7.2. Расчет термокомпенсации контура гетеродина

Дата: 2025-05-21; Просмотры: 5

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

7.2.1. Задача расчета и исходные данные

Проектируемый радиовещательный приемник может эксплуатироваться в самых разнообразных условиях, при этом изменение температуры окружающей среды может оказаться весьма значительным, превышающим несколько десятков градусов, что может повлечь за собой заметное изменение индуктивностей и емкостей колебательных контуров. Температурная нестабильность параметров контура отражается на его добротности, резонансном сопротивлении, полосе пропускания и, что самое главное, на его частоте. Вызванное температурной нестабильностью параметров изменение резонансной частоты может привести к существенному расхождению частот настройки преселектора и гетеродина, то есть к погрешности сопряжения, превышающей допустимую.

Температурную устойчивость частоты оценивают температурным коэффициентом частоты (ТКЧ, a_f). ТКЧ контура показывает относительное изменение частоты настройки контура при изменении температуры на один градус: a_f = Df₀ / Dt .

Для уменьшения ТКЧ контура специальным расчетом подбирают температурный коэффициент емкости (ТКЕ, a_С) дополнительных конденсаторов, включенных в контур. ТКЕ показывает относительное изменение емкости конденсатора при изменении температуры на один градус: a_С = DС / Dt .

Задачей расчета является определение требуемых ТКЕ добавочных конденсаторов, подбор типов конденсаторов с ТКЕ, близкими к расчетным, и определение ТКЧ скомпенсированного контура. Детальная методика таких расчетов изложена в [17].

Ниже приведена методика расчета температурной компенсации простого контура, имеющего структуру рис.7.3а и сложного контура, имеющего структуру рис.7.3б. Для получения удовлетворительных результатов обычно нужно произвести несколько циклов расчета, поэтому целесообразно провести расчет с помощью компьютера по самостоятельно написанной программе.

Исходными данными для расчета являются:

- диапазон изменения температур,

- минимальная и максимальная частота настройки контура,

- емкость конденсатора настройки,

- емкости добавочных конденсаторов,

- схемные и монтажные емкости контура,

- температурные коэффициенты индуктивности и емкостей, которыми следует задаться исходя из изложенных ниже соображений.

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ, a_L) показывает относительное изменение индуктивности катушки при изменении температуры на один градус: a_L = DL/Dt .

ТКИ катушки индуктивности, поле которой связано с магнитной средой, складывается из ТКИ самой катушки a_К и температурного коэффициента магнитной проницаемости материала сердечника a_m: a_L = a_К + a_m. У однослойной катушки индуктивности цилиндрической формы, плотно намотанной на жесткий каркас, при прочном сцеплении провода с каркасом a_К равен коэффициенту линейного расширения каркаса (при керамическом каркасе a_К = +(4...6) _* 10^-6 ). Многослойные катушки имеют существенно большую величину a_К из-за более сложной конструкции и использования смол и компаундов, сцепляющих витки между собой и предохраняющих их от действия влаги; обычно величина a_К не превышает + 50 _*10^-6 .

Значение a_m зависит от материала сердечника. При использовании ферритового сердечника a_m = + 50 _* 10^-6. При использовании сердечника только в качестве подстроечника, когда связь поля катушки с сердечником мала, ТКИ катушки мало зависит от сердечника.

При малой величине индуктивности катушки необходимо также учитывать ТКИ монтажных проводов a_М и экранов a_Э. Ориентировочные значения ТКИ монтажных проводов +(20...50) _* 10^-6; алюминиевых и медных экранов для катушек +(20...30) _* 10^-6.

В этом случае

a_L = a_К + a_m + a_М + a_Э .

Для подбора ТКЕ добавочных конденсаторов необходимо задаться значениями ТКЕ емкостей, входящих в схему контура.

На рис.7.5 приведена развернутая модель простого контура, соответствующего рис.7.3а.

Рис.7.5

Здесь емкости, соответственно, подстроечного конденсатора, добавочного конденсатора, емкость монтажа и собственная емкость катушки в сумме составляют С_1Г:

С_П + С_Д1 + С_М + С_L = С_1Г .

На рис.7.6. приведена развернутая модель сложного контура, соответствующего рис.7.3б. Здесь

С_М1 + С_Д1 = С_1Г, С_П + С_Д3 + С_М3 + С_L = С_3Г .

Отдельные монтажные провода и галетные переключатели с керамическими пластинками имеют ТКЕ (a_М) порядка +(50...150) _* 10^-6. Суммарная же емкость монтажа при учете всех взаимосвязей элементов контура с другими деталями, недостаточно устойчивыми в температурном отношении, может иметь ТКЕ (a_М) порядка +(1000...3000) _* 10^-6.

Рис.7.6

Температурный коэффициент собственной емкости катушек a_CL в значительной степени зависит от вида обмотки и ее пропитки. У однослойных катушек он может колебаться в пределах +(100...3000) _* 10^-6, у многослойных - может достигать +(5000...20000) _* 10^-6.

ТКЕ добавочных конденсаторов существенно зависят от их типа. Значения ТКЕ различных групп керамических конденсаторов приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1

При использовании в качестве элемента настройки варикапа его ТКЕ следует уточнить в справочнике. Обычно значение a_CH варикапов лежит в пределах +(100...500) _* 10^-6.

При использовании для настройки КПЕ его емкость следует рассматривать в виде суммы постоянной (начальной) и переменной емкостей С_Н = С_Н0 + С_{Н ПЕР}, где С_Н0 = С_{Н МИН}, а С_{Н ПЕР} изменяется от 0 до (С_{Н МАКС} - С_{Н МИН}). Температурная неустойчивость С_Н0 зависит от конструктивных особенностей и материалов, из которых изготовлен КПЕ. Наименьшее значение a_{CН 0} порядка +100 _* 10^-6 достигается при использовании керамических изоляторов, ТКЕ переменной емкости (a_{CН ПЕР}) воздушного конденсатора имеет значение порядка +(20...30) _* 10^-6.

ТКЕ подстроечных конденсаторов (a_CП) зависит от типа конденсатора. Для конденсаторов типа КПК-1 a_CП = +(200...800) _* 10^-6. Для конденсаторов типа КПК-Т a_CП = +400_* 10^-6.

7.2.2. Расчет термокомпенсации простого контура.

Термокомпенсация простого контура (рис.7.5) осуществляется подбором ТКЕ добавочного конденсатора С_Д1, что позволяет обеспечить a_f = 0 только в одной точке диапазона, при значении емкости настройки С^/_Н, как это показано на рис.7.7. При этом на крайних частотах диапазона (при значениях С_{Н МИН} и С_{Н МАКС}) ТКЧ контура a_{f M+} и a_{f M-} , соответственно.

a_f

a_{f M+}

С^/_Н

С_Н

C_{Н МИН} C_{Н МАКС}

a_{f M-}

Рис.7.7

Для получения a_{f M+} = a_{f M-} значение С^/_Н рассчитывают так:

С^/_Н = .

При больших К_ДГ (в нерастянутых диапазонах ДВ и СВ) целесообразно иметь a_{f M-} = К_{ДГ *} a_{f M+} .

При этом условии С^/_Н рассчитывается так :

С^/_Н = .

Далее при рассчитанном значении С^/_Н определяем С^/_ПЕР = С^/_Н - C_{Н МИН}, и рассчитываем нужное значение емкости С_1Г из условия обеспечения a_f = 0 при значении С^/_Н :

a₁ = - ,

где a_L, a_{СН 0}, a_{CН ПЕР} выбраны ранее.

Рассчитываем требуемый ТКЕ добавочного конденсатора

,

где С_{П СР} = С_{П МИН} + 0.5 _* (С_{П МАКС} - С_{П МИН}).

Выбираем по табл.7.1 группу конденсатора С_Д1, имеющую значение ТКЕ, ближайшее к рассчитанному, и обозначаем a^/_Д1. Рассчитываем получаемое при этом значение ТКЕ емкости С_1Г:

.

Рассчитываем ТКЧ контура на краях диапазона

a_{f M+} = - ,

a_{f M-}= - .

Определяем абсолютное значение ухода частоты при изменении температуры от t_МИН до t_МАКС , заданных в ТЗ:

Df_M+ = a_{f M+ *} f_{Г МАКС *} ( t_МАКС - t_МИН ) , Df_M- = a_{f M- *} f_{Г МИН *} ( t_МАКС - t_МИН ) .

Проверяем выполнение условий

Df_M+ < 0,1_* ( f_{Г МАКС} / Q_КГ ), Df_M- < 0,1_* ( f_{Г МИН} / Q_КГ ),

где Q_КГ - значение конструктивной добротности контура гетеродина (см. рекомендации п.2.4.).

Если указанные условия не выполняются, значит термокомпенсация контура произведена неудовлетворительно. Следует выбрать более подходящие значения ТКЕ добавочного и, если можно, подстроечного конденсаторов и повторить расчет.

7.2.3. Расчет термокомпенсации сложного контура.

Термокомпенсация сложного контура (рис.7.6) осуществляется подбором ТКЕ добавочных конденсаторов С_Д1, С_2Г и С_Д3. Теоретически с их помощью можно осуществить полную компенсацию ТКЧ контура в пределах всего диапазона, однако на практике подбор нужных значений ТКЕ часто оказывается невыполнимым.

При термокомпенсации подбором ТКЕ двух конденсаторов (С_2Г и С_Д1 или С_2Г и С_Д3) полная компенсация осуществляется в двух точках диапазона, как это показано на рис.7.8 сплошной линией. В остальной части диапазона происходит значительное снижение ТКЧ контура.

CН CН МАКС CН мин

Рис.7.8

Ниже приведена методика расчета ТКЕ добавочных конденсаторов С_2Г и С_Д3 для получения полной компенсации на краях диапазона.

Полагая все емкости контура известными, рассчитывают вспомогательные параметры

m = С^/_1Г/ С_2Г , n = С_3Г / С_2Г, p₁ = С_{Н МИН} / С_2Г, p₂ = С_{Н МАКС} / С_2Г,

p_СР = 0,5 _* (p₁ + p₂), q = a_L + a_{CН ПЕР} ,

где С^/_1Г = С_{Н МИН} + С_М1 + С_Д1, С_3Г = С_L + С_М3 + С_Д3 + С_{П СР}.

Задаются значением ТКЕ добавочного конденсатора С_Д1 (a_Д1) и вычисляют ТКЕ емкости С^/_1Г:

.

Далее вычисляют z = a_L + a₁,

,

.

Здесь a₂ - ТКЕ конденсатора С_2Г, а a₃ - ТКЕ суммы емкостей, составляющих С_3Г, поэтому следует рассчитать a_Д3 - ТКЕ добавочного конденсатора С_Д3:

.

По табл.7.1 выбирают группы конденсаторов С_2Г и С_Д3, имеющие значения ТКЕ, ближайшие к рассчитанным.

Обозначают выбранные значения a^/₂ и a^/_Д3 и рассчитывают:

,

x = a_L + a^/₃, y = a_L + a^/₂.

Рассчитывают ТКЧ контура при среднем значении емкости конденсатора настройки

a_{f CP} = .

Определяют абсолютное значение ухода частоты при изменении температуры от t_МИН до t_МАКС, заданных в ТЗ:

Df_M = a_{f СР *} f_{Г СР *} ( t_МАКС - t_МИН ),

где f_{Г СР} = .

Проверяют выполнение условия

Df_M < 0,1_* (f_{Г СР} / Q_КГ ) ,

где Q_КГ оговорено выше.

Если это условие не выполняется, то откорректировать расчет можно двумя путями.

Первый - взять большое отрицательное значение ТКЕ неподбираемого добавочного конденсатора С_Д1 (a_Д1) и повторить расчет, начиная с определения a₁.

Если и в этом случае удовлетворительный результат не будет получен, следует изменить исходное значение ТКИ катушки, приняв:

a^/_L = a_L + a_{f CP} ,

где a_{f CP} - значение, полученное в результате предварительного расчета.

Заменив во всех расчетных формулах a_L на a^/_L, следует вновь произвести расчет. В результате этого расчета кривая, отражающая зависимость a_f от С_Н сместится так, как показано на рис.7.8 пунктирной линией, то есть максимальное значение ТКЧ - a^/_f станет меньше.

После этого вновь определяют

Df_M = a^/_{f СР *} f_{Г СР *} ( t_МАКС - t_МИН )

и проверяют

Df_M < 0,1_* ( f_{Г СР} / Q_КГ ).

При хорошем подборе ТКЕ и ТКИ и правильных расчетах это условие выполняется обязательно.

По этой же методике можно произвести расчет термокомпенсации контура преселектора.

7.3. Расчет автогенератора на транзисторах ИМС К174ПС1

При построении преобразователя частоты с совмещенным гетеродином контур гетеродина к транзисторам ИМС может быть подключен в соответствии со схемами, приведенными на рис.7.9 и 7.10. Задача расчета - определение коэффициентов включения p_Э и p_Б, индуктивностей катушек связи L_Э и L_Б (в схеме рис.7.9) или емкостей C₂, C₃, C₄ (в схеме рис.7.10), обеспечивающих режим автогенерации.

Рис.7.9

У транзисторов ИМС значение эмиттерного тока при отсутствии генерации ориентировочно I_Э = 0.5 мА. Выбираем амплитуду первой гармоники эмиттерного тока транзисторов гетеродина, исходя из условия:

I_{m1 Э} = (1.6...1.8) I_Э.

Выбираем амплитуду напряжения на контуре гетеродина из условия уменьшения наводок на другие каскады приемника и паразитного излучения:

U_{m КГ} < (1.5...2 ) В.

Рис.7.10

Задаемся значением конструктивной добротности Q_КГ контура гетеродина (см. рекомендации п.2.4) и рассчитываем резонансное сопротивление контура гетеродина на минимальной частоте

R_ое = w_{Г МИН} L_КГ Q_КГ.

Определяем коэффициент включения контура гетеродина в цепь эмиттеров транзисторов ИМС с учетом шунтирующего действия резисторов R₄, R₅, R₆, R₇ :

,

где R = (I_{m1 Э} R₄ - 0.28) R₄ / U_{m КГ} .

Рассчитываем коэффициент включения контура между базами транзисторов из условия обеспечения устойчивой работы генератора:

p_Б = p_Э + 0.28 / U_{m КГ} .

При построении гетеродина по схеме рис.7.9 определяем индуктивности катушек связи

L_Э = L_КГ p_Э² / k² , L_Б = L_КГ p_Б² / k² ,

где k = 0.3...0.4.

При построении гетеродина по схеме рис.7.10 задаемся суммарной емкостью последовательно включенных конденсаторов C₂, C₃, C₄ приблизительно равной С = (0.07...0.15) C_КГ и рассчитываем

C_Б = C / p_Б , C_Э = C / p_Э , C₃ = C / (1 - p_Б - p_Э) .

С учетом входных емкостей ИМС C^/₂ и C^/₄ (приблизительно 3...4 пФ) рассчитываем значения :

C₂ = C_Б - C^/₂ , C₄ = C_Э - C^/₄ .

Выбираем стандартные значения емкостей конденсаторов C₂, C₃, C₄.

7.4. Расчет гетеродина на отдельном транзисторе

Построение гетеродина на отдельном транзисторе рекомендуется в том случае, когда необходимо обеспечить лучшие качественные показатели приемного тракта: более высокую стабильность частоты, малую зависимость амплитуды генерируемых колебаний, а следовательно и крутизны преобразования от частоты настройки. При этом необходимо использовать стабилизированный источник питания.

Проектирование состоит из выбора схемы гетеродина, определения параметров элементов связи контура гетеродина с транзистором, обеспечивающих устойчивую генерацию, а также связи автогенератора с преобразователем частоты для подачи необходимого напряжения.

На рис.7.11 представлена схема транзисторного автогенератора, перестраиваемого в диапазоне частот, который определяется параметрами колебательного контура. Напряжение, подаваемое на преобразователь частоты, снимается с резистора R_Э4 в эмиттерной цепи транзистора, что обеспечивает хорошую развязку цепей автогенератора и преобразователя.

Амплитуда напряжения обратной связи, подаваемого на эмиттер (амплитуда напряжения в точке А при R_Э2 = 0), необходимая для получения устойчивой генерации приблизительно равна 70...100 мВ. Если на преобразователь частоты нужно подать такое же напряжение, то резистор R_Э3 может отсутствовать.

Наличие сопротивления R_Э2 не является необходимым условием для работы гетеродина. Однако при его отсутствии требуемый коэффициент включения контура во входную цепь транзистора p₁ может оказаться столь малым, что его будет трудно реализовать (т.е. выполнить катушку связи). Включение R_Э2 позволяет увеличить p₁, так как оно принимает на себя избыточное напряжение обратной связи. Кроме того R_Э2 создает некоторую отрицательную обратную связь по переменному току и этим несколько уменьшает амплитуды высших гармоник автогенератора. Рекомендуется выбирать значение R_Э2 порядка нескольких десятков ом.

Рис.7.11

Так как сумма сопротивлений R_Э2, R_Э3 и R_Э4 может оказаться недостаточной для стабилизации режима транзистора по постоянному току, то необходимо ввести резистор R_Э1, зашунтированный конденсатором C_Э. Эту цепочку можно было бы включить между R_Э4 и корпусом, однако практика показывает, что включение дополнительных элементов во входную цепь транзистора смесителя нежелательно.

7.4.1. Расчет элементов цепей питания транзистора

Исходными данными для расчета являются:

- напряжение источника питания U_П ,

- среднее значения параметра a (h_21Б) для транзисторов данного типа a_СР ,

- минимальный ток обратно смещенного коллекторного перехода I_0K - порядка 10^-7 А,

- максимальная температура среды t_МАКС.

Выбираем ток покоя транзистора (при отсутствии генерации) I_Э = (0.5- 1.0) мА. Рассчитываем сопротивление резистора фильтра в цепи питания

R_Ф = (0.05...0.1) U_П / I_Э

и выбираем стандартное значение.

Выбираем допустимое относительное изменение тока покоя при повышении температуры cреды от +20^ОС до t_МАКС

d _t = (1...2) Dt / 293,

где Dt = t_МАКС - 20.

Выбираем значение R_Э, удовлетворяющее условию:

,

где r_БЭ= 25.6_*10^-3/I_Э - теоретическое дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. Сравниваем со значениями R_Э, приведенными в табл.5.1.

Если рассчитанное значение R_Э окажется менее 1 кОм, то принимаем R_Э = 1 кОм. С другой стороны, не рекомендуется брать R_Э и слишком большим, так как это приведет к уменьшению постоянного напряжения на коллекторе. Выбираем

R^/_Б = R_Б1 + R_Б2 = (20...30) _* R_Э.

Определяем значение тока базового делителя

I_Д = (U_П - I_{Э *} R_Ф) / (R_Б1 + R_Б2 + R_Ф) .

Рассчитываем

R_Б2 = (0.7 + I_{Э *} R_Э) / I_Д , R_Б1 = R^/_Б - R_Б2.

Выбираем стандартные значения, ближайшие к найденным с допуском + 5% (см. прил.2).

Разделение R_Э на составляющие части производится при расчете связей контура со входной и выходной цепями транзистора.

Блокировочные и разделительные конденсаторы следует выбирать не менее 3 нФ при частотах выше 5 МГц и не менее 47 нФ для более низких частот.

7.4.2. Расчет связей контура со входной и выходной цепями транзистора

Исходными данными для расчета связей контура с входной и выходной цепями транзистора, помимо данных предыдущего расчета, являются:

- частоты, соответствующие границам рассчитываемого диапазона с запасом по перекрытию f_{Г МИН} и f_{Г МАКС} и коэффициент перекрытия контура гетеродина K_ДГ (см. п.7.1.1),

- индуктивность катушки контура гетеродина L_КГ,

- конструктивная добротность контура Q_КГ,

- амплитуда напряжения, которое надо подать на смеситель U_mСМ (в зависимости от типа преобразующего элемента U_mСМ = 10...100 мВ),

- среднее значение коэффициента усиления тока транзистора в схеме ОЭ b_СР (h_21Э).

Рассчитываем минимальное значение добротности эквивалентного контура гетеродина на максимальной частоте генерации

,

где b = 0.5 (K_ДГ + 1.01).

Если при расчете получится Q_{КГ Э МИН} < 15, следует принять Q_{КГ Э МИН}=15...20 и, исходя из этого, рассчитать значение коэффициента b.

Выбираем минимальное значение амплитуды напряжения обратной связи U_{mЭ МИН} в пределах 70...100 мВ и рассчитываем:

R_Э3 + R_Э4 = (0.03...0.06) _* U_{mЭ МИН} / I_Э.

Рассчитываем коэффициент включения контура во входную (эмиттерную) цепь транзистора:

.

Если полученный коэффициент включения можно реализовать без больших затруднений (выполнив отвод от катушки L_КГ либо катушку L_С1), то можно принять R_Э2 = 0. Если, однако, для p₁ получено столь малое значение, что реализовать его сложно, то следует ввести R_Э2. Для расчета его величины задаемся наименьшим без труда реализуемым значением p_{1 МИН} и рассчитываем:

,

,

где I_{mК МИН} - минимальное значение амплитуды первой гармоники коллекторного тока, которое может быть принято равным I_{mК МИН} = 1.6 I_Э.

Определяем напряжение, приложенное к последовательно включенным R_Э2 и участку эмиттер-база,

U^/_{m Э МИН} = U_{mЭ МИН} + R_{Э2 *} I_{mЭ МИН} ,

где I_{mЭ МИН} - амплитуда первой гармоники эмиттерного тока, которая практически равна I_{mК МИН}. При дальнейшем расчете используется напряжение U_{mЭ МИН}, если R_Э2 = 0, и это напряжение заменяется напряжением U^/_{mЭ МИН}, если R_Э2 > 0.

Рассчитываем коэффициент включения контура в выходную (коллекторную) цепь транзистора:

.

Проверяем не оказался ли режим транзистора перенапряженным. Для этого находим наибольшее возможное значение амплитуды напряжения на коллекторе U_{mК МАКС} и сравниваем его с постоянным напряжением.

Для этого рассчитываем наибольшее возможное значение постоянной составляющей эмиттерного тока:

I_{Э МАКС} = I_{Э *} (1 + d _a + d _t ) + ,

где d_a = 0.1...0.2 - допустимое относительное изменение I_Э за счет отклонения параметра транзистора a от среднего значения.

Рассчитываем максимальное значение амплитуды первой гармоники коллекторного тока и максимальное значение амплитуды коллекторного напряжения:

I_{mК МАКС} = 1.6 I_{Э МАКС}, U_{mК МАКС} = I_{mК МАКС *} 2 _* p _* f_{Г МАКС *} L_{КГ *} Q_{КГ Э МИН *} p₂².

Амплитуда U_{mК МАКС} должна удовлетворять условию

U_{mК МАКС} < U_П - I_{Э МАКС *} (R_Э + R_Ф).

Если оно не удовлетворяется, то необходимо изменением Q_{КГ Э МИН} добиться уменьшения U_{mК МАКС}.

После этого выбираем сопротивления R_Э1 - R_Э4, исходя из рассчитанных значений R_Э, R_Э2, R_Э3 + R_Э4 и соотношений:

R_Э4 / (R_Э3 + R_Э4) = U_{m СМ} / U_{mЭ МИН} , R_Э1 = R_Э - R_Э2 - (R_Э3 + R_Э4).

Если в результате расчета получается отрицательное значение сопротивления R_Э1, можно попытаться уменьшить p_{1 МИН}. Если это не представляется возможным, следует принять R_Э1 = 0 и проверить выполнение условия

U_{mК МАКС} < U_П - I_{Э МАКС *} (R_Э2 + R_Э3 + R_Э4 + R_Ф).

Выбираем стандартные значения R_Э1 - R_Э4 с допуском + 5%.

В заключение по известным значениям p₁, p₂ и L_КГ, задаваясь значением коэффициента магнитной связи k = 0.2...0.4, рассчитываем L_С1 и L_С2 (см. п.7.3).