разработка радиоприемного устройства

Таблица 6. СмесительПозицияНоминалКол-воR171Ом1R3220Ом1D1, D5-D6, D72Д220А4X3, X4, X5-3Вывод: Спектр выходного сигнала смесителя это смещенный перенесенный спектр РЧ на центральную частоту 6.5 МГц, в спектре сигналы не наблюдаются частотные искажения по сравнению со спектром РЧ, то есть смеситель не вносит частотных искажений в тракте ПЧ. 5. Расчет УПЧРисунок 43 – Схема УПЧРеализуем также на базе BC549C. Выберем транзистор BC549C.Расчет начинаем с выбора рабочей точке, выберем значение iк0 = 5.9 мА.Рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера. Принимаем URэ=0.1*Eп=0.35 В.Выходные вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора BC549C приведены на рис.9, на которых выбранная рабочая точка имеет координаты Uкэ0=1.75 В,ik0=5.9 мА, ей соответствует постоянная составляющая тока базы iб0≈0.1мА.Проведем расчет делителя напряжения питания цепи базы R1, R2.Напряжения на эмиттерном сопротивлении равняется:Для фиксации напряжения на базе необходимо, чтобы напряжение на R2 было равным:В практических расчетах используют соотношениеТогда ток через резистор R2 будет равенОпределяем сопротивление Определяем сопротивление Рассчитаем резонансный контур, примем L=0.5 мкФ, тогдаПо ВАХ на рис. 9 и 10 определим -параметры транзистора:В диапазоне частот 30-100 МГц добротность Q колебательного контура находится в пределах от 20 до 100. Примем Q=50. Тогда резонансное сопротивление R0 контура равно:а сопротивление потерь контура равно соответственно:Выходное сопротивление транзистора равноЭквивалентное резонансное сопротивление колебательного контура: Эквивалентная добротность Qэ контура (усилителя) равнаПолоса пропускания усилителя (эквивалентного контура)Коэффициент усиления по напряжению усилителя определяется выражениемГде, RИ - внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Из справочных данных rБ=50 Ом, сопротивление источника примем RИ=50 Ом.Где, ток покоя эмиттераРассчитаем блокировочные емкости:Блокировочная емкость в цепи эмиттера должна удовлетворять неравенству:тогда для f0=50 МГц можно принять:Аналогично для разделительных конденсаторов:Рисунок 44 – AЧХ усилительного каскадаКак видно из рисунка 44 вершина АЧХ не приходится на 6.5 МГц, уменьшим емкость колебательного контура до C=2.35нФ тогда получим АЧХ на рисунке 45, удовлетворяющую по АЧХ.Рисунок 45 – AЧХ усилительного каскада после оптимизацииДинамический диапазон входного сигналаВ дБРисунок 46 – Анализ каскада по постоянному токуРисунок 47 – Сигнал на выходе УПЧРисунок 48 – Спектр сигнала на выходе УПЧ Таблица 7. Усиление основного и подавление зеркального каналов. Номер каскада Усиление основного канала, дБ Подавление зеркального канала, дБ Подавление зеркального канала относительно основного, дБ 1 37- 28.7 28.7 Таблица 8. УПЧПозицияНоминалКол-воR15.7 кОм1R22.625 кОм1Re60 Ом1C2.35нФ1Cp1,Cp2,Ce1 нФ3L10.25 мкГн1Q1BC549C1Вывод: Спектр выходного сигнала УПЧ совпадает со спектром входного сигнала, поэтому УРЧ не вносит заметных частотных искажений. Коэффициент усиления УРЧ на центральной частоте Kу=80=37дБ. Подавление по зеркальному УРЧ составило 28.2 дБ. Тогда вместе со входной цепью и УРЧ общее подавление ЗК: 27.3+20.2 + 28.7 = 76.2 дБ, что больше требуемых ТЗ 36 дБ, поэтому по подавлению зеркального канала приемник удовлетворяет требованиям ТЗ. Результаты расчетов и моделирования практически совпадают.6. Расчет частотного детектора и ограничителяПри проходе через тракт приемного устройства сигнал подвергается различным искажениям. Для обеспечения нормальной работы детектора необходимо поставить на вход амплитудный ограничитель. Такие ограничители устраняют паразитную модуляцию, не внося заметных искажений в частотную и фазовую модуляцию. Изобразим схему ограничителя на рисунке 49. Пороговое напряжение можно регулировать, задавая дополнительное напряжение смещения. Сигнал на входе и на выходе амплитудного ограничителя изображен на рисунке 50 соответственно. Рисунок 49 – Схема амплитудного ограничителя Рисунок 50 – Сигнал до прохождения через амплитудный ограничитель На рисунке51 изображена схема ЧМ детектора на настроенных контурах в Microcap. Рисунок 51 – Схема балансного детектора ЧМ колебаний на настроенных контурах Номиналы Rн = R47 = R48, Сн = С35 = С36 были найдены с помощью соотношения для постоянной времени: τ = RнСн: где f0 = 6.5 МГц, Ω = 75 кГц. 10 ⋅ 10−9 < τ < 10 ⋅ 10−6Положим τ = 1 ⋅ 10−6 с и Rн = 150 кОм, тогда Сн = 6.67 пФ. Два индуктивно связанных контура L27C33 и L28C34настроены на fпч = 50 МГц. Зададим L28 = L29 = 4 мкГн, L27 = 8 мкГн. Тогда из соотношения Получаем .Примем добротность катушек Q = 15, тогда сопротивление потерь: Выберем C3 ≫ C34, L26 ≫ L28 [3]. C3 = 100 мкФ, L24 = 15 мГн. На выходе детектора установим фильтр нижних частот, представляющий собой RC-контур, настроенный на частоту модуляции Ω = 100 кГц. Постоянная времени τ = 1/2πQ = 1.592 мкс. Емкостьконденсатора C37 =τ/R=6.67 пФ. Сигнал на выходе детектора изображен на рисунках 52а, 52б. Рисунок 52а – Сигнал на выходе детектора Рисунок 52б – Сигнал на выходе детектора С помощью Рис.52б находим период полученного сигнала T = 10.1 мкс, тогда частота Таблица 9. ДетекторПозицияНоминалКол-воR43,R470.5 Ом2R45100Ом1R48150 кОм1C3100 мкФ1C33,C341.267 пФ2C35,C3653 пФ2L2615 мГнL276 мкГн1L28,L294 мкГн2D3-D4, D8-D92Д220А4Вывод: Спектр выходного сигнала детектора содержит постоянную и одну низкочастотную компоненту 75 кГц, высокочастотная часть полностью отфильтрована. Поэтому детектор не вносит частотных искажений в информационную составляющую входного сигнала.7. Расчет гетеродина Проведём расчёт паразитных параметров индуктивности. Зададим параметры: Индуктивность 𝐿 = 5 нГн;Добротность индуктивности 𝑄𝐿 = 15;Частота параллельного резонанса контура 𝑓𝑟 = 10 ГГц;Рабочая частота 𝑓0 = 114.5 МГц;Зададим технологические параметры для кремния, из которого сделан материал подложки, и алюминия - металла, из которого изготавливаются витки катушки: Удельная ёмкость подложки ;Удельная проводимость подложки ;Удельное сопротивление металла ;Магнитная постоянная: μ0 = 4 ∙ π ∙ 10−7 Гн/м; Относительная магнитная проницаемость: μrAl = 1,000023; Абсолютная магнитная проницаемость металла ;Были заданы исходные значения геометрических размеров индуктивности: Толщина слоя металла полоска: 𝑡 = 1 мкм = 1 ∙ 10−6м;Толщина слоя диэлектрика: 𝑡𝑚 = 0.9 ∙ 10−6м;Ширина металлического полоска: 𝑤 = 12 ∙ 10−6м;Толщина оксида: 𝑡𝑜𝑥 = 35 ∙ 10−9м; Определяется сопротивление эквивалентных потерь Rs: Крутизна зависимости добротности от частоты: ;Сопротивление эквивалентных потерь: ;Определяется длина индуктивности: Удельная проводимость среды: σ =1/ = 3,571∙ 107 1/(Ом∙м); Глубина скин-слоя металла Определяется ёмкость оксида кремния между индуктивностью и кремниевой подложкой: Диэлектрическая постоянная оксида кремния Определяются параметры эквивалентной схемы индуктивности [2]: Полная ёмкость индуктивности: Сопротивление кремниевой подложки: Паразитная ёмкость кремниевой подложки: Параметры эквивалентной схемы на частоте гетеродина: Ёмкость перекрытия: Число витков: Далее проводим расчёт элементов резонансного контура гетеродина и крутизны транзисторов M1 и M2, в качестве транзистора выбран EX10N20. Условие K→∞ выполняется, если: 𝑌1𝑌2 + 𝑌1𝑌3 + 𝑌2𝑌3 + (𝑌2 + 𝑌3)𝑌11 + 𝑌3𝑔𝑚 = 0(3) Проводимости 𝑌1, 𝑌2, 𝑌3 для ГУН по индуктивной трёхточечной схеме определяются следующим образом: где: 𝐶𝐿= 𝐶𝑠+𝐶𝑝=5.066∙10−14 Ф; 𝑅= 𝑅𝑠+𝑅𝑝=42.873∙103 Ом;Принимаются следующие допущения: 𝑌11 = 𝑅𝑒(𝑌11) = 𝐺11;𝑌1 = 𝑗𝐼𝑚(𝑌1) = 𝑗𝐵1;𝑌2 = 𝑗𝐼𝑚(𝑌2) = 𝑗𝐵2;𝑌3 = 𝑗𝐼𝑚(𝑌3) = 𝑗𝐵3;Уравнение (3) представим в виде системы 2х уравнений относительно неизвестных 𝐶 и 𝑔𝑚: Производится переход к мнимым проводимостям: Зададим , тогда из системы (4) выражается: Ёмкость конденсатора в контуре: Для получения крутизны транзистора, равной gm, оптимальная ширина транзисторов М1 и М2 при заданной длине канала L = 0.2∙10-6 м, равна: В результате расчёта параметров была получена емкость конденсатора C = 175.16 пФ. Однако при моделировании гетеродина с такими параметрами частота колебания не отвечала поставленным требованиям и составила 114.5 МГц. Частота колебаний стала соответствовать 114.5 МГц после изменения в схеме емкости на 0.12% до значения 175.1 пФ. Схему гетеродина с полученными параметрами изобразим на рисунке54. Рисунок 54 – Схема гетеродина Определим режим работы транзистора M3: Напряжение на выходе гетеродина определяется выражением: где Rэ = ω0LQ, а I0 – ток транзистора M3, тогда получаем: Rэ = ω0LQ = 2 ∗ 3.14 ∗ 118.7*106 ∗ 5 ∗ 10−9 *17.5 = 54.978 ОмВыберем напряжение на выходе гетеродина Ucm = 1.4 В. Тогда ток, протекающий через транзистор M3, равен: Изобразим на рисунке 55 стоко-затворную характеристику транзистора M3. С помощью нее по полученному току через данный транзистор, равному 35.7 мА, определяем напряжение Uзи = 2.5, что соответствует напряжению питания источника V4. Рисунок 55 – Стоко-затворная характеристика транзистора M3 Сигнал на выходе гетеродина изображен на Рис. 56а, 56б. Из Рис. 56а видно, что переходный процесс занимает 1.4 мкс, после чего на выходе устанавливается колебание с частотой 114.5 МГц и амплитудой 1.4 В. Спектр сигнала на выходе гетеродина изобразим на рисунке 56. Рисунок 56а – Сигнал на выходе гетеродина Рисунок 56б – Сигнал на выходе гетеродина Рисунок 57 – Спектр сигнала на выходе гетеродинаРисунок 58 – Анализ гетеродина по постоянному току Таблица 5. ГетеродинПозицияНоминалКол-воRp1,Rp242.837 кОм2Rs1, Rs20.2 Ом2Re60 Ом1C175.16 пФ1Cp1,Cp21.754 фФ2Cs1,Cs249.91 фФ2L1,L25 нГн2M1,M2,M3ECX10N203ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполненной курсовой работы был разработанорадиоприемноеустройство, включающее в себя генератор сигнала, входную цепь, УРЧ, гетеродин, смеситель, УПЧ и детектор. Для данных блоков был проведен теоретический расчет, а также выполнено моделирование в среде MicroCap со сравнением полученных результатов. Итогом работы стало получение на выходе радиоприемного устройства ЧМ колебаний диапазона 100-108 МГц, УКВ 2 удовлетворяющее всем требованиям технического задания. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Учебно-методический сайт дисциплиныhttp://ios.cde.spbstu.ru/course/view.php?id=412. Расторгуев, А.К. Проектирование и расчет радиоприемников АМ и ЧМ сигналов: Учебное пособие. – Иваново ИГТА, 2005. - с.3. Проектирование и расчет радиоприемных устройств: метод. рекомендации к выполнению курсового проекта по дисциплине «Радиоприемные устройства систем радиосвязи» для студентов всех форм обучения по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» [Электронный ресурс] / сост. А.П. Лысенко, Ю.В. Миргородская, В.Н. Миронычев; Инженерная школа ДВФУ. – Электрон. дан. – Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2013. – 52 с. 4. Левин, Е. К. Расчет и схемотехническое моделирование функциональных узлов радиоприемного устройства : учеб. пособие по курсовому проектированию / Е. К. Левин ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2016. – 84 с. 5. http://bourabai.ru/toe/radio31.htmПРИЛОЖЕНИЕ А. Структурная схема РПУПРИЛОЖЕНИЕ Б. Электрическая принципиальная схема РПУ