Учебное пособие 777

шумов и хорошая управляемость по частоте по сравнению с кварцевыми генераторами [9].

На основе проделанного анализа необходимо сделать выбор элементной базы основных функциональных узлов и всего устройства в целом.

Следует отметить, что составленная таким образом структурная схема разрабатываемого устройства является предварительной и в дальнейшем должна корректироваться и уточнятся.

Далее проводится выбор и обоснование принципиальных схем всех функциональных узлов, полученного устройства схемы, а также используемой элементной базы.

При выборе схемных решений отдельных узлов и усилительных каскадов следует обращать внимание не только на энергетические показатели (мощность в нагрузке и КПД), но и на качественные показатели (линейность модуляционных характеристик), технологичность (число регулированных элементов), эксплуатационную надёжность, простоту обслуживания и тип используемого источника питания.

Эти задачи часто являются противоречивыми. Прежде всего это касается обеспечения высокого КПД и требуемого уровня нелинейных искажений. Так, при разработке УПд с угловой модуляцией эта проблема решается просто, так как требования к нелинейным искажениям в этом случае невысокие, а усиление сигнала с постоянной амплитудой позволяет использовать энергетически выгодные режимы работы активных элементов (АЭ) (транзисторов).

При использовании радиосигнала с изменяющейся амплитудой, например, в случае однополосной и квадратурноамплитудной модуляции, требуется обеспечить малые нелинейные искажения. Эта задача решается прежде всего в возбудителе. Так для обеспечения малых нелинейных искажений (ниже -40 дБ при измерении двухтоновым методом) формирование радиосигнала осуществляется на малом уровне мощности (до одного милливатт).

19

В процессе выполнения расчётов определяются значения коэффициентов усиления каскадов усилителей. КПД согласующих цепей или их затухание, а также полосы пропускания и другое.

Расчёт структурной схемы УПд с изменяющейся амплитудой имеет некоторые особенности Поскольку для этого сигнала требуется высокая линейность тракта усиления РЧ, то необходимо, прежде всего, распределить нелинейные искажения по каскадам УМ. Исходный уровень искажений задаётся на выходе формирователя радиосигнала, определяемый методом получения сигнала и используемой элементной базой. При этом уровень искажений на выходе формирователя сигнала должен быть на -10...-15 дБ ниже уровня на выходе УПд. Далее нелинейные искажения распределяются по каскадам тракта РЧ по методике, изложенной в [6, 7].

Необходимо обратить особое внимание на тип выбранного транзистора оконечного каскада, поскольку для усиления ОМ и КАМ сигналов в схемах используются специальные транзисторы с нормируемым уровнем нелинейных искажений.

На основе проведённого расчёта составляется подробная структурная схема разрабатываемого устройства. В тексте РПЗ необходимо привести краткие сведения о назначении её каждой ступени, схемные особенности, тип выбранных АЭ.

По завершении расчётов необходимо дать оценку полученных результатов и сравнить с исходными данными. При существенном отличии полученных результатов от исходных данных необходимо ввести коррективы и проделать процедуру расчёта повторно.

21

4. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ

4.1. Общий подход к расчету электрических принципиальных схем

В процессе проектирования выполняется также и электрический расчёт каскадов УПд. При этом в проекте рассчитывается два или три каскада разработанной структурной схемы: опорного генератора, формирователей различных сигналов, усилителей мощности звуковых и радиочастот.

Целью электрического расчёта является определение амплитуд токов, напряжений, действующих во всех цепях функционального узла, уровней мощностей, генерируемых, трансформируемых и потребляемых в этих цепях, а также значений параметров радиосигнала на выходе функционального узла и элементов принципиальной схемы.

Расчёт производится по выбранной заранее методике либо традиционным способом по формулам, либо на ЭВМ с использованием специализированных или универсальных программ расчёта, входящих в различные САПР. Результаты расчетов не должны восприниматься формально, поскольку каждая цифра имеет физический смысл и должна быть технически обоснована.

Исходными величинами для электрического расчёта являются данные задания на проектирование и результаты расчёта структурной схемы. Однако в начале расчёта необходимо сделать уточнения и дополнения. Так, при расчёте каскада УМ необходимо уточнить его полную принципиальную схему, тип выбранного транзистора и его электрической модели, определить требуемое число параметров этой модели и их значения. После этого необходимо задать напряжённость режима работы транзистора и выбрать угол отсечки.

Методика расчёта каскада УМ и критерии для выбора мощного транзистора изложены в [6, 7].

22

При расчёте согласующих цепей необходимо обратить внимание на физическую реализуемость параметров их элементов, полученный и выбранный заранее КПД, достигнутый уровень ослабления побочных колебаний и его соответствие требованиям ГОСТ.

При расчёте выходных каскадов УМ необходимо обратить внимание на тепловой режим работы АЭ, обосновать метод охлаждения, а также указать меры защиты транзистора от возможных перегрузок по току, напряжению, рассеиваемой мощности, от рассогласования с антенной и воздействия внешней помехи (естественной, промышленной или преднамеренной).

Аналогичным образом осуществляется электрический расчет формирователей радиосигналов с различными видами модуляции [1, 5, 6, 7]. По результатам проведенного расчета определяются основные технические характеристики формирователей, строятся модуляционные характеристики.

Так для формирователя ЧМ определяются девиация частоты, коэффициент нелинейных искажений, сдвиг средней частоты.

4.2. Электрический расчет принципиальной схемы усилителя мощности

Усилитель мощности УПд должен обеспечить: заданную ВЧ мощность, высокий КПД, фильтрацию побочных гармоник и линейность модуляционных характеристик (для усилителей с КАМ).

Независимо от схемы усилителя, целесообразно придерживаться следующей последовательности выполнения расчетов: выбор типа транзистора, выбор угла отсечки, выбор электрической модели транзистора и определение эквивалентных параметров этой модели, расчет оптимального режима работы активного элемента, расчет согласующих цепей, расчет вспомогательных цепей.

23

Выбор типа транзистора осуществляется по верхней частоте рабочего диапазона передатчика и мощности в нагрузке. При этом мощные транзисторы целесообразно использовать по мощности не менее, чем на 40-50 % от максимального значения. Для схемы с общим эмиттером (ОЭ) нижняя рабочая частоте усилителя должна составлять не менее 2030 % от граничной частоты транзистора fТ, а его верхняя рабочая частота приблизительно равнялась оптимальной рабочей частоте f´, определенной экспериментально. Тип транзистора для каждого конкретного случая выбирается с использованием [6, 8].

Угол отсечки в оконечных каскадах выбирается из условия получения максимальных энергетических показателей. Оптимальным для этого случая является угол отсечки 70-90°. В маломощных каскадах необходимо обеспечить режим работы без отсечки для обеспечения минимума побочных гармоник.

При определении энергетических характеристик усилителя целесообразно выбрать аппроксимированную зарядовую, модель транзистора [6, 7. 8].

С использованием выбранной модели транзистора определяются её эквивалентные параметры, которые затем используются для определения оптимальных энергетических режимов.

Расчет оптимальных амплитуд токов и напряжений, действующих на электродах активного элемента, начинается с выбора режима работы по напряженности.

Воконечных каскадах радиопередающих устройств с ЧМ и ФМ применяются критический, ключевой и перенапряженный режимы. Обоснование по их использованию

вконкретных случаях приведено в [2, 4-8].

Впромежуточных каскадах передатчиков данного типа целесообразно использовать недонапряженный режим.

Воконечных и предварительных каскадах усиления радиопередающих устройств с КАМ оптимальным является недонапряженный режим [4, 6-8].

24

Расчет оптимального режима усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе, может проводиться

сиспользованием следующих методик:

без учета инерционности транзистора;

с учетом его инерционных свойств только во входной цепи [4, 6].

Расчет согласующих цепей выполняется в такой последовательности. Вначале рассчитываются цепи согласования оконечного, затем предоконечного и т.д. каскадов.

В каждом каскаде определяются параметры выходной согласующей цепи, после этого входной.

Методика расчета УМ на полевых транзисторах приведена в [4, 6-8].

Расчетные соотношения для определения параметров и характеристик П-контура и методика его расчета изложена в [5-8]. В [6, 8] приведены также аналитические выражения для расчета согласующей цепи, выполненной в виде высокочастотного трансформатора.

Расчет режимов работы усилителя можно выполнить и с помощью ЭВМ. Для этой цели используются как стандартные программы, так и специально разработанные.

Расчет усилителя мощности в ключевом режиме приведен в [8].

Проектирование вспомогательных цепей сводится к выбору схем питания и расчету параметров этих схем. Для питания цепи коллектора можно применить как последовательную, так и параллельную схему питания [6, 10], причем в транзисторных схемах УМ преимущество имеет параллельная схема питания.

Варианты схем подачи смещения приведены в [6, 7]. Там же приведены и расчетные соотношения.

25

4.3. Электрический расчет схем эталонного автогенератора

4.3.1. Расчет схем кварцевых автогенераторов

Целью электрического расчета является определение параметров колебательной системы АГ, режима работы транзисторов и параметров элементов цепей питания и смещения, при которых обеспечивается заданная частота генерируемых колебаний и наибольшая ее стабильность, а мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором (КР), не превышает допустимую.

Общая методика расчета принципиальных схем кварцевых АГ подробно изложена в [6], и включает:

выбор и обоснование схемы;

выбор КР и его параметров;

выбор типа транзистора и режима его работы;

энергетический расчет;

расчет параметров элементов колебательного контура;

расчет элементов цепей питания и смещения.

При выборе схемы кварцевого АГ во многих случаях необходимо обеспечить меры по устранению самовозбуждения вследствие влияния статической емкости С0. При этом с ростом частоты более целесообразно применять простейшие однокаскадные схемы.

Более конкретные соображения по выбору принципиальной схемы кварцевого АГ приведены в [9]. При этом на окончательный выбор схемы АГ могут оказать требования как к долговременной, так и кратковременной нестабильности частоты.

При выборе КР необходимо отдать предпочтение резонатору с наибольшей добротностью и наименьшим динамическим сопротивлением. Выполнение первого требования позволяет повысить стабильность частоты, а

26

второго – обеспечить условия самовозбуждения. Справочные параметры КР приведены в [6, 9].

Во многих случаях в схемах кварцевых АГ необходимо обеспечить и меры по устранению самовозбуждения вследствие влияния статической емкости С0. При этом с увеличением частоты целесообразно применять простейшие однокаскадные схемы.

Выбор транзистора кварцевых АГ осуществляется аналогично тому, как это делается в LС — автогенераторах. При этом чаще всего отдается предпочтение БТ как имеющих значительно большее значение крутизны.

4.3.2.Автогенераторы с использованием ПАВэлементов

Вдиапазоне метровых и дециметровых волн применяются генераторы с колебательными системами на поверхностных акустических волнах, использующие эффект возбуждения поверхностной акустической волны [6, 9]. Акустическая волна возбуждается на поверхности пьезоматериала в результате подачи электромагнитной волны на входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и распространяется в приповерхностном слое пластины. Эта волна приблизительно в 105 раза короче электромагнитной волны той же частоты. Прием и обратное преобразование упругой волны происходит в выходном встречноштыревом преобразователе. Нижний предел возбуждаемых волн определяется лишь размерами имеющихся кристаллов, а верхний – технологическими возможностями изготовления сверхминиатюрных элементов. Достижения современной физики и технологии ограничивают использование ПАВрезонаторов в диапазоне от 0,02 до 3 ГГц, где они могут конкурировать с другими видами генераторов.

Наибольшая стабильность частоты достигается при использовании ПАВ-резонаторов, которые делятся на одновходовые и двухвходовые [9]. Эквивалентная схема

27

одновходового ПАВ-резонатора практически совпадает со схемой кварцевого резонатора.

Двухвходовый резонатор аналогичен линии задержки. Поэтому схемы на двухвходовых ПАВ-резонаторах аналогичны схемам на линиях задержки. Используются также генераторы и на ПАВ-фильтрах.

ПАВ-генераторы по своим параметрам занимают промежуточное положение между LC — и кварцевыми генераторами и являются удачным к ним дополнением.

28