Расчет электрического режима выходной цепи транзистора

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ОГЛАВЛЕНИЕ. 2

ВВЕДЕНИЕ. 3

1 АНАЛИЗ ТЗ. 4

2 РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.. 4

3  РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.. 6

3.1 Расчёт оконечного каскада. 6

3.1.1 Расчет электрического режима выходной цепи транзистора. 7

3.1.2 Расчет электрического режима входной цепи транзистора. 8

3.1.3 Расчет выходной цепи согласования. 11

3.2 Расчет предоконечного каскада. 13

3.2.1 Расчет электрического режима выходной цепи транзистора. 14

3.2.2 Расчет электрического режима входной цепи транзистора. 15

3.2.3 Расчет межкаскадной цепи согласования. 18

3.2.4 Расчет входной цепи согласования. 19

3.3 Расчет режима молчания. 21

4 УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ. 22

5 РАСЧЕТ АВТОГЕНЕРАТОРА.. 26

5.1 Расчет электрического режима выходной цепи транзистора. 27

5.2 Расчет предельной частоты по току. 28

5.3 Расчет критического режима. 29

5.4 Расчет колебательной системы схемы Клаппа. 29

5.5 Расчет цепи смещения. 31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 33

Литература. 34

Приложение А.. 35

ВВЕДЕНИЕ

 

    Разработан передатчик ОВЧ диапазона с амплитудной модуляцией. Автогенератор работает на частоте 10 МГц, выходная частота передатчика составляет 150 МГц за счет введения в тракт передачи двух умножителей частоты. Выходная мощность передатчика составляет 50 Вт.

    Пояснительная записка состоит из трех основных разделов. Первый посвящен анализу технического задания. В нем сформулированы дополнительные требования к устройству, которые не были указаны в техническом задании.

В разделе анализа структурной схемы устройства на основе требований, сформулированных в анализе технического задания, построена структурная схема, описывающая взаимосвязь блоков, входящих в состав устройства, оговорены общие особенности их конструктивного исполнения.

    Третий раздел является основным и содержит в себе расчет основных каскадов передатчика. Он включает в себя расчет усилителя мощности, автогенератора и одного из умножителей частоты.

АНАЛИЗ ТЗ

В соответствии с техническим заданием, выходная мощность передатчика составляет 50 Вт. Выходная мощность автогенератора составляет десятки милливатт, следовательно, для получения на выходе передатчика заданной мощности потребуется несколько промежуточных усилителей мощности.

Средняя частота несущей передатчика является достаточно высокой (в соответствии с ТЗ f₀=150 МГц), и автогенератор на такую частоту рассчитать достаточно сложно. Таким образом, для реализации передатчика в соответствии с ТЗ потребуется введение дополнительных каскадов умножителей частоты.

 

РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

На основе анализа технического задания, построили структурную схему устройства.

АГ

БК

УЧ 1 N=3

УЧ 2 N=5

КПУ

ПОК

ОК

М

 

 

 

                                                                                S(t)

 

Рисунок 1 – Структурная схема радиопередатчика

Обозначение блоков на структурной схеме:

АГ – автогенератор;

М – модулятор;

УЧ – умножитель частоты;

КПУ – каскад предварительного усиления

ПОК – предоконечный каскад усилителя мощности

ОК - оконечный каскад усилителя мощности

Как видно из рисунка, колебания маломощного автогенератора последовательно усиливаются несколькими каскадами усиления и доводятся до заданной мощности.

Рассмотрим подробнее каждый из входящих в структурную схему блоков.

Автогенератор

В качестве активного элемента АГ использовали маломощный высокочастотный транзистор 2Т316Г. Схема автогенератора построена по схеме Клаппа. Будем рассчитывать автогенератор на частоту 10 МГц.

Умножители частоты

    Частота на выходе передатчика должна составлять 150 МГц. Чтобы достаточно снизить ее возьмем 2 умножителя частоты – с коэффициентами умножения 3 и 5,а значит на входе умножителя частоты частота будет составлять 10 МГц. Воспользуемся схемами умножителя частоты на транзисторах.

Усилитель мощности

Выходную мощность радиопередатчика формирует каскад усилителя мощности. В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы.

Выходная колебательная система

Этот каскад согласует выходное сопротивление оконечного каскада с сопротивлением фидера, а также фильтрует высшие гармоники в нагрузке. ВКС построена на основе простой П - цепочки.

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

 

  3.1 Расчёт оконечного каскада

Выходной каскад передатчика будем реализовывать по схеме транзисторного усилителя мощности. Безусловным достоинством транзисторов является устойчивость к механическим воздействиям и большой срок службы. Отсутствие цепи накала у транзисторов обуславливает их немедленную готовность к работе.

Рисунок 2 – Усилитель мощности

    В соответствии с ТЗ выходная мощность передатчика составляет 50 Вт при частоте 150 МГц. Этим требованиям удовлетворяет транзистор 2Т930Б (n-p-n).

Параметры транзистора 2Т930Б:

– статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

 – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ;

 – емкость коллекторного перехода;

 – емкость эмиттерного перехода;

 – постоянное напряжение коллектор-эмиттер допустимое;

 – постоянный максимально допустимый ток коллектора;

 – индуктивность базы;

 – индуктивность эмиттера;

 – постоянная времени цепи обратной связи;

 – постоянная максимально допустимая мощность рассеяния коллектора;

 – сопротивление насыщения

УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ.

 

Необходимо получить частоту 30 МГц из 10 МГц. Таким образом, коэффициент умножения .

 

Рисунок 5 – Схема умножителя частоты

 

В качестве активного элемента был выбран кремниевый эпитаксиально-планарный транзистор КТ610Б.

Параметры транзистора КТ610Б:

 – статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

 – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ;

 – емкость коллекторного перехода;

 – емкость эмиттерного перехода;

 – постоянное напряжение коллектор-эмиттер допустимое;

 – постоянное напряжение база-эмиттер допустимое;

 – максимально допустимый ток коллектора;

 – постоянная времени цепи обратной связи;

 – постоянная максимально допустимая мощность рассеяния коллектора;

 – крутизна транзистора в граничном режиме.

Для утроителя частоты оптимальным углом отсечки является:

Выбираем стандартное значение .

Максимальный ток коллектора:

Выходное напряжение:

Постоянная составляющая коллекторного тока:

Амплитуда тока второй гармоники:

Максимальный ток на коллекторе не превышает допустимое значение.

Потребляемая мощность:

Коэффициент полезного действия:

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора:

что не превышает постоянную максимальную допустимую мощность рассеяния коллектора

Сопротивление нагрузки:

 

Расчет выходной цепи согласования

 

Зададим значение добротности первого звена . Тогда величина промежуточного сопротивления равна:

Тогда:

Выберем .

Пробки

 

На схеме объединим компенсационные конденсаторы в один:

Так как рабочая частота равна 10Мгц, мы работаем в диапазоне СЧ

Крутизна характеристики на частоте 10 Мгц составляет:

Входное комплексное сопротивление транзистора:

Емкость разделительного конденсатора С_р выбирается из условия, что его сопротивление намного меньше сопротивления нагрузки:

Выберем .

 

 

РАСЧЕТ АВТОГЕНЕРАТОРА

 

 В качестве схемы низкочастотного автогенератора выберем схему Клаппа.

Рисунок 5  – Автогенератор

 

    В соответствии с ТЗ выходная частота составляет 150 МГц. Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ316Г (n-p-n).

Параметры транзистора КТ316Г:

– статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

 – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ;

 – емкость коллекторного перехода;

 – постоянное напряжение коллектор-эмиттер допустимое;

 – постоянный максимально допустимый ток коллектора;

 – постоянная времени цепи обратной связи;

 – постоянная максимально допустимая мощность рассеяния коллектора;

 – крутизна

Расчет критического режима

Входное напряжение:

Коэффициент обратной связи:

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

Расчет цепи смещения.

Рассчитаем величину эквивалентного сопротивления автосмещения:

Сопротивление смещения в цепи эмиттера:

Рассчитываем напряжение фиксированного смещения:

Рассчитываем напряжение питания генератора:

Берем .

Далее рассчитываем параметры делителя R₁, R₂:

Емкость шунтирующего конденсатора  выбирается из двух условий:

1) условия устранения отрицательной обратной связи по высокой частоте за счет сопротивления автосмещения:

2) условия отсутствия прерывистой генерации:

Выберем стандартное значение .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе работы были спроектированы основные узлы радиопередатчика с АМ – модуляцией, а именно: усилитель мощности, автогенератор, умножитель частоты. Посчитано примерное количество буферных каскадов, и заданы требования для их проектирования.

    Получили следующие результаты:

Усилитель мощности построен на транзисторе по схеме с ОЭ, имеет выходную мощность 50 Вт, к.п.д. равен 80%.

    Автогенератор построен по схеме Клаппа, имеет выходную мощность 10,46 мВт и рабочую частоту 10 МГц.

    Умножитель частоты обеспечивает частоту на выходе равную 30 МГц.

 

Литература

 

1. Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. Пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, И.А. Попов и др.; – М.: Радио и связь, 1984.

2. Воробьёв М.С. Устройства генерирования радиосигналов: Учебное пособие. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1998.

3. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах: Учебное пособие для вузов – М.: Высшая школа – 1989.

4. Чип и Дип – сайт для покупки приборов и электронных компонентов –

http://www.chipdip.ru/

 

 

Приложение А

Ведомость работы

	Формат	Обозначение	Наименование	Кол-во листов
			текстовые документы
1	A4	210700.2016.886 ПЗ КР	Пояснительная записка	25
2	A4	КТУР-410.01.07.02 Э3	Перечень элементов	1
			графические документы
3	А3	КТУР-410.01.07.01 Э1	Структурная схема	1
4	А3	КТУР-410.01.07.02 Э3	Усилитель мощности. Схема принципиальная электрическая	1
5	A3	КТУР-410.01.07.03 Э3	Умножитель частоты. Схема принципиальная электрическая	1
6	A3	КТУР-410.01.07.04 Э3	Автогенератор. Схема принципиальная электрическая	1

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ОГЛАВЛЕНИЕ. 2

ВВЕДЕНИЕ. 3

1 АНАЛИЗ ТЗ. 4

2 РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.. 4

3  РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.. 6

3.1 Расчёт оконечного каскада. 6

3.1.1 Расчет электрического режима выходной цепи транзистора. 7

3.1.2 Расчет электрического режима входной цепи транзистора. 8

3.1.3 Расчет выходной цепи согласования. 11

3.2 Расчет предоконечного каскада. 13

3.2.1 Расчет электрического режима выходной цепи транзистора. 14

3.2.2 Расчет электрического режима входной цепи транзистора. 15

3.2.3 Расчет межкаскадной цепи согласования. 18

3.2.4 Расчет входной цепи согласования. 19

3.3 Расчет режима молчания. 21

4 УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ. 22

5 РАСЧЕТ АВТОГЕНЕРАТОРА.. 26

5.1 Расчет электрического режима выходной цепи транзистора. 27

5.2 Расчет предельной частоты по току. 28

5.3 Расчет критического режима. 29

5.4 Расчет колебательной системы схемы Клаппа. 29

5.5 Расчет цепи смещения. 31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 33

Литература. 34

Приложение А.. 35

ВВЕДЕНИЕ

 

    Разработан передатчик ОВЧ диапазона с амплитудной модуляцией. Автогенератор работает на частоте 10 МГц, выходная частота передатчика составляет 150 МГц за счет введения в тракт передачи двух умножителей частоты. Выходная мощность передатчика составляет 50 Вт.

    Пояснительная записка состоит из трех основных разделов. Первый посвящен анализу технического задания. В нем сформулированы дополнительные требования к устройству, которые не были указаны в техническом задании.

В разделе анализа структурной схемы устройства на основе требований, сформулированных в анализе технического задания, построена структурная схема, описывающая взаимосвязь блоков, входящих в состав устройства, оговорены общие особенности их конструктивного исполнения.

    Третий раздел является основным и содержит в себе расчет основных каскадов передатчика. Он включает в себя расчет усилителя мощности, автогенератора и одного из умножителей частоты.

АНАЛИЗ ТЗ

В соответствии с техническим заданием, выходная мощность передатчика составляет 50 Вт. Выходная мощность автогенератора составляет десятки милливатт, следовательно, для получения на выходе передатчика заданной мощности потребуется несколько промежуточных усилителей мощности.

Средняя частота несущей передатчика является достаточно высокой (в соответствии с ТЗ f₀=150 МГц), и автогенератор на такую частоту рассчитать достаточно сложно. Таким образом, для реализации передатчика в соответствии с ТЗ потребуется введение дополнительных каскадов умножителей частоты.

 

РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

На основе анализа технического задания, построили структурную схему устройства.

АГ

БК

УЧ 1 N=3

УЧ 2 N=5

КПУ

ПОК

ОК

М

 

 

 

                                                                                S(t)

 

Рисунок 1 – Структурная схема радиопередатчика

Обозначение блоков на структурной схеме:

АГ – автогенератор;

М – модулятор;

УЧ – умножитель частоты;

КПУ – каскад предварительного усиления

ПОК – предоконечный каскад усилителя мощности

ОК - оконечный каскад усилителя мощности

Как видно из рисунка, колебания маломощного автогенератора последовательно усиливаются несколькими каскадами усиления и доводятся до заданной мощности.

Рассмотрим подробнее каждый из входящих в структурную схему блоков.

Автогенератор

В качестве активного элемента АГ использовали маломощный высокочастотный транзистор 2Т316Г. Схема автогенератора построена по схеме Клаппа. Будем рассчитывать автогенератор на частоту 10 МГц.

Умножители частоты

    Частота на выходе передатчика должна составлять 150 МГц. Чтобы достаточно снизить ее возьмем 2 умножителя частоты – с коэффициентами умножения 3 и 5,а значит на входе умножителя частоты частота будет составлять 10 МГц. Воспользуемся схемами умножителя частоты на транзисторах.

Усилитель мощности

Выходную мощность радиопередатчика формирует каскад усилителя мощности. В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы.

Выходная колебательная система

Этот каскад согласует выходное сопротивление оконечного каскада с сопротивлением фидера, а также фильтрует высшие гармоники в нагрузке. ВКС построена на основе простой П - цепочки.

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

 

  3.1 Расчёт оконечного каскада

Выходной каскад передатчика будем реализовывать по схеме транзисторного усилителя мощности. Безусловным достоинством транзисторов является устойчивость к механическим воздействиям и большой срок службы. Отсутствие цепи накала у транзисторов обуславливает их немедленную готовность к работе.

Рисунок 2 – Усилитель мощности

    В соответствии с ТЗ выходная мощность передатчика составляет 50 Вт при частоте 150 МГц. Этим требованиям удовлетворяет транзистор 2Т930Б (n-p-n).

Параметры транзистора 2Т930Б:

– статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

 – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ;

 – емкость коллекторного перехода;

 – емкость эмиттерного перехода;

 – постоянное напряжение коллектор-эмиттер допустимое;

 – постоянный максимально допустимый ток коллектора;

 – индуктивность базы;

 – индуктивность эмиттера;

 – постоянная времени цепи обратной связи;

 – постоянная максимально допустимая мощность рассеяния коллектора;

 – сопротивление насыщения

Расчет электрического режима выходной цепи транзистора

 

В оконечном каскаде будем использовать граничный (критический) режим работы транзистора. В нелинейном режиме угол отсечки выбираем

Крутизна транзистора в граничном режиме:

Определим напряжение питания, исходя из полного использования транзистора по напряжению:

Коэффициент использования напряжения в граничном режиме:

где  – коэффициент разложения Берга от угла отсечки, при θ = 90⁰ принимает значение 0,5.

Амплитуда напряжения первой гармоники на выходе транзистора:

Амплитуда тока первой гармоники:

Максимальный ток коллектора:

Постоянная составляющая коллекторного тока:

Постоянная составляющая коллекторного тока не превышает постоянный максимально допустимый ток коллектора .

Потребляемая мощность:

Коэффициент полезного действия:

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора:

что не превышает постоянную максимальную допустимую мощность рассеяния коллектора

Сопротивление нагрузки в граничном режиме: