Передатчик коммерческой связи на полупроводниках

1. Разработка структурной схемы

В качестве базовой структурной схемы используем схему, изображенную на рисунке 1:

 

Рис.1

На смеситель подаются сигналы от двух генераторов: G1 – генератор, перестраиваемый по частоте; G2 – генератор, частота которого зависит от модулирующего напряжения UW, то есть частотный модулятор. Чтобы обеспечить необходимую стабильность частоты в пределах диапазона используем в качестве G1 синтезатор частот. На выходе смесителя получаются токи комбинационных частот mf_G1±nf_G2, где m и n принимают значения 0,1,2… Выходной фильтр выделяет из этого множества суммарную частоту.

          Нестабильность частоты:

где при f₂>f₁ Df/f определяется стабильностью частоты генератора G1.

          По техническому заданию на выходе передатчика необходимо получить ЧМ – сигнал с несущей частотой f₀=100…150 МГц и девиацией частоты Df=200 кГц, при этом допустимая величина нелинейных искажений не должна превышать 1%. Чтобы добиться на выходе требуемых диапазона и девиации частот, используем умножители частоты.

В качестве умножителей частоты используем варакторный умножитель на умножительном диоде 2А609А. В отличие от транзисторных умножителей варактор может работать с большей мощностью и большим коэффициентом умножения. Используем два умножителя с коэффициентами умножения n₁=5 и n₂=3. Так как коэффициент умножения n=15, то девиация частоты, которую мы должны обеспечить в модуляторе:

а на выходе диапазон частот:

В качестве модулятора используем двухтактную схему. Она используется при большой девиации частоты и малых искажениях. Двухтактный частотный модулятор состоит из двух однотактных модуляторов ЧМ1 и ЧМ2 и преобразователя частоты ПрЧ. Модуляторы работают на разных частотах. В нашем случае для обеспечения необходимой девиации используем следующие частоты:

для ЧМ1     f₀₁=20 МГц для ЧМ2     f₀₂=16,7 МГц

На выходе преобразователя выделяется сигнал промежуточной разностной частоты f_пч=f₀₁-f₀₂=3.3 МГц. На входы обоих модуляторов подается один и тот же модулирующий сигнал. Эффект достигается за счет противофазного включения варикапов.

В качестве опорного генератора используем синтезатор частот, формирующий сетку частот в диапазоне 6,7…10 МГц. Синтезатор частот также формирует управляющее напряжение, пропорциональное частоте для перестройки перестраиваемого фильтра.

Перестраиваемый полосовой фильтр выделяет суммарную составляющую f_пч+f_сч, где f_пч – частота на выходе ПрЧ, f_сч – частота синтезатора частот, то есть в нашем случае w₀=10…13.3 МГц.

Выходной каскад выполним в виде транзисторного усилителя на транзисторе 2Т930А по схеме с общим эмиттером, имеющего приемлемые технические характеристики.

Так как усилитель мощности работает с отсечкой выходного тока, то в спектре сигнала на выходе усилителя будут присутствовать высшие гармоники. Чтобы ослабить их на выходе ставим фильтр, который и обеспечит необходимое затухание.

С учетом вышесказанного структурная схема передатчика будет иметь следующий вид:

 

                                                  Рис.2

В качестве синтезатора частот используем схему, изображенную на рисунке 3:

 

Рис.3

В данном синтезаторе применяется метод косвенного синтеза частоты. Частота на выходе определяется частотой перестраиваемого генератора Г. Поскольку на выходе такого синтезатора частот действует только одно высокостабильное колебание от генератора Г, а частоты гармоник далеко отстоят от основной частоты, удается получить высокую спектральную частоту выходного колебания.

Эта схема отличается от типовой схемы с ФАПЧ наличием делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД). ДПКД делит частоту генератора Г в “n” раз; синхронизация наступает при частоте опорного генератора f_с=f_г/n. Изменяя управляющим устройством (УУ) коэффициент деления и одновременно перестраивая генератор Г, можно изменять частоту на выходе возбудителя.

Кроме того, УУ вырабатывает напряжение управления U_упр для перестраиваемого полосового фильтра.

2. Электрический расчет

2.1. Расчет выходного каскада

          Принципиальная схема мощного транзисторного усилителя с общим эмиттером приведена на рисунке 4:

Рис.4

Рассчитываем режим работы транзистора в схеме с общим эмиттером в усилителе с выходной мощностью Р_вых=10 Вт.

          Учитывая коэффициент передачи выходной мощности через согласующую цепь К_сц=0.8…0.9, получим мощность первой гармоники:

Примем Р₁=30 Вт.

Выбираем транзистор с максимальной допустимой рассеиваемой мощностью того же порядка, что и Р₁, например 2Т930А, для которого Р_доп=75 Вт. Для последующего расчета необходимы следующие параметры транзистора:

Граничная частота передачи тока                             f_t=600 МГц

Коэффициент усиления по току                                 В=20

Граничная крутизна ВАХ                                              S_гр=4 А/В

Напряжение отсечки                                                     U_отс=1 В

Емкость эмиттерного перехода                                  С_э=200 пФ

Емкость коллекторного перехода                              С_к=70 пФ

Предельное напряжение эмиттер – база                 U_бдоп=-4 В

Максимально допустимый ток коллектора               i_кдоп=6 А

Предельное напряжение коллектор – база              U_кдоп=56 В

Индуктивность базы                                                     L_б=2,7 нГн

Индуктивность эмиттера                                             L_э=1,3 нГн

          Определяем граничную частоту f_b:

          Учитывая условие Еп£Uкдоп/2, то выберем Еп=24 В (рекомендуемое значение). Следует отметить, что на практике угол отсечки устанавливается в пределах 70⁰…90⁰. И хотя максимальный КПД можно получить при q=120⁰ и q=180⁰, для обеспечения режима усиления выберем угол отсечки q=90⁰. Следовательно:

Зависимости a и g - коэффициентов то угла q:

          Задаем амплитуду импульсов коллекторного тока:

Примем i_кmax=4.6 А.

Определяем напряженность граничного режима:

          Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

          Постоянная составляющая коллекторного тока:

Колебательная, потребляемая и рассеиваемая мощности соответственно равны:

где Uк1 – амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе