Линейный тракт. ФП1П-041. Упи н. П. Никитин, В. В. Кийко проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков учебное пособие Научный редактор доц канд техн наук В. И. Елфимов Екатеринбург 2004 2
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
Параметры полевых транзисторов Y параметры Расчетные формулы g 11 2 2 K К И 2 4 b g S S g g b g 22 2 2 И И 2 И И K 4b g S S g b g S g g |Y 21 | g 21 2 2 И 2 И И 4b g S b Sg g S |Y 12 | ЗС C π 2 С f R Ш 0,7/g 21 К УСТ | | / 45 , 0 12 Примечания ИК, ЗИ C 2 C f b При проведении расчетов на ЭВМ для проверки правильности введения формул можно пользоваться следующими контрольными примерами. Пример 1. Для транзистора КТ315 при Э = 50, ГР 5 , 2 f , ОС 500 , К С, Э 5 I , 6 C 10 f имеем 3 Э 505 , 2 g , 5 Э 752 , 2 g , 1 Э 214 , 1 | | Y , 5 Э 398 , 4 | | Y , Б 8,057, 2 10 092 , 7 γ S , Б = 142,857, КУСТ = 23,64. Пример 2. Для тех же транзисторов при включении их по каскодной схеме ОЭ-ОБ имеем 6 КАС 22 10 002 , 1 g , КАСС, 8 КАС 12 10 984 , 3 | | Y , КУСТ = 785. Пример 3. Для полевого транзистора КП303 при 12 ЗИ 10 С, 12 ЗС 10 С, 3 10 4 S , 6 C 10 f имеем 8 11 10 96 , 3 g , 5 22 10 17 , 4 g , 3 21 10 33 , 3 g , 5 12 10 256 , 1 | | Y , Ш = 210, КУСТ = 7,33. В контрольных примерах все величины выражены в стандартной системе единица результаты вычислений на ЭВМ округлены. 3.2. Расчет входных цепей Для электрического расчета входной цепи нужно знать параметры антенны, входные параметры усилительного прибора первого каскада и число контуров ВЦ. Для профессиональных, телевизионных, радиовещательных УКВ и радиолокационных приемников применяют настроенные антенны. Для связи 78 приемника с антенной часто используют несимметричный фидер. Сопротивление антенны можно принять равным R A = 75 Ом. Радиовещательные приемники ДВ, СВ и КВ диапазонов работают с ненастроенными несимметричными антеннами, параметры которых изменяются в широких пределах. Так как в задании на курсовой проект нет параметров используемой антенны, они выбираются студентом самостоятельно. Можно воспользоваться эквивалентной схемой, приведенной на рис. 34 с типовыми параметрами R 1 = 50 Ом, 12 1 10 125 С Ф, R 2 = 320 Ом, 12 2 10 400 С Ф, 6 10 20 L Гн. Для расчета ВЦ необходимо вычислить максимальное значение |Z A | в принимаемом диапазоне частот. В простых переносных радиовещательных приемниках ДВ- и СВ- диапазона используют ферритовые антенны. Входные параметры усилительного прибора первого каскада приемника известны по результатам расчета из предыдущего параграфа. Число контуров ВЦ определилось при выборе преселектора. Как правило, используется одноконтурная входная цепь. Методика расчета ВЦ широко освещена в литературе. В результате расчета должны быть определены параметры контура входной цепи, вид и величина связи контура с антенной и усилительным прибором, коэффициент передачи, способ настройки и изменение коэффициента передачи по диапазону для диапазонных приемников. 3.3. Расчет усилителя радиочастоты В современных приемниках с высокой реальной чувствительностью часто применяют однокаскадный УРЧ с 5 Первоначально можно остановиться на схеме УРЧ с ОЭ с одним контуром в нагрузке, используя автотрансформаторное включение по входу и выходу. Минимальная и максимальная емкость контура, а также его индуктивность аналогичны соответствующим величинам ВЦ. По результатам предыдущих расчетов известны параметры усилительного прибора и устойчивый коэффициент усиления КУСТ. Для значения усиления К должны выполнятся неравенства УСТ 5 K K R1 C1 C2 R2 L1 Рис. 34. Эквивалентная схема для расчета сопротивления антенны 79 Целесообразно начать расчет с режима максимального усиления при заданной полосе пропускания на средней частоте поддиапазона. В этом случае γ 1 1 2 | | 22 11 21 max 0 g g Y K , где 11 g , 22 g , | | 21 Y - параметры усилительного прибора, К Э / γ – коэффициент расширения полосы пропускания, эк затухания нагруженного и холостого контура. Если окажется, что 5 0 K , целесообразно использовать другой усилительный прибор с лучшими характеристиками. Если УСТ, следует использовать каскодную схему усиления или схему нейтрализации обратной связи. В случае различных характеристик контуров ВЦ и нагрузки усилителя расчет устойчивого коэффициента усиления выполняют по формуле 02 01 12 У УСТ 2 g g Y Y K n m K , где | | 21 Y и | | 12 Y - параметры усилительного прибора (или каскодной схемы, У = 0,9 – коэффициент устойчивости, 01 g и 02 g - резонансные проводимости нагруженных контуров на входе и выходе усилителя, 2 m и 2 n - коэффициенты подключения входа усилительного прибора к контуру ВЦ ( 2 n ) и входа следующего каскада к контуру нагрузки ( 2 m ). Расчет, произведенный ранее, предполагали. Максимальное усиление достигается при оптимальном выборе коэффициентов включения контура, стоящего в нагрузке усилителя 22 K ОПТ 1 2 1 γ g g m , 11 K ОПТ 2 2 1 γ g g m , где К — резонансная проводимость холостого контура – коэффициент расширения полосы пропускания . Если максимальное усиление избыточно, по сравнению с выбранным в параграфах 2,8 и 2,9, то переходят в режим фиксированного усиления, добиваясь нужного значения К путем изменения коэффициентов включения 1 m , 2 m или введения отрицательной обратной связи. В результате расчета должны быть определены параметры контура нагрузки (включая значения 1 m и 2 m ), элементы цепей смещения, термостабилизации и развязки, коэффициенты усиления в трех точках диапазона (на минимальной, средней и максимальной частотах поддиапазона) и коэффициент шума УРЧ. Формулы для расчета основных параметров усилителя приведены в табл. 12. 80 Таблица 12 Расчет основных параметров УРЧ Параметры Расчетные формулы Q Э 1 П max C max С max С П max C 2 ЗК 2 2 1 f f f f f f R K K C 2 LQ f γ Э 2 1 22 K 2 1 - γ g R m 2 2 1 11 K 2 1 - γ g R K 0 max γ 1 1 2 | | 22 11 21 g g Y K 0 11 2 2 K 22 2 1 21 2 1 Э 11 2 2 K 22 2 1 C 1 Примечания 22 g – выходная активная проводимость усилительного прибора УРЧ, 11 g – входная активная проводимость следующего каскада, ЗК – избирательность УРЧ по зеркальному каналу, П – промежуточная частота, K Q , Э – добротности холостого и нагруженного контура, 1 m и 2 m – коэффициенты включения контура, L , K R – индуктивность и резонансное сопротивление контура. Методика расчета усилителей умеренно высоких частот, дециметрового диапазона и диапазона СВЧ изложена в литературе. В завершение составляется схема каскада УРЧ. 81 3.4. Расчет смесителя Смеситель преобразователя частоты приемника выполняется либо на транзисторе, аналогичном УРЧ, либо на диодах. Нагрузкой является избирательная система, определенная на этапе эскизного проектирования. Чаще всего используется ФСС или двухконтурная нагрузка. Вид нагрузки определяется на этапе эскизного проектирования. Расчет смесителям с ФСИ рекомендуется проводить в соответствии с табл. 13. Таблица 13 Расчет смесителя Параметры Расчетные формулы 1 m Пр 22 ВХ 1 g R , если 1 Пр 22 ВХ g R 1, если Пр 22 ВХ g R < 1 2 m 11 ВЫХ 1 g R , если 1 11 ВЫХ g R 1, если 1 11 ВЫХ g R g Ш1 0, если 1 Пр 22 ВХ g R ВХ Пр 22 ВХ 1 R g R , если Пр 22 ВХ g R < 1 Ш 0, если 1 11 ВЫХ g R ВЫХ 11 ВЫХ 1 R g R , если 11 ВЫХ g R < 1 K 0 20 ВХ Пр 21 ф 1 L R Y m m K УСТ | | | | 45 , 0 Пр 12 Пр 21 Y Y Предполагается, что известны параметры транзисторов смесителя и первого каскада УРЧ, входное и выходное сопротивления ФСИ R ВХ и R ВЫХ , затухание Ф в полосе пропускания ФСИ. Определяются коэффициенты включения 1 m , 2 m ФСИ к транзисторам, значения шунтирующих проводимостей, модуль резонансного коэффициента передачи К, делается проверка на устойчивость (УСТ. Цепи снижения усиления при необходимости подключаются в разрыве подсоединения транзисторов к контурам ФСИ. Подробный расчет смесителя с ФСИ можно найти в литературе. 82 3.5. Расчет усилителя промежуточной частоты Чаще всего используются следующие типы каскадов УПЧ: с ФСС в качестве нагрузки, с двухконтурными нагрузками, слабоизбирательные, апериодические. Как правило, ФСС является нагрузкой смесителя. В редких случаях используются два ФСС: один на выходе смесителя, второй — на выходе первого каскада УПЧ. Остальные каскады делаются слабоизбирательными или апериодическими. Апериодические УПЧ используются на частотах враз меньших частоты граничного усиления усилительного прибора или ИМС. Недостатком УПЧ с апериодическими каскадами является невысокий коэффициент усиления на один каскад из-за влияния входной и выходной емкостей УП. Этот недостаток преодолевается применением в качестве нагрузки УПЧ слабоизбирательных контуров. Формулы для расчета УПЧ с одноконтурными нагрузками каскадов приведены в табл. 14. При расчете полагаются заданными общий коэффициент усиления УПЧ К, полоса пропускания приемника по высокой частоте Пи параметры УП. Все каскады считаются одинаковыми. Конструктивная добротность ненагруженных контуров имеет порядок К = 100. Емкость контуров С К выбирается в зависимости от значения промежуточной частоты от 12 K 10 Ф для П порядка сотен килогерц, до 12 K 10 Ф для f П порядка десятков мегагерц. Полагая, что нагруженный контур каждого каскада широкополосный (П П, можно считать, что усиление каждого каскада близко к предельному значению К ПРЕД. Если УСТ ПРЕД 0 K K , принимаем расчетный коэффициент усиления каскада К 01 =К 0 ПРЕД Если УСТ ПРЕД 0 K K , принимаем К 01 =К УСТ и снижаем усиление путем шунтирования контура. Для биполярных транзисторов уменьшение усиления достигается включением Ш на выходе УП рассчитываемого каскада, для полевых – включением Ш на входе следующего УП. При расчете один из коэффициентов включения может оказаться больше единицы. Тогда полагаем его равным единице, а избыток усиления компенсируем увеличением соответствующей шунтирующей проводимости. Например, если m 1 >1, то принимаем m 1 = 1, а значение Ш увеличиваем на величину 22 Ш 1 g m g . Аналогично поступаем при m 2 > 1. В завершение расчетов необходимо проверить выполнение требования по усилению УПЧ: Э 2 1 01 | | K g Y m m K n n , где Э - эквивалентная проводимость нагрузки с учетом всех шунтирующих проводимостей, 0 K - требуемое общее усиление УПЧ. Если условие не выполняется, то следует увеличить на единицу число каскадов n и произвести расчет вновь. 83 Методики расчета УПЧ с различными видами каскадов (двухконтурные, с взаимно расстроенными контурами, по смешанной схеме и апериодические) приведены в литературе. Таблица 14 Расчет слабоизбирательного УПЧ Параметры Расчетные формулы К ПРЕД 11 21 КУСТ 12 К 22 11 21 2 | | g g Y , если УСТ ПРЕД 0 К K УСТ 22 11 21 К, если УСТ ПРЕД 0 К K 22 g 22 g Ш + Ш2 g Ш2 g 11 22 12 при Ш = 0 Ш 11 12 при Ш = 0 n 01 0 lg lg K K П 0,7 П 2 Q Э 0,7 П П П 0,7 П П 5 , 0 П 5 , 0 1 2 f f f f n 1 m 22 К П К Э g 1 1 C f Q Q 2 m 11 К П К Э g 1 1 C f Q Q 84 3.6. Расчет детектора При применении ИМС в приемниках АМ и ЧМ сигналов расчет детектора не производится, если он входит в состав ИМС. Если амплитудный детектор выполняется в виде отдельного узла, можно воспользоваться следующей методикой. Наиболее употребительной является последовательная схема диодного детектирования с разделенной нагрузкой. Задаются следующие параметры э - резонансное сопротивление колебательного контура, являющегося источником сигнала R вх - входное сопротивление усилителя низких частот С вх - входная емкость УНЧ; Мн, М в - допустимые частотные искажения, вносимые детектором в области нижних ни верхних в частот (обычно принимают Мн = М в = 1,02…1,05). Расчет производится в следующем порядке. 1. Выбирается тип диода и определяются его параметры обратное сопротивление R i обр и дифференциальная проводимость д. Определяется допустимое значение входного сопротивления детектора д вх > 3m 2 э, где m 2 - коэффициент включения детектора в контур. 3. Вычисляется общее сопротивление нагрузки детектора н = R 1 +R 2 = = 2 д вх /(1 - 3 д вх / R i обр ). 4. Определяются сопротивления разделенной нагрузки R 2 = = R вх / (2…4); R 1 н - R 2 5. Определяется общая емкость нагрузки Св н) . 6. Выбирается емкость первого конденсатора фильтра Си рассчитывается емкость второго конденсатора С = R н 2 (С -С R 2 2 - C вх 7. Вычисляется емкость разделительного конденсатора, устанавливаемого после детектора С р = 1/(2π н R вх 1 2 н М ) 8. Для амплитуды напряжения на входе детектора от 0,1 до 0,5 В определяют коэффициент передачи детектора, ориентируясь наследующие значения К д = 0,25, если н = 10 кОм К д = 0,6, если н =50 кОм К д = 0,65, если н = 100 кОм и более (значения приведены для диода Д9В). При входных сигналах порядка 60…80 мВ детектирование становится квадратичным. 9. Определяется значение коэффициента передачи детектора с учетом разделения нагрузки К д р = К д R 2 R вх /(( R 2 + R вх ) н. Обычно это значение много меньше единицы. 10. Рассчитывается коэффициент частотных искажений в области верхних частот модуляции М в = 2 0 1 в ) 2 ( 1 R С F , где R 0 = н /(1 + g дн. Частотные искажения не должны превышать допустимых значений. Следует также проверить выполнение условия безынерционности детектора для верхних частот модуляции при коэффициенте модуляции 0,8. 85 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ Быстрое развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привели к необходимости сокращения сроков и повышения эффективности их проектирования. При традиционном инженерном проектировании использовались в основном два способа расчет и экспериментальное исследование. При этом расчет производился на математических моделях аналитических или графических, а экспериментальное исследование - на физической модели (макете) реального устройства. По результатам экспериментального исследования делалось заключение о соответствии макета требованиям технического задания к характеристикам электронного устройства. При их расхождении обычно производилась доработка макета. При этом зачастую не учитывались многие факторы технологический разброс параметров элементов, влияние изменения климатических условий, возможные отказы элементов. Поскольку большинство электронных элементов являются нелинейными, то проектирование электронных устройств практически полностью исключало применение простых аналитических расчетов. Это существенно затрудняло задачи проектирования на этапе расчета и возлагало повышенные требования к экспериментальным исследованиям макета. Стоимость электронных компонентов, их дефицитность и бурное развитие вычислительной техники привели к тому, что разработчики электронной аппаратуры стали все чаще отказываться от экспериментальных исследований, для которых к тому же была нужна специальная дорогостоящая измерительная аппаратура. Большое значение приобрели методы автоматизированного проектирования. Задачи структурного синтеза решаются с помощью узкоспециализированных программ, ориентированных на устройства определенного типа. Создано, например, большое количество программ синтеза согласующих цепей, аналоговых и цифровых фильтров. Наибольшие достижения в построении программ структурного синтеза и синтеза принципиальных схем имеются в области проектирования цифровых устройств, в частности устройств на базе программируемых логических матриц (ПЛМ. Для большинства аналоговых устройств их структура и принципиальная схема в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. В этом случае первоначальный вариант схемы составляется проектировщиком вручную с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ. Поэтому разработчики программного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР) сосредоточили в первую очередь усилия на создании универсальных моделирующих программ для анализа характеристик широкого класса радиоэлектронных устройств. При этом дальнейшие успехи автоматизации процесса проектирования 86 радиоэлектронной аппаратуры ожидаются именно в области структурного и параметрического синтеза. Топология печатной платы синтезируется после завершения разработки принципиальной схемы. На этом этапе решается задача размещения элементов на печатной плате и трассировки соединений. Наиболее успешно она решается при проектировании цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования, коррекции и, при необходимости, в частичной переделке результатов машинного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии. Заключительным этапом разработки печатной платы является верификация топологии. На нем проверяются соблюдение технологических норм, соответствие топологии печатной платы исходной принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции печатной платы. Ниже приведен краткий обзор программных комплексов и отдельных программ автоматизированного проектирования РЭУ, которыми можно воспользоваться для выполнения курсового проектирования. 4.1. Моделирование структурных и функциональных схем Для выполнения проектных процедур на структурном и функциональном этапах проектирования в настоящее время используются как универсальные математические пакеты (MatLAB, Maple, MathCAD и др, таки специализированные (SystemView, Complab Professional, HyperSignal Block Diagram и др. В основу системы |