УДК 621.396.61
Выбор направления и постановка задач на проектирование(продолжение)
4.2 Анализ технических требований, предъявляемых ТЗ, к усилителю возбудителя
Уровень сигнала возбуждения выходного каскада Ртреб. возб. должен быть не менее 8 Вт на нагрузке 50 Ом. С учетом запаса на рассогласование в межкаскадных согласующих цепях, выходная мощность усилителя возбудителя
Рвых. возб. определяется по формуле [1]:
 (5)
где  - модуль коэффициента отражения в цепи согласования между выходным каскадом усилителя возбудителя и входом оконечной ступени тракта РПДУ, который ориентировочно принимаем равным 0,4, что соответствует значению КСВ не более 2,5.
Так как усилитель должен обеспечивать заданную мощность во всем рабочем диапазоне частот (2…30 МГц) и иметь минимальный уровень собственных шумов, то целесообразно его выполнять на полевых транзисторах, имеющих более высокий коэффициент усиления, устойчивость и низкий коэффициент шума по сравнению с биполярными транзисторами [1…4, 5].
Для подавления высших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала следует применять выходные модули в виде двухтактных усилителей, работающих в классе В для уменьшения уровня нелинейных искажений [1…4]. Данная схема выходного каскада обеспечит подавление высших четных гармоник в спектре его выходного сигнала и имеет достаточно высокий коэффициент полезного действия (КПД), теоретически достижимое значение, которого составляет 78,5% [6]. Следует отметить, что для усилителей класса А максимально достижимый КПД не может превосходить 50% [6].
Суммарный коэффициент усиления тракта возбудителя , требуемый для получения заданной мощности на его выходе Ртреб.возб. = 10 Вт при заданном минимальном уровне входной мощности
Рвх мин = 0,2 мВт, формируемой синтезатором, определяется по формуле [7]:
 (6)
Для обеспечения устойчивости многокаскадного усилителя желательно, чтобы количество каскадов было нечетным (3, 5 и т.д.) [8].
При количестве каскадов в тракте усиления возбудителя равным 3 каждый каскад должен обеспечивать коэффициент усиления по мощности
Кi мин.возб. не менее 16 дБ. В этом случае суммарный коэффициент усиления тракта будет равным [7]:
 (7)
что больше требуемого значения.
Требования к нелинейным и шумовым параметрам усилителя возбудителя могут быть определены после определения структурной схемы всего тракта передачи РПДУ.
4.3 Анализ технических требований к оконечной ступени тракта передачи
Требования к оконечной ступени тракта передачи определяются требованиями, предъявляемыми к выходным параметрам РПДУ.
Уровень мощности выходного каскада оконечной ступени РПДУ Ртреб должен быть не менее 100 Вт, или с учетом запаса на рассогласование мощность выходного каскада оконечной ступени Рвых ОК определится по формуле [1]:
 (8)
где - модуль коэффициента отражения в цепи согласования между выходным каскадом усилителя мощности РПДУ и его нагрузкой, который ориентировочно принимаем равным 0,4, что соответствует значению КСВ не более 2,5 (по ТЗ – не более 2).
Как и усилитель возбудителя, оконечный тракт должен быть выполнен в виде широкополосного усилителя с двухтактным выходным каскадом, работающим в классе В для уменьшения уровня нелинейных искажений.
Суммарный коэффициент усиления оконечного тракта, требуемый для получения заданной выходной мощности Рвых ОК при заданном уровне мощности возбуждения Рвозб.=Рвых.возб.= 8 Вт, формируемого возбудителем, определяется по формуле [7]:
 (9)
Типовые значения коэффициента усиления мощных выходных каскадов, работающих в КВ диапазоне, не превышают 10 дБ [9]. Исходя из этого необходимое минимальное число каскадов в оконечном тракте передачи, не может быть меньше 2. Принимаем ориентировочно, что число каскадов в оконечном тракте передачи равно 2. При этом минимальный коэффициент усиления каждого каскада оконечной ступени Кi мин.ОК должен быть не менее 6 дБ.
5 Определение требований к составным частям тракта передачи
5.1 Предварительный расчет структурной схемы РПДУ
Структурная схема тракта передачи РПДУ, выполненная с учетом проведенного в подразделе 4 анализа технических требований к составным частям тракта, приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Структурная схема тракта передачи РПДУ
На рисунке изображены основные параметры входного сигнала тракта передачи и ориентировочные значения коэффициентов усиления отдельных каскадов, обеспечивающих заданную ТЗ выходную мощность РПДУ.
По результатам анализа, выполненного в подразделе 4, проведем определение требуемых значений мощности на выходе каждого из каскадов тракта усиления и выбор типа транзистора.
Транзисторы выбираются исходя из требуемой колебательной мощности от каскада и с учетом перечня, разрешающего применение различных покупных комплектующих изделий в изделиях специального назначения [10], и перечня изделий, применяющихся на предприятии в аналогичной аппаратуре и имеющих разрешение на их применение.
Выходной каскад оконечной ступени на основании (8) должен обеспечивать колебательную мощность не менее 120 Вт в диапазоне частот от 3 до 30 МГц.
Т.к. выходной каскад выполняется по двухтактной схеме с режимом класса В, то каждый из транзисторов VT7, VT8 должен обеспечивать колебательную мощность Р~VT7,VT8 не менее 60 Вт.
Определяем значение рассеиваемой мощности РрVT7,VT8 , которую должен выдерживать выбранный транзистор при условии, что его КПД в режиме согласования не менее 50% для усилителей класса В и 25% для усилителей класса А [6]. Расчет проводим по формуле [2, 7] с учетом того, что при работе в режиме рассогласованной нагрузки, согласно [2] и проведенного обзора в подразделе 4, рассеиваемая мощность увеличивается в  раз:  (10)
где  - модуль коэффициента отражения, который, при заданном ТЗ допустимом КСВ нагрузки 2, равен:
 (11)
С учетом (10) и (11) определяем:
 (12)
Суммарная мощность, рассеиваемая на обоих транзисторах VT7 и VT8, составляет:
 (13)
Определяем максимальное напряжение на стоке транзистора емаксVT7,VT8 , которое может возникнуть при его работе в критическом режиме по формуле [2]:
 (14)
где Епит – напряжение электропитания РПДУ, заданное ТЗ равным 27 В.
Следует отметить, что для того, чтобы транзистор не выходил за пределы области линейного усиления, напряжение источника питания в согласованном режиме Епим.согл. должно быть равным [2]:
 (15),
а энергетический режим выходного каскада должен рассчитываться исходя из значения напряжения электропитания в согласованном режиме,
равном 20 В.
Регулирование напряжения электропитания в зависимости от степени рассогласования должно обеспечиваться управляемым по датчику КСВ источником электропитания, работающим в классе D для повышения общего промышленного КПД РПДУ.
Определим максимальное значение постоянной составляющей тока, протекающего через каждый из транзисторов VT7, VT8 с учетом (12) по
формуле [2]:
 (16)
Суммарный ток потребления обоих транзисторов составит:
 (17)
Определим значение импульса тока стока, проходящего через каждый из транзисторов VT7, VT8 с учетом того, что каскад работает в классе В с углом отсечки 90 градусов по формуле [18]:
 (18)
где  – коэффициент разложения косинусоидального импульса и угол отсечки =90 град.
Определим значение требуемого сопротивления нагрузки Rн транзистора по формуле [18]:
 (19)
где  - коэффициент напряженности режима.
Данная формула применяется для каскадов, работающих с отсечкой тока стока.
Значения параметров, рассчитанных по формулам (10)…(19), достаточно для проведения выбора типа транзистора и предварительного энергетического расчета каскадов.
При расчете каскадов на транзисторах VT1 и VT2, работающих в режиме класса А (угол отсечки =180 град), по формулам (10…18) учитываем следующие особенности [19]:
- при расчете по формуле (10) значение КПД принимаем равным 25%;
- максимальное напряжение на стоке транзистора определяем по формуле:
 (20)
- требуемое оптимальное сопротивление нагрузки определяется по формуле [18]:
 (21)
Результаты расчетов, выполненных по формулам (10…21) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Проведем выбор транзисторов для каскадов структурной схемы, приведенной на рисунке 3.
Выбор транзисторов проводим путем анализа литературы [10…17] и учетом замечаний, сделанных выше.
Допустимые параметры выбранного для применения в схеме транзистора по данным [10…17] приведены в таблице 1 в строках «По справочным данным».
Проводим проверку правильности выбора транзисторов по данным, приведенным в столбцах с номерами 3, 4, 6, 10…12 таблицы 1, путем сравнения значений в строке «Требуется по расчету» со значением в строке «По справочным данным».
Анализ данных таблицы 1 показывает, что выбранные типы транзисторов имеют значения сравниваемых параметров не меньшие требуемых значений, т.е. выбор сделан правильно.
Транзисторы оконечной ступени имеют запас по усилению, который может быть использован для обеспечения работы системы автоматической стабилизации мощности.
Структурная схема после выбора типов транзисторов приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Структурная схема тракта РПДУ
с выбранными транзисторами
Продолжение в следующей статье.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Завершен анализ технических требований к возбудителю и оконечной ступени тракта передачи.
Проведен предварительный расчет структурной схемы РПДУ. Определена структурная схема и типы транзисторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ / Под ред. О.В. Алексеева. – М.: Радио и связь, 1987. – 392 с.
- Широкополосные радиопередающие устройства / Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978. – 304 с.
- Проектирование радиопередатчиков / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2000. – 656 с.
- Каганов В.И. Радиопередающие устройства. – М.: ИРПО: Издательский центр «Академия», 2002. – 288 с.
- М. Букингем. Шумы в электронных приборах и системах, перевод с английского, Москва, «Мир», 1986.
- Э.С. Окснер «Мощные полевые транзисторы и их применение», перевод с английского под редакцией В.Н. Мышляева, Москва, «Радио и связь», 1985 г.
- Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет/ Под ред. Валитова Р.А. и Попова И.А. М., «Советское Радио», 1973, 464 с.
- В.М. Волин. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М., «Советское радио», 1972, 280 с.
- Ю.В. Завражнов, И.И. Каганов, Е.З. Мазель, А.И. Миркин. Мощные высокочастотные транзисторы/ Под ред. Е.З. Мазеля. –М.: Радио и связь, 1985. 176с.
- Перечень электроизделий, разрешенных к применению при разработке (модернизации), производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения. Часть 3. Приборы полупроводниковые. Мытищи, 2007.
- Технические характеристики мощных ВЧ и СВЧ транзисторов специального назназчения. НИИЭТ, 33 стр.
- Полевые транзисторы импортные. Платан, www.platan.ru.
- Mitsubishi RF Power MOS FET RDO01MUS1. RoHS Compliance MOSFET Power Trasistor 520 MHz, 1 W. MITSUBISHI ELECTRIC, 10 Jan, 2006, p.6.
- Toshiba Field effect Transistor Silicon Chanel MOS Type 2SK3075, 2004, p.14.
- PD55008-PD55008S. RF Power Transistors. The LdmoST Plastic Family. STMicroelectronics, 2000, p.10, http://www.st.com.
- «UHF push-pull power MOS transistor BLF545». Product specification File under Discrete Semiconductors, SC08b, Philips Semiconductors,
October 1992.
- «VHF push-pull power MOS transistor BLF368». Product specification Supersedes date of September 1992, Philips Semiconductors, 1998,
Jul 29, p.16.
- К.И. Каганов. Транзисторные радиопередатчики. М., Энергия, 1976, 448 с.
- В.П. Терентьев, Н.И. Калашников, Л.Е. Калягин, Б.Б. Штейн. Радиопередающие устройства/ Под ред.Б.П. Терентьева. М., «Связь», 1972,
456 с.
|
