Реферат: Автогенератор с буферным каскадом
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Автоколебательная система и автогенератор
Варианты решения поставленной задачи
Вариант№1.
Вариант№2
Вариант№3
Выбор и обоснование варианта
Составление принципиальной схемы
Расчет электрической схемы
Расчет автогенератора
Расчет эмитерного повторителя
Заключение
Список использованной литиратуры
Электрификация железнодорожного транспорта, рост скоростей движения поездов и наметившееся увеличение грузопотока (особенно за последний 1999 год) приводит к более интенсивному применению средств связи на железнодорожном транспорте. Решение вопроса ускорения оборота вагонов на крупных железнодорожных станциях вызывает необходимость массового использования станционной радиосвязи, применения носимых радиостанций и организации новых видов связи. Расширение областей применения и продолжающееся развитие радиотехники привело к необходимости подготовки качественных специалистов в этой области. Эту задачу помогает решить дисциплина “Каналообразующие устройства автоматики телемеханики и связи”. Главной задачей этой курсовой работы является овладение навыками проектирования каналообразующих устройств, а также повышение уровня подготовки расчетов электронных и электротехнических схем. В нашем конкретном случае необходимо разработать автогенератор гармонических колебаний поэтому необходимо рассмотреть следующие теоретические вопросы.
Задание на проектирование: Разработать автогенератор с буферным каскадом, перестраиваемый в пределах 1 – 1,5 МГц. Назначение – гетеродин в радиоприемнике.
АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И АВТОГЕНЕРАТОР
Автогенератор – это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно, без внешнего воздействия.
Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения автогенератор должен иметь источник питания, усилитель и цепь обратной связи, причём обратная связь должна быть положительной.
В качестве усилительных элементов в настоящее время в автогенераторах используются транзисторы или другие аналогичные приборы, а в качестве цепей нагрузки – колебательные цепи с сосредоточенными или распределенными параметрами.
Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, представляет собой обычный нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые в самом генераторе; колебания с выхода подаются на его вход по цепи обратной связи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то в энергетическом отношении автогенератор ведёт себя так же, как и генератор с внешнем возбуждением. Однако генератор с самовозбуждением имеет существенные особенности. Частота и амплитуда автоколебания в стационарном режиме определяются только параметрами самого генератора, между тем, как в генераторе с внешним возбуждением частота и амплитуда колебаний навязываются возбудителем. Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение имеет механизм возникновения колебаний при запуске автогенератора.
Все эти особенности можно выявить, рассматривая поведение автогенератора в процессе нарастания колебаний от момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можно наметить следующую картину. В момент запуска колебательной цепи автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т.д. Благодаря положительной обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуда мала усиление практически линейно и цепь можно рассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания колебаний объясняется тем, что за один период колебания усилитель предает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитуд начинает проявляется нелинейность устройства (кривизна вольтамперной характеристики усиленного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом, энергия отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это время в нагрузке.
Таким образом, на последнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейность цепи, без учета которой нельзя определить параметры стационарного режима автогенератора. Любой автогенератор высокочастотных колебаний можно представить в виде схемы представленной на рис.1. На этой схеме автогенератор представлен в виде сочетания трёх четырехполюсников: одного нелинейного, безынерционного, и двух линейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу (транзистор, туннельный диод и т.д.), первый из линейных четырехполюсников – колебательной цепи автогенератора, а второй – цепи обратной связи.
Подобное представление справедливо для автогенераторов с внешней обратной связью. Усилительный элемент совместно с избирательным четырехполюсником, обеспечивающим фильтрацию (подавление) высших гармоник, представляет собой обычный нелинейный усилитель, развивающий на выходе гармоничкское напряжение. В общем случае напряжение зависит как от частоты, так и от амплитуды (из-за нелинейности усилительного элемента). Коэффициент усиления этого устройства – Kу (iwг ,U1 ).
Рис. 1
Очевидно, что
Kу (iwг ,U1 )=U2 /U1 (*)
При фиксированной частоте wг Ky является функцией только амплитуды U1 .
Коэффициент передачи линейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем будем называть просто коэффициентом обратной связи, можно выразить через амплитуды U3 и U2 :
Koc (iw)= U3 / U2 ,
Но напряжение U3, снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи, есть одновременно напряжение U1, действующее на входе усилителя. Следовательно,
Koc (iw)= U1 / U2
Сравнивая это выражение с выражением (*), приходим к выводу, что в стационарном режиме автогенератора (когда только и можно пользоваться методом комплексных амплитуд) коэффициенты Kу (iwг ,U1 ) и Koc (iw) являются заимно обратными величинами:
Kу (iwг ,U1 )Koc (iwг )=1.
Представим комплексные функции Kу (iwг ,U1 ) и Koc (iwг ) в форме
Kу (iwг ,U1 )=Ку (wг ,U1 )еiy(wг) , Koc (iwг )= Koc (wг )еiy(wг) .
Тогда последнее равенство распадается на два условия:
Kу (iwг ,U1 )Koc (iwг )=1(**)
(***)
Условие (**) называют условием баланса амплитуд: из него следует, что в стационарном режиме полное усиление на генерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице.
Условие (***) называют условием баланса фаз. Из чего следует, что в стационарном режиме автоколебаний полный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) 2pi. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний wг .
Существуют мягкий и жёсткий режимы возбуждения колебаний. Режим, когда колебания возникают самопроизвольно, называется мягким. В АГ с мягким возбуждением состояние покоя (состояние с нулевой амплитудой) неустойчиво. Жёстким называется режим, при котором генерация возникает только при наличии внешнего воздействия, создающего колебания с амплитудой, большей некоторого порогового значения.
Отметим одно важное требование, предъявляемое к автогенератору, предназначенному для устройств связи: вырабатываемое им колебание должно быть строго монохроматическим. Любое нарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды, частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в канале радиосвязи. Требование монохроматичности включает в себя также и требование стабильности частоты автоколебания.
ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ
Для решения поставленной задачи прежде всего необходимо выдвинуть ряд требований к проектируемому устройству. Так как проектируемый автогенератор относится к классу гетеродинов, то он должен обладать относительно стабильной частотой генерации. Но, нередко за стабильность приходится “доплачивать”. На основе этих критериев я постараюсь предложить различные альтернативные принципиальные схемы автогенераторов.
Данный вариант обладает высокой стабильностью частоты т.к. он основан на кварцевой стабилизации. Кварцевая стабилизация является наиболее эффективным способом повышения частоты генераторов. Она основана на применении в схемах кварцевых пластинок с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластине кварца приложить переменное напряжение, то она испытывает периодические механические деформации, т.е. сжимается и разжимается, что в свою очередь приводит к появлению электрических зарядов на её гранях. В результате в цепи (между входными зажимами) течёт переменный ток. Этот ток имеет две составляющие Ic и Iкв. Реактивный ток Ic протекает через ёмкость. Образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца Iкв обусловлен наличием пьезоэффекта.
Величина тока кварца зависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенного напряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний кварца, наступает резонанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной. Пьезоэлектрический ток будет максимальным, а его фаза совпадет с фазой приложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластину можно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными постоянными Lk Ck rk и параллельно подключенной к нему емкости кварцедержателя С0. Практически статическая ёмкость кварцедержателя С0 в сотни раз больше эквивалентной ёмкости кварца Ck, поэтому собственная частота кварца как последовательного контура близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура.
Поскольку Ск <<С0, то частота параллельного резонанса отличается от частоты последовательного резонанса незначительно. Относительный разброс частот составляет
Добротность кварцевого резонатора достигает больших значений (порядка 105 ).
Рис. 2
Рис. 3
Электрические параметры кварцевого резонатора определяются геометрическими размерами, типом среза пластин и видом колебаний. Для различных типов среза значение собственной частоты кварца колеблется в пределах f0=1,6/d – 3,6/d МГц, где d – толщина среза пластины (в мм).
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/w0которого 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
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
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, Uкбдоп = 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 ikmax = 0,8ikдоп = 0,8×20 = 16 мА; ikmax — 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, Cosq = 0,5.
Рассчитаем основные параметры генератора:
Ik1 = a1 ikmax = 0,391×16 = 6,3 мА; Ik0 = a0ikmax = 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 = 0.5IK1 UK1 = 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 < Pдоп = 15 мВт
Р1, Р0, Ррас — колебательная, потребляемая и рассеиваемая в транзисторе мощности.
h = P1 /Po = 0,064 = 6,4%- электронный КПД;
Есм = Uост -Ukб1 cosq = 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-[ikmax /(Sгр Uk0)] = 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 =wр L= 6,28 ×1,5×10 = 94,2 (Ом)
Сå =1/w2р L=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 Ссв Rн
Отсюда ёмкость связи Ссв =1/wRН Q= 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 = Rист ЕПИТ /Uб = 1668×9 /1.027=15 кОм
R2 = R1 Uб /(ЕП -Uб ) = 15 кОм ×1.027 /(9 — 1.027 )=1.93 кОм
СБЛ 2 = 10 /wр RСМ =1350 пФ
RБЛ = 5RК = 250 Ом.
Выбираем 1/wр СБЛ 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.
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.
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.