проектирование передающего устройства

Для дальнейшего расчета следует выбрать транзистор. Поскольку в расчете не учитываются частотные свойства транзистора, то он должен удовлетворять требованию: fт >> fг.Этому требованию удовлетворяет транзистор КТ306Б. Его параметры: постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ=1 В; постоянный ток коллектора Iк=10 мА; обратный ток коллектора Iкб0=0,5 мкА; граничная частота коэффициента передачи тока fгр=500 МГц; выходная мощность биполярного транзистора Pвых=150 мВт; статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ β=40; постоянная времени коллекторного перехода τк =0,5 нс; барьерная емкость коллекторного перехода Cк=5 пФ; барьерная емкость эмиттерного перехода Cэ=4,5 пФ; барьерная ёмкость активной части коллектора: Cка = 0,2Cк = 1 пФ; сопротивление материала базы: rб = τк / Cка=0,5 кОм; максимально допустимый постоянный ток коллектора Iк доп=30 мА; – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uк доп=10. В; – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база Uкб0 доп=15 В; – максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база Uэб0 доп=4 В.– максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pк доп=150 мВт.Амплитуда импульса коллекторного тока находится из условия:Iкm≤(0,2…0,4)∙Ikmax,Iкm≤0,3∙30∙10−3,Iкm≤9 мА.Напряжение питания коллекторной цепи:Ек≤(0,2…0,5)∙Ukmax,Ек≤0,35∙10,Ек≤3,5 В.Пусть угол отсечки θ равен 75˚. Тогда коэффициенты Берга будут следующие:α0=0,269, α 1=0,455, γ0= 0,337, γ1=0,2.Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:Ik=α1(θ)∙Ikm=0,455∙0,009=4 мА.Амплитуда постоянной составляющей коллекторного тока:Ik0=α0(θ)∙Ikm=0,269∙0,009=0,002 А.Сопротивление базовой области:rб′=τк∙0,4/Ск=0,4∙0,5∙10−9/5∙10−12=250 Ом.Входное сопротивление:rвх=(rб′+0,026∙βIk0)∙/γ1(θ)=(250+0,026∙40/0,002)∙1/0,2=3850 Ом.Крутизна коллекторного тока:S0=β/rвх=40/3850=0,010 А/В.Амплитуда коллекторного напряжения:Uk=Ek∙√(1−γ1(θ))=3,5∙√(1−0,2)=3,131 В.Эквивалентное сопротивление нагрузки:Rэн=Uk/Ik=3,131/0,004=782,75 Ом.Коэффициент передачи цепи обратной связи:К=1/(Rэн∙S0∙γ1(θ))=1/(782,75∙0,010∙0,2)=0,639.Емкости резонансной системы:Х2=XZQ э ∙К/(1+К) =0,6391/(1+0,639)∙271=105,655,Х1=Х2/К=105,655/0,639=165,344,С2=1/ωZQ∙Х2=1/(25,12∙106∙105,655)=0,378 нФ,С3=1/ωZQ∙Х1=1/(25,12∙106∙ 165,344)= 0,241 нФ.Проводимости:Gэн=1/Rэн=1/782,75=12,776∙10−4 См,Gт=К2∙γ1(θ)/rвх=0,6392∙0,2/3850=21,212∙10−6См.Ненагруженная добротность резонансной системы определяется добротностью емкостей в ее составе: Q=104.Нагруженная добротность:Qн=К2∙ωZQ∙LZQ/ X22=0,6392∙25,12∙106∙0,079/105,6552=72,589.Сопротивление нагрузки:Rн=[(1−QнQ)∙Gэн−GТ]−1,Rн=[(1−72,589/104)∙12,776∙10−4−21,212∙10−6]−1=801,851 Ом.Выполним расчёт Ср, Сбл и Lбл:ХLбл=(50÷100)∙Rэн=75∙782,75=58,706 кОм,ХСбл=ХLбл/ 75=58,706∙103/75=782,75 кОм,ХСр=Rэн/75=782,75/75=10,437 Ом,Lбл=ХLбл2∙π∙fг=58,706∙103/(2∙π∙4,0005∙106)=2,337 мГн,Сбл=1/(2∙π∙fг∙ХСбл)=1/(2∙π∙4,0005∙106∙782,75∙103)=0,051 пФ,Ср=1/(2∙π∙fг∙ХСр)=1/(2∙π∙4,0005∙106∙10,437)=3,814 нФ.Эмиттерное сопротивление:Rэ=40/S0=40/0,010 =4 кОм.Постоянные токи базы и эмиттера:Iб0=Iк0/β=0,002/40=0,05 мА,Iэ0=Iб0+Iк0=0,05∙10−3+0,002=2,05 мА.Ток базового делителя напряжения:Iбдел=10∙Iб0=10∙0,05∙10−3=0,5 мА.Напряжение питания автогенератора:Еп=Ек+Iэ0∙Rэ=3,5+2,05∙10−3∙4000=11,7 В.Суммарное сопротивление делителя напряжения:RбΣ=R1+R2=Еп/Iбдел=11,7/0,5∙10−3=23,4 кОм.Сопротивление RбΣ из условия:RΣ=10 кОм.Сопротивления базового делителя:R2=(Е′+Iб0∙RΣ+Iэ0∙Rэ)∙RбΣЕп,R2=(0,7+0,05∙10−3∙10000+2,05∙10−3∙4000)∙23400/11,7=18,8 кОм,R1=RбΣ−R2=23,4−18,8=4,6 кОм.СопротивлениеRб:Rб=RΣ−R1∙R2/(R1+R2)=10000−4600∙18800∙ (4600+18800)=6,304 кОм.Постоянная времени цепи эмиттера: τэ=500 нс. Ёмкость в цепи эмиттера: Cэ=τэRэ=500∙10−94000=125 пФ.3.4 Расчёт фазового телеграфаФормирование сигналов фазовой телеграфии часто осуществляют на триггерах, работающих в счётном режиме – на частоте поднесущей получают колебания, отличающиеся по фазе 180°; колебания соответствующей фазы далее поступает на выход через ключи, управляемые дешифратором – в каждый такт открыт только один из ключей в соответствии с комбинацией телеграфных посылок в телеграфных каналах.Для построения фазового манипулятора требуется рассчитать автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты. Для этого был выбран кварцевый резонатор работающий на частоте 4,1943 МГц.Для автогенератора с частотой f1= 4,1943 МГц выберем кварцевый резонатор в корпусе HC – 49SMи определим его основные характеристики: Частота кварца: fZQ = 4,1943 МГц. Статическая ёмкость кварца: C0 = 7 пФ. Ёмкость кварца: CZQ = 18 пФ. Сопротивление кварца:rZQ = 50 Ом. Расчет автогенератора сводится к расчету резонансной системы и расчет режима работы и цепей питания транзистора в АГ. Расчет резонансной системы автогенератора. Циклическая частота кварцевого резонатора:ωZQ = 2 ∙ π ∙ fZQ = 2 ∙ π ∙ 4,1943 ∙ 106 = 26,354 ∙ 106 рад/с.Рассчитаем индуктивность кварца:LZQ = 1 /(4 ∙ π2 ∙ fZQ2 ∙ CZQ)= 1 /(4 ∙ π2 ∙ (4,1943 ∙ 106)2 ∙ 18 ∙ 10−15)= =79,9 мГн.Добротность кварца:QZQ = 2 ∙ π ∙ fZQ ∙ LZQ/ rZQ = 2 ∙ π ∙ 4,1943 ∙ 106 ∙ 0,0799/ 50 = 42160.Температурный коэффициент частоты (ТКЧ):Tкч = 0,2 · 10−6.Допустимая рассеиваемая мощность:Pкв доп = 100 мкВт.Зададимся частотой АГ, немного превышающей fкв:fг = 4,1948 МГц.Циклическая частота автогенератора:ωг = 2 ∙ π ∙ fг = 2 ∙ π ∙ 4,1948 ∙ 106 = 24,357 ∙ 106рад/с.В этом случае обобщенная расстройка генерируемых колебаний (отклонение fг от fZQ) составит:α =QZQ ∙ (fг−fZQ)/fZQ =(4,1948–4,1943)∙106∙ 4,216∙104/4,1943 ∙106=5,026.Обобщенная расстройка генератора α должна быть в пределах от 1 до 10, следовательно частота АГ выбрана правильно. Чем больше в указанных пределах выбрано α, тем проще выполняется условие самовозбуждения.Введем параметр затухания:δ=2∙π∙fZQ∙rZQ∙C0=2∙π∙4,1943∙106∙50∙7∙10−12=9,224∙10−3.При анализе и проектировании кварцевых АГ кварцевый резонатор удобно представить в виде последовательного соединения резистивного и реактивного двухполюсников, причем:ZZQэ=RZQэ+j∙XZQэ,RZQэ=rZQ[(1−αδ)2+δ2]=50/[(1−5,026∙9,224∙10−3)2+(9,224∙10−3)2]=54,97 Ом,XZQ=rZQ∙(α−δ−δα2)/[(1−αδ)2+δ2]=50∙(5,026−0,009224−(0,009224∙5,026)2)//[(1−5,026∙9,224∙10-3)2+(9,224∙10-3)2]=263 Ом,|ZZQ э|=268,683Ом.Расчет режима работы и цепей питания транзистора в АГ. Для дальнейшего расчета следует выбрать транзистор. Поскольку в расчете не учитываются частотные свойства транзистора, то он должен удовлетворять требованию: fт>>fг.Этому требованию удовлетворяет транзистор КТ306Б. Его параметры: постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ=1 В; постоянный ток коллектора Iк=10 мА; обратный ток коллектора Iкб0=0,5 мкА; граничная частота коэффициента передачи тока fгр=500 МГц; выходная мощность биполярного транзистора Pвых=150 мВт; статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ β=40; постоянная времени коллекторного перехода τк =0,5 нс; барьерная емкость коллекторного перехода Cк=5 пФ; барьерная емкость эмиттерного перехода Cэ=4,5 пФ; барьерная ёмкость активной части коллектора: Cка = 0,2Cк = 1 пФ; сопротивление материала базы: rб = τк / Cка=0,5 кОм.– максимально допустимый постоянный ток коллектора Iк доп=30 мА; – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uк доп=10 В; – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база Uкб0 доп=15 В; – максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база Uэб0 доп=4 В; – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pк доп=150 мВт.Амплитуда импульса коллекторного тока находится из условия:Iкm≤(0,2…0,4)∙Ikmax,Iкm≤0,3∙30∙10−3,Iкm≤9 мА.Напряжение питания коллекторной цепи:Ек≤(0,2…0,5)∙Ukmax,Ек≤0,35∙10,Ек≤3,5 В.Пусть угол отсечки θ равен 75˚. Тогда коэффициенты Берга будут следующие:α0=0,269, α 1=0,455, γ0= 0,337, γ1=0,2.Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:Ik=α1(θ)∙Ikm=0,455∙0,009=4 мА.Амплитуда постоянной составляющей коллекторного тока:Ik0=α0(θ)∙Ikm=0,269∙0,009=0,002 А.Сопротивление базовой области:rб′=τк∙0,4/Ск=0,4∙0,5∙10−9/5∙10−12=250 Ом.Входное сопротивление:rвх=(rб′+0,026∙βIk0)∙/γ1(θ)=(250+0,026∙40/0,002)∙1/0,2=3850 Ом.Крутизна коллекторного тока:S0=β/rвх=40/3850=0,010 А/В.Амплитуда коллекторного напряжения:Uk=Ek∙√(1−γ1(θ))=3,5∙√(1−0,2)=3,131 В.Эквивалентное сопротивление нагрузки:Rэн=Uk/Ik=3,13/0,004095=764,468 Ом.Коэффициент передачи цепи обратной связи:К=1/(Rэн∙S0∙γ1(θ))=1/(764,468 ∙0,010∙0,2)=0,63.Емкости резонансной системы:Х2=XZQ э ∙К/(1+К) =0,3597/(1+0,3597)∙263=101,6,Х1=Х2/К=101,6/0,63=161,397,С2=1/ωZQ∙Х2=1/(26,354∙106∙101,6)=37 ,35 нФ,С1=1/ωZQ∙Х1=1/(26,354∙106∙ 161,397)= 23,51 нФ.Проводимости:Gэн=1/Rэн=1/764,468=1,308 мСм,Gт=К2∙γ1(θ)/rвх=0,6392∙0,2/3850=2,059∙10−5См.Ненагруженная добротность резонансной системы определяется добротностью емкостей в ее составе: Q=104.Нагруженная добротность:Qн=К2∙ωZQ∙LZQ/ X22=0,632∙26,354∙106∙0,0799/101,62=80,836.Сопротивление нагрузки:Rн=[(1−QнQ)∙Gэн−GТ]−1,Rн=[(1−80,836/104)∙1,308∙10−3−2,059∙10−5]−1=783,12 Ом.Выполним расчёт Ср, Сбл и Lбл:ХLбл=(50÷100)∙Rэн=75∙764,468=57,34 кОм,ХСбл=ХLбл/ 75=57,34∙103/75=764,46 кОм,ХСр=Rэн/75=764,468/75=10,193Ом,Lбл=ХLбл2∙π∙fг=57,34∙103/(2∙π∙4,1948∙106)=2,175мГн,Сбл=1/(2∙π∙fг∙ХСбл)=1/(2∙π∙4,1948∙106∙764,46)=4,963 ∙10-11пФ,Ср=1/(2∙π∙fг∙ХСр)=1/(2∙π∙4,1948∙106∙10,193)=3,722нФ.Эмиттерное сопротивление:Rэ=40/S0=40/0,010 =4 кОмПостоянные токи базы и эмиттера:Iб0=Iк0/β=2.421∙10−3/40=0,605 мкА,Iэ0=Iб0+Iк0=0,605∙10−6+2,421∙10−3=2,482 мА.Ток базового делителя напряжения:Iбдел=10∙Iб0=10∙0,605∙10−6=0,605 мА.Напряжение питания автогенератора:Еп=Ек+Iэ0∙Rэ=3,5+2,482∙10−3∙4000=13 В.Суммарное сопротивление делителя напряжения:RбΣ=R1+R2=Еп/Iбдел=13/0,605∙10−3=21,57 кОм.Сопротивление RбΣ из условия:RΣ=22 кОм.Сопротивления базового делителя:R2=(Е′+Iб0∙RΣ+Iэ0∙Rэ)∙RбΣЕп,R2=(0,7+0,605∙10−6∙22000+2,482∙10−3∙4000)∙21570/13=19,22 кОм,R1=RбΣ−R2=21,57−19,22=2,347 кОм.СопротивлениеRб: Rб=RΣ−R1∙R2/(R1+R2)=22−19,22∙2,347/(19,22+2,347)=19,91 кОм. Постоянная времени цепи эмиттера: τэ=500 нс. Ёмкость в цепи эмиттера: Cэ=τэRэ=500∙10−9/4000=129 пФ. После расчета автогенератора для манипулятора требуется рассчитать схему ключа, состоящую из двух электронных ключей, состоящих из комплементарных транзисторов.На рисунке 3.5 показан транзисторный ключ, выполненный на n-p-n транзисторе.Рисунок 3.5 – Принципиальная схема транзисторного ключаНа рисунке 3.6 – показан транзисторный ключ, выполненный на p-n-p транзисторе.Рисунок 3.6 – Транзисторный ключ на p-n-p транзистореРасчет элементов транзисторного ключа: Для ключей используется комплементарная пара транзисторов КТ3102А и КТ3107А. Амплитуда импульса коллекторного тока находится из условия:Амплитуда импульса коллекторного тока находится из условия:Iкm≤(0,2…0,4)∙Ikmax,Iкm≤0,3∙30∙10−3,Iкm≤9 мА.Напряжение питания коллекторной цепи:Ек≤(0,2…0,5)∙Ukmax,Ек≤0,35∙10,Ек≤3,5 В.Напряжение насыщения равно Uкэнас = 0.2 В. Ток коллектора в режиме насыщения примем равным Iкнас= 10 мА. Сопротивление резистора Rк равно:Rk=(Ek–Uкэнас)/Iкнас=(12-0.2)/10-2=1,18кОмТок базы определим по формуле:Iб=QIкнас/ β=2∙10-2/100=0,2мА,где Q– коэффициент насыщения.ЗаключениеВ курсовом проекте разработано радиопередающее устройство для передачи информации с помощью фазовой манипуляции. Структурная и функциональная схемы устройства содержат минимальное количество блоков. На основе функциональной схемы произведен расчет основных блоков передатчика. Для достижения необходимой мощности в антенне применяется усилитель, состоящий из четырех каскадов. На его выходе включается согласующая цепь, преобразующая реактивное сопротивление антенны в номинальное коллекторное сопротивление транзистора выходного каскада. Так как передатчик работает в диапазоне частот, а не на фиксированной частоте, цепь согласования содержит настроечную емкость и индуктивность. Управление этими элементами происходит при помощи устройства настройки. Расчет выходного каскада усилителя произведен с учетом КПД выходной цепи. При помощи номограммы, представленной на рисунке 2.4, выбраны модулируемая и поднесущие частоты таким образом, что в спектре выходного сигнала отсутствуют комбинационные составляющие выше седьмого порядка. Это позволило исключить из спектра выходного колебания комбинационные составляющие с уровнем ниже 60 дБ. Выходная цепь, состоящая из двух последовательных звеньев: одного П-образного и одного Г-образного, позволяет получить необходимую полосу пропускания и уровень подавления побочных составляющих, соответствующий техническому заданию. Для достижения требуемой стабильности частоты выходного сигнала, в передатчике опорным является кварцевый автогенератор. Таким образом, параметры разработанного в курсовом проекте радиопередающего устройства удовлетворяют всем требованиям технического задания.Список использованных источников1. Проектирование радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов / В.В.Шахгильдян, М.С.Шумилин, В.Б.Козырев и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. – 4-еизд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2000. – 656 с. 2. Расчет и проектирование транзисторных передатчиков: Учебное пособие / П.Г.Тамаров. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 76 с. 3. Расчет передатчика: Методические указания к курсовому проектированию / Г.В.Горелов, А.А.Волков. – М.: МИИТ, 1988. – 51 с. 4. Справочник полупроводниковых приборов / Под ред. Н.Н.Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. 5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М.Брежнева, Е.И.Гантман, Т.И.Давыдова и др. Под ред. Перельмана – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с. 6. Транзисторы: Справочник / О.П.Григорьев, В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, С.Л.Пожидаев. – М.: Радио и связь, 1989. – 272 с. 7. Справочник по полупроводниковым приборам / Е.А.Москатов. – Таганрог, 2008. – 219 с. 8. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / Б.А.Бородин, В.М.Ломакин, В.В.Мокряков и др.; Под ред. А.В.Голомедова. – М.: Радио и связь, 1985. – 560 с. 9. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учебное пособие для вузов / Г.М.Уткин, М.В.Благовещенский, В.П.Жуховицкая и др.; Под ред. Г. М. Уткина. – М.: Советское радио, 1979. – 320 с. 10. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков: Учебное пособие для вузов / М.С.Шумилин, В.Б.Козырев; Под ред. В.В.Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 1987. – 320 с.Рисунок4.1 – Структурная схема передатчикаРисунок4.2 – Функциональная схема передатчикаРисунок4.3 – Принципиальная схема передатчикаТаблица 4.1 Спецификация принципиальной схемы передатчикаОбозначениеНаименование и номиналыКоличествоС1Конд. керам. 120 пФ1С2Конд. керам. 390 пФ1С3Конд. керам. 240 пФ1С4Конд. керам. 180нФ1С5Конд. керам. 6,8нФ1С6,C7Конд. керам. 200 пФ2С8Конд. керам. 20 нФ1С9Перем. конденсатор.2 - 25нФ1С10Перем. конденсатор.30-45пФ1С11Перем. конденсатор.1–3 пФ1С12Перем. конденсатор.100-200пФ1L1Катушка индуктивности. 2,3 мГн1L2Катушка индуктивности. 0,38 мкГн1L3Катушка индуктивности. 120нГн1L4Катушка индуктивности. 2мкГн1L5Катушка перемен. индуктивности2,5-3,5мкГн1R1Резистор 4,6кОм1R2Резистор 18,8кОм1R3Резистор 6,3кOм1R4Резистор 4кОм1R5Резистор 6,3 Ом1R6Резистор 1,3 Ом1R7Резистор 1,11VT1,VT2Транзистор КТ306Б2ZQ1Кварцевый резонатор,HC-49S,4МГцРисунок 4.4 – Общий вид радиопередающего устройства(1 – вентиляционные отверстия; 2 – табло индикации значения несущей частоты; 3 – клавиши переключения несущей частоты; 4 – Вкл/откл электропитания.)