Контрольная работа: Расчет приемника для связной УКВ радиостанции

4. Расчет цепи настройки варикапов.

Для перестройки по заданному диапазону суммарная емкость контура должна изменяться в следующих пределах:

.

То есть емкость каждого варикапа в матрице должна изменяться на . При этом управляющее напряжение не должно быть больше . Таким условиям отвечают варикапы BB164. Характеристики одного варикапа представлены в табл. 2 и на рис. 8.

Табл. 2. Характеристики варикапа BB164.

Рис. 8. Емкость диода как функция обратного напряжения

На рис. 8 видно, что емкость варикапа изменяется с 69 до 30 пФ при изменении напряжения от 1 до 5 В соответственно. В этом случае емкость варикапной матрицы будет меняться в пределах от 34.5 до 15 пФ, что удовлетворяет поставленной задаче.

Чтобы схема настройки не потребляла много тока, ограничимся . Тогда имеем следующее:

Сопротивления R6, R7, R8, R9 должны быть достаточно большими, чтобы не снижать добротность контуров. Выбираем их равными по 510 кОм:

.

Постоянные времени цепей R8C11 и R9C12 должны быть достаточно большими по сравнению с периодом колебаний, поэтому:

Емкости С9, С10 должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на емкость контура. Следовательно получаем:

5. Расчет смесителя

Перед расчетом смесителя необходимо выбрать ФСС, отвечающий заданным требованиям. Таким фильтром является SFELA10M7ПA00-B0. Это керамический фильтр, обладающий следующими характеристиками:

1) центральная частота - 10.7 МГц ± 30 кГц;

2) неравномерность - не более 6 дБ;

3) входное/выходное сопротивление - 330 Ом;

4) полоса пропускания на уровне 3 дБ - 230 кГц;

5) полоса пропускания на уровне 60 дБ - 600 кГц;

6) вносимые затухания - не более 6 дБ;

Для уменьшения коэффициента шума смесителя, его необходимо проектировать на диодах с барьером Шоттки. Например, можно использовать две диодные сборки BAS40-04. Каждая сборка содержит два соединенных последовательно диода с выводом между ними. Каждый диод обладает следующими характеристиками: табл. 3.

Схема смесителя представлена на рис. 9. Пускай преобразование частоты происходит на первой гармонике гетеродина. Для расчета смесителя на максимальный коэффициент передачи по напряжению необходимо знать проводимость диода по постоянному току и преобразующую проводимость . При помощи пакета схемотехнического моделирования OrCad 9.2 были получены проводимость диода по постоянному току и на частоте первой гармоники гетеродина. Меодель предствалена на рис. 10, результат моделирования - на рис. 11. Для ограничения тока диодов необходимо использовать дополнительные сопротивления номиналом 51 Ом.

Табл. 3. Характеристики диода с барьером Шоттки BAS40.

Рис. 9. Смеситель.

Рис. 10. Определение проводимости: модель.

Рис. 11. Определение проводимости: гармоники тока.

Таким образом при напряжении гетеродина и частоте , получаем:

Если обозначить коэффициенты трансформации как (рис. 3), то оптимальные коэффициенты трансформации m₁ и m₂ можно определить по следующим формулам:

,

где - собственная проводимость контура УСЧ;

- проводимость ФСС.

Чтобы диоды управлялись напряжением гетеродина m₃ выберем равным единице:

При этом гетеродин должен иметь выходную мощность на первой гармонике

Входное сопротивление смесителя будет равно

Если трансформаторы наматывать на тороидальные сердечники, то можно получить коэффициент связи . Тогда

Для того, чтобы трансформатор L6L7 можно было считать идеальным, сопротивление первичной обмотки на рабочей частоте должно хотя бы на порядок превышать сопротивление, вносимое из вторичной обмотки, поэтому:

Индуктивность L5 зависит от колебательного контура гетеродина. Пускай L5=L1=L2, тогда

Кольцевой смеситель, рассчитанный на оптимальные коэффициенты усиления имеет коэффициент передачи по напряжению , что подтверждается моделированием. Модель представлена на рис. 12. Результат моделирования - на рис. 13.

При , , т.е.

Так как смеситель спроектирован на диодах с барьером Шоттки, то его коэффициент шума будет равным

Рис. 12. Модель смесителя.

Рис. 13. Выходного сигнала после удаления ВЧ компонент.

6. Расчет УПЧ

Схема первого каскада УПЧ приведена на рис. 14.

В качестве усилительного прибора выбираем транзистор BF998. Его характеристики приведены в табл. 1. Коэффициент транзистора приближается к максимальному при . Выходные и проходные характеристики при данном напряжении на втором затворе приведены на рис. 15, 16.

Рис. 14. Первый каскад УПЧ.

Рис. 15. Проходная характеристика транзистора при ,

Рис. 16. Выходные характеристики транзистора при , .

Зададимся рабочей точкой:

;

;

Тогда крутизна переходной характеристики и выходная проводимость будут соответственно равны:

Для обеспечения температурной стабилизации напряжение на R19 должно составлять не менее 20 от напряжения питания, поэтому

;

;

;

Пусть для увеличения входного сопротивления, следовательно

Ток, потребляемый одним каскадом УПЧ, составляет:

Сопротивления емкостей на рабочей частоте должны быть хотя бы на порядок меньше шунтируемых ими сопротивлений, поэтому:

Постоянная времени развязывающего фильтра R20C14 должна быть порядка десяти периодов высокочастотного колебания. Так как транзистор по второму затвору практически не потребляет ток, то зададимся . Тогда емкость можно рассчитать следующим образом:

.

Рассчитаем коэффициент трансформации L8L9 из условия согласования сопротивлений:

Для того, чтобы трансформатор L8L9 можно было считать идеальным, сопротивление первичной обмотки на рабочей частоте должно хотя бы на порядок превышать сопротивление, вносимое из вторичной обмотки, поэтому:

При условии, что , получаем:

.

Наиболее эффективно каскады УПЧ можно согласовать друг с другом при помощи колебательных контуров. Эквивалентная добротность контуров определит коэффициент усиления каскадов.

Перед расчетом коэффициента передачи усилителей УПЧ необходимо определиться с коэффициентом усиления. Для этого требуется вычислить номинальное напряжение . Оно обеспечивает заданное отношение сигнал-шум на входе приемника и определяется напряжением собственных шумов приемника.

Определим коэффициент шума линейного тракта:

.

Так как УСЧ и УПЧ проектируются на полевых транзисторах, то

.

С учетом этого имеет:

Так как шумовая полоса ФСС приблизительно равна , то

.

Исходя из этого можно принять чувствительность приемника как

.

Это напряжение должно быть усилено в УПЧ до 1 (В), чтобы обеспечить его детектирование детектором АРУ. Следовательно, коэффициент усиления линейного тракта приемника должен иметь следующую величину:

Зная коэффициенты передачи преселектора, смесителя и ФСС, вычислим коэффициент усиления тракта ПЧ:

При использовании транзистора BF998 коэффициент устойчивого усиления на промежуточной частоте составляет:

То есть коэффициент каждого каскада не должен быть больше 30(дБ). При условии, что каскады УПЧ имеют одинаковый коэффициент усиления, вычислим их количество:

При этом коэффициент усиления каждого каскада должен быть равен:

В состав общей емкости колебательного контура входит емкость монтажа, паразитная емкость индуктивности, выходная емкость транзистора, емкость, вносимая из следующего каскада и т.д. Таким образом общую емкость контура можно записать как

.

С высокой точностью можно предположить, что , , , . Тогда

.

Подстроечный конденсатор С18 необходим, чтобы точно настроить контур в резонанс. Пускай , тогда . В этом случае Емкость контура можно взять равной , тогда

.

Рассчитаем необходимую эквивалентную добротность контура:

.

При условии, что собственная добротность контура составляет , имеем:

Выходное сопротивление транзистора и входное сопротивление следующего каскада являются достаточно большими величинами, поэтому:

Для более точной настройки коэффициентов усиления каскадов УПЧ, можно добавить в схему параллельно R21 подстроечный резистор.

Напряжение на детекторе АРУ должно быть около 1 (В), что не превышает динамический диапазон рассчитанного каскада УПЧ. Поэтому для всех остальные каскадов тракта промежуточной частоты можно использовать уже рассчитанный режим.

В этом случае имеем:

В результате моделирования установлено, что при изменении напряжении на втором затворе относительно земли в пределах от 3.5 до 1.5 (В), коэффициент усиления транзистора будет меняться с 29.04 до 4.5 (дБ). Это означает, что коэффициент усиления всего тракта промежуточной частоты будет меняться с 116.16 до 18 (дБ), то есть на 98.16 (дБ). Это гарантирует, что при изменении входного сигнала на 80 (дБ), выходной будет меняться не более, чем на 3(дБ). Модель представлена на рис. 17, результат моделирования - на рис. 18.

Рис. 17. Модель одного каскада УПЧ.

Рис. 18. Коэффициент усиления каскада УПЧ при изменении напряжения на втором затворе относительно земли с 3.5 до 1.5 (В).

7. Расчет АРУ

В качестве системы автоматической регулировки усиления (АРУ) выбираем задержанную АРУ «назад». В такой АРУ регулирующее напряжение создается и действует лишь в том случае, если входной сигнал превышает определенное значение (оно обычно выбирается равным чувствительности приемника и называется порогом срабатывания АРУ или номинальным напряжением АРУ). Так как необходимо создать напряжение, изменяющееся от 3.5 до 1.5 (В) при входном напряжении - от 1.5 до 1 (В), то необходимо использование дополнительный усилитель постоянного тока. Токая АРУ называться усиленной.

Так как последовательный диодный детектор имеет большее входное сопротивление, чем параллельный, то предпочтительней использовать последовательный детектор. Схема детектора АРУ вместе с усилителем АРУ представлена на рис. 19.

Рис. 19. Усилитель и детектор АРУ.

В качестве диода V17 необходимо выбрать диод с минимальным начальным участком характеристики. Подойдет диод MBD101. Его характеристики представлены в табл. 4 и на рис. 20.

Табл. 4. Характеристики диода MBD101.