Коротков 2


САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Дисциплина: УПОС
Тема: Разработка тракта радиоприемного устройства
Выполнили студенты гр. 43427/2Жигунов Ф.Н.
Захаров Н.А.
Преподаватель __________ Коротков А.С.
(подпись)
Санкт-Петербург2014
C О Д Е Р Ж А Н И Е
TOC \o "1-1" \h \z \u 1. Постановка задачи и исходные данные.32.Смеситель.43. УПЧ144.Полосовой фильтр195. ЧМ детектор.216. Принципиальная схема приёмного тракта.247.Литература25

TC 1. Постановка задачи и исходные данные.Провести расчёт тракта радиоприёмного и моделирование устройства при помощи пакета MicroCap. Тракт включает в себя: смеситель, усилитель промежуточной частоты, полосовой фильтр, ЧМ-детектор. В качестве источника сигнала используется генератор ЧМ-колебания. Гетеродин описывается с помощью гармонического генератора напряжения.
Промежуточная частота,
fпчЧастота модуляции, F Индекс модуляции
ψ Тип
смесителя Тип детектора
25МГц 50кГц 5 Диодный/схема Гильберта На настроенных контурах
Амплитуду входного сигнала и гетеродинного, а также частоты несущей и гетеродина, задать самостоятельно:
Несущая частота сигнала fс = 45 МГц, амплитуда входного сигнала 10 мВ, частота гетеродина fг=fс+fпч=70 МГц. Амплитуда гетеродина – 20мВ.
ЧМ сигнал описывается следующим выражением:

Структурная схема тракта:
sпч(t)

Пояснения к структурной схеме:
В смесителе (СМ) происходит понижение несущей частоты ЧМ сигнала для облегчения дальнейшей обработки. Блок усиления промежуточной частоты (УПЧ) усиливает сигнал до уровня достаточного для нормального функционирования ЧД. Полосовой фильтр (ПФ) настроенный на промежуточную частоту, убирает дополнительные каналы, возникающие в смесителе. Частотный детектор выделяет исходный модулирующий сигнал. Поскольку схема детектора на настроенных контурах не устойчива к паразитной амплитудной модуляции, её необходимо поставить амплитудный ограничитель.
2.Смеситель:
891540432435Балансная схема на диодах
Рис.1. Балансная схема на диодах

Рис.3. Спектр входного сигнала
767715276860Рис.2. Вид сигналов на входе и выходе схемы
473075659765
Рис.4. Спектр выходного сигнала

Расчет преобразователя частоты по схеме Гильберта:

Рис.5. Принципиальная схема преобразователя частоты
Используем МОП-транзисторы со следующими характеристиками:
LEVEL=8 A0=2.208 AF=1.4 AGS=249m B0=-17.6n CAPMOD=2 CDSC=0 CDSCD=84.48u CF=0 CGBO=110p CGDL=135p CGDO=112p CGSL=135p CGSO=112p CIT=1m CJ=930u CJSW=280p CLC=1f DLC=29n DROUT=500m DSUB=500m DVT0=22.27 DVT1=1.051 DVT1W=0 DVT2=3.393m DVT2W=0 DWC=26.76n ETA0=30.85m ETAB=-39.5m JS=20u K1=604.4m K2=2.945m K3=-1.72 K3B=632.5m KETA=-621u KF=2.81E-027 KT1=-330m L=0.4u LINT=-16.7n MJ=310m MJSW=190m NCH=2.31E17 NFACTOR=111.9m NLX=191.8n PB=690m PBSW=690m PCLM=683.1m PDIBLC1=107.6m PDIBLC2=1.453m+ PDIBLCB=258.3m PSCBE1=275.6MEG PSCBE2=9.645u RDSW=604.3 RSH=2 TOX=7.7n U0=403.5 UA=1p UA1=0 UB=.001723f UB1=0 UC=57.56p UC1=0 UTE=-1.8 VERSION=3.1 VOFF=-57.2m VSAT=117.8k VTH0=465.5m W=Wn W0=118.4n WINT=26.76n XJ=300n XPART=1
Расчет элементов схемы Гильберта:
μ0=403,5* 10-4м2В*сTheta=2VSAT=117,8*103 мсL7=0,4 мкмθ= Theta+μ02VSAT*L7=2,428Eпит=2,5 ВUзи-U0=250 мВεox=35,1*10-12 ФмTox=7,7*10-9мUотп=465 мВ
I7=1 мАUвх=3 мАμэфф= μ0Cox= εoxTox=0,004 Фм2W7=640 мкмI3= I6= I72=0,5 мАL3= L6=0,4 мкмW3= W6 =740 мкмUгm= 2Uзи-U0= 0,353 ВI1=I2= I4= I5= I74=0,25 мА L1= L2= L4= L5=0,4 мкмW1= W2= W4= W5=160 мкмОпределяем рабочую точку транзисторов M1, M2, M4, M5:
Uз01min= Uз02min= Uз04min= Uз05min== (Uзи-U0)+(Uзи-U0)+(Uзи-U0)+Uотп=1,215 ВRн=2700 ОмUз01max= Uз02max= Uз04max= Uз05max== Eпит-I1+I4Rн+Uотп=1,615 ВОпределяем рабочую точку транзисторов M3, M6:
Uз03min= Uз06min= (Uзи-U0)+(Uзи-U0)+Uотп=0,965 ВUз03max= Uз06max =Eпит-I1+I4Rн-(Uзи-U0)+Uотп= =1,365 ВRп= Eпит-(Uзи-U0)-UотпI7=1,785 кОм
Рис.6. Результат моделирования схемы по постоянному току
Ic0=0,5*μэффСохW6L6 (Uзи-U0)2=0,01 АIc0=I3gm3= 2Ic0μэффСохW6L6=0,018 АВKсм=2gm3Rнπ=31,723KсмдБ=20log10Kсм= 30,027 дБ Вычисление шумов в смесителе:
γ = 2/3
Тθ=300 Кk=1,38*10-23ДжКSM3,6=4kТθγ1gm3=5,984*10-19 В2ГцSвых.M3,6=2Rн2gm32SM3,6=2,969*10-15 В2Гц Sвых.Rн=8kТθRн= 8,842*10-17 В2ГцI0=225,35 мкАUГm=0,3 ВG=4I0πUГm=9,569*10-4 1ОмSвых.M1,2=16kТθγGRн2=3,08*10-16 В2Гц Sвых=8kТθRн1+ γgm3Rн+2γ γGRн= 3,356*10-15 В2Гц
Определение уровня третьей гармоники:
Kp= μ0Сох=1,839*10-4АВ2K'= 12KpW3L3=0,17 АВ2q=1,6*10-19КлNA= 2,3*1023 1м3ni= 1,18*103 1м3εSi=103,5*10-12 Фм Uип=0,238 В φF=kТθqlnNAni=1,208 Вγ0 = 2qεSiNAСох=0,605U0= Uотп+γ0(2φF+Uип)-2φF=0,51 Вgm(3)=|-K'θ(1+θ(Uзи-U0+Uотп-U0)4|= 0,77 АВ3Uвых.m3=13πgm3RнUвх3= 59,6 мкВ
Рис.7. Вид сигналов на выходе и входе схемы
26289040005
Рис.8. Спектр входного сигнала

Рис.9. Спектр выходного сигнала
215265-720090
415290484505
Рис 10. Полный спектр на выходе смесителя.

KсмдБмоделир.=20log1060.0741.763= 30,648дБ
Различие между расчетным коэффициентом передачи смесителя и коэффициентом передачи, полученным при моделировании, не превышает 3дБ.
3. УПЧ:
Усилитель промежуточной частоты представляет собой однокаскадный усилитель на МОП-транзисторе по схеме с общим истоком.

Рис. 11. Принципиальная схема УПЧ.
Расчет элементов УПЧ:
Необходимый коэффициент усиления: K=10дБ;Характеристики МОП-транзистора:
LEVEL=8 A0=2.208 AF=1.4 B0=-17.6N CAPMOD=2 CDSC=0 CDSCD=84.48U CF=0 GBO=110P CGDL=135P CGDO=112P CGSL=135P CGSO=112P CIT=1M CJ=930U CJSW=280P CLC=1F DLC=29N DROUT=500M DSUB=500M DVT0=22.27 DVT1=1.051 DVT1W=0 DVT2=3.393M DVT2W=0 DWC=26.76N ETA0=30.85M ETAB=-39.5M JS=20U K1=604.4M K2=2.945M K3=-1.72 K3B=632.5M KETA=-621U KF=2.810000E-027
KT1=-330M L=0.4U LINT=-16.7N MJ=310M MJSW=190M NCH=2.310000E+017 NFACTOR=111.9M NLX=191.8N PB=690M PBSW=690M PCLM=683.1M PDIBLC1=107.6M PDIBLC2=1.453M PDIBLCB=258.3M PSCBE1=275.6MEG PSCBE2=9.645U RDSW=604.3 RSH=82 TOX=7.7N U0=403.5 UA=1P UA1=0
UB=0.001723F UB1=0 UC=57.56P UC1=0 UTE=-1.8 VERSION=3.1 VOFF=-57.2M VSAT=117.8K VTH0=465.5M W=320u W0=118.4N WINT=26.76N XJ=300N XPART=1
Выбираем рабочую точку по выходным характеристика транзистора:

Рис. 12. Схема для получения выходных характеристик.

Рис. 13. Выходные характеристики МОП-транзистора.
Из графика: Ic= 20 мА, Uзи=1В, E=3.5В;
W = 320 мкм;
L = 0,4 мкм;
μ0=403,5* 10-4м2В*сεox=35,1*10-12 ФмTox=7,7*10-9мCox= εoxTox=0,0045 Фм2S= 2Icμ0СохWL=0,076 АВRс=KS=131 ОмRи= EIс- Rс=43Омfн=20Гц;
Cи= 3*S2*π*fн=1.8мФНеобходимый коэффициент усиления: К = 10дБ;
Из АЧХ усилителя, на рисунке 14, коэффициент усиления рассчитанного усилителя K = 10.03дБ;
Kмоделир. = 20*log(Uвых/Uвх) = 20*log(199.93/60.074) = 10.44дБ;

Рис. 14. АЧХ и ФЧХ усилителя.

Рис. 15. Сигнал на выходе УПЧ.


Рис. 16. Спектр сигнала на выходе УПЧ.

Рис. 17. Полный спектр сигнала на выходе УПЧ.

4. Полосовой фильтр:
Использован полосовой фильтр Баттерворта.

Рис. 18. Принципиальная схема фильтра X1.

Рис. 19. АЧХ фильтра.
Из АЧХ фильтра, на рисунке 19, видно, что коэффициент ослабления фильтра K = -6дБ;
Kмоделир. = 20*log(Uвых/Uвх) = 20*log(100.29/199.93) = -5.99дБ;

Рис. 20. Полный спектр сигнала на выходе фильтра.

Рис. 21. Спектр сигнала на выходе фильтра.

5. ЧМ детектор:
ЧМ детектор построен по схеме детектора с настроенными контурами. Из-за того, что этот вид детектора не подавляет амплитудную модуляцию на входе ставиться диодный амплитудный ограничитель.

Рис. 22. Принципиальная схема частотного детектора.
Расчет частотного детектора:
Контуры С1L1 и С2L2L4 должны быть настроены на частоту
f0=fпч=25МГц, кроме того L3 и C5 должны быть в разы больше, чем С1, С2 и L1, L2+L4 соответственно.
С1=1нФС2=1нФС5=100нФ
L3=100мкГн
L= 14*π2*fпч2*CL1=40нФL2=L4=20нФНоминалы R=R1=R2 и С=C3=C4 амплитудного детектора выбираются из условий:
RC >>1fпч = 125МГц = 40нс
RC<<1F =150кГц = 20мкс
При R=100 кОм и С=0.1нФ R*C=10мкс

Рис. 23. Сигнал на выходе частотного детектора.

Рис. 24. Полный спектр на выходе частотного детектора.

Рис. 25. Спектр на выходе частотного детектора

-126746015690856. Принципиальная схема приемного тракта:
7.Литература:
1)А.С.Коротков «Устройства приема и обработки сигналов. Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи».
2)У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника».
3)Е.И. Манаев «Основы радиоэлектроники».
4)В.Д.Разевиг «Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7».

Приложенные файлы

  • docx 15767628
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий