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

ВВЕДЕНИЕ

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 – K_у(iw_г,U₁).

Рис. 1

Очевидно, что

K_у(iw_г,U₁)=U₂/U₁ (*)

При фиксированной частоте w_г K_y 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:

K_oc(iw)= U₃/ U₂,

Но напряжение U₃, снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи, есть одновременно напряжение U₁, действующее на входе усилителя. Следовательно,

K_oc(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 K_у(iw_г,U₁) и K_oc(iw) являются заимно обратными величинами:

 

K_у(iw_г,U₁)K_oc(iw_г)=1.

Представим комплексные функции K_у(iw_г,U₁) и K_oc(iw_г) в форме

K_у(iw_г,U₁)=К_у(w_г,U₁)е^{iy (w}_г⁾ , K_oc(iw_г)= K_oc(w_г)е^{iy (w}_г⁾.

Тогда последнее равенство распадается на два условия:

K_у(iw_г,U₁)K_oc(iw_г)=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 w_г.

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.

Вариант 1

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 I_cи I_кв. Реактивный ток I_c протекает через ёмкость. Образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца I_кв 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 L_k C_k r_k и параллельно подключенной к нему емкости кварцедержателя С₀. Практически статическая ёмкость кварцедержателя С₀ в сотни раз больше эквивалентной ёмкости кварца C_k, поэтому собственная частота кварца как последовательного контура близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура.

Поскольку С_к<<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).

Вариант 2

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 u_БЭ (t) имеет определённый фазовый сдвиг относительно напряжения u_кэ(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 i_к(t) и u_у(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 R_кор’С_кор’ - корректирующая, R _см - сопротивление автосмещения, С_бл1 и С_бл2 - блокировочные ёмкости, R_бл- блокировочное сопротивление. С_св 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 Е_пит 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 R_к, Е_см, 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 i_k(t),u_б(t) можно было устранить с помощью корректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная частота которого больше, чем заданная частота колебаний f_нес = 1,5 МГц. Выбираем транзистор малой мощности КТ 331Г-1 с граничной частотой f_т = 400 МГц, со следующими паспортными данными:

·  барьерные ёмкости коллекторного и эмиттерного переходов С_к = 5 пФ, С_э = 8 пФ

·  постоянная времени цепи внутренней обратной связи t_ос=120 пс

·  допустимые напряжения и токи U_отс = 0.6 В, U_{кб доп} = 15 В, i_{к доп} = 0,02 А, U_{б доп}= 3 В

·  допустимая мощность Р_доп = 15мВт

·  крутизна линии граничных режимов на выходных статических ВАХ транзистора S_гр = 20 мА/В

·  коэффициент усиления тока В = 40.

f_b= f_t/В = 10 МГц; f_a= f_t+ f_b= 11,5 МГц. Активная часть коллекторной ёмкости С_ка=2 пФ и сопротивление потерь в базе r_б = t_ос/С_ка= 60 Ом.

R_кор, R_з - сопротивления, корректирующие частотные свойства транзистора в открытом и закрытом состояниях. R_кор должно быть меньше R_з, от этого зависит эффективность применения корректирующих цепей , иначе следует выбрать другой транзистор.

Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией S^к = 1/R^/_кор = 1/10 = 0,1 А/В. Чтобы мгновенные значения напряжения и тока коллектора не превышали допустимых значений u_{К ДОП}и i_{К ДОП,} выбираем i_kmax= 0,8i_{k доп}= 0,8×20 = 16 мА; i_kmax- максимальное значение импульса коллекторного тока;

Величина k_ос=U^к_бэ/U_к1 отражает относительное шунтирующее влияние на резонатор входной и выходной проводимостей транзистора. Наибольшая стабильность частоты в транзисторном АГ получается при k_ос=1…3. Примем k_ос=1.

При выборе угла отсечки следует учесть необходимый запас по самовозбуждению Sk_ос=(3…5)G_К, а также условие баланса активных мощностей С_К(w) = -G_А(U_А1); êG_А 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:

I_k1 = a₁i_kmax= 0,391×16 = 6,3 мА; I_k0 = a₀i_kmax= 0,218×16 = 3,5мА, I_К1,I_К0 - амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока.

U^к_б1,U_к1 - амплитуды первой гармоники напряжения на базе и коллекторе транзистора с коррекцией.

R_к- сопротивление нагрузки транзистора.

P₁ = 0.5I_K1U_K1= 0,5 × 6,3 мА × 0,32 В = 1,01 мВт ;

Po = I_K0U_K0=3,5 мА × 4,5 В=15,75 мВт

P_pac= Po-P₁= 15,75 - 1,01 = 14,74 мВт < P _доп = 15 мВт

Р₁,Р₀,Р_рас - колебательная, потребляемая и рассеиваемая в транзисторе мощности.

h = P₁/Po = 0,064 = 6,4%- электронный КПД;

Е_см = U_ост - U^k_б1cos q = 0,6 - 0,32×0,5 = 0,44 В,

где U_отс - напряжение отсечки на переходной ВАХ транзистора.

÷Е_см- U^к_б1÷ < 3 В;

e = U_k1/U_k0 » 0,07; e_гр=1- [i_kmax/(S_грU_k0)] = 0,82 ,

где e - напряжённость режима, e_гр- напряжённость граничного режима

e < 0,5e_гр - условие получения недонапряжённого режима при относительно слабой зависимости барьерной ёмкости С_к от U_к для увеличения стабильности частоты.

На частоте 1,5 МГц оптимальным значением индуктивности контура будет L=10 мкГн с добротностью 125. Считаем, что Q₀ » Q_L, так как потери в индуктивности намного больше потерь в ёмкости. Вычислим параметры элементов резонатора.

r =w_рL = 6,28 ×1,5×10 = 94,2 (Ом)

С_å=1/w²_рL=1/(4×1,5²×10⁸)=1,11 (нФ);

R_р= rQ₀ = 94,2 ×125=11775 (Ом);

= 0,0042462

С^I₂=C_å/р=1,11 Ф/0.0042462 = 26 нФ;

С₁ = С^I₂ / k_ос =25 нФ;

С₃ = (1/С_å-1/С₁-1/С^I₂)^-1=(1/1,11 - 1/25 - 1/25)^-1= 1,21 пФ;

Где С_å-суммарная ёмкость контура; р - коэффициент включения контура в выходную цепь транзистора; R_р- резонансное сопротивление контура при его полном включении; r - характеристическое сопротивление.

Чтобы сопротивление нагрузки R^I_Н, пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротности контура, примем R^I_Н » 3R_k» 150 Ом. Добротность последовательной цепочки С_свR_н

Отсюда ёмкость связи С_св=1/wR_НQ = 20,7 пФ

С^I_СВ = С_СВ/(1+1/Q²) = 20,7 пФ/(1+1/0,8464) = 45,15 пФ;

C₂=C^I₂-C^I_СВ = 1300 пФ – 45,15 пФ = 1254,85 пФ

Проверка:

-

условие должно выполняться для исключения шунтирования сопротивлениями R₁,R₂ колебательный контур.

R_см =3R_ист/В= 125 Ом

R₁ = R_истЕ_ПИТ /U_б = 1668×9 /1.027=15 кОм

R₂ = R₁U_б /(Е_П -U_б) = 15 кОм ×1.027 /(9 - 1.027 )=1.93 кОм

С_{БЛ 2} = 10 /w_рR_СМ=1350 пФ

R_БЛ = 5R_К = 250 Ом.

Выбираем 1/w_рС_{БЛ 1} = 1 Ом, тогда С_{БЛ 1} = 20 нФ

С_БЛ,R_БЛ- блокировочные элементы. Сопротивление ёмкости С_БЛ на w_р должно быть по возможности малым, много меньше внутреннего сопротивления источника питания.

Расчет эмитерного повторителя

В схеме используется транзистор ГТ308А, параметры которого следующие:

предельная частота f_T= 120МГц

коэффициент усиления по току b₀=40, db=0.4,

сопротивление базы r_б=50 Ом,

С_Э=22 пФ,

мощность рассеяния Р_КД = 0.1 Вт (при Т = 70^о),

напряжение u_КБ = 28 В,

напряжение u_ЭБ = 3 В,

i_КД= 120 мА,

U_бэ0 = 0,45 В.

I_э0 = 5×10^-4 А,

I_б = 10^-3 А.

По второму закону Кирхгофа: E = Ri_б0 + R_н+ U_бэ0. U_бэ0 = 0,45 В. I_э0 = 10^-4 А. При нагрузке R_н = 1кОм последними двумя составляющими в уравнении можно пренебречь. Тогда R = E/I_б0 = 9/(120×10^-6) = 75кОм. Разделительная ёмкость на входе ЭП рассчитывается исходя из того, что на самой низкой частоте сопротивление 1/(wC_p) должно быть меньше входного сопротивления R_ВХ. Практически достаточно такого условия: 1/(wC_p) £ 0,1 R_ВХ.

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.