Разработка радиоприемника

В детекторах аналогового типа используется матрица, элементы которой способны «запоминать» суммарный заряд, возбужденный потоком рентгеновских квантов. Аналоговые детекторы, реализованные на монокристаллическом кремнии, как и квантовый детектор, регистрируют излучение с помощью люминофора экрана или непосредственно в области пространственного заряда транзистора.

На рис. 6 соответственно показаны электрическая схема и структура пикселя аналогового детектора. Достоинство таких детекторов, по сравнению с предыдущими, - отсутствие жестких требований к быстродействию внешних устройств; возможность приема излучения высокой интенсивности, когда временное отделение одного кванта от другого невозможно, что обычно имеет место при приеме излучения в оптическом диапазоне частот. Недостатки - меньшая контрастность (динамический диапазон) из-за потерь, связанных с самопроизвольной релаксацией информационного заряда в пикселях матрицы и неточностью преобразования аналоговых сигналов в цифровые; технологические проблемы, аналогичные квантовому детектору.

Работа цифрового детектора мозаичного экрана основана на цифровом отсчете (запоминании) числа квантов, поступивших в каждый элемент матрицы, и запоминании аналогового сигнала, пропорционального выделенной ими энергии. Трехмерная конструкция детекторов этого типа состоит из двух изолированных и механически соединенных с помощью индиевых столбцов пиксельных матриц. При этом первая матрица только принимает излучение, а вторая обрабатывает сигнал пикселя. Обе матрицы изготавливаются с помощью независимых технологических процессов, что позволяет наилучшим образом оптимизировать качество их исполнения. Очевидно, мозаичный экран, построенный на цифровых детекторах, позволяет получить теоретически максимально высокое качество изображения объекта в рентгеновском спектре излучений.

Следует отметить, что возможна и другая, более простая, реализация детектора, например когда принимающая излучение матрица представляет собой сборку из аморфных диодов и сцинтилляторов или матрицу прямого действия на p-i-n_диодах и резисторах. Такой детектор не требует размещения по периферии кристалла специальных выводов для подключения управляющих устройств. Однако при использовании такой приемной матрицы нельзя получить теоретически предельное качество изображения.

В целом достоинства экрана на цифровом детекторе заключаются в наилучшем, по сравнению с экранами других типов, отношении сигнал/шум, в высокой контрастности, большом динамическом диапазоне, координатной точности и т.п. Его недостатки - высокая стоимость и сложность изготовления.

Из рассмотренного следует, что для создания высококачественных рентгеновских экранов нового поколения наиболее перспективны мозаичные панели на детекторах с пиксельными матрицами на основе функционально-интегрированных структур. Каждое из приведенных здесь технических решений представляется весьма перспективным для создания таких мозаичных рентгеновских экранов, хотя сейчас сложно определить какое из них окажется наиболее конкурентоспособным и рентабельным в будущем. Возможно, наиболее перспективны панели, построенные на основе «квантовых» детекторов, поскольку они дают полную информацию о рентгеновском излучении, проходящем через исследуемый объект. В любом случае необходимо проведение исследовательских работ по анализу эффективности предложенных технических решений.

Следует отметить, что в отечественной промышленности сегодня сложно использовать традиционные технические решения, поскольку в стране отсутствует технология формирования высококачественных аморфных полупроводниковых слоев, требуемых для рентгеновских экранов.

4. Предварительный расчет приемника

Распределение между трактами приёмника частотных и нелинейных искажений. Частотные искажения создаются всеми каскадами приёмника. Общую величину частотных искажений высокочастотной части приёмника определяют из выражения.

Мвч = Мпрес + Мфси + Мупч [дБ], (3)

где Мвч - общая величина частотных искажений высокочастотной части;

Мпрес - частотные искажения преселектора;

Мфси - частотные искажения фильтра сосредоточенной селекции;

Мупч - частотные искажения усилителем промежуточной частоты.

Принимаем значения Мвх.ц = 5, Мфси = 4, Мупч = 3.

Мвч = 3 + 4 + 3 = 12 дБ

Общая величина частотных искажений приёмника (без искажений, вносимых громкоговорителем)

Мобщ = Мвч + Мунч, (4)

где Мунч - частотные искажения в УНЧ, величина которых 2 - 3 дБ.

Принимаем значение Мунч = 2 дБ.

Мобщ = 12 + 2 = 14 дБ.

Должно выполняться условие

Мобщ = М,

где М - заданные частотные искажения на весь приёмник.

14 дБ = 14 дБ

Причиной нелинейных искажений является нелинейность характеристик усилительных приборов и диодов. Наибольшие нелинейные искажения создаются в детекторе и УНЧ. Общую величину нелинейных искажений детектора и УНЧ определяют из выражения

Кг.общ = Кгд + Кгунч, (5)

где Кгд - нелинейные искажения в детекторе Кгд= 1 - 2%;

Кгунч - нелинейные искажения в усилителе низкой частоты

Принимаем следующие значения:

Кгд = 1%, Кгунч = 5%.

Кг.общ = 1% + 5% = 6%.

По результатам расчётов должно выполняться условие

Кг.общ ? Кг,

где - Кг - заданные нелинейные искажения на весь приёмник.

6% = 6%.

Определение эквивалентной добротности контуров преселектора и вывод о необходимости применения УРЧ.

В зависимости от заданной величины ослабления зеркального канала определяется минимаотная необходимая добротность контура преселектора. Сначала выбирают минимальное количество контуров и определяют минимальную эквивалентную добротность контура, обеспечивающую заданное ослабление зеркального канала.

, (6)

где Seзк - заданное ослабление сигнала зеркального канала в относительных единицах;

nc - минимальное количество контуров;

fcmax - максимальная частота сигнала, заданного рабочего диапазона частот, кГц;

fзк - частота зеркального канала, кГц;

fзк= fcmax + 2fпр (7)

Принимаем следующие значения nc = 1, fcmax = 0,285 МГц, Seзк = 18

fзк = 0,285106 + 2 (465103) = 0,378 МГц.

Qэк.зк=18/(0,378106)2/(0,285106)2-1=39,4 дБ

Далее выбирают конструктивную добротность контуров преселектора Qкон.

Принимаем для диапазона гектометровых волн Qкон.=100

Должно выполняться условие

Qэк.зк < (0,5 - 0,7) Qкон, (8)

где Qэк.зк - эквивалентная добротность контура преселектора, дБ;

Qкон - конструктивная добротность контура преселектора, дБ;

Qэк.зк < 0,6100

39,4< 60

Условие выполняется, следовательно УРЧ в приёмнике не применяется.

Расчёт полосы частот входного сигнала П и максимальной добротности контура входной цепи Qэкп, при которой частотные искажения в заданной полосе не превышают допустимых, полученных при распределении их между каскадами.

П = 2 (Fмmax + ?fсопр + ?fг), (9)

где ?fсопр - допустимая неточность сопряжения настроек контуров, которую для декаметрового диапазона выбирают 10 - 15 кГц, километрового и гектометрового 3 - 5 кГц;

?fг - возможное отклонение частоты гетеродина, равное

?fг =(0,5 - 1)10-3 fсmax.

?fг = 0,710-30,285106 = 0,2103 Гц

Принимаем ?fсопр=4 кГц

П = 2 (3,5103 + 4103 + 0,2103) = 15,4103 Гц

Значение Qэкп определяем по формуле

, (10)

где М - частотные искажения преселектора;

П - полоса частот, кГц;

fсmin - минимальная частота сигнала, МГц;

При отсутствии в прёимнике УРЧ

М = Мпрес/2,

Так как УРЧ в приёмнике не применяется, то

М = 5/2 = 2,5

Qэкп=0,2851062,52-1/15,4103=42,4 дБ

Должно выполняться условие

Qэкп >Qэкзк (11)

42,4 > 39,4

Условие выполняется.

Если условие выполняется, то принимаем рассчитанная Qэкп.

Затем выбирают блок конденсаторов переменной ёмкости, двух- или трёхсекционный, в зависимости от количества контуров, настраиваемых на частоту принимаемого сигнала.

Для расчёта числа поддиапазонов определяют коэффициент диапазона Кд, который может обеспечить выбранный конденсатор переменной ёмкости, и требуемый коэффициент диапазона по частоте Кд.с:

, (12)

где Ссх - принимается диапазонах гектометровых волн 25 - 30 пФ.

Для расчёта принимаем следующие значения Ссх = 25 пФ, Cкmin = 12 пФ, Cкmax = 495 пФ.

________________

Кд=495+25/12+25=3,7

Затем определяем значение Кд.с по формуле:

Кд.с = f 'cmax/f 'cmin, (13)

f 'cmax = 1,02 fcmax, (14)

f 'cmin = f 'cmin/1,02, (15)

f 'cmax = 1,020,285106=0,2907 МГц

f 'cmin =0,285106/1,02=0,279 МГц

Кд.с = 0,2907 / 0,279 =1,04

Если Кд ? Кд.с, то в приёмнике применяется 1 диапазон. Если Кд ? Кд.с, то заданный диапазон частот входного сигнала следует разбить на поддиапазоны.

Кд Кд.с,

3,7 > 1,04.

Условие выполняется, следовательно, в приёмнике достаточно иметь один диапазон.

Выбор схемы детектора и типа диода. Выбираем последовательную схему диодного детектора.

Так как по заданным техническим условиям проектируемый приёмник можно отнести ко второму классу, то в соответствии принимаем значения

Uвхd = 0,3 В, Kd = 0,4.

Напряжение на выходе детектора рассчитываем по формуле:

Uвыхd = KdmUвхdk, (16)

где k = 0,5 - 0,6 - коэффициент, учитывающий потери части выходного напряжения детектора на резисторе,

m = 0,3 - коэффициент модуляции.

Задаёмся следующими коэффициентами k = 0,5, m = 0,3.

Uвыхd = 0,30,40,50,3 = 0,018 В

Выбираем точечный диод типа Д9Б.

Определение необходимого коэффициента усиления от входа до детектора. Для преобразования частоты выбираем транзистор КТ357А для которого fт=80 МГц, Екмах =10В. Проверяем выполнения условий.

fмах=0,1 fт=0,180=8 МГц

Uк =12В>Еи=9В

где fмах - максимальная частота заданного рабочего диапозона частот;

fт - предельная частота усиления тока для схемы с общим эммитером при котором h21э=1

Uк - предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора

Условие выполняется, следовательно, транзистор выбран правильно. Из справочника для транзистора КТ357А выписываем основные параметры:

Iк =10мА, Uк=6В, h21э=120, С12=4пФ, S =¦Y21э¦ = 26 мА/В.

Определяем входное сопротивление транзистора в режиме преобразования

Rвх = 1/0,8g11э (17)

Rвх=1/0,5310-3= 1,8 кОм

Определяем характеристическое сопротивление контура на частоте f 'cmax

?max = 159/fcmax [МГц] (Cкmin + Cсх) [пФ], (18)

?max = 159/0,285(12 + 25) = 15,14 кОм

Определим эквивалентное и конструктивное затухание контура:

dэп = 1/Qэп; (19)

dкон = 1/Qкон; (20)

dэп = 1/11,3=0,088;

dкон = 1/100=0,01.

Определяем коэффициент включения контура m1 по формуле

, (21)

где Rвх - входное сопротивление транзистора 1 каскада радиоприемника;

max - характеристическое сопротивление контура;

dэп и dкон - затухание контура.

________________________

m1=(0,088-0,01)1,8 /15,14=0,096

Напряжение сигнала на входе первого каскада радиоприёмника можно определяется по формуле:

Uвх = EhдQэк.пm1, В, (22)

где E - напряжённость электрического поля в точке приёма В/м, равная 100мкВ;

hд - действующая высота магнитной антенны, равная 0,02 - 0,04 м;

Qэк.п - максимальная добротность контура входной цепи, дБ;_

Принимаем действующую высоту антенны hд = 0,03 м

Uвх = 120•10-60,030,09642,4 =0,14 мВ.

Необходимый коэффициент усиления при приёме сигнала на магнитную антенну определяется по формуле

Кн = (Uвхd/ Uвх)106, (23)

Кн = (0,3/0,14•10-6)106=2142

Необходимый коэффициент усиления Кн' берут с запасом из-за разброса параметров транзистора, неточной настройки контуров и т.д.:

Кн' = (1,4 - 2) Кн., (24)

где Кн - необходимый коэффициент усиления;

Кн' - необходимый коэффициент усиления с запасом.

Кн' = 22142=4284

Определение числа каскадов УПЧ. Для определения числа каскадов УПЧ необходимо знать коэффициенты передачи входной цепи и преобразователя частоты.

Принимаем коэффициент передачи входной цепи приёмника - 2

Коэффициент усиления ПЧ, нагруженного на фильтр сосредоточенной избирательности, рассчитывают оп формуле:

Кпч = m1m2KфY21пчR, (25)

где m1 - коэффициент включения нагрузки в коллекторную цепь смесителя m1= (0,6 - 0,8); принимаем m1=0,7

m2 - коэффициент включения нагрузки в цепь базы первого УПЧ

m2= (0,1 - 0,2); принимаем m2=0,15

Y21пч - крутизна характеристики транзистора в режиме преобразования, мА/В;

Y21пч = 0,5Y21э, (26)

где R = (10 - 15)103 Ом - характеристическое сопротивление контуров фильтра сосредоточенной селекции; принимаем R=12кОм

Kф = 0,2 - 0,25 - коэффициент передачи ФСИ; принимаем Kф = 0,25

Y21пч = 0,526 = 13 мА/В;

Приняв следующие значения m1 = 0,7; m2 = 0,15; Kф = 0,25; R = 12кОм определяем коэффициент усиления ПЧ

Кпч = 0,70,150,250,01312103 = 4,095

Для определения коэффициента усиления каскада УПЧ рассчитывают устойчивый коэффициент усиления по формуле

, (27)

где Ск - проходная ёмкость транзистора, принимаем 4 пФ;

fпр - промежуточная частота, равная 465кГц;

Y21Э - крутизна характеристики транзистора, мА/В

В каскаде УПЧ применяем транзистор КТ 357А

Рассчитываем устойчивый коэффициент усиления УПЧ

Купчуст=6,32610-3/465103410-12=23,54

Необходимое количество каскадов УПЧ определяется по формуле

Nупч =(lg Кн' - lg Кпч)/lg Купчуст, (28)

Nупч =(lg 4284 - (lg 4,095+lg 3+lg2) /lg 23,54 =1,63

Таким образом, для обеспечения заданной чувствительности приёмника должно быть 2 каскада УПЧ.

Избирательность по соседнему каналу Se, создаваемую входной цепью приёмника определяем по формуле:

, дБ, (29)

где N - число каскадов УРЧ;

?f - стандартная расстройка, равная 9 кГц для километрового; гектометрового и декаметрового диапазонов;

fcmax - максимальная частота сигнала, МГц;

Qэк. - ранее выбранная добротность контуров входной цепи и УРЧ

____________________________

Страницы: 1, 2, 3, 4