ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»
Кафедра технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушноготранспорта
Контрольная работа
по дисциплине «Приём и обработка сигналов»
студента 4 курса заочногофакультета
Храпова Владимира Алексеевича
Москва 2010
Проектирование радиоприемных устройств на микросхемах можетбыть осуществлено по тем же методикам, которые используются при расчете схем,выполненных на дискретных элементах.
Некоторые особенности и трудности проявляются обычно приопределении входных и выходных параметров микросхем на рабочих частотах. Этипараметры часто отсутствуют в паспортных данных микросхемы и поэтому ихприходится вычислять.
Методики расчета каскадов предварительного усиления низкойчастоты, промежуточной частоты, радиочастоты, транзисторных смесителей являютсядовольно близкими и имеют только некоторые характерные отличия, связанные сразличным типом нагрузки, возможной неоднотипностью резонансных систем,частотной зависимостью параметров активных элементов и сопротивления реактивныхэлементов, неодинаковостью крутизны, входного и выходного сопротивленийкаскада, работающего в режимах усиления и преобразования.
Задача расчета указанных типов каскадов состоит вопределении эквивалентного сопротивления нагрузки, в том числе параметров итипов резонансных систем (если они есть), их коэффициентов включения, коэффициентаусиления каскада, сравнении его с допустимым из условия устойчивости,вычислении величин навесных элементов, служащих для межкаскадной связи,фильтрации напряжения, термостабилизации режима, введений обратных связей,определении входных и выходных сопротивлений каскада и т.п. При расчетерадиочастотных трактов радиоприемников, если это необходимо, строят резонанснуюкривую, характеризующую изменение выходного напряжения от частоты входногосигнала, определяют полосу пропускания каскада, коэффициент шума. При расчетеусилителя радиочастоты интересуются изменением резонансного коэффициентаусиления каскада по диапазону, выбирая типы схем УРЧ и входной цепи такимобразом, чтобы общая неравномерность резонансного коэффициента усиленияпреселектора по диапазону была минимальной.
Очень важной величиной, определяющей свойства каскада,является коэффициент усиления напряжения. В общем виде его можно найти как К =Sf R0, где Sf — крутизна транзистора ила микросхемы на рабочейчастоте; R0 — сопротивление нагрузки с учетом влияния последующего каскада нарабочей частоте. Рассмотрим эти величины.
Крутизна вольтамперной характеристики микросхем илитранзистора как части микросхемы не является постоянной величиной. Она будетиметь паспортные значения только в условиях эксплуатации, близких к условиямизмерения. Во всех остальных случаях следует учитывать изменение крутизны приизменении рабочей частоты, тока через транзистор, функции, выполняемоймикросхемой (усиление, преобразование частоты), глубину обратной связи.
Частотная зависимость крутизны в области верхних частот дляоднокаскадного усилителя описывается известным выражением
S = S0 / (1+ 2 × × j × ),
где S0 — крутизна на частотах, при которых влияниереактивных элементов транзистора и схемы мало (средние частоты);
= 1 / (2 × ×fs) — постоянная времени входакаскада на высших частотах,
fs — граничная частота по крутизне. Отсюда модуль крутизны
/>; />,
причем для биполярного транзистора в схеме о общим эмиттером
= rб¢× (1 + h21э) / [(2× × f т) × (rб¢э + rб¢ + Rc)],
где Rс — выходное сопротивление источника сигнала (предыдущегокаскада);
fт — предельная частота усиления тока в схеме с общийэмиттером;
rб' — распределенное сопротивлениебазы на высокой частоте;
rб'э — динамическое сопротивлениеэмиттерного перехода;
h21э — коэффициент передачи по току транзистора в схеме собщим эмиттером.
Входящие в последнее выражение величины, легко определять,если известны типы транзисторов, входящих в микросхему. В этом случае
fт = ½h21э½f ×f,
где ½h21э½f — модуль коэффициента усилениятока базы в схеме с общим эмиттером на высокой частоте f (приводится обычно всправочнике). Величины rб' и rб'эопределяют в соответствии с известными соотношениями [2] с.114
rб¢ = к × / Cк,
rб¢э = T × (1 + h21э) / (11600 × Iэ) = T × h21э / (11600
где к — постоянная времени цепи обратное связи транзистора,
Cк — емкость коллекторного перехода; Т — абсолютнаятемпература;
Iэ, Iк — токи в цепи эмиттера и коллектора; коэффициент,зависящий от технологии изготовления транзистора. Для сплавных транзисторов =1,для сплавно-диффузионных = 2, для меза транзисторов = 3. При нормальнойтемпературе
rб¢э = 25.6 × (1 +h21э) / Iэ (мА)..
Современнее транзисторы имеют h21э, обычно лежащее впределах от 20 до 200; для маломощных транзисторов rб имеет значение от30 до 100 Ом, причем меньшие сопротивления из этого интервала соответствуютвысокочастотным транзисторам, а большие — низкочастотным.
Довольно часто в справочных данных на микросхему неприводится тип применяемых в ней транзисторов, но даются два различных значениякрутизны. Одно из них соответствует средним частотам (S0), а второе Y21fопределяется на достаточно высокой частоте f. В этом случае можно найти
/>.
Если в справочнике задана верхняя граничная частота полосыпропускания — fв, т.е. наибольшее значение частоты, на которой коэффициентусиления микросхемы уменьшается на 3 дБ от значения на средних частотах, то
= 1 / (2 × ×fв).
Для многокаскадных микросхем нельзя указать простых методоврасчета частотной зависимости их параметров, так как неизвестно соотношениепостоянных времен отдельных каскадов усилителя, а следовательно, нельзяопределить вклад каждого каскада в формирование спада частотной характеристикиусилителя на высоких частотах. Однако в раде случаев по виду схемы можно сбольшой степенью достоверности оценить влияние того или иного каскада на общуюамплитудно-частотную характеристику микросхемы. Так, например, известно, чтоамплитудно-частотные искажения каскада с общей базой значительно меньшеамплитудно-частотных искажений каскада с общим эмиттером. Поэтому, еслиусилитель имеет в своем составе каскад с общей базой, то его влиянием наамплитудно-частотную характеристику усилителя можно пренебречь. К аналогичнымситуациям может приводить использование в каскадах местных отрицательныхобратных связей.
Зависимость параметров микросхемы от частоты удобнохарактеризовать отношением рабочей частоты f к граничной частоте по крутизне
= f / fв =2 × × f
Анализ изменения параметров позволяет выделать три наиболеехарактерные области. При £0.3 крутизна ½Y21½f, входная емкость транзистора Свх,выходная емкость Свых от частоты практически не зависят. В схеме с общимэмиттером зависимость входного сопротивления Rвх и выходного сопротивления Rвыхтранзистора от частоты в этом случае выражена очень слабо
Rвхf = Rвх ×rб¢ / (rб¢ + 2 × Rвх);
Rвыхf = Rвых × / ( + Rвых × 2 × S0 ×rб¢× Cк)
При £3 параметры транзисторов имеют наилучшие значения с точки зрения получениявысоких технических показателей каскада.
Поэтому использование их при £ 3 является предпочтительным.
Если 0.3
Пересчет параметров биполярных транзисторов в схеме с общимэмиттером, может быть осуществлен по формулам:
½Y21½f = S0 / (1 + 2)0.5 ; Rвхf = Rвх × rб¢ × (1 + 2) / (rб¢ + 2 ×Rвх);
g11f = 1 /Rвхf; Rвх = rб¢ + rб¢э; Rвых = (10… 50) кОм;
Rвыхf = Rвых × / [ + Rвых × S0 × rб¢×Cк × 2 / (1+ 2)], g22f = 1 / Rвыхf;
Cвхf = × [1 — rб¢ / (rб¢+ rб¢э)] / [rб¢× (1 + 2)]; Cвыхf = Cк ×[1 + S0 × rб¢ / (1 + 2)].
При ³ 3.2 всепараметры транзисторов слабо зависят от частоты, но имеют наихудшие значения,при которых их практическое использование оказывается нежелательным.
Необходимо рассчитать однокаскадный одноконтурныйусилитель радиочастоты (УРЧ).
Микросхема К228УВ2
/>
Принципиальная схема микросхемы К228УВ2 приведена нарисунке. Она представляет собой дифференциальный усилительный каскад состабилизацией режима.
Паспортные данные микросхемы:
/>
Напряжения питания микросхемы
/>
/>
Потребляемая мощность.
/>
Верхняя граничная частота.
/>
Крутизна на частоте 5 МГц.
/>
Крутизна на частоте 60 МГц.
/>
Диапазон регулировки крутизны вольтамперной характеристикина частоте 60 МГц (в дБ).
/>
Входное сопротивление микросхемы на fв.
/>
Входная емкость.
/>
Выходное сопротивление микросхемы.
/>
Выходная емкость.
Примеры включения микросхемы.
/> />
Дифференциальный усилитель.Усилительрегулируемый.
Проектирование радиоприемных устройств на микросхемах можетбыть осуществлено по тем же методикам, которые используются при расчете схем,выполненных на дискретных элементах.
Некоторые особенности и трудности проявляются обычно приопределении входных и выходных параметров микросхем на рабочих частотах. Этипараметры часто отсутствуют в паспортных данных микросхемы и поэтому ихприходится вычислять.
Методики расчета каскадов предварительного усиления низкойчастоты, промежуточной частоты, радиочастоты, транзисторных смесителей являютсядовольно близкими и имеют только некоторые характерные отличия, связанные сразличным типом нагрузки, возможной неоднотипностью резонансных систем,частотной зависимостью параметров активных элементов и сопротивления реактивныхэлементов, неодинаковостью крутизны, входного и выходного сопротивленийкаскада, работающего в режимах усиления и преобразования.
Задача расчета указанных типов каскадов состоит вопределении эквивалентного сопротивления нагрузки, в том числе параметров итипов резонансных систем (если они есть), их коэффициентов включения,коэффициента усиления каскада, сравнении его с допустимым из условияустойчивости, вычислении величин навесных элементов, служащих для межкаскаднойсвязи, фильтрации напряжения, термостабилизации режима, введений обратных связей,определении входных и выходных сопротивлений каскада и т.п. При расчетерадиочастотных трактов радиоприемников, если это необходимо, строят резонанснуюкривую, характеризующую изменение выходного напряжения от частоты входного сигнала,определяют полосу пропускания каскада, коэффициент шума. При расчете усилителярадиочастоты интересуются изменением резонансного коэффициента усиления каскадапо диапазону, выбирая типы схем УРЧ и входной цепи таким образом, чтобы общаянеравномерность резонансного коэффициента усиления преселектора по диапазонубыла минимальной.
Очень важной величиной, определяющей свойства каскада,является коэффициент усиления напряжения. В общем виде его можно найти как
К = Sf R0, где Sf — крутизна транзистора ила микросхемы нарабочей частоте; R0 — сопротивление нагрузки с учетом влияния последующегокаскада на рабочей частоте. Рассмотрим эти величины.
Крутизна вольтамперной характеристики микросхем илитранзистора как части микросхемы не является постоянной величиной. Она будетиметь паспортные значения только в условиях эксплуатации, близких к условиямизмерения. Во всех остальных случаях следует учитывать изменение крутизны приизменении рабочей частоты, тока через транзистор, функции, выполняемоймикросхемой (усиление, преобразование частоты), глубину обратной связи.
Определим параметры микросхемы К228УВ2 на следующихчастотах:
/>
Частота входного сигнала
/>
Первая промежуточная частота
Вторая промежуточная частота
/>
Для осуществления расчета параметров микросхемы сразу навсех интересующих нас частотах, введем индексацию переменных.
/>
/>
/>
/>
Исходные данные микросхемы.
/>
Напряжения питания микросхемы
/>
/>
Потребляемая мощность.
/>
Верхняя граничная частота.
/>
Крутизна на частоте 5 МГц.
/>
Крутизна на частоте 60 МГц.
/>
Диапазон регулировки крутизны вольтамперной характеристикина частоте 60 МГц (в дБ).
/>
Входное сопротивление микросхемы на fв.
/>
Входная емкость.
/>
Выходное сопротивление микросхемы.
/>
Выходная емкость.
/>
Потребляемый ток. Паспортное значение частотнойхарактеристики реализуется при подключении к сигнальному входу сопротивления свеличиной 75 Ом, снижающего постоянную времени входной цепи микросхемы ипрактически определяющего ее входное сопротивление.
Зададим вспомогательные величины:
/>
Постоянная Больцмана.
/>
Заряд электрона.
/>
Средняя температура окружающей среды.
/>
Температура в градусах Кельвина.
/>
Температурный потенциал.
/>
/>
Сопротивление открытого транзистора VT1 порядка 100 Ом.
Так как типы транзисторов в микросхеме неизвестны, тозададим их ориентировочные параметры, проанализировав параметры бескорпусныхтранзисторов аналогичного применения.
/>
Емкость коллекторного перехода.
Выходное сопротивление транзистора.
/>
/>
Объемное сопротивление базы.
/>
Усредненное значение коэффициента усиления по току.
/>
Ток покоя этих транзисторов.
Динамическое сопротивление эмиттерного перехода:
/>
Входная проводимость транзистора на низких частотах:
/>
Постоянная времени входа микросхемы на высоких частотах:
/>
Найдем отношение рабочей частоты f к граничной частоте покрутизне:
/>
/>
Прямая взаимная проводимость:
/>
/>
Входная проводимость транзисторов микросхемы на рабочихчастотах:
/>
/>
Входная проводимость микросхемы на рабочих частотах с учетомшунтирования транзисторов сопротивлениями R8, R9:
/>
/>
/>
Входная емкость на рабочих частотах:
/>
/>
Выходная проводимость:
/>
/>
Выходная емкость:
/>
/>
Обратная взаимная проводимость:
/>
/>
Коэффициент устойчивого усиления:
/>
/>