Разработка принципиальной схемы

2 Разработка принципиальной схемы

2.1 Расчет амплитудного ограничителя

 

Принципиальная схема транзисторного ограничителя амплитуды приведена на рисунке 2.1.1. Методика расчета взята из [3].

Для уменьшения порогового напряжения и увеличения коэффициента ограничения транзистор работает при пониженном коллекторном напряжении порядка 2-3 В за счет использования резистора R_ф.

Выбираем транзистор КТ339А. Его справочные данные, необходимые для расчетов, следующие:

обратный ток коллектора, мкА 2

статический коэффициент передачи тока ОЭ 50

граничная частота передачи тока в схеме с ОЭ, Мгц 550

емкость коллекторного перехода, пФ 0,65

модуль прямой проводимости на частоте 465 кГц, мСм 0,033

Входная и выходная характеристики приведены на рисунке 2.1.2.

Зададимся напряжением питания E_ко=6 В и сопротивлением R_ф фильтра 1 кОм. Согласно равенству

arctg α₁=1/R_ф

arctg α₁=1/1000, чему соответствует линия 1 на рисунке 2.1.2.

По выходной характеристике, приведенной на рисунке 2.1.2, выбираем рабочую точку А, для которой I_ка=2,2 мА и

 

Рисунок 2.1.1 – Принципиальная схема амплитудного ограничителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1.2 – Характеристики транзистора КТ339А

I_ба=50 мкА. Коэффициент включения определяется по формуле:

p_к≤(0,75…0,85)√R_фg_э1

где g_э1 – эквивалентная проводимость коллекторного контура.

g_э1 =δ_эg/δ

где δ_э – эквивалентное затухание контура;

δ – собственное затухание контура (принимается равным 0,01);

g – собственная резонансная активная проводимость колебательного контура.

Эквивалентное затухание контура определяется по формуле:

δ_э=2 δ(1+g₂₁/g)

где g₂₁ – выходная проводимость транзистора, определяется по справочнику (g₂₁=7*10^-6 См).

Собственная резонансная активная проводимость колебательного контура g рассчитывается как

g=δω_oC_э

где ω_o – резонансная частота (принимается 465 кГц);

C_э – эквивалентная емкость входного контура (принимается равной 20 пФ).

g=0,01*465000*6,28*20*10^-12=0,58*10^-6 См

δ_э=2*0,01(1+7/0,56)=0,27

g_э1=0,27/0,01*0,58*10^-6=15,6*10^-6 См

p_к=0,8*√10³*15,6*10^-6=0,1

Емкость конденсатора фильтра вычисляется по формуле:

С_ф≥(10…20)/(f_oR_ф)=15/465000/1000=32*10^-9=32 нФ

Выбираем из стандартного ряда номиналов конденсатор емкостью 33 нФ.

Сопротивление в цепи базы находится по формуле:

Нагрузочная характеристика для переменного тока проходит через точку А (рисунок 2.1.2) и имеет угол наклона, равный

arctg α₂= g_э1/p²_к

arctg α₂=15,6*10^-6 /0,01=0,0156

Этому углу соответствует линия 2 на рисунке 2.1.2. Для точки Б получаем I_кмакс=16 мА, I_бмакс=0,35 мА.Максимальная амплитуда входного сигнала, с которой начинается ограничение, равна:

U_мвх.л=0,5(U_бб-U_бв)=0,5(0,9-0,4)=0,25 В.

R_б=(6-0,8)/((16-2,2)*10^-3)*25=10 кОм

Амплитуда напряжения на коллекторном контуре определяется по формуле:

U_mвых.л=р_кY₂₁ U_мax.вх /g_э1

U_mвых.л=0,1*0,033*0,25/15,6*10^-6=5,3 В

Когда амплитуда входного сигнала превышает U_мax.вх, транзистор работает с отсечкой обоих полупериодов, и выходной сигнал соответствует уравнению

U_mвых.н=U_mвых.л Н(U_mвх.н/U_mвх.л)

где U_mвых.н – амплитуда напряжения на выходе ограничителя, В при входной амплитуде U_mвх.н, В;

U_mвых.л – максимальная амплитуда напряжения на входе, В, при работе в линейном участке;

Н(U_mвх.н/U_mвх.л) – коэффициент, определяемый по рисунку 2.1.3. Он представляет собой часть амплитудной характеристики ограничителя, работающего в нелинейном режиме.

Пороговое напряжение ограничителя, при котором он еще работает в линейном режиме, определяется по формуле:

U_пор=1,5U_mвх.л=1,5*0,25=0,375 В

При отношении U_mвх.н/U_mвх.л равном двум, находим по рисунку 2.1.3 величину Н. Н=1,25. Следовательно, напряжение на выходе ограничителя составит

U_mвых.н=U_mвых.л Н(U_mвх.н/U_mвх.л)=5,3*1,25=6,62 В

Проведя ряд аналогичных вычислений для разных значений входного напряжения, заносим результаты в таблицу 2.1.1.

Таблица 2.1.1

Uвх, В	0,25	0,35	0,5	0.75	1
Н	1	1,15	1,25	1,26	1,27
Uвых, В	5,3	6,1	6,6	6,68	6,73

По этим данным строим график зависимости U_вых=f(U_вх). График этой функции приведен на рисунке 2.1.4. Окончательная принципиальная схема с указанием номиналов деталей приведена в Приложении 2.

Рисунок 2.1.3 – График для нахождения коэффициента Н

 

 

Uвых,В
7
6
5
4
3
2
1
									Uвх,В

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

 

Рисунок 2.1.4 – Зависимость U_вых=f(U_вх)

2.2 Расчет частотного детектора

В качестве частотного детектора выбираем частотный детектор с фазовым детектированием, как простой в настройке и не критичный к параметрам применяемых элементов. принципиальная схема частотного детектора приведена на рисунке 2.2.1. Рассчитаем все элементы данной схемы. Методика расчета взята из [14].

Зададим следующие характеристики для расчета:

-    номинальная рабочая частота детектора f_o=465 кГц;

-    максимальная девиация частоты Δf_макс=50 кГц;

-    верхняя частота модуляции F_макс=10 кГц;

Параметры транзистора КТ339А выходного каскада УПЧ (амплитудного ограничителя, рассчитанного выше):

-    выходное сопротивление R’_вых=1,8R_вых=1,8*1,1=2 кОм;

-   
емкость коллекторного перехода С_к=10 пФ;

Рисунок 2.2.1 – Принципиальная схема частотного детектора

-    ток коллектора I_к=2,2 мА (см. расчет амплитудного ограничителя);

Входные параметры усилителя постоянного тока:

-    входное сопротивление R_вх=1 МОм;

-    входная емкость С_вх=1000 пФ.

1) Задаемся оптимальной величиной обобщенного коэффициента связи контуров β=1.

2) Определяем максимальную величину обобщенной расстройки:

α_макс=0,5 β=0,5

3) Эквивалентная добротность контуров определяется по формуле:

Q_э=4,65*10⁵*0,5/(2*5*10⁴)=2,32

4)      Величина конструктивного коэффициента связи равна:

k_св= β/Q_э=1/2,32=0,1

5) Выбираем диоды КД522, их крутизна S_д=5мА/В и емкость С_д=1,0 пФ.

6) Принимаем сопротивления нагрузки R₂=R₃=10 кОм, емкость монтажа С_м=5 пФ и собственная добротность контуров Q_к=150.

7)      Величины емкостей нагрузки диодов (в пикофарадах) равны;

C₃=C₄=(4…5)*10⁵/(F_максR₂)

где F_макс – максимальная частота модуляции в килогерцах;

R₁ – сопротивление нагрузки в килоомах.

C₃=C₄=4,5*10⁵/(10*10)=4500 пФ

Выбираем стандартное значение 4,7 нФ, условие

C₃=C₄≥С_д*10-С_м=10-5=5 пФ при этом соблюдается.

8) Определяем угол отсечки токов диодов по формуле:

9) Коэффициент передачи детекторов по напряжению вычисляется по формуле:

К_д=cos θ=cos 0,57=0,84

10) Определяем собственное и резонансное эквивалентные сопротивления контуров:

R_к=2пf_oL₁Q_к=2*3,14*465000*0,12*10-3*150=52,6 кОм

R_э=2пf_oL₁Q_э=2*3,14*465000*0,12*10-3*2,32=813 Ом

11)    Коэффициент включения контура в коллекторную цепь транзистора:

m_вх=1,55, принимаем m_вх=1.

12) Находим значение функции φ(α_макс, β):

13) Определяем максимальное напряжение на выходе дискриминатора:

U_выхд=0,33I_кR_эm²_вкК_д φ(α_макс, β)

U_выхд =0,33*2,2*0,813*1*0,84*0,169=83,8 мВ

14)    Емкость С₁ находим по формуле:

С₁=(3…5)*10⁴/(f_oR_э)=80 нФ

Выбираем стандартный конденсатор 100 нФ.

15) Индуктивность L₃ дросселя определяется как

L₃=(10…20)L₁=10*0,12=1,2 мГн

16) Находим емкость резонансного контура:

С_к=2,53*10⁴/(f²_o L₁) – m²_вкC_вых - C_м=1960 пФ

Выбираем стандартное значение 2200 пФ.

Для увеличения крутизны выходного напряжения применяется усилитель постоянного тока с изменяемым коэффициентом усиления от 2 до 12, собранный на операционном усилителе К548УН1Б. Полная принципиальная схема частотного детектора приведена в Приложении 3.