2012 г. В связи с тем, что оконечный каскад работает в режиме большого сигнала, для его расчета применяется графо-аналитический метод с использованием выходных и входных характеристик транзисторов КТ817 и КТ 502, КТ503.
VT2 (VT4): (КТ817)-мощные транзисторы верхнего и нижнего плеча одного типа проводимости;
VT1-VT3: (КТ502, КТ503)-маломощные транзисторы разного типа проводимости, то есть комплементарные пары;
- выходная мощность оконечного каскада = 7,5 Вт;
- сопротивление нагрузки, на котором выделяется заданная мощность = 12 Ом;
-нижняя граничная частота усиления = 60 Гц.
В процессе расчета необходимо:
1. Выбрать исходный режим работы транзисторов по выходной цепи, то есть определить параметры , , , η ;
2. Определить режим работы транзисторов на входной цепи, рассчитав
параметры , , , ;
3. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению и мощности, а также КПД оконечного каскада;
4. Рассчитать емкость и сопротивление в цепи положительной обратной связи;
5. Определить необходимое количество диодов в цепи смещения базы транзисторов VT1-VT3.
Расчет каскада ведется на одно плечо, а результаты получаются для каскада в целом в силу того, что транзисторы оконечного каскада работают в режиме АВ, близком к режиму В, то есть поочередно в то время, как в нагрузке ток протекает в течение всего периода.
Требуемая амплитуда входного напряжения на входе составного транзистора VT1-VT2 ( ) рассчитывается с учетом выражения:
= = = + +
Амплитуда напряжения на входе мощного транзистора VT2 находится по входной характеристике для VT2. Амплитуда напряжения на входе маломощного транзистора VT1- определяется в результате необходимых построений с использованием выходной и входной характеристик VT1. При этом следует иметь в виду характеристики мощного транзистора VT2 и помнить, что ток эмиттера транзистора VT1
, а напряжение между коллектором и эмиттером VT1
= - .Таким образом, по точкам на семействе выходных статических характеристик маломощного транзистора VT1 строится его выходная динамическая характеристика.
Типовые выходные характеристики транзистора КТ817:
Типовые входные характеристики транзистора КТ817:
Типовые выходные характеристики транзистора КТ502:
Типовые входные характеристики транзистора КТ502:
6. Определение амплитуды напряжения составного транзистора VT1-VT2
7. Расчет коэффициента передачи по напряжению
8. Определение входного сопротивления составного транзистора VT1-VT2
9. Входная мощность, необходимая для возбуждения оконечного каскада на составных транзисторах, определяется как:
10. Расчет коэффициента усиления по мощности
11. Расчет потребляемой мощности и КПД оконечного каскада
12. Сопротивление резисторов в цепях базы мощных транзисторов:
13. Сопротивление положительной обратной связи:
=10 ·12 = 120 (Ом)
14. Количество диодов в цепи смещения базы оконечных транзисторов:
, где = + + , причем = , =0,5…0,6 (В)-прямое напряжение на одном диоде.
; где
15. Сопротивление резистора шунта:
,
где - ток покоя транзистора предоконечного каскада
так как мА, то следует задаваться мА
(Ом)
16. Емкость накопительного конденсатора определяется на основании допустимых изменений питающего напряжения.
где = 0,1…0,2, Δ =(0,1…0,2)· =0,1 ·17,89= 1,789(В)
=1234 (мкФ)
Принципиальная схема оконечного и предоконечного каскада усилителя:
Пусть сигнал на входе преобразователя описывается соотношением
где Xn и φn – изменяющиеся во времени амплитуда и фаза входного сигнала соответственно, ω – частота сигнала.
Пусть на выходе генератора действует колебание вида
где XГ – постоянная амплитуда, ωГ – частота генерируемого колебания.
На выходе перемножителя действует сигнал
Если частотой выходного сигнала преобразователя является частота ω – ωГ, то первое слагаемое описывает полезный продукт преобразования, а второе – побочный. Для удаления побочного продукта преобразования можно использовать или полосовой фильтр с центральной частотой полосы пропускания, равной ω – ωГ, или ФНЧ, подавляющий составляющую частоты ω + ωГ.
Поэтому выходной сигнал преобразователя равен
где KФ – коэффициент передачи фильтра для полезного продукта преобразования, -постоянный фазовый сдвиг, вносимый фильтром на частоте .
Полученное соотношение справедливо, если коэффициент передачи фильтра для побочного продукта преобразования равен нулю. В противном случае на выходе преобразователя будет действовать ослабленная составляющая на частоте ω + ωГ.
Квадратурный преобразователь частоты
Пусть на выходах фазоращепителя действуют две квадратурные составляющие входного сигнала
Пусть на выходах косинусно-синусного генератора существуют колебания
Тогда выходной сигнал преобразователя определится соотношением
3.7. Амплитудные детекторы
3.7.1.Амплитудный детектор – выпрямитель
Амплитудный детектор предназначен для формирования выходного сигнала, повторяющего закон изменения амплитуды входного сигнала.
Амплитудный детектор-выпрямитель
,
где - амплитуда входного сигнала, изменяющаяся во времени в процессе модуляции,
- частота несущей,
- частота дискретизации,
n – порядковый номер отсчета,
- начальная фаза несущей.
.
Для получения сигнала, повторяющего закон изменения амплитуды , нужно выделить постоянную составляющую функции
.
Поэтому необходим фильтр нижних частот. Достоинством детектора-выпрямителя является его простота, а недостатком – зависимость постоянной составляющей функции от .
Функция Ф(n) при и
Постоянная составляющая этой функции дискретного времени равна 0.5.
Функция Ф(n) при и
Постоянная составляющая этой функции дискретного времени равна 0.707.
Таким образом, при частоте несущей, равной четверти частоты дискретизации, изменение начального фазового сдвига несущей от нуля до изменяет величину постоянной составляющей функции более чем на 40%.
Следовательно, выходной сигнал детектора оказывается зависящим не только от амплитуды входного сигнала, но и от фазы несущей, что приводит к паразитной амплитудной модуляции сигнала.
При частоте несущей, равной , величина постоянной составляющей изменяется при изменении фазы несущей не более чем на 8%.
Поэтому амплитудный детектор-выпрямитель целесообразно использовать только при частотах несущей, которые существенно меньше частоты дискретизации.
3.7.2. Квадратурный амплитудный детектор с блоком извлечения квадратного корня
Амплитудный детектор с блоком извлечения квадратного корня
В случае идеального фазорасщепителя АМ сигналы на его выходах определяются соотношениями
.
Выходной сигнал детектора равен и не зависит от частоты и фазы несущей, что является достоинством детектора.
Недостаток детектора – наличие блока извлечения квадратного корня, требующего существенных программных затрат при микропроцессорной реализации детектора.
3.7.3. Синхронный амплитудный детектор с
управляемым косинусно-синусным генератором
Синхронный амплитудный детектор
с управляемым КСГ
В состав детектора входят 90-градусный фазорасщепитель (ФР) и управляемый косинусно-синусный генератор (УКСГ), выполненный на основе генератора пилообразных колебаний. Частота пилы задается переменной
,
где - константа, задающая частоту УКСГ, равную частоте несущей входного АМ сигнала, R – константа управления.
Текущий отсчет пилы на ее возрастающем участке определяется соотношением
.
Отсчет пилы определяет значения отсчетов косинусной и синусной компонент УКСГ
,
где XГ – амплитуда генерируемых колебаний.
На выходах фазорасщепителя действуют две квадратурные компоненты детектируемого АМ сигнала
,
.
,
где
– мгновенная разность фаз соответствующих компонент входного сигнала и УКСГ
Приращение мгновенной разности фаз за один отсчет равно
Так как
.
Из схемы следует
.
Из двух последних соотношений получим
Фазовый портрет кольца фазовой
автоподстройки частоты
Синусоида с амплитудой пересекает ось абсцисс в точках а1, а2, а3 ..., b1, b2 ... Точки «а» являются точками устойчивого равновесия, т.к. любому увеличению по сравнению со значением в этой точке соответствует отрицательное значение ее приращения , а уменьшению – положительное значение ее приращения. В точках «b» всякому увеличению соответствует ее положительное приращение, приводящее к дальнейшему возрастанию до достижения ближайшей точки «а». Аналогичная ситуация возникает при уменьшении по сравнению со значением в точке «b».
Из рисунка видно, что в точках «а» и .
Поэтому выходной сигнал детектора равен
.
Последнее соотношение показывает, что выходной сигнал детектора прямо пропорционален амплитуде входного сигнала, что и требуется для амплитудного детектирования.
Достоинством данного детектора являются малые нелинейные искажения выходного сигнала.
3.8.Фазовые детекторы
3.8.1.Фазовый детектор с выходным ФНЧ
Фазовый детектор предназначен для формирования выходного сигнала, зависящего от разности фаз входного сигнала и опорного колебания.
Фазовый детектор с выходным ФНЧ
где X0 и φn – постоянная амплитуда и изменяющиеся во времени фаза входного сигнала соответственно, ω – частота сигнала.
где XГ – постоянная амплитуда.
На выходе перемножителя действует сигнал
Первое слагаемое описывает полезный продукт детектирования, а второе – побочный. Для удаления побочного продукта детектирования служит ФНЧ.
Выходной сигнал детектора равен
где KФ – коэффициент передачи ФНЧ.
Полученное соотношение справедливо, если коэффициент передачи фильтра для побочного продукта детектирования равен нулю. В противном случае на выходе детектора будет действовать ослабленная составляющая на частоте 2ω.
Из последнего соотношения видно, что выходной сигнал детектора прямо пропорционален косинусу разности фаз входного сигнала и опорного колебания, т.е. имеет место нелинейная зависимость выходного сигнала от фазового сдвига .
При не изменяющемся во времени фазовом сдвиге выходной сигнал детектора равен
Последнее соотношение описывает детекторную характеристику фазового детектора, т.е. зависимость постоянного выходного сигнала детектора от фазового сдвига между немодулированным входным сигналом и опорным колебанием.
Детекторная характеристика фазового детектора с выходным ФНЧ – косинусоида – периодическая функция с периодом .
3.8.2. Квадратурный фазовый детектор
Квадратурный фазовый детектор
Тогда выходной сигнал детектора определится соотношением
Таким образом, в случае идеальных ФР и КС0Г на выходе детектора получается только полезный продукт детектирования. При наличии погрешностей этих узлов наряду с полезным продуктом детектирования будет существовать ослабленный побочный продукт.
При не изменяющемся во времени фазовом сдвиге выходной сигнал детектора равен
Следовательно, детекторная характеристика квадратурного фазового детектора также является косинусоидой.
3.8.3. Квадратурный фазовый детектор с пилообразной детекторной характеристикой
Квадратурный фазовый детектор с пилообразной
детекторной характеристикой
Тогда выходной сигнал детектора определяется следующим соотношением
a – действительная часть комплексного числа,
b – мнимая часть комплексного числа
Учитывая выражения для и , получим детекторную характеристику
.
Выходной сигнал детектора не зависит от амплитуды входного сигнала и от амплитуд квадратурных компонент колебания КСОГ.
Детекторная характеристика фазового детектора, изменяющаяся по пилообразному закону
3.9. Частотные детекторы
3.9.1. Автокорреляционный частотный детектор с выходным ФНЧ
Частотный детектор предназначен для формирования выходного сигнала, повторяющего закон изменения частоты входного сигнала.
Автокорреляционный частотный детектор с ФНЧ
Пусть на входе детектора действует сигнал
где X0 – амплитуда, ω0 – средняя частота, φn – мгновенная фаза сигнала.
На выходе перемножителя действует сигнал
.
В приведенном выражении первое слагаемое представляет собой полезный, а второе – побочный продукт детектирования. Для устранения побочного продукта детектирования используется ФНЧ.
В случае идеального ФНЧ, полностью подавляющего побочный продукт детектирования, выходной сигнал детектора равен
.
Если средняя частота сигнала равна четверти частоты дискретизации, то , а выходной сигнал определяется соотношением
.
Поскольку разность фаз является мгновенным отклонением частоты ЧМ сигнала от ее среднего значения, то выходной сигнал представляет собой функцию этого отклонения частоты. Из последнего соотношения следует также, что выходной сигнал прямо пропорционален квадрату амплитуды входного сигнала.
Определим детекторную характеристику - зависимость постоянного уровня выходного сигнала от отклонения частоты немодулированного сигнала от ее среднего значения. Для этого примем, что на входе действует немодулированный синусоидальный сигнал частоты . Тогда , а выходной сигнал частотного детектора определяется соотношением
.
На рисунке показана детекторная характеристика, рассчитанная при . По оси абсцисс отложено нормированное отклонение частоты.
Детекторная характеристика автокорреляционного частотного детектора с ФНЧ,
Из-за нелинейности детекторной характеристики возникают нелинейные искажения выходного сигнала детектора.
Коэффициенты второй и третьей гармоник выходного сигнала детектора определяются соотношениями
, ,
где - нормированное значение девиации частоты входного сигнала при синусоидальном законе модуляции.
- выходная мощность оконечного каскада = 7,5 Вт;
- сопротивление нагрузки, на котором выделяется заданная мощность = 12 Ом;
-нижняя граничная частота усиления = 60 Гц.
, 
, 
, η ;
, 
, 
, 
;
и сопротивление 
в цепи положительной обратной связи;
) рассчитывается с учетом выражения:
= 
= 
= 
+ 
+ 
, а напряжение между коллектором и эмиттером VT1
= 
- 
.Таким образом, по точкам на семействе выходных статических характеристик маломощного транзистора VT1 строится его выходная динамическая характеристика.
=10 ·12 = 120 (Ом)
, где 
= 
+ 
+ 
, причем 
= 
=0,5…0,6 (В)-прямое напряжение на одном диоде.
; где 
,
- ток покоя транзистора предоконечного каскада 
мА, то следует задаваться 
мА
(Ом)
= 0,1…0,2, Δ 
=(0,1…0,2)· 
=1234 (мкФ)
-постоянный фазовый сдвиг, вносимый фильтром на частоте 
.
,
- амплитуда входного сигнала, изменяющаяся во времени в процессе модуляции,
- частота несущей,
- частота дискретизации,
- начальная фаза несущей.
.
, нужно выделить постоянную составляющую функции
.
от 
.
и 
и 
изменяет величину постоянной составляющей функции 
более чем на 40%.
, величина постоянной составляющей 
изменяется при изменении фазы несущей не более чем на 8%.
.
и не зависит от частоты и фазы несущей, что является достоинством детектора.
,
- константа, задающая частоту УКСГ, равную частоте несущей входного АМ сигнала, R – константа управления.
.
,
,
.
,
– мгновенная разность фаз соответствующих компонент входного сигнала и УКСГ
.
.
пересекает ось абсцисс в точках а1, а2, а3 ..., b1, b2 ... Точки «а» являются точками устойчивого равновесия, т.к. любому увеличению 
по сравнению со значением в этой точке соответствует отрицательное значение ее приращения 
, а уменьшению 
– положительное значение ее приращения. В точках «b» всякому увеличению 
соответствует ее положительное приращение, приводящее к дальнейшему возрастанию 
по сравнению со значением в точке «b».
и 
.
.
.
выходной сигнал детектора равен
.
и 
, получим детекторную характеристику
.
.
, а выходной сигнал определяется соотношением
.
является мгновенным отклонением частоты ЧМ сигнала от ее среднего значения, то выходной сигнал представляет собой функцию этого отклонения частоты. Из последнего соотношения следует также, что выходной сигнал прямо пропорционален квадрату амплитуды входного сигнала.
. Тогда 
, а выходной сигнал частотного детектора определяется соотношением
.
. По оси абсцисс отложено нормированное отклонение частоты.
, 
,
- нормированное значение девиации частоты входного сигнала при синусоидальном законе модуляции.
.
,
.
и 
, получим
,
.
,
.
и 
.
, то 
,
, где 
.
.