Данный генератор является LC-автогенератором, который обладает достаточно стабильной частотой генерации. Представленный автогенератор является аввтогенератором с мягким возбуждением колебаний, т.е. для его работы достаточно лишь включить источник питания.
Под действием различных дестабилизирующих факторов частота колебаний с течением времени изменяется сложным образом. Относительная стабильность данного АГ частоты Dw/w0 которого 10-2…10-3.
Энергия колебаний передаётся из выходной цепи транзистора в колебательную систему при условии, что управляющее током коллектора колебательное напряжение uБЭ (t) имеет определённый фазовый сдвиг относительно напряжения uкэ(t) между коллектором и эмиттером. Передача напряжения с выхода на вход обеспечивается цепью обратной связи. Чаще всего применяют схему с ёмкостной обратной связью.
В базовую или эмиттерную цепь транзистора включается корректирующая цепочка для устранения фазового сдвига между iк(t) и uу(t). Для реализации поставленной задачи будем использовать транзисторный автогенератор с ёмкостной обратной связью и дополнительной ёмкостью в индуктивной ветви (С3), которая необходима для развязки по постоянному току цепей питания и смещения.
Колебательная система образована в схеме элементами L,С1,С2,С3. Цепочка Rкор’ Скор’ - корректирующая, R см - сопротивление автосмещения, Сбл1 и Сбл2 - блокировочные ёмкости, Rбл- блокировочное сопротивление. Ссв обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки на выходных электродах транзистора и препятствует прохождению в нагрузку постоянного тока источника питания. Фиксированное смещение осуществляется путём подачи на базу транзистора части напряжения Епит через резисторный делитель R1 и R2.
Рис. 4
Вариант 3
Особенностью этого варианта является использование туннельного диода. Как видно на схеме отсутствует ёмкость контура, т.к. в качестве неё используется собственная ёмкость диода. Сопротивление rk – собственные активные потери контура. Данный автогенератор является АГ с внутренней обратной связью. Это связанно с особенностью вольтамперной характеристикой туннельного диода. Условие самовозбуждения этого генератора выполняется в весьма широком частотном диапозоне.
Рис. 5
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВАРИАНТА
Из предложенных вариантов я считаю что наиболее рациональым будет использование варианта№2. Хоть LC-генератор и не обладает такой высокой стабильностью как кварцевый он обладает достаточно низкой стоимостью, что тоже является немаловажным фактором, особенно при массовом монтаже.
Составление принципиальной схемы
В соответствии с заданием проектируемый автогенератор должен иметь буферный каскад. Буферные каскады используются для согласования параметров различных функциональных блоков в готовом устройстве. В качестве такого каскада я считаю целесообразным использовать эмитерный повторитель в силу его основных достоинств, а именно: высокое входное и низкое выходное сопротивление, повторение фазы входного сигнала на выходе, простота составления электрической схемы и её расчёта. Буферный каскад включается непосредственно после АГ и обеспечивает ему постоянную во времени нагрузку, Одновременно ослабляя влияние его на работу последующих каскадов.
Рис. 6
По заданию нам необходимо получить регулировку частоты автогенератора в заданных пределах. Этого можно добиться использованием специальных регулируемых конденсатров С1, С3 а также индуктивности L.
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Расчет автогенератора
Обычно расчёт автогенератора происходит в три стадии. Первая стадия заключается в расчете режима работы транзистора, т.е. его выборе и проверке стабильности его работы на заданной частоте. Вторая стадия заключается в электрическом расчете схемы. Третья стадия – энергетический расчёт, т.е. определение мощности генерируемых колебаний и мощностей в цепях генератора, а также определение КПД. Методики приведенных расчетов взяты из литературы [2,5,6].
Таким образом нам необходимо найти Rк, Есм, Р1 и КПД. Выберем транзистор, определим параметры корректирующей цепи и рассчитаем режим работы транзистора.
Для увеличения стабильности частоты в задающем АГ выбирают транзисторы малой мощности. Чтобы фазовый сдвиг между колебаниями ik(t),uб(t) можно было устранить с помощью корректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная частота которого больше, чем заданная частота колебаний fнес = 1,5 МГц. Выбираем транзистор малой мощности КТ 331Г-1 с граничной частотой fт = 400 МГц, со следующими паспортными данными:
· барьерные ёмкости коллекторного и эмиттерного переходов Ск = 5 пФ, Сэ = 8 пФ
· постоянная времени цепи внутренней обратной связи tос=120 пс
· допустимые напряжения и токи Uотс = 0.6 В, Uкб доп = 15 В, iк доп = 0,02 А, Uб доп = 3 В
· допустимая мощность Рдоп = 15мВт
· крутизна линии граничных режимов на выходных статических ВАХ транзистора Sгр = 20 мА/В
· коэффициент усиления тока В = 40.
fb = ft /В = 10 МГц; fa = ft + fb = 11,5 МГц. Активная часть коллекторной ёмкости Ска=2 пФ и сопротивление потерь в базе rб = tос/Ска= 60 Ом.
Rкор, Rз - сопротивления, корректирующие частотные свойства транзистора в открытом и закрытом состояниях. Rкор должно быть меньше Rз, от этого зависит эффективность применения корректирующих цепей , иначе следует выбрать другой транзистор.
Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией Sк = 1/R/кор = 1/10 = 0,1 А/В. Чтобы мгновенные значения напряжения и тока коллектора не превышали допустимых значений uК ДОП и iК ДОП, выбираем ik max = 0,8ik доп = 0,8×20 = 16 мА; ik max - максимальное значение импульса коллекторного тока;
Величина kос=Uкбэ/Uк1 отражает относительное шунтирующее влияние на резонатор входной и выходной проводимостей транзистора. Наибольшая стабильность частоты в транзисторном АГ получается при kос=1…3. Примем kос=1.
При выборе угла отсечки следует учесть необходимый запас по самовозбуждению Skос=(3…5)GК, а также условие баланса активных мощностей СК(w) = -GА(UА1); êGА ê= êG0 êg1(q) - из этих трёх условий следует, что в стационарном режиме колебаний g1(q) » 0.2…0.3. выбираемq = 600.
Тогда a0=0,218, a1=0,391, g0=0,109, Cos q = 0,5.
Рассчитаем основные параметры генератора:
Ik1 = a1ik max = 0,391×16 = 6,3 мА; Ik0 = a0ik max = 0,218×16 = 3,5мА, IК1,IК0 - амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока.
Uкб1,Uк1 - амплитуды первой гармоники напряжения на базе и коллекторе транзистора с коррекцией.
Rк- сопротивление нагрузки транзистора.
P1 = 0.5IK1U K1 = 0,5 × 6,3 мА × 0,32 В = 1,01 мВт ;
Po = IK0UK0 =3,5 мА × 4,5 В=15,75 мВт
Ppac = Po-P1= 15,75 - 1,01 = 14,74 мВт < P доп = 15 мВт
Р1,Р0,Ррас - колебательная, потребляемая и рассеиваемая в транзисторе мощности.
h = P1/Po = 0,064 = 6,4%- электронный КПД;
Есм = Uост - Ukб1cos q = 0,6 - 0,32×0,5 = 0,44 В,
где Uотс - напряжение отсечки на переходной ВАХ транзистора.
÷Есм- Uкб1÷ < 3 В;
e = Uk1/Uk0 » 0,07; eгр=1- [ik max /(SгрUk0)] = 0,82 ,
где e - напряжённость режима, eгр- напряжённость граничного режима
e < 0,5eгр - условие получения недонапряжённого режима при относительно слабой зависимости барьерной ёмкости Ск от Uк для увеличения стабильности частоты.
На частоте 1,5 МГц оптимальным значением индуктивности контура будет L=10 мкГн с добротностью 125. Считаем, что Q0 » QL, так как потери в индуктивности намного больше потерь в ёмкости. Вычислим параметры элементов резонатора.
r =wрL = 6,28 ×1,5×10 = 94,2 (Ом)
Сå=1/w2рL=1/(4×1,52×108)=1,11 (нФ);
Rр= rQ0 = 94,2 ×125=11775 (Ом);
= 0,0042462
СI2=Cå/р=1,11 Ф/0.0042462 = 26 нФ;
С1 = СI2 / kос =25 нФ;
С3 = (1/Сå-1/С1-1/СI2)-1 =(1/1,11 - 1/25 - 1/25)-1= 1,21 пФ;
Где Сå - суммарная ёмкость контура; р - коэффициент включения контура в выходную цепь транзистора; Rр - резонансное сопротивление контура при его полном включении; r - характеристическое сопротивление.
Чтобы сопротивление нагрузки RIН, пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротности контура, примем RIН » 3Rk » 150 Ом. Добротность последовательной цепочки СсвRн
Отсюда ёмкость связи Ссв=1/wRНQ = 20,7 пФ
СIСВ = ССВ/(1+1/Q2) = 20,7 пФ/(1+1/0,8464) = 45,15 пФ;
C2=CI2-CIСВ = 1300 пФ – 45,15 пФ = 1254,85 пФ
Проверка:
-
условие должно выполняться для исключения шунтирования сопротивлениями R1,R2 колебательный контур.
Rсм =3Rист/В= 125 Ом
R1 = RистЕПИТ /Uб = 1668×9 /1.027=15 кОм
R2 = R1Uб /(ЕП -Uб) = 15 кОм ×1.027 /(9 - 1.027 )=1.93 кОм
СБЛ 2 = 10 /wрRСМ =1350 пФ
RБЛ = 5RК = 250 Ом.
Выбираем 1/wрСБЛ 1 = 1 Ом, тогда СБЛ 1 = 20 нФ
СБЛ,RБЛ- блокировочные элементы. Сопротивление ёмкости СБЛ на wр должно быть по возможности малым, много меньше внутреннего сопротивления источника питания.
Расчет эмитерного повторителя
В схеме используется транзистор ГТ308А, параметры которого следующие:
предельная частота fT = 120МГц
коэффициент усиления по току b0=40, db=0.4,
сопротивление базы rб=50 Ом,
СЭ=22 пФ,
мощность рассеяния РКД = 0.1 Вт (при Т = 70о),
напряжение uКБ = 28 В,
напряжение uЭБ = 3 В,
iКД = 120 мА,
Uбэ0 = 0,45 В.
Iэ0 = 5×10-4 А,
Iб = 10-3 А.
По второму закону Кирхгофа: E = Riб0 + Rн + Uбэ0. Uбэ0 = 0,45 В. Iэ0 = 10-4 А. При нагрузке Rн = 1кОм последними двумя составляющими в уравнении можно пренебречь. Тогда R = E/Iб0 = 9/(120×10-6) = 75кОм. Разделительная ёмкость на входе ЭП рассчитывается исходя из того, что на самой низкой частоте сопротивление 1/(wCp) должно быть меньше входного сопротивления RВХ. Практически достаточно такого условия: 1/(wCp) £ 0,1 RВХ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения были освоены основные этапы проектирования каналообразующих устройств в системах автоматики телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. Также были повышены навыки по схемотехническому расчету и электронным устройствам.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.- М.: Высш. школа, 1989.
2. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для ВУЗов /под ред. Уткина.- М.: Радио и связь, 1994.
3. Радиосвязь на железнодорожном транспорте: Учебник для ВУЗов/под ред. П.Н. Рамлау М.: Транспорт, 1983.
4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для ВУЗов, М.: Радио и связь, 1986.
5. Бодиловский В.Г. Полупроводниковые приборы в устройствах автоматики телемеханики и связи, М:. Транспорт, 1985.
6. Грановская Р.А. Расчет каскадов радиопередающих устройств, М.: Издательство МАИ, 1993
7. Справочник по полупроводниковым транзисторам, М.: Связь, 1981.
Страницы: 1, 2
