Умножение частоты на 2. Умножение частоты в генераторах. Схемы двухтактных удвоителей

В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых измерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого частота этого колебания увеличивается в k раз, k – целое положительное число. Такое нелинейное преобразование называется умножением частоты, а устройство, его реализующее, – умножителем частоты.

Таким образом, умножитель частоты – это устройство, которое увеличивает в k раз частоту гармонического колебания. Если на вход умножителя подается сигнал , то на выходе формируется сигнал , причем некоторые умножители увеличивают в k раз и начальную фазу, т.е. .

Умножители частоты используются при формировании колебаний с высокой стабильностью частоты. Это относится прежде всего к формированию высокочастотных колебаний при кварцевой стабилизации частоты задающего генератора. Собственная частота кварца определяется выражением , b – толщина пластинки кварца. Для частоты более 50 МГц пластинка должна иметь толщину порядка сотых долей миллиметра. Такие пластинки изготовить очень трудно, они имеют слабую механическую прочность. Поэтому такой метод стабилизации используют в генераторах с частотой до 5 МГц, в отдельных случаях до 50 МГц. Колебания более высоких частот получают с помощью умножителей частоты.

В качестве умножителей частоты наиболее часто используют схему нелинейного резонансного усилителя с контуром, настроенным на требуемую частоту. Как было показано ранее, в спектре импульсов тока нелинейного усилителя на транзисторе (работающего в режиме с отсечкой тока) имеются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте входного сигнала. Если контур усилителя настроить на частоту k- й гармоники, то на выходе будет сформировано гармоническое колебание с частотой этой гармоники.

Известно, что амплитуда k -й гармоники определяется выражением . Следовательно, режим работы усилителя как умножителя частоты должен быть таким, чтобы амплитуда нужной гармоники была наибольшей. При определенном значении это обеспечивается оптимальным углом отсечки, при котором = max.

Практически доказано, что такой угол отсечки, при котором графики имеют хорошо выраженные максимумы, равен . Знание угла отсечки дает возможность определить амплитуду входного сигнала и напряжение рабочей точки умножителя частоты:

, .

Здесь – средняя крутизна ВАХ транзистора для k -й гармоники, – напряжение отсечки.

Рассмотренная схема умножителя может обеспечить умножение частоты в 2, реже в 3 раза и не более, ибо амплитуды высших гармоник коллекторного тока быстро убывают с увеличением их частоты. В тех случаях, когда требуется умножение частоты сигнала в десятки и более раз, возможно многократное умножение частоты путем последовательного включения нескольких умножителей. Однако более целесообразно использовать другой метод.

Известно, что спектр периодической последовательности видеоимпульсов содержит бесконечное число гармонических составляющих с частотами, кратными частоте следования импульсов . Амплитуды этих гармоник при достаточно велики в широком диапазоне частот (ширина основного лепестка спектра равна ). Поэтому с помощью узкополосных фильтров можно выделить гармоники с частотами при значениях более десяти.

Схема такого умножителя содержит нелинейный преобразователь гармонического колебания в периодическую последовательность очень коротких по длительности видеоимпульсов с частотой повторения, равной частоте входного колебания, т.е. . Необходимая гармоника спектра этих импульсов выделяется фильтром.

Еще больший коэффициент умножения можно получить, если использовать периодическую последовательность радиоимпульсов. Спектр такого сигнала сосредоточен в области частоты несущего колебания. В составе этого спектра содержатся гармонические составляющие с частотами , значительно превышающими частоту входного колебания. Схема такого умножителя сложная, так как должна содержать импульсный амплитудный модулятор, преобразующий колебания с частотой в периодическую последовательность радиоимпульсов с частотой следования .

Умножение частоты можно осуществить также с помощью параметрических цепей (например, цепей с варактором). В рамках данного учебного пособия эта проблема не рассматривается.

Довольно часто при построении схем разнообразных генераторов и синтезаторов частот возникает необходимость в преобразовании сигналов одной частоты в сигналы большей частоты. Это можно сделать при помощи описанных в разделе Смесители схем смесителей (обеспечив преобразование вверх). Однако, когда требуется кратное преобразование (в два, три и более раз), удобнее и эффективнее использовать схемы так называемых умножителей частоты . Как следует из названия, такие схемы обеспечивают кратное преобразование (умножение) частоты входного сигнала.

Диодные умножители частоты характеризуются рядом положительных черт, которые обусловливают довольно широкое применение таких устройств (особенно на высоких и сверхвысоких частотах). К наиболее важным относятся: низкий уровень тепловых и фазовых шумов, способность работать на очень высоких частотах (вплоть до частот субмиллиметрового диапазона), а также относительная простота конструкции.

В настоящее время на практике применяется три принципиально отличающихся методики умножения частоты в диодных умножителях:

• варакторное умножение (умножение на нелинейной емкости);
• удвоение на схеме двухполупериодного выпрямления;
• диодное преобразование формы импульсов с последующим выделением нужной гармоники.

Работа умножителей частоты характеризуется рядом параметров: коэффициент умножения , входная (\(P_{вх}\)) и выходная (\(P_{вых N}\)) мощности , КПД (\(\eta = P_{вых N}/P_{вх}\) , иногда его называют эффективностью умножителя или коэффициентом передачи по мощности ), полоса рабочих частот и т.д.

Варакторные умножители частоты - это устройства, главным рабочим элементом которых является умножительный варикап (варактор) - полупроводниковый диод, который используется как нелинейная емкость с малыми потерями. Преобразование частоты происходит за счет искажения формы сигнала на нелинейно зависящей от напряжения емкости варактора и последующего выделения нужной гармонической составляющей. Структурные схемы двух основных типов варакторных умножителей представлены на рис. 3.6-35.

Рис. 3.6-35. Последовательная (а) и параллельная (б) структурные схемы варакторных умножителей частоты

Эти структурные схемы содержат: источник входного сигнала, варактор, нагрузку и фильтры \(Ф1\), \(Ф2\). Фильтры служат для фильтрации гармоник в нагрузке и источнике входного сигнала, а также для согласования нагрузки и источника с варакторным умножителем. Первый фильтр \(Ф1\) настраивается на частоту входного сигнала (это может быть, например, фильтр нижних частот с частотой среза незначительно превышающей частоту входного сигнала), а второй фильтр \(Ф2\) - на частоту нужной гармоники (это должен быть достаточно узкополосный полосовой фильтр, точные требования к полосе пропускания обоих фильтров определяются спектром умножаемого сигнала). При таких характеристиках через варактор протекают лишь две гармоники тока (конечно, любые реальные фильтры неидеальны, поэтому на самом деле будут присутствовать и все другие гармоники, но они будут существенно подавлены).

Мощность сигнала, подведенная к умножителю, частично теряется в варакторе и фильтрах. Некоторая доля преобразованной мощности рассеивается в элементах схемы. Поэтому коэффициент передачи по мощности варакторных умножителей частоты меньше единицы. Обычно стремятся получить максимальные выходную мощность и КПД, т.е. добиться режима, оптимального по энергетическим показателям.

Варакторные умножители находят наибольшее применение в диапазоне СВЧ (сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые длины волн). Их основное достоинство состоит в том, что с их помощью могут быть созданы достаточно мощные генераторы на те диапазоны частот, в которых нельзя добиться приемлемых параметров от генераторов на диодах Ганна или лавинно-пролетных диодах (например, ввиду невозможности непосредственной генерации диода Ганна или лавинно-пролетного диода на нужной частоте или ввиду повышенного уровня шумов генераторов на ЛПД).

В реальных умножителях сантиметрового диапазона (по выходной частоте) при коэффициенте умножения равном двум достигается КПД порядка 60...70 %. При увеличении коэффициента умножения КПД падает, так в утроителях он уже не превышает 40...50 %, а в умножителе частоты на восемь падает до 10...12 %. Указанные значения могут быть несколько увеличены при применении ряда специальных методик, таких как: работа в режиме с частичным отпиранием варактора и введение дополнительных (т.н. “холостых ”) контуров в схему умножителя (рис. 3.6-35).

В обычном умножителе варактор все время находится в режиме обратного смещения (цепи задания режима по постоянному току на рис. 3.6-35 не показаны), причем, с точки зрения уменьшения потерь в варакторе, выгодно максимально увеличивать напряжение смещения вплоть до уровня, граничащего с напряжением пробоя. Снижение потерь, казалось бы, означает большую выходную мощность и КПД умножителя. Тем не менее, это не всегда так - очень важен характер вольт-фарадной характеристики \(C(U)\) применяемого варактора. Дело в том, что нелинейность именно этой характеристики является основополагающим физическим эффектом, лежащим в основе работы варакторного умножителя. Так, например, если зависимость емкости диода от приложенного обратного напряжения близка к квадратичной, то наиболее эффективным будет применение такого диода в удвоителях частоты, а если степень нелинейности выше, то он неплохо справится и с умножением на больший коэффициент. Но самым важным является не характер, а глубина данной нелинейности, т.е. абсолютные величины коэффициентов \(b, c, d, ... \) в формуле, отражающей разложение зависимости \(C(U)\) в ряд Тейлора: \(C(U) = C_0 + aU + bU^2 + cU^3 + ... \). Усилить нелинейность удается в режиме с частичным открыванием \(p\)-\(n\)-перехода варактора .

Если варактор в течение всего периода входного сигнала закрыт, то для умножения частоты используется только барьерная емкость перехода. При открывании диода к барьерной добавляется диффузионная емкость, которая меняется от напряжения значительно сильнее, и вольт-фарадная характеристика становится более нелинейной. Однако при открывании существенно возрастают потери за счет прямого тока диода. Таким образом, существует некий критерий, определяющий возможность использования режима с частичным открыванием в том либо ином варакторном умножителе частоты. Данный критерий определяется исходя из частотных свойств варактора и частот входного и выходного сигналов. Дело в том, что в функционирующем в режиме с частичным открыванием варакторе с увеличением частот сигналов будет изменяться характер потерь. При малых частотах преобладающими будут рекомбинационные потери, с увеличением частоты они падают, но существенными становятся потери инерционные. В некотором диапазоне частот оба вида потерь могут оказаться достаточно малы, и как следствие - общая добротность варактора превысит единицу, что и обусловливает целесообразность применения режима с частичным открыванием. Граничные частоты оцениваются следующими соотношениями: \(f_{вх} > 1/\tau_{эфф}\), \(f_{вых N} < 1/\tau_{выкл}\), где \(f_{вх}\), \(f_{вых N}\) - частоты входного и выходного сигналов, \(\tau_{эфф}\) - эффективное время жизни неосновных носителей в базе диода, \(\tau_{выкл}\) - время выключения диода.

В высокочастотных варакторах применяются специальные меры по снижению \(\tau_{выкл}\), которое может составлять десятые доли наносекунд. Для этого уменьшают толщину базы и выполняют ее с неравномерной концентрацией примесей (см. Диоды с накоплением заряда).

Методика дополнения варакторного умножителя так называемыми холостыми контурами позволяет увеличить КПД для умножителей с коэффициентом умножения больше двух. Она основана на дополнительном преобразовании на том же варакторе сигнала 2-й, 3-й... гармоники в полезный выходной сигнал. Пояснить сказанное можно на примере утроителя с дополнительным контуром, настроенным на 2-ю гармонику. Если схема включения данного контура такова, что он не является нагрузкой для 2-й гармоники (работает на холостом ходу), т.е. потери на этой гармонике будут малы (отсюда и название - утроитель с холостым контуром, настроенным на 2-ю гармонику), то взаимодействие колебаний 1-й и 2-й гармоник на нелинейной емкости будет приводить к преобразованию части мощности 2-й гармоники в мощность 3-й.

При увеличении выходной мощности за счет холостого контура растет и мощность потерь - ведь теперь в диоде рассеивается мощность трех составляющих тока, а не двух, как в простом умножителе. Несмотря на это, КПД может увеличиться, если выходная мощность возрастает в большей мере, чем потери. На практике для утроителя с холостым контуром на 2‑ю гармонику достижим КПД порядка 70% вместо обычных 40...50 %. В умножителях большей кратности возможно применение нескольких холостых контуров, однако их реализация на сверхвысоких частотах существенно усложняет конструкцию и настройку умножителя при незначительном росте его эффективности. Поэтому обычно ограничиваются одним, реже - двумя холостыми контурами.

Описанное выше варакторное умножение частоты относится к классическому, используемому сравнительно давно и часто способу выделения гармоник на нелинейном элементе. Основные достоинства и недостатки данного метода следующие:

• возможность генерации существенных мощностей на частотах, которые являются рекордно высокими для любых полупроводниковых генераторов СВЧ;
• высокий КПД, особенно в режиме с частичным открыванием и при введении холостых контуров;
• поскольку варакторные умножители являются резонансной системой им свойственна узкополосность и трудность перестройки по частоте;
• при работе на низких частотах резонансная система становится слишком громоздкой, а требуемая для выделения нужной гармоники добротность реализуется с трудом.

В последнее время все большее распространение получают умножители частоты, в которых резонансный способ выделения гармоник не используется. Одной из разновидностей являются умножители, основанные на эффекте удвоения частоты на схеме двухполупериодного выпрямления .

Для двухполупериодного выпрямителя характерно, что частота пульсаций выходного напряжения в два раза превышает частоту входного напряжения (анализ работы таких выпрямителей приведен в разделе Выпрямители). Именно это свойство используется при работе удвоителей частоты. На рис. 3.6-36, 3.6-37 приведены схемы двух простых удвоителей, основанных на двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой и на мостовой схеме.

Рис. 3.6-36. Удвоитель частоты на основе двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Рис. 3.6-37. Удвоитель частоты на основе мостового выпрямителя

В приведенных схемах удвоителей могут применяться диоды самых различных типов (кремниевые, германиевые или арсенид-галлиевые диоды с \(p\)-\(n\)-переходом, диоды с накоплением заряда , диоды с переходом Шоттки , СВЧ диоды), параметры этих диодов будут полностью определять частотные и мощностные свойства удвоителя. Например, использование диодов с барьером Шоттки, которые имеют малое прямое падение напряжения, позволяет подавать на вход достаточно слабые сигналы, а если использовать диоды СВЧ, то и рабочий диапазон устройства смещается в область сверхвысоких частот (рабочий диапазон частот определяется также частотными свойствами трансформаторов).

В качестве трансформаторов на входе и выходе умножителя могут использоваться обыкновенные резонансные контуры, однако наилучшие параметры достижимы при применении широкополосных симметрирующих трансформаторов аналогичных тем, которые используются в широкополосных диодных смесителях . Такие трансформаторы обеспечивают лучшее согласование по входу и выходу, а также обладают высокой широкополосностью, что позволяет применять удвоитель частоты для сигналов очень широкого диапазона частот без какой-либо перестройки. Существует много вариантов включения широкополосных трансформаторов, правильный выбор позволяет обеспечить требуемый для конкретного устройства входной импеданс. На рис. 3.6-38, 3.6-39 приведен ряд примеров удвоителей частоты с широкополосными трансформаторами.

Рис. 3.6-38. Удвоитель частоты на основе мостового выпрямителя с широкополосными симметрирующими трансформаторами (коэффициент трансформации 1:4 или 1:1)

Рис. 3.6-39. Удвоитель частоты на основе двухполупериодного выпрямителя с широкополосным симметрирующим трансформатором (коэффициент трансформации 1:4) на входе

Заметим, что в схеме на рис. 3.6-39 выходной трансформатор отсутствует, его заменил дроссель \(L1\). Это практически не оказывает влияния на параметры умножителя, зато упрощает его конструкцию.

При необходимости обеспечить умножение частоты в 4, 8 и т.д. раз удвоители на схемах выпрямления могут включаться последовательно. При этом, однако, следует иметь в виду, что их КПД не очень высок (порядка 20 % для двухдиодного удвоителя). Поэтому между каскадами удвоения, как правило, включаются промежуточные усилительные каскады.

Таким образом, основными свойствами удвоителей на схемах двухполупериодного выпрямления являются:

• простота построения и высокая широкополосность, особенно при применении широкополосных согласующих трансформаторов;
• отсутствие громоздких резонансных систем, что позволяет выполнять удвоители компактными и использовать на низких частотах;
• низкий КПД и, как следствие, необходимость в промежуточном усилении при многокаскадном включении.

Кроме двух описанных выше методик для умножения частоты могут применяться самые разнообразные схемы, которые работают по принципу изменения формы входного синусоидального сигнала на цепи с существенными нелинейными свойствами и последующим выделением нужной гармоники . Такой принцип очень близок к варакторному умножению частоты, в основе которого также лежит нелинейная цепь (варактор), однако он обеспечивает гораздо меньший КПД, поскольку типовые ключевые цепи, обеспечивающие изменение формы сигнала, обычно характеризуются достаточно высокими потерями, а реализуемый ими характер нелинейности вызывает появление слишком большого числа разнообразных гармоник. Основным же достоинством данных умножителей является простота принципиальной схемы и настройки. Также как и варакторные умножители, умножители с изменением формы сигнала являются резонансными устройствами и при изменении частоты должны подвергаться перестройке.

Пример схемы простого утроителя построенного по описанному принципу приведен на рис. 3.6-40.

Рис. 3.6-40. Утроитель частоты 10/30 МГц на диодах

Также как и в описанных выше умножителях на выпрямляющих схемах, большинство параметров данного умножителя определяются типом применяемых в нем диодов. Оптимальным обычно является выбор диодов с барьером Шоттки соответствующей мощности.

Принцип работы схемы состоит в следующем. Входной фильтр \(L1\), \(C1\) обеспечивает согласование импеданса следующего за ним диодного преобразователя с выходом предыдущего каскада, кроме этого, он предотвращает проникновение высокочастотных гармоник сигнала на вход умножителя. Диодный преобразователь \(VD1-VD4\), \(L2\) служит для преобразования входного синусоидального сигнала в прямоугольный. Выходные цепи \(C2\), \(L3\), \(C3\), \(L4\) выделяют из прямоугольного сигнала нужную гармонику и обеспечивают согласование импедансов на выходе умножителя. Очень важным достоинством данной схемы является уникально низкий фазовый шум, что может быть решающим фактором для некоторых случаев применения умножителей частоты.

Если провести математический анализ простого прямоугольного сигнала, окажется, что в нем присутствуют только гармоники с нечетными номерами (1-я, 3-я, 5-я, 7-я и т.д.). Таким образом, приведенная на рис. 3.6-40 схема при соответствующей настройке резонансных контуров может использоваться для умножения частоты на 3, 5, 7, ... . Для обеспечения четного умножения необходимо другое преобразование формы сигнала, например, в сигнал треугольной формы. Следует иметь в виду, что с повышением коэффициента умножения существенно снижается и без того достаточно невысокий КПД умножителя частоты.

Схема еще одного простого умножителя частоты приведен на рис. 3.6-41. Его работа также основана на преобразовании формы синусоидального сигнала в прямоугольный сигнал с последующим выделением нечетной гармоники.

1. Введение

2. Обзор методов решения аналогичных задач

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

4. Описание принципа работы структурной схемы

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

6. Расчёт на ЭВМ

7. Заключение

8. Список литературы

9. Перечень элементов к электрической схеме

1. Введение

Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

Основной параметр – коэффициент умножения частоты N , определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:

Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

Основная проблема при конструировании умножителей частоты – это уменьшение фазовой нестабильности входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой , подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой , которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

Также, в отличие от обычных умножителей частоты умножители на фазовращателях могут обеспечить спектрально чистый, не требующий фильтрации выходной сигнал. Используя для расщепления фазы широкополосные фазово-разностные цепи, можно реализовать частотно-независимые умножители, работающие в диапазоне, который перекрывает множество октав.

В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

– косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

– прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;

– цифровой на основе вычислительных процедур.

Необходимо отметить, что умножители частоты с ИФАПЧ относятся к числу чрезвычайно динамичных, развивающихся систем формирования дискретного множества частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

2. Обзор методов решения аналогичных задач

Рассмотрим некоторые схемы и методы построения умножителей частоты. Процесс умножения частоты на нелинейном элементе сводится к следующему: входной сигнал воздействует на нелинейный элемент или на нелинейный резонатор, в результате чего синусоидальное колебание превращается в периодическое несинусоидальное, которому соответствует бесконечный ряд синусоидальных составляющих. Затем резонатор выделяет ту составляющую, на которую он настроен, в результате чего на выходе выделенная гармоника преобладает над всеми остальными.

Величины побочных гармоник определяется добротностью резонатора, и для того, чтобы их уменьшить, необходимо увеличивать добротность резонаторов. Однако величина добротности резонаторов особенно на длинных и коротких волнах ограничена, и в этом случае для ослабления побочных гармоник применяют специальные фильтры или различные буферные каскады.

Основным показателем умножителя частоты на пассивном нелинейном элементе является коэффициент полезного действия η, под которым понимается отношение мощности N-ой гармоники в нагрузке к мощности, потребляемой от возбудителя:

Столь малые значения к.п.д. обусловлены тем, что из-за выпрямительных свойств нелинейного активного сопротивления большая часть мощности возбудителя преобразуется в мощность постоянного тока и выделяется в цепи смещения.

Если для цепей умножения частоты применять нелинейное реактивное сопротивление, то из-за отсутствия в таком нелинейном элементе потерь мощности при идеальной фильтрации во входной и выходной цепях к.п.д. умножителя будет равен.

В качестве нелинейного реактивного сопротивления в умножителях частоты обычно используют нелинейную ёмкость p -n перехода.

Рисунок 2.1 . Структурная схема умножителя частоты на нелинейном элементе. 1 – фильтр, настроенный на гармонику, близкую к первой; n – фильтр, настроенный на n-ую гармонику.

Принцип работы умножителей на фазовращателях показан на рис.2.2. Частота синусоидального сигнала умножается на N путем разделения входного напряжения на N различных фаз, равноудаленных друг от друга в диапазоне 360°. N сигналов с различными фазами управляют N транзисторами, работающими в режиме класса С, выходные сигналы которых объединяются для формирования импульса через каждые 360°/N градусов. Благодаря использованию N транзисторов мощность входного сигнала может быть в N раз выше мощности, необходимой для насыщения транзистора.

Рисунок 2.2 . Структурная схема умножителя частоты на фазовращателях.

Схема простого умножителя частоты с переменным коэффициентом умножения и жесткой синхронизацией выходных сигналов по отношению к входным приведена на рис. 2.3. Он состоит из генератора импульсов на трех инверторах DD1.1-DD1.3 и синхронизирующего каскада на транзисторе VT1.

Когда входные синхроимпульсы отсутствуют, мультивибратор на DD1.1-DD1.3 работает в обычном режиме. Если в генераторе использована микросхема с двумя защитными диодами на входе, длительность перезарядки конденсатора C1 для любой полярности одинакова и период импульсов составит 1,4 R3 C1, а частота f - 0,7/(R3 C1).

При поступлении на вход VT1 положительных импульсов частоты F вх (рис. 2.3) транзистор в моменты t 1 ,t 3 открывается, что приводит к срыву процесса периодической перезарядки. После закрывания его с момента t 2 , t 4 процесс генерации возобновляется.Генератор формирует импульсы, синхронные по отношению к входным с частотой

F вых = kF вх, (2.3)

Рисунок 2.3 . Принципиальная схема умножителя частоты с жёсткой синхронизацией.

где k - переменный коэффициент умножения,определяемый элементами R3, C1, а F вх - частота входных импульсов.

В качестве элементов DD1 можно использовать любые инверторы микросхем серий К176, К561, КР1561. Кроме того, элементы DD1.1, DD1.2 могут быть без инверсии (буферы) или с гистерезисом (триггеры Шмитта).Транзистор серии КТ315 допустимо заменить другим аналогичным.

Это устройство при подаче на вход импульсов строчной частоты телевизионной развертки позволяет выделять строго определенные участки строки растра для формирования или считывания информации.

Так же умножитель частоты можно спроектировать на резонансном усилительном каскаде. Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливае­мого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются из­бирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего уси­ления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В большинстве случаев используется схема с оэ, обес­печивающая максимальное усиление по мощности с малым уров­нем шумов. В ряде случаев на достаточно высоких для выбранного транзистора частотах используется схема с ОБ. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам.

Рисунок 2.4 . Принципиальная схема умножителя частоты на резонансном усилительном каскаде.

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

Задача обеспечения стабильной работы транзисторного умножителя, как правило, решается более сложно, чем для усилителя, поскольку состав высших гармоник в импульсе тока изменяется более существенно, чем амплитуда первой гармоники. Высокая стабильность возможна в схемах, в которых используется отрицательная обратная связь. Создание источника с большим внутренним сопротивлением в умножителях затруднено, так как для фильтрации побочных гармонических составляющих в них обычно используются параллельные колебательные контуры высокой добротности. Такой контур для высших гармонических составляющих входного тока имеет практически нулевое сопротивление и поэтому может рассматриваться как источник гармонического сигнала с нулевым внутренним сопротивлением, что соответствует заданию моего курсового проекта.

Гармоническая форма напряжения может быть в принципе заметно искажена из-за шунтирующего действия нелинейного входа транзистора. Однако при малых мощностях, при которых обычно работает умножитель, входные сопротивления транзистора достаточно велики, чтобы этот эффект не проявлялся.

Структурная схема умножителя частоты представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – структурная схема умножителя частоты

Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления. Их число зависит от уровней как входного сигнала, так и сигнала, который требуется получить на выходе многокаскадного усилителя.

Усиленный предварительными каскадами сигнал подаётся на резонансный каскад, который, работая в режиме сильных сигналов, усиливает и фильтрует третью гармонику гармонического сигнала, подаваемого на вход. Тем самым происходит умножение входной синусойды с коэффициентом умножения N = 3. Выходной каскад предназначен для усиления преобразованного сигнала и передачи его с заданной мощностью на нагрузку. Для лучшей фильтрации побочных составляющих спектра выходного можно подключить резонансный LC-фильтр перед нагрузкой.

Определим максимальный ток протекающий через нагрузку:

Исходя из данных:

Тогда ориентировочное количество каскадов предварительного усиления по следующей формуле:

(3.3)

Для нашего проекта достаточно буде двух каскадов усиления – предварительного и резонансного. Ориентировочный коэффициент усиления для каждого каскада :

Для расчёта резонансного и предварительного усилительного каскада выберем транзистор ГТ309, который удовлетворяет предъявленным требованиям по частоте и выходной мощности. Параметры транзистора:

– предельная частота

Коэффициент усиления по току

Ом – сопротивление базы

- ток насыщения

Импульс тока каоллектора

Мощность рассеяния

4. Описание принципа работы структурной схемы

Т.к. по условию поставленной задачи генератор входного сигнала отсутствует, а на вход усилителя непосредственно подаётся синусойда заданной частоты и амплитуды, то входное устройство может отсутствовать в разрабатываемой структурной схеме.

Схемная реализация каскада предварительного усиления представлена на рисунке 4.1. Это схема усилителя на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. Я выбрал эту схему так как у нее сравнительно большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, а также большое входное сопротивление. Недостаток этой схемы – сдвиг фаз между входным и выходным сигналом равен 180° но в поставленной задаче не указывается обязательное сохранение фазы на выходе, так что этим недостатком можно пренебречь.

Основными элементами схемы являются источник питания, управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными.

Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рисунок 4.1 – принципиальная схема усилительного каскада с общим эммитером

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя. Резистор предназначен для создания цепи протекания тока. Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока, его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока, повышении напряжения и соответственно снижении напряжения. Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока, а, следовательно, и напряжения.

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливаемого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются избирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего усиления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В нашем случае используется схема с ОЭ, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шумов. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам. Неполное включение контура в коллекторную цепь и к нагрузке позволяет избежать чрезмерного ухудшения добротности контура (особенно когда нагрузкой служит малое входное сопротивление транзистора).

Рисунок 4.2 – принципиальная схема резонансного усилительного каскада

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

Прежде всего рассчитаем резонансный каскад.

Исходные данные:

Коэффициент умножения

Чтобы обеспечить запас стабильности на погрешность расчёта, зададимся нестабильностью тока 3-й гармоники 𝛿I = 10% . Из графика рис. 5.1 при выбранном управляющем напряжении такая стабильность обеспечивается при

0,4 ≤ cosλ ≤ 0,6 (5.2)

Где λ – угол закрывания

Рисунок 5.1 – График зависимости отношения гармоник, нестабильности тока и коэффициента Берга от угла закрывания для утроителя частоты

Учтём предельно допустимые параметры транзистора:

Где - напряжённость коллектора

Величина напряжения источника питания

Из графика рис. 5.1:

> 0,4 (5.10)

Тогда окончательно зададим угол закрывания:

Рассчитаем сопротивление обратной связи:

Из рис. 5.3 для низкочастотного приближения (выберем ωτ=1, т.к. в рабочих режимах постоянная составляющая мало зависит от частоты и и при выбранном значении ωτ=1 ошибка не превышает 10%) при 0,55. Выберем .

Рисунок 5.3 – зависимость коэффициента от

МГц минимальное значение рабочей частоты.

Исходя из этого, рассчитаем разделительные ёмкости:

Рабочая частота:

Определим входное сопротивление каскада:

– относительная расстройка (6.3)

Заключение

В нашей курсовой работе мы рассчитали умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным 3 и с входным сигналом

Полученная схема состоит из двух усилительных каскадов с коэффициентами умножения 25 и 42,6 и полосового фильтра на выходе с добротностью 20.

Проанализировав амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, я могу сделать вывод, что полученный прибор соответствует заданным условиям проектирования и может быть использован в инженерно-технических целях.

8. Литература

1.Валитов Р.А. - радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.

2. Лейк-Сан-Маркос - Умножитель частоты на фазовращателях.

3. И. Забелин - Журнал "Радио",8 номер, 1999г.

4. Л.Н. Бочаров - Расчет электронных устройств.

5. И.И. Четвертков - справочник резисторов.

6. М.Н. Дьяконов – справочник по электрическим конденсаторам.

7. В.Г. Басов - курсовое проектирование.

8. В.Г. Басов – конспект лекций.

Учебные вопросы:

1Назначение умножителей частот

1Назначение умножителей частоты

Промежуточный усилитель, частота колебаний на выходе которого больше частоты колебаний на входе в целое число раз (чаще всего в 2 или 3 раза) fBыx = nfBX, где n- кратность умножения, называется умножителем частоты.

Использование умножителей частоты в передатчиках позволяет:

1) понизить частоту задающего генератора при сохранении более высокой частоты на выходе передатчика, а, следовательно, применить кварцевую стабилизацию частоты в коротковолновых и ультракоротковолновых передатчиках, так как кварцевые пластины непосредственно для KB и УКВ оказываются механически непрочными и применить их нельзя; кварцевые резонаторы изготовляются на частоты не более 100 МГц, а применение умножителей позволяет получить стабилизированные кварцем колебания до тысяч мегагерц; кроме того, при бескварцевой стабилизации частоты параметры контура автогенератора на более низкой частоте получаются лучшими;

2) расширить в п раз диапазон волн передатчика, не расширяя диапазон волн задающего генератора;

4) повысить стабильность частоты возбудителя, так как при разных частотах настройки входного и выходного контуров умножителя изменение настройки входного контура почти не влияет на настройку его выходного контура, а следовательно, и на настройку контура предыдущего каскада;

5) увеличить девиацию частоты или фазы при частотной или фазовой модуляции;

6) сформировать множество стабилизированных кварцем частот в синтезаторах частоты возбудителей широкополосных передатчиков.

Умножитель частоты должен состоять из нелинейного преобразователя входного гармонического колебания и фильтра, выделяющего требуемую гармонику. Исходя из этого функциональная схема умножителя частоты в общем виде может быть представлена, как показано на рис.

Здесь Z1 и Z2 - цепи фильтрации и согласования, а УЭ - усилительный элемент, обладающий нелинейными свойствами.

На вход умножителя подается гармоническое (синусоидальное) напряжение. Входная цепь Z1 обеспечивает согласование источника этого напряжения с усилительным (нелинейным) элементом (НЭ). В нелинейном усилительном элементе происходит преобразование гармонического напряжения в негармоническое- импульсное, спектр которого богат гармониками. Задача выходной цепи - выделение из спектра импульсов требуемой гармонической составляющей nfBх, подавление всех остальных гармоник и трансформация комплексного сопротивления Zн в требуемое активное сопротивление, обеспечивающее заданный режим нелинейного элемента НЭ. В качестве нелинейного элемента используют электронные лампы, транзисторы и диоды. Ламповые и транзисторные умножители усиливают колебания, диодные - не усиливают.

2 Схемы умножителей частоты на транзисторах и лампах

Принципиальная схема генератора-умножителя частоты по своему построению не отличается от схемы генератора-усилителя. Различие только в том, что выходной контур умножителя настраивается не на основную (первую) гармонику выходного тока, а на вторую, третью и т. д. В этом случае в выходном контуре наибольшую мощность будут иметь колебания с частотой, на которую он настроен.

Практическая принципиальная схема транзисторного умножителя частоты приведена на рис. 1.65.

На вход схемы подается колебание с частотой ω. Базовым делителем напряжения транзистор устанавливается в режим класса В или С. В один из полупериодов входного напряжения транзистор открывается и в цепи коллектора ток протекает в виде периодической последовательности импульсов. Избирательной коллекторной нагрузкой является двухконтурный полосовой фильтр с внешнеемкостной связью Ссв, настроенный на вторую или третью гармонику входного напряжения. На выходе схемы создается напряжение с удвоенной или утроенной частотой.

Из анализа колебаний второго рода известно, что с увеличением номера гармоники амплитуда гармонических составляющих уменьшается. Чем больше номер гармоники, на которую настроен выходной контур умножителя, тем меньше амплитуда выходного тока при одной и той же амплитуде импульса Iвых n = αnIвых.max Следовательно, и колебательная мощность на выходе умножителя будет тем меньше, чем больше (коэффициент умножения. Уменьшение значения коэффициента αn происходит приблизительно обратно пропорционально номеру гармоники αn макс - α1 макс /n. Колебательная мощность в режиме умножения частоты примерно в n раз меньше, чем в режиме усиления по первой гармонике Pn~Р1/n Поэтому умножение больше, чем в два раза в одном каскаде нецелесообразно. Если необходимо умножение частоты произвести в большее число раз, применяют несколько каскадов удвоителей или утроителей.

Схема лампового умножителя частоты приведена на рис. 1.67. Физические процессы в этой схеме протекают так же, как в схеме усилителя, с той лишь разницей, что контур в анодной цепи настроен на вторую гармонику напряжения на сетке лампы.

Для получения граничного (режима сопротивление контура должно быть тем больше, чем выше номер выделяемой гармоники (Rэn = nR1). Выполнение такого контура представляет немалые технические трудности, особенно в контурах коротких и ультракоротких волн. Кроме того, при увеличении Rэ снижается КПД выходного контура.

3 Умножители частоты на варикапах и варакторах

Варикапом называют полупроводниковый диод, емкость которого изменяется с изменением величины приложенного к нему напряжения (variren - менять, capazitat - емкость). Емкость р-n-перехода складывается из барьерной емкости Сб и диффузионной Сд. При закрытом переходе основной является барьерная емкость, при открытом - диффузионная. Обе емкости нелинейно зависят от приложенного напряжения. На рис. 1.69 показаны зависимости барьерной Сб, диффузионной Сд и результирующей Св=Сб + Сд емкостей от значения напряжения, приложенного к его электродам. Здесь Свар - емкость варикапа. Варикапами называют маломощные диоды с нелинейной емкостью, а варакторами - мощные.

Варикап обычно используют в максимальном режиме, и рабочим участком его характеристики C=f (U) является часть ее, соответствующая закрытому состоянию варикапа. Внутреннее сопротивление варикапа в основном реактивное, потери мощности в нем незначительные и коэффициент передачи по мощности довольно высокий: 0,75 в удвоителе и 0,4 в утроителе. Коэффициентом передачи здесь называют отношение мощностей выделяемой и первой гармоник. На варикапах обычно выполняют удвоители и утроители частоты небольшой мощности. На варакторах выполняются умножители более высокого порядка (n-10... 15) и на большую мощность.

Применение варакторных умножителей частоты в радиопередающих устройствах ультракоротких волн обеспечивает возможность применения транзисторов в этом диапазоне. Современные транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц. Получение более высоких частот достигается следующим образом. После задающего генератора ставят несколько транзисторных усилителей, которые увеличивают мощность колебаний до значения, несколько превышающего заданную мощность в антенне. А затем включаются варакторные умножители, которые повышают частоту до рабочего значения. Но КПД передатчика при этом понижается. Однако энергетические потери оправдываются получением высоких частот, которых использованием только транзисторов получить нельзя.

Варикап (или варактор) в умножителе частоты можно включать по параллельной (рис. 1.70,а) или по последовательной (рис. 1.70,6) схеме.

Входной контур умножителя настраивают на первую гармонику тока, а выходной L2C2 - на вторую или n-ю. Практическая схема умножителя имеет дополнительные цепи: питания, фильтрации, настройки, согласования.

При увеличении коэффициента умножения n уменьшается мощность и КПД. Увеличить КПД и выходную мощность умножителя при n >З оказывается возможным путем применения активных электронных приборов, работающих в классе Д.