Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра телевизионных устройств (ТУ)
Курсовая работа на тему:
Расчёт и конструирование АМ передатчика
2006
1. Введение
Главной целью данного курсового проекта является разработка АМ передатчика мощностью 30 Вт, с рабочей волной l=9 м (f=33.3 МГц). В связи с небольшой выходной мощностью передатчик реализован на транзисторах.
2. Разработка структурной схемы передатчика
Структурная схема АМ передатчика с базовой модуляцией состоит из следующих блоков: автогенератор (АГ) на частоту 16.67 МГц, эмиттерный повторитель (ЭП) для развязки АГ и умножителя частоты сигнала на (У), усилитель мощности колебаний (УМК), модулируемый каскад (МК) и колебательные системы: для согласования У и УМК КС1, УМК и МК – КС2, МК и фидера – выходная колебательная система.
Модуляция осуществляется в оконечном каскаде (ОК). Достоинством базовой модуляции является малые амплитуда напряжения и мощность модулятора, т.к. модуляция достигается путем изменения смещения на базе МК, что приводит к изменению угла отсечки и выходного тока в соответствии с НЧ модулирующим сигналом.
Число каскадов усиления мощности можно примерно определить по формуле N=ln Кs/ln K1=ln 3300/ln 20=3, где Ks=PА×(1+m)2/PвыхЭП= 30×(1+0.8)2/ /0.03=3300 – суммарный коэффициент усиления по мощности, K1=20 – средний коэффициент усиления по мощности одного каскада с учетом потерь в колебательных системах.
Структурная схема передатчика разработана при использовании [1,2] и приведена на РТФ КП.775277.001 Э1.
3. Расчёт оконечного каскада
Модуляцию смещением будем проводить в оконечном каскаде(ОК) передатчика.
В ТЗ задана мощность передатчика в антенне в режиме несущей PA=1 Вт, рассчитаем максимальную мощность первой гармоники непосредственно на выходе оконечного каскада P1max:
Pmax=PA×(1+m)2/(hф×hк)=4.96 Вт. (3.1)
где: hф=0.85 - КПД фидера;
hк=0.95 – КПД выходной колебательной системы (ВКС);
m = 1 – максимальный коэффициент модуляции.
Выбор транзистора ОК производим по следующим определяющим факторам:
- выходная мощность транзистора Pвых ³ P1max;
- частота, на которой модуль коэффициента передачи транзистора по току в схеме с ОЭ равен 1, fт=(3¸5)×f=82.5¸137.5 МГц, где f=27.5 МГц, несущая частота передатчика.
В соответствии с вышеперечисленными требованиями выбираем в качестве активного элемента (АЭ) ОК транзистор КТ940Б с параметрами:
- выходная мощность Pвых=5 > 4.95 Вт;
- fт=400 МГц;
- сопротивление насыщения rнас=20 Ом;
- максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер Uкэимп=36 В;
- максимальный постоянный ток коллектора Iкодоп=1 А;
- напряжение источника коллекторного питания Е`к=12 В;
- средний статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ bo=40;
- ёмкость коллекторного перехода Ск=75 пФ;
- ёмкость эмиттерного перехода Сэ=410 пФ;
- индуктивности выводов Lб=2.4 нГн, Lэ=1.2 нГн;
- сопротивление материала базы rб=1 Ом.
Произведём расчёт коллекторной цепи транзистора. Расчёт будем производить, исходя из максимальной мощности в критическом режиме Pmax.
По заданному в ТЗ источником выступает аккумулятор с напряжением 12 В, соответственно напряжение на коллекторе составит Ек=12 В, и максимальный угол отсечки qmax=120°, соответствующий коэффициенту модуляции m=0.8.
Рассчитываем амплитуду первой гармоники напряжения Uк1 на коллекторе:
11.34 В. (3.2)
Максимальное напряжение на коллекторе:
Uк.макс=Ек+1.2×Uк1кр=24.7 В£Uк.доп=36 В. (3.3)
Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:
Iк1=2×P1max/Uк1кр=0.76 А. (3.4)
Постоянная составляющая коллекторного тока:
0.57 А£ Iкодоп=20 А. (3.5)
Максимальный коллекторный ток:
Iк.макс=Iко/ao(q)=17.1£ Iкодоп=30 А. (3.6)
Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:
Pоmax=Eк×Iко=194 Вт. (3.7)
КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке:
h=P1max/Pоmax=0.62. (3.8)
Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора:
Pк.max=Pоmax-P1max=73.7 Вт. (3.9)
Значение Pк.max является исходным параметром для расчёта температуры в структуре транзистора и системы его охлаждения.
Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки:
Rэк.ном=Uк1кр/(2×P1max)=13.1 Ом. (3.10)
Произведём расчёт входной цепи транзистора.
Предполагается, что между базовым и эмиттерными выводами по РЧ включен резистор Rд, требуемый для устранения перекосов в импульсах коллекторного тока (см.рис.3.1).
Рисунок 3.1 – Включение резистора Rд
Rд=bo/(2×p×fт×Cэ)=45 Ом. (3.11)
На частотах f>3×fт/bо (33.3 МГц>13.3 МГц) в реальной схеме генератора Rд можно не ставить, однако, в последующих расчётах необходимо оставлять.
Амплитуда тока базы:
c=1+g1(q)×2×p×fт×Cк×Rэк.ном=2.02; (3.12)
3.86 А. (3.13)
Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:
Iбо=Iко/bо=0.154 А; (3.14)
Iэо=Iко+Iбо=7.1 А. (3.15)
Напряжение смещения на эмиттерном переходе:
0.04 Ом; (3.16)
2.37 В.(3.17)
где Еотс – напряжение отсечки, равное для кремниевых транзисторов 0.5¸0.7 В.
Рисунок 3.2 – Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора
Определяем значения LвхОЭ, rвхОЭ, RвхОЭ, CвхОЭ в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора (см.рис.3.2), принимая барьерную ёмкость активной части коллекторного перехода Ск.а=0.25×Ск:
LвхОЭ=Lб+Lэ/c=2.9 нГн; (3.18)
rвхОЭ=×[(1+g1(q)×2×p×fт×Ск.а×Rэк.ном)×rб+rэ+g1(q)×2×p×fт×Lэ]=
=1.03 Ом; (3.19)
RвхОЭ=×[rб+(1+g1(q)×bо)×rэ]-rвхОЭ+Rд×[1-g1(q)]=8.7 Ом; (3.20)
СвхОЭ=bо/(2×p×fт×RвхОЭ)=4.1 нФ. (3.21)
Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:
rвх=rвхОЭ+=1.184 Ом; (3.22)
Xвх=2×p×f×LвхОЭ-=-0.532 Ом. (3.23)
Рисунок 3.3 - Эквивалентные входные сопротивление и ёмкость транзистора
Эквивалентные входные сопротивление и ёмкость транзистора (см.рис.3.3):
Rвхэк=rвх+(Xвх/rвх)2=1.424 Ом; (3.24)
Свхэк==1.508 нФ. ............
