять доли Ома, величина >100 (Ом) характерна для усилителей напряжения и маломощных УМ и НЧ-умножителей частоты.

 

2. Расчет базовой (входной) цепи транзисторного генератора по схеме ОЭ.

 

2.1.  Амплитуда первой гармоники базового тока:

где =38,73 –статический коэффициент усиления по току

или типовое значение для выбранного транзистора

h_{21э тип} = 30 (из справочника)

коэффициент усиления по току на рабочей частоте (из расчёта структурной схемы)

= 5

 

при правильном выборе транзистора

R_экв. известно из п. 1.9

С_к – емкость коллекторного перехода;

f_раб – рабочая частота усилителя мощности.

 

2.2.  Максимально возможная величина сопротивления на радиочастоте резистора, включенного между базовым и эмиттерным выводами транзистора:

                     при

RБК

Rдоп

                                                   

 

С_к – емкость коллекторного перехода.

 

Если R_БК< 500 [Ом], то R_БК применять не рекомендуется,

если R_БК> 500 [Ом], то необходимо проверить целесообразность подключения R_БК.

определим мощность рассеивания

Если условие

2.344 < 5.144

не выполняется, то R_БК не подключается.

При подключении R_БК проверяем:

Полученное значение должно удовлетворять условию:

2.3. Величина дополнительного резистора R_доп, задающего смещение Е_БЭ=Е_отс, т.е. θ=90⁰.

 

 

где Е_отс=Е′;

;

h_21э – коэффициент передачи по току на рабочей частоте h_21э=

;из расчёта структурной схемы

h_21эо – статистический коэффициент передачи по току, из расчёта структурной схемы

 

Если R_доп.< 1 (Ом), то вместо R_доп. в схему включают дроссель.

 

Uвх

 

2.4.Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе

1.126<3.5

 

2.5.

 

 

С_КА – активная (внутренняя) часть емкости коллекторного перехода

 

где С_К = С_КА + С_КП,

С_КП – пассивная (внешняя) часть емкости коллекторного перехода,

  ζ – зависит от технологии изготовления транзистора, данные приведены в таблице

 

 

транзистор	сплавной	сплавно-диффузионный	меза	планарный меза-планарный, эпитаксиально-планарный
ζ	1	2	3	3…4

 

 

 

 

Если R_вхоэ – отрицательное, то усилитель мощности будет работать неустойчиво, необходимо изменить режим УМ или ввести R_Экорр.

 

 

 

2.6. Входная мощность:

2.7. Коэффициент усиления по мощности:

3. Расчет согласующих цепей.

 

3.1. При расчете согласующей цепи (выходного каскада) необходимо определить коэффициент фильтрации, исходя из заданной выходной мощности в антенне Р_А и мощности второй гармоники Р₂= 25 мВт:

где n = 2 – номер гармоники

α₁, α_n – коэффициенты разложения последовательности косинусоидальных импульсов выходного тока.

;

Если коэффициент фильтрации задан в децибелах, то его надо пересчитать:

3.2. Полученный коэффициент фильтрации необходимо распределить между фильтром согласующей цепи выходного каскада Ф и антенным контуром Ф_А:

Для этого определим параметры антенного контура:

где n = 2 – номер гармоники.

Q – добротность антенного контура.

Определим добротность антенного контура, имеющего сопротивление:

где R_A– активное сопротивление антенны,

Х_А – реактивное сопротивление антенны.

при :

при :

Волновое сопротивление ρ выбираем равным:

- 50 [Ом] или 75 [Ом], если антенны подключаются к выходному каскаду с помощью коаксиального кабеля,

- или (200…400) [Ом] при подключении антенны с помощью двухпроводной линии.

 

3.3.Определим коэффициент фильтрации согласующей цепи выходного каскада:

3.4. Исходя из требуемого коэффициента Ф, рассчитаем параметры согласующей цепи. Рассмотрим два варианта согласующей цепи.

 

RА или Rвх

X1

ρ1

Q1 = Q2 = Q

Рис. 3.1,б

RА  или Rвх

XL

X1

X2

Рис. 3.1,а

Rэкв

ρ

Rэкв

X2

ρ2

X3

 

 

Исходным для расчета является выбор добротности колебательных контуров. Для одиночного П-контура    при n = 2, Q_кс = Ф/6=                            

для сдвоенного П-контура

     

                                                                                  

Для ОК-одиночный или сдвоенный П-контур в зависимости от расчёта; для ПредОК и Пром К только одиночный П-контур.Далее задаемся добротностью величиной более рассчитанного или значения, но менее пяти .

1<Q<5.                               

В дальнейших формулах подставляем величину добротности Q, которой задались для одиночного П-контура Q = 2.9 для сдвоенного – Q= 1.5.

 

 

Параметр контура	Значения параметра для П-контура
	одного	двух
Полоса пропускаемых частот
КПД системы контуров

 

где Q_x.x- добротность ненагруженного контура, Q_x.x= 100.

Прежде чем приступить к расчету параметров фильтра, необходимо убедиться также в том, что заданное сопротивление нагрузки (фидера или антенны) больше минимально допустимого:

 

для одного П-контура

или R_{ВХ след.каск.}>R_Нmin

 

для системы двух П-контуров

или R_{ВХ след.каск.}>R_Нmin

Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки берется из энергетического расчета усилителя мощности п.1.9.

Сначала рассчитываются параметры схемы (рис.3.1,а) по формулам.

 

 

.

Этапы расчета	Формулы для расчета схем
	Рис. 3.1,а	Рис. 3.1,б
1.
2.
3.
4.
5.
6.

 

Проверяем добротность для двухзвенного фильтра

Полученная Q_пров должна совпадать с выбранной добротностью Q (Q_пров ≈Q, Q= 1.5).

Элементы фильтров определяются по формулам:

 

Рассчитаем С₁

Рассчитаем С₂

Рассчитаем С₃

 

Рассчитаем L₁

 

Рассчитаем L₂

Рассчитав емкости фильтров, необходимо номиналы конденсаторов выбирать по стандартному ряду, учитывая паразитные емкости транзистора.

Для сдвоенного С_2конд = С₂ = 33 пФ

 где С_к – емкость коллекторного перехода,

С_{э.след.к} – входная емкость эмиттерного перехода следующего каскада.

Номиналы по ГОСТу соответственно: 56 пФ, 33 пФ, 47 пФ

 

 

C труктурная схема

 

 

Список литературы:

1. Л.А. Гимадеева «Расчет структурной схемы ВЧ-тракта радиопередающего         устройства: Методические указания».   

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

3. 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.

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

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

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

7. 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).

8. 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.   

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский

технический университетим. А.Н. Туполева-КАИ»

(КНИТУ-КАИ)

Институт радиоэлектроники и телекомуникаций

(наименование института (факультета), филиала)

Кафедра радиоэлектронных и квантовых устройств

(наименование кафедры)

 

 

11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы

 (шифр и наименование направления подготовки (специальности))

 

 

Курсовая работа

 

       по дисциплине: « Устройства