Материал: Расчет группового усилителя систем передачи

Расчет группового усилителя систем передачи

Введение

В технике связи, радиоэлектронике, измерительной технике, системах автоматики, телемеханики и ряде других областей часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов, т.е. в увеличении тока, напряжения или мощности этих сигналов. При передаче различных видов сообщений (телефонных, телевизионных и т.д.) по кабельным цепям для увеличения дальности связи включают усилительные устройства, которые компенсируют затухания, возникающие вследствие потерь в кабеле. Усилительное устройство радиотрансляционной сети увеличивает мощность звуковых сигналов радиоприемников до величины, обеспечивающей нормальную работу всех включенных в эту сеть громкоговорителей. В измерительной технике, когда измеряемые токи или напряжения настолько малы, что не могут привести в действие регистрирующее устройство, включают соответствующий усилитель. Таким образом, усилитель используется тогда, когда энергия сигнала на входе приемника недостаточна.

Основные особенности групповых усилителей:

. В зависимости от назначения, пропускной способности МСП с частотным разделением каналов работают в диапазоне рабочих от 12кГц до 60 МГц и более. Известно, что затухание линии (симметричного или коаксиального кабеля) растет с повышением частоты. Поэтому групповой усилитель содержит корректор амплитудно-частотной характеристики (КАЧХ), с помощью которого усиление на верхней рабочей частоте по сравнению с усилением на нижней рабочей частоте поднимается в несколько десятков раз.

. Абсолютная величина затухания в линии зависит от расстояния между двумя усилительными пунктами. Для его компенсации в усилителях устанавливается частотно-зависимые регуляторы усиления (РРУ); иначе их называют удлинителями или выравнивателями. Обычно они выполняются в виде ступенчатых регуляторов усиления.

В состав групповых усилителей вводится также автоматический регулятор усиления (АРУ). Он управляется датчиком температуры грунта либо сигналами специальных контрольных частот. Его назначение - поддержание необходимого усиления и формы АЧХ независимо от климатических условий. Вход и выход усилителя защищаются от мощных импульсных помех (например, грозовые разряды) включением полупроводниковых диодов.

. Одним из важнейших требований, предъявляемых к групповым усилителям, является стабильность параметров. Стабильность достигается с помощью различных цепей ООС. Используются как местные обратные связи, так и обязательно - общая ООС, охватывающая весь усилитель. На входе и выходе усилителя применяются дифференциальные системы - шестиполюсники, которые позволяют реализовать комбинированную ООС.

Техническое задание

Спроектировать усилитель для МСП с ЧРК при следующих требованиях:

. Количество каналов ТЧ кабельной СП 120

. Длина секции ОУП-ОУП, км 220

. Номинальная длина усилительного участка, км 8

. Максимальная температура грунта, ^оС 33

. Уровень передачи ОУП, дБ-1,5

. Уровень шумов, приведенный ко входу усилитель ПС, дБ-130

. Затухание нелинейности:А_го2=82дБ; А_го3=83дБ.

. Питание усилителя Е_п=22В.

. Согласование на входе и выходе усилителя - обязательное.

1. Определение минимальной и максимальной частоты линейного спектра СП

.1 Выбор типа кабеля

Определим фактическое число каналов. Так как заданное количество каналов ТЧ кабельной СП равное 120 кратно 12, т.е. не отличается от стандартных значений, то возьмем N_ф=120. N_ф - фактическое число каналов, которое далее будет учитываться при расчетах. Ширина спектра группового сигнала определяется по числу N_ф, т.е.:

Df = 4* N_ф = 4*120 =480 кГц.

Выберем тип кабеля для проектируемой СП. В соответствии с заданными условиями выбираем коаксиальный кабель, т.к. ширина спектра Df > 300 кГц. Тип кабеля: МКТ-4

Определим минимальную и максимальную частоту линейного спектра:

f _min = 0,03 * Df = 0,03 *480 = 14,4 кГц.

Т.к. f_min  f_{min кабеля} , то минимальную частоту следует выбрать равной 60 кГц.

f_max = f_min + Df = 60 + 480 =540 кГц.

.2 Вычисление коэффициента затухания кабеля

Коэффициент затухания кабеля показывает, на сколько ослабляется сигнал при передаче по кабелю в 1 км.

Т_max = 33^о С f_max = 540 кГц.

K_a=1 a_a=2*10^-3r=Rн=75 Ом

a_норм(f_max) = 0,065 + 5,259 *  + 0,017 * f_max(МГц) = 0,065 + +5,2959* + 0,017*0,54 = 3,939 дБ/км

a(f) = a_норм(f_max) * К_a = 3,939 * 1 = 3,939 дБ/км

a _темп (f) = a(f)*[1-(20 - Т_max) * a_a] = 3,939 * [1 - (20 - 33) * 2*10^-3] =4,041 дБ/км

.3 Расчет количества промежуточных усилительных станций

Для усиления сигнала, в линиях связи через участки, обозначаемые как l_ном, включают усилительные станции. Количество промежуточных усилительных станций определяется как:

N_пc = (L/l_норм)-1 = (220/8)-1=26,5

N_пc = 27, где L - длина секции ОУП - ОУП

l_ук = L - N_пc* l_ном = 220 - 27*8 = 4 км

Т.к. l_ук = 0,5* l_ном, то берем 1 укороченный участок с длинной 4км.

.4 Построение диаграммы уровней

Уровни передачи на приеме после номинальных и укороченных участков.

P_пер = -1,5 дБ - уровень передачи ОУП.

Р _пр.ук. = Р_пер - a _темп (f) * l_ук = -1,5 - 4,041*4= - 17,664 дБм.

Р _пр.ном. = Р_пер - a _темп (f) * l_ном = -1,5 - 4,041 * 8 = -33,828 дБм.

.5 Определение рабочего усиления усилителя УП

А_з = Р _пр.ном.- Р_ш = - 33,828 + 130 = 96,172 дБм.

S_раб = Р_пер - Р _пр.ном.= -1,5 + 33,828 = 32,238 дБм.

S_раб - рабочее усиление, А_з - уровень защищенности от помех.

.6 Расчет максимальной неискаженной мощности на выходе усилителя ПС

Р_max = Р_пер +DР_пик + Р_ср + DР_пер

DР_пер = 3дБ.

Р_ср = -3 + 5 lg N_ф = -3 + 5 lg 120 = 7,396 дБ.

DР_пик = 10 + 10 lg (1 + 15/ N_ф) = 10 + 10 lg (1 + 15/ 120) = 10,512 дБ.

Р_max = -1,5+ 10,512 + 7,396 + 3 = 19,408 дБ.

Переведу Р_max:

Р_max = 10 ^{0,1 Рmax, дб}=10 ^{0,1 * 19,408} = 87,257 мВт.

На Рис.1. представлена диаграмма уровней СП.

2. Расчет выходного каскада группового усилителя

.1 Выбор и обоснование схемы выходного каскада усилителя (ВКУ)

В ВКУ аппаратуры МСП при наивысшей частоте, не превышающей 1 - 1,5 МГц, целесообразно использовать трансформаторные схемы связи с нагрузкой. Трансформатор, преобразуя эквивалентное сопротивление нагрузки, позволяет сделать его оптимальным, при котором транзистор обеспечивает получение заданной выходной мощности более экономичным способом при наименьших нелинейных искажениях. Кроме преобразования нагрузки трансформатор исключает прохождение через нагрузку постоянной составляющей выходного тока транзистора и обеспечивает более высокий к.п.д., благодаря лучшему использованию напряжения источника питания.

Для сравнительно маломощных усилителей систем передачи с ЧРК вопросы экономии электрической энергии не играют решающей роли, поэтому предпочтение отдается однотактной схеме усилителя, которая может работать только в режиме класса А. В этом режиме проще обеспечить малые нелинейные искажения, причем уровень этих искажений резко уменьшается при неполном использовании транзистора по току и напряжению, в том числе и при средних уровнях сигнала.

Двухтактные схемы выходных каскадов в групповых усилителях на дискретных элементах, как правило, не используются, так как схема каскада усложняется и труднее обеспечить общую ООС.

В настоящее время биполярные транзисторы по отдаваемой мощности, диапазонам рабочих частот и температур, линейности характеристик и усилению являются более подходящими для выходных каскадов групповых усилителей.

Включение транзистора в ВКУ по схеме с общим эмиттером обеспечивает большее усиление, облегчает реализацию глубокой ООС, делает возможным для связи с предварительным усилителем использование более простых схем связи. Однотактная трансформаторная схема ВКУ приведена на рис.2.

Рис. 2. Трансформаторная схема ВКУ на БТ

В схеме используется эмиттерная стабилизация. Сопротивления R´_б и R”_б включаются в цепь базы при наличии на входе разделительной емкости. На рис.2 показан один из способов комбинированного подключения цепи ООС к выходу. Напряжение ООС снимается с части витков первичной обмотки выходного трансформатора W´_ос (ООС по напряжению) и с сопротивления R´_бл (ООС по току). Для увеличения выходной мощности можно использовать параллельное включение двух транзисторов.

.2 Выбор транзистора

Для расчета получена (рассчитана выше) номинальная выходная мощность в дБм, переводим в мВт:

Р_н = 10 ^{0,1 Рн, дБм} = 10 ^0,1*19,408 = 87,257 мВт

Потери в цепи ООС могут составлять от 5% до 20% (λ = 1,05-1,2). Коэффициент полезного действия трансформаторной ДС η_тр можно принять для проектируемых групповых усилителей в пределах η_тр=0,9-0,94. В выходных каскадах используем один (N=1) транзистор.

Пусть l=1,05; h_тр=0,93, тогда

Рассеиваемая транзистором мощность в режиме покоя должна быть не менее:

Где = 0,7 - коэффициент использования БТ по напряжению.

При выборе транзисторов также учитываются параметры:

f_в=0,540 МГц, T_max=33 ^оС, E_п=22В.

При помощи ЭВМ в соответствии с вышеизложенными данными были выбраны следующие транзисторы:

Таблица1.

Из всех предложенных транзисторов желательно выбрать тот, который будет отвечать следующим условиям:

.        Меньший обратный ток коллекторного перехода I_к0 (I_кб0).

.        Малые тепловые сопротивления R_т.п.к. и R_т.ис., и более высокую допустимую температуру перехода T_{п.max.доп.}.

.        Большие значения статических коэффициентов усиления h_21э и меньший разброс этих параметров.

.        Максимально-допустимое мгновенное напряжение на коллекторе желательно иметь в пределах: U_{к.э.макс} = ( 1¸1.5)Е_п.

.3 Выбор режима работы транзистора ВКУ

усилитель групповой транзистор кабель

При одинаковом использовании транзисторов по току и напряжению значения  и  в рабочей точке не должны превышать половины максимально допустимых, т.е. для обеспечения гарантированной надежности транзистора должны выполняться условия:

U_к0£0,45*U_k.max; U_к0£0,45*100 = 45 В;.

I _к0£0,45 * I _k.max; I _к0£0,45 *150 = 67.5 мА

Напряжение на транзисторе ВКУ должно составлять не более 0,8 Еп. При выбранном , для получения требуемой выходной мощности, значение тока в рабочей точке:

Выбираем рабочую точку на семействе выходных характеристик (рис. 3) при  и . Определяем значение тока коллектора в рабочей точке . Проверяем условие:

.

Критерием правильности выбора р.т. являются также максимальные значения температуры p-n перехода:

которая не должна превышать максимально допустимое для данного транзистора значение Т_{п.макс.доп}.

Выполним проверку (максимальная температура среды составляет +33ºС): .

Нагрузочные прямые строятся следующим образом. Общей точкой является рабочая точка (р.т.). Другая точка для R_н= равна (точка 1):U_к1=Еп=22В; i_к1 = 0

Для R_н~ (точка 2):U_к2=2U_к0=34В; i_к2 = 0.

Указанные значения точек 1 и 2 отмечаем на оси напряжений и проводим соответствующие нагрузочные прямые.

Для дальнейших расчетов ВКУ определяются статические параметры транзистора:

статический коэффициент усиления по току в рабочей точке

;

выходное сопротивление транзистора в режиме насыщения:

.

Так как величина  выбрана больше величины, определяемой соотношением , фактический коэффициент использования транзистора получается меньше 0,7: