- •Автоматизация проектирования высокочастотных устройств
- •1 Из теории линейных электрических цепей
- •1.1 Расчеты линейных резистивных цепей. Законы Ома, Кирхгофа
- •1.2 Метод узловых потенциалов
- •1.3 Метод кумулянтов
- •1.4 Расчет цепей состоящих изL,c,Rэлементов
- •1.5 Свободные колебания в электрических цепях
- •1.6 Нормирование функций электрических цепей
- •1.7 Синтез фильтров нижних частот
- •2 Расчет полосно-пропускающих фильтров (ппф)
- •2.1 Последовательный контур и реактансное преобразование частоты
- •Трансформаторы на отрезках линий
- •3.1 Согласование активных сопротивлений. Идеальный трансформатор.
- •3.2 Характеристики обмоточных трансформаторов
- •3.3 Трансформаторы на отрезках линий. Понятия «продольных» напряжений и токов
- •3.4 Использование ферритов для уменьшения продольных токов
- •3.5 Штл с коэффициентами трансформации 1:2 и 1:3
- •3.7 Штл без фл
- •3.8 Штл для двухтактных каскадов
- •4 Схемы сложения и деления мощности
- •4.1 Классическая мостовая схема
- •4.2 Преобразования классической мостовой схемы
- •5 Частотно разделительные устройства (мултиплексеры)
- •5.1 Диплексеры фильтрового типа
- •6 Примеры использования трансформирующих, суммирующих устройств и мультиплексеров
- •7 Фильтры гармоник
- •8 Синтезаторы частот
- •8.1 Пассивные некогерентные синтезаторы
- •8.2 Пассивные когерентные синтезаторы
- •8.3 Синтезаторы на основе фапч
- •9 Структурные схемы рпу
- •10.2.2Моделирование оконечного каскада радиопередатчика
- •10.2.3Моделирование arc-фильтров на операционных усилителях
- •10.3 Система схемотехнического моделирования и конструированияAwr.
- •10.3.1 Подготовка к работе со средой Microwave Office
- •10.3.2 Установка размерности и диапазона частот
- •10.3.3 Моделирования конструкции усилителя
- •10.3.4 Анализ частотных характеристик
- •10.3.4 Оптимизация усилителя
10.2.2Моделирование оконечного каскада радиопередатчика
10.2.2.1 Выполним предварительные расчеты и моделирование оконечного каскада (ОК) радиопередатчика на биполярном транзисторе по заданию №1 из лабораторной работы №4 [10]. Принципиальная схема каскада приведена на рис. 10.8.
Рис. 10.8 Схема оконечного каскада
Для транзистора Q2N3053 с параметрами:fT= 100 МГц;rНАС= 9 Ом;RБ= 10 Ом;СК= 15 пФ;СЭ= 55 пФ;h21Э= 100;IК ДОП= 0,7 А;PS ДОП= 1 Вт необходимо рассчитать параметры режима ОК по заданным:
- выходной мощности Р1= 0,5 Вт,
- рабочей частоте f = 10 МГц,
- максимальному напряжению на коллекторе еК МАКС= 20 В,
- углу отсечки тока коллектора .
1)Расчет в граничном режиме токов, напряжений и мощностей коллекторной и базовой цепей:
- амплитуда напряжения на коллекторе
= 9,47 В,
- напряжение питания ЕК=еК МАКС–UK= 10,53 В;
- амплитуда первой гармоники тока коллектора мА;
- постоянная составляющая тока коллектора IK0 == 105,6/1,57 = 67 мА;
- мощность, подводимая к коллекторной цепи Р0=ЕКIК0= 0,708 Вт;
- мощность, рассеиваемая на коллекторе PS=P0–P1= 0,208 Вт;
- сопротивление нагрузки для транзистора RK ГР== 89,7 Ом;
- коэффициент 1,422;
- амплитуда первой гармоники тока базы = 30,1 мА;
- составляющие входного сопротивления транзистора
8,51 Ом,
2895 Ом,
1446 Ом,
22,83 Ом,
- значение входной емкости:
пФ.
- мощность возбуждения 0,0104 Вт,
- ЭДС источника возбуждения 2 В (принятоRГ = 50 Ом).
2) Для расчета П-контура представим его в виде двух, включенных навстречу друг другу, Г-образных четырехполюсников (рис. 10.9):
Рис. 10.9 П-контур в виде двух Г-образных четырехполюсников
- для заданного RН= 50 Ом выбираемR0= 5 Ом (R0<RНиR0<RК).
- рассчитываем значения [11]:
;
пФ;
нГ;
= 955 пФ.
3) Для расчета входной цепи рассмотрим ее упрощенную схему (рис. 10.10). Эквивалентное индуктивное сопротивление xПОСЛи сопротивление емкостиxC2образуют Г-образную цепочку, которая должна трансформировать сопротивлениеrВХк уровнюRГ:
Рис. 10.10 Схема входной цепи
и .
XПОСЛ= 24,88 Ом, пФ
нГ.
10.2.2.2 Схема оконечного каскада с рассчитанными элементами, составленная в пакете «OrCAD», приведена на рис. 10.11. Емкость конденсатораС4уменьшена на величинуСК= 15 пФ.
Рис. 10.11 Схема в «OrCad»
Форма напряжений на коллекторе и на сопротивлении нагрузки показанная на рис. 10.12, свидетельствует о том, что переходной процесс в схеме не закончен. Целесообразно увеличить время анализа, чтобы получить результаты соответствующие стационарному режиму (рис. 10.13).
Рис. 10.12 Процесс установления колебаний
Рис. 10.13 Увеличение времени анализа до 70 мкс
Переходной процесс соответствующий увеличенному времени анализа показан на рис. 10.14.
Рис. 10.14 Форма напряжения на нагрузке
Оказывается, каскад оказался неустойчив и «OrCAD» показал возникновение прерывистой генерации. Возможно на элементахL1,CK,С4, L3,С5получилась схема автогенератора типа «индуктивная трехточка». «Самовозбуждение» удалось устранить, уменьшив значение сопротивления резистораR4до 2 кОм (рис. 10.15).
Рис. 10.15 Схема с уменьшенным сопротивлением RДОП=R4
После устранения самовозбуждения в качестве выборки был использован интервал времени после окончания переходного процесса от 40 до 50 мкс.
Рассмотрим полученные временные и энергетические характеристики каскада, полученные при моделировании. Из рис. 10.16 следует, что величина импульса коллекторного тока оказалась меньше расчетной 190 мА вместо ожидаемых 211 мА. Амплитуда тока базы близка к расчетной величине. Напряжение на нагрузке равно 7,17 В, что позволяет рассчитать выходную мощность каскада Р1== 0,514 Вт при расчетных 0,5 Вт. ЭлементыС4, L3,С5при моделировании не имеют потерь, форма напряжения на сопротивлении нагрузки практически синусоидальна, поэтому расчет по формулеР1=наиболее близок к действительности.
Рис. 10.16 Временные диаграммы: а– токи коллектораiK и базыiБ,б– напряжения на коллектореeK и на нагрузкеuН,в– напряжение на базеeБ
10.2.2.3 Чтобы выполнить исследование нагрузочных характеристик каскада рассчитаем элементы П-контура так, чтобы обеспечить значения сопротивления нагрузки для транзистора равные 0,25RK ГР, 0,5RK ГР, 1,5RK ГР, 2RK ГР, 4RK ГР. Результаты расчетов представим в таблице 10.1.
Таблица 10.1
Значения элементов |
Сопротивление коллекторной нагрузки, в долях от RK ГР | |||||
0,25RK ГР |
0,5RK ГР |
RK ГР |
1,5RK ГР |
2RK ГР |
4RK ГР | |
С4, пФ |
1327 |
1002 |
730 |
602 |
527 |
373 |
L3, мкГ |
388 |
463 |
566 |
644 |
706 |
908 |
С5, пФ |
955 |
Таблица 10.2
Значения характеристик |
Сопротивление коллекторной нагрузки, в долях от RK ГР | ||||
0,25RK ГР |
0,5RK ГР |
RK ГР |
1,5RK ГР |
2RK ГР | |
IK0, мА |
86,3 |
86,25 |
83,17 |
59 |
44,8 |
IK1, мА |
122 |
119 |
109,42 |
83 |
66,7 |
UН, В |
4,08 |
5,6 |
7,17 |
6,46 |
5,72 |
UК1, В |
2,76 |
5,3 |
9,59 |
10,6 |
10,8 |
UК2, В |
0,212 |
0,358 |
0,289 |
0,254 |
0,35 |
Р1, Вт |
0,166 |
0,313 |
0,514 |
0,417 |
0,327 |
Р0, Вт |
0,906 |
0,905 |
0,8715 |
0,6195 |
0,47 |
РS, Вт |
0,74 |
0,593 |
0,3575 |
0,2025 |
0,1434 |
Рис. 10.17 Изменение импульса тока коллектора в различных режимах
Рис. 10.18 Нагрузочные характеристики