Проектное решение модулятора

Рассмотрим устройство формирования ЧМ сигналов прямым методом. В модуляторах этого типа используют линейную зависимость частоты колебаний f_Г автогенератора от резонансной f_К контура. Последнюю меняют с помощью специальных твердотельных приборов – варикапов.

Варикапы под действием приложенного напряжения изменяют свою емкость согласно выражению C_В= C_ВТ/(1+x)ⁿ, где C_ВТ – емкость варикапа при постоянном напряжении E_ВТ на нем, x=e_В(t)/E_ВТ – нормированное мгновенное напряжение на варикапе. Показатель n=0,5 для «резких» переходов. Основные параметры варикапов: максимальная емкость C_В.МАКС для напряжения E_В, выбранного при определении его параметров; К_Д – коэффициент перекрытия, равный отношению C_В.МАКС/ C_В.МИН; добротность Q_В – и частота f_В – при измерении добротности; максимальное обратное напряжение e_{ОБР.МАКС}.

В Приложении 3 предложено схемное решение ЧМАГ, где варикап служит элементом колебательной системы автогенератора. Автогенератор выполнен как емкостная трехточка. База транзистора по высокой частоте соединена с корпусом. Положительная обратная связь создана емкостным делителем напряжения C4C5. Напряжение обратной связи поступает на резистор R4, включенный в эмиттерной цепи транзистора. Резонансная частота контура АГ определяется в основном элементами L3 и C3. Управляющий частотой колебательной системы АГ варикап подключен параллельно емкости контура с помощью емкости связи C_СВ (на схеме конденсатор С2). Емкость C_ДЕЛ делителя обратной связи АГ образована конденсаторами С4 и С5 и межэлектродными емкостями транзистора. Отношение сопротивлений делителя x_ДЕЛ и характеристического Z_С контура определяет коэффициент связи p_К активного элемента (транзистора) с его нагрузкой. Емкость C_К1(x)=С_К0+C_М(x), где С_К0 – на схеме соответствует C3.

В рассматриваемой схеме модулятора, имея в виду малые значения номинальных относительных отклонений частоты Df’_НОМ<10^-2 и жесткую норму на защищенность от интегральной помехи, отдают предпочтение варикапу с «резким» переходом, когда n=1/2. Тогда модулирующая емкость контура изменяется нелинейно:

C_М(x)= C_СВC_ВТ/( C_ВТ+C_СВ(1+x)^1/2).

Емкость C_К1 в режиме молчания:

C_К1= С_К0+p_ВC_ВТ,

где p_В=C_ВТ/(C_СВ+ C_ВТ) – коэффициент включения варикапа.

Нормированная крутизна СМХ по первой гармонике S’₁= p_У/4,

где p_У – коэффициент управления частотой АГ, равный p_В² C_ВТ/ C_КТ. Номинальная нормированная девиация частоты

Df’_НОМ= S’₁X_НОМ,

где X_НОМ – относительная номинальная квазипиковая амплитуда модулирующего сигнала. Крутизна СМХ по второй гармонике

S₂= 3 S₁/8.

Коэффициент гармоник по уровню второй гармонической модулирующего колебания K_2W=3x/16

При номинальной девиации частоты имеем K_2WМАКС=3 X_НОМ /16, откуда следует, что для получения малого уровня нелинейных искажений надо минимизировать X_НОМ.

Другим следствием нелинейности процесса управления частотой АГ изменением емкости КС является нелинейный сдвиг центральной частоты. Между девиацией частоты Df’_НОМ и этим продуктом нелинейности существует связь:

Df_0.F.НОМ = K_2W(Df’_НОМ ) f_МТ.

Известно, что собственные шумы транзистора АГ значительно ниже создаваемых варикапом. Помеха определена в основном изменениями напряжения источника смещения E_ВТ и связанных с ними вариаций положения рабочей точки на вольт-фарадной характеристике варикапа. Электронная стабилизация этого напряжения обязательна, тогда относительные изменения напряжения D E’_ВТ=D E_ВТ/ E_ВТ составляют (0,1…1,0)×10^-3. Квазипиковая амплитуда модулирующего сигнала U_F.НОМ должна превышать D E_ВТ(10^{0,05 А}_ип). Для достижения нормы на защищенность А_ИП от помехи следует выполнить условие

X_НОМ > =(D E_ВТ/ E_ВТ) (10^{0,05 А}_ип).

Целью проектирования является выбор типа варикапа и определение элементов колебательного контура автогенератора, обеспечивающих заданные номинальную девиацию частоты и линейность СМХ при выполнении нормы на уровень интегральной помехи. По выбранному режиму варикапа – приложенным к нему напряжениям постоянному E_ВТ, модулирующему U_F и радиочастотному U_f – находят допустимые контурный ток и напряжение на элементах контура. Это позволяет сформулировать исходные данные к выбору режима автогенератора.

Исходные данные. Спроектируем модулятор, работающий в телефонном режиме на частоте f_МТ=31,5 МГц. Номинальную девиацию частоты примем стандартной: Df_НОМ=50 кГц. Выбираем допустимое отклонение напряжение смещение на варикапе (D E_ВТ/ E_ВТ)_ДОП=10^-4.

Нормированные параметры модулятора. К ним причислены относительная номинальная девиация частоты Df’_НОМ, коэффициент гармоник K_2W, нормированная квазипиковая амплитуда модулирующего сигнала X_НОМ и коэффициент управления частотой p_У.

Девиация Df’_НОМ=Df_НОМ/ f_МТ=1,6×10^-3.

Амплитуда X_НОМ=(D E_ВТ/ E_ВТ) (10^{0,05 А}_ип)=0,1.

Коэффициент управления частотой АГ p_У=4Df’_НОМ/ X_НОМ=0,064.

Коэффициент гармоник K_2WМАКС=3 X_НОМ /16=0,02.

Выбор варикапа и его режима. Зададимся значением характеристического сопротивления Z_С=100 Ом. Тогда емкость контура в режиме молчания C_КТ=1/2pf_МТZ_С=51 пФ.

Определим тип варикапа, имея в виду следующее. Диоды с высоким обратным напряжением e_{ОБР.МАКС} позволяют построить более мощные АГ. Добротность Q_В решающего значения не имеет. Ориентировочно максимальную емкость варикапа выбирают с помощью неравенства C_В.МАКС.=(4…20)p_УC_КТ= 13…65 пФ. Выберем варикап КВ110Б со следующими параметрами:

Примем минимальное значение запирающего напряжения на варикапе e_В.МИН= E_В=4 В. Найдем наибольшее запирающее напряжение e_В.МАКС= (К_Д²-1)E_В=21 В < напряжения e_{ОБР.МАКС}=45 В. Электрическая прочность по напряжению обеспечена.

Напряжение на варикапе E_ВТ=( e_В.МАКС+ e_В.МИН)/2=12,5 В.

Емкость C_ВТ= C_В.МАКС/( E_ВТ/ E_ВТ)^1/2=9,5 пФ.

Допустимая нестабильность напряжения DE_ВТ.ДОП =(DE_ВТ/E_ВТ)_ДОПE_ВТ=1,25 мВ.

Квазипиковая амплитуда модулирующего напряжения  U_W.МАКС= X_НОМ E_ВТ=1,25 В.

Допустимая амплитуда радиочастотного напряжения  U_f.В.ДОП <E_ВТ - E_ВТ/.ДОП - U_W.МАКС=7 В.

Расчет элементов контура.

Примем коэффициент включения контура p_К=0,2. Тогда емкость делителя (последовательного соединения C4 и C5) - C_ДЕЛ=C_КТ/ p_К=255 пФ.

Емкость включенных параллельно конденсатора С3 и варикапа в режиме молчания C_К0=61 пФ.

Включение управляющей емкости последовательно с C_ДЕЛ ослабляет ее влияние на частоту автогенератора. Расчетное значение девиации частоты Df’_РАСЧ=Df’_НОМ/(1- p_К)=2×10^-3. Расчетная крутизна DS’_1РАСЧ=2×10^-2.

Расчетный коэффициент p_У.РАСЧ= p_У/(1- p_К)=0,08.

Коэффициент включения варикапа p_В=( p_У.РАСЧ C_КТ/ C_ВТ)=0,6.

Емкость связи варикапа с контуром (С2): C_СВ=С₂= p_В C_ВТ/(1 - p_В )=14,2 пФ.

Емкость контурного конденсатора С₃= С_К0 - C_СВ C_ВТ/( C_СВ - C_ВТ )=56 пФ.

Контурная индуктивность L₁=Z_C/2pf_МТ=0,51 мкГн.

Режим элементов контура АГ. Напряжение на конденсаторе связи U_С2ДОП< U_fВДОП C_ВТ/ C_СВ=5 В.

Напряжение на контурном конденсаторе (С3) U_С3ДОП= U_fВДОП + U_С2ДОП =12 В.

Напряжение на контурной индуктивности U_L.ДОП= U_С3ДОП /(1- p_К)=15 В.

Напряжение на емкостном делителе (U_КЭ): U_КЭ.СХ= U_L.ДОП p_К=3 В< U_КЭ.ДОП.

Контурный ток I_К.СХ= U_L.ДОП/Z_C=0,15 А.

Исходные данные к расчету режима АГ. Примем добротность нагруженного контура автогенератора Q_Н=50. Это обеспечит слабое влияние изменений нагрузки АГ на его режим. Эквивалентное сопротивление R_Э контура АГ равно R_Э= Z_C Q_Н=5 кОм. Сопротивление нагрузки в цепи коллектор-эмиттер R_ЭК=(0,2)^2×5×10³=200 Ом.

Максимально допустимая мощность АГ составляет

P_АГ< U_КЭ.СХ²/2 R_ЭК=3²/2×200=23 мВт.

Найденные значение и выбранный угол отсечки коллекторного тока АГ являются исходными данными к его расчету.

Расчет промышленного КПД

Расчет производится по следующей формуле:

В этой формуле численный коэффициент учитывает многие небольшие затраты мощности, включая потери энергии первичного источника питания на приведение в действие системы охлаждения.

,

где - КПД отдельных элементов выходной цепи до главного фидера;

- максимальный электронный КПД оконечного усилителя.

- коэффициент модуляции амплитуды колебаний;

, - коэффициент усиления мощностей оконечного, и предоконечного каскадов.

Заключение

В данной работе спроектирован передатчик телевизионной радиостанции с раздельным усилением сигналов звука и изображения. Согласно заданию рассчитан тракт сигнала звукового сопровождения.