Составление и расчет принципиальной схемы автогенератора ультразвукового локатора зоны парковки

5. Составление и расчет принципиальной схемы.

5.1. Расчет автогенератора

          Расчет автогенератора производим по методике изложенной в (6), где  рассматриваются методы расчета как высокочастотных, так и низкочастотных автогенераторов. Для построения автогенератора выбираем схему Клаппа, обладающую улучшенными характеристиками по сравнению с емкостной трехточкой. Принципиальная схема автогенератора представлена на рис.5.1.  

Исходные данные: рабочая частота , мощность в нагрузке .

		Рис.5.1.        Схема автогенератора

 

1)  Расчет режима автогенератора при w<<ws.

1.1  По справочнику (16) выбираем транзистор КТ 342 Б и находим:

Выбираем напряжение источника питания коллекторной цепи .

1.2  Задаемся углом  осечки, который в автогенераторах обычно равен . Берем .

Для этого угла:

-коэффициент разложения;

 -коэффициент формы;

.

По графикам рис. 10.5 (6) находим .

Находим значения коэффициентов обратной связи, соответствующие работе активного элемента в предельных режимах:  - по току,- по напряжению,- по мощности рассеивания.

        .

 

Таким образом, в данном случае наиболее жесткое ограничение по  определяется допустимым . Выбираем  .

1.3 Находим:

                    -

амплитуда колебаний напряжения коллектора,

амплитуда первой гармоники тока,

мощность, отдаваемая цепью коллектора.

          Сопротивление и проводимость коллекторной нагрузки:

                    ,

                   

2)  Расчет параметров контура автогенератора.

2.1. Задаемся:

где     - характеристическое сопротивление контура;

          -добротность ненагруженного контура.

          Принимаем: . Тогда:

                     . ,

                    ,

                    .

2.2 Нагрузку  найдем из выражения:

                    -

          затухание ненагруженного контура,

где     -

приведенная к точкам коллектор-эммитер проводимость потерь в активном элементе,

 - затухание ненагруженного контура.

 определяем по данным: .

          .

.

 Зададимся ,

         

          .

Такое входное сопротивление следующего каскада нетрудно получить, так как используются микросхемы КМОП с большим входным сопротивлением.

Мощность в нагрузке:

          .

2.3 Определим емкости и индуктивности схемы, пользуясь известными формулами: ,

                    ,

                    .

          Стандартные значения емкостей определяем из (25).

                     .

                    .

                    .

                    .

          3)Расчет элементов цепей питания автогенератора по постоянному току при выбранном угле отечки.

Расчет производим по методике изложенной в (7)

Принимаем:  .

          Сопротивление  определяем из соотношения:

                    .

          Примем: .

          Напряжение в точке соединения   обозначим

                     ,где

          -постоянная составляющая тока базы;

          - постоянная составляющая тока коллектора.

                    ,

                    .

          Ток через делитель равен: ,

                    .

          Стандартные значения определяем из (25):

          ,

                    .

          .

                    .

          .

5.2. Расчет кварцевого автогенератора.

          Расчет кварцевого автогенератора производим по методике изложенной в (12). Для построения кварцевого автогенератора выбираем осцилляторную схему.

          Принципиальная схема кварцевого автогенератора приведена на рис.5.2.

          Исходные данные: рабочая частота , мощность в нагрузке .

1)  Выбор кварцевого резонатора.

1.1. Так как кварцевый автогенератор будет работать на основной частоте, то выбираем кварц со срезом DТ, работающий в диапазоне частот  со следующими параметрами:

.

1.2. Рассчитаем основные динамические параметры кварцевого резонатора.

Частота последовательного резонанса:

          .

          Частота параллельного резонанса:

.

Добротность кварца:

                    .

2)  Выбор транзистора.

По справочнику (16) выбираем транзистор КТ343Б и находим:

 

          .

3)  Расчет параметров транзистора и управляющего сопротивления.

3.1. Крутизна эммитерного перехода (по НЧ):

          . 

 

Рис.5.2 Схема кварцевого автогенератора.

3.2. Сопротивление рекомбинации:

          .

3.3. Суммарная емкость эммитерного перехода:

          ,

где     - диффузионная емкость;

          - барьерная емкость.

                     .

          3.4. Активная составляющая емкости коллектора:

                    ,

где     ;

                    .

          3.5. Пассивная составляющая емкости коллектора:

                    .

          3.6. Сопротивление материала базы:

                    .

          3.7. Коэффициент передачи коллекторного тока:

                     

          3.8. Крутизна коллекторного перехода (на НЧ):

                    .

3.9. Крутизна базового перехода:

                    .

          3.10. Граничная частота транзистора по крутизне:

                    .

                    .

          3.11. Модуль крутизны на рабочей частоте кварцевого автогенератора:

                    .

          3.12. Усредненное (за период ВЧ колебаний) значение крутизны транзистора:

                    .

          3.13. Управляющее сопротивление кварцевого автогенератора:

                     .

4)  Определение входных и выходных параметров транзистора.

4.1. Усредненная по первой гармонике коллекторного тока входная емкость:

,

где     ,

          .

                   

4.2.  Усредненная по первой гармонике коллекторного тока выходная емкость:

4.3. Усредненная по первой гармонике коллекторного тока входная проводимость:

                   

                    .

4.4. Усредненная по первой гармонике коллекторного тока выходная проводимость:

                   

.

5)  Расчет первого приближения .

Примем коэффициент обратной связи равным .

                    ,

где     .

          ,

где     .

                    .

.

.

6)  Определение сопротивлений конденсаторов  и .

,

,

,

          ,

          ,

          ,

где               -сопротивление емкости кварцедержателя;

                    .

7)  Расчет второго приближения  и .

                    . 

Результаты второго приблежения отличаются от результатов второго приблежения менее чем на 10%. Следовательно расчет   и  можно считать законченным.

8)  Расчет показателей автогенератора.

8.1. расчет частоты генерации КАГ:

          ,

где     - расстройка частоты,

                    ,

где     ,

          ,

          .

8.2. Емкости конденсаторов  и .

,

          .

          .

.

 8.3. Модуль коэффициента обратной связи:

          .

8.4. Амплитуда переменного напряжения на базе:

          .

8.5. Постоянная составляющая базового тока:

          .

8.6. Напряжение смещения на базе:

          .

8.7. Амплитуда напряжения на коллекторе:

          .

         

.

8.8. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

          .

8.9. Колебательная мощность:

          .

8.10. Мощность, подводимая от источника коллекторного питания:

          .

8.11. Коэффициент полезного действия:

          .

8.12. Напряжение на кварцевом резонаторе:

           .

8.13. Мощность рассеиваемая кварцем:

          ,

где     ,

          ,

          .

9)  Сопротивление резистора в цепи эмиттера:

.

10)  Определение параметров цепи базового смещения.

В транзисторных автогенераторах для обеспечения мягкого самовозбуждения используют начальное отпирающее смещение:

           .

Определим полное напряжение между базой и эмиттером транзистора в установившемся режиме:

          ,

где - сопротивление автосмещения в базовой цепи. Его выбирают так, чтобы можно было обойтись без дросселя в цепи базы, а именно: .

          Тогда:

                    .