2.9. Умножители частоты

Умножителем частоты называют такой ГВВ, частота колеба­ний, на выходе которого в 2, 3,..., п раз выше, чем на входе.

Схема умножителя частоты аналогична схеме обычного усили­теля радиочастоты. Умножитель отличается от усилителя тем, что выходной контур умножителя настроен на вторую, третью или п-ю гармонику входного напряжения. Поэтому на нагрузке выде­ляется мощность той гармоники, на которую настроен выходной контур.

Из анализа режима колебаний второго рода известно, что с увеличением номера гармоники амплитуда гармонических состав­ляющих уменьшается: I_n=α_n, Imах- Поэтому полезная мощность и КПД умножителя меньше, чем усилителя. Режим умножения применяют в маломощных ступенях передатчика, низкий КПД ко­торых практически не снижает КПД передатчика в делом.

Принцип построения транзисторных умножителей частоты основан на использовании двух физических процессов: выделения нужной гармоники из импульса коллекторного тока и нелинейно­го характера изменения коллекторной емкости от изменения кол­лекторного напряжения.

Т ранзисторные умножители частоты, работающие на принципе выделения нужной гармоники из импульса, обеспечивают умно­жение на сравнительно низких частотах. Это происходит потому, что с повышением рабочей частоты импульс коллекторного тока расширяется (вплоть до 180°) и содержание высших гармоник в нем резко снижается. Практически умножители на этом принци­пе работают на частотах до 0,3 Ѡ_т.

Для умножения на более высоких частотах используется нели­нейность коллекторной емкости. Это позволяет получить на выхо­де умножителя частоту больше граничной частоты транзистора. На рис. 2.12 приведена схема транзисторного умножителя частоты, работающего как на низких, так и на высоких частотах. На вход схемы подается напряжение основной частоты, на кото­рую настроен контур в цепи базы транзистора. В цепи коллекто­ра включены фильтры, выделяющие на нагрузке заданную гармо­нику.

Транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц. Для получения мощности на более высоких частотах после транзисторного генератора включают умножители частоты на по­лупроводниковых диодах — варикапах и варакторах.

В полупроводниковых приборах емкость р—n-перехода скла­дывается из двух составляющих: барьерной (1) —основной при закрытом переходе и диффузионной (2) — основной при открытом переходе.

Графики зависимости емкостей р—n-перехода от напряжения на нем показаны на рис. 2.13. Кривая 3 отражает результирую­щую емкость р—n-перехода. Для работы умножителя на харак­теристике C_рез=f(U) выбирают рабочую точку А, подавая соот­ветствующее напряжение смещения.

Д иоды, предназначенные для работы в режиме малых по сравнению с напряжением смещения амплитуд, называют варика­пами. Свойства варикапа определяются свойствами только барь­ерной емкости запертого перехода.

Диоды, предназначенные для работы при больших амплитудах, называют варакторами. В варакторных умножителях работа про­исходит как в области закрытого, так и в области открытого пе­рехода.

Принцип работы варакторного умножителя частоты основан на использовании нелинейности емкости р—n-перехода. При подаче на р—n-переход гармонического напряжения ток через переход будет негармонический (рис. 2.13,6). В составе такого тока име­ются высшие гармонические составляющие. Использование обла­сти открытого р—n-перехода приводит к увеличению уровня выс­ших гармоник.

В схему умножителя варактор можно включать как параллель­но (рис. 2.14,а), так и последовательно (рис. 2.14,6). Контур входной цепи умножителя настроен на основную частоту, а кон­тур выходной цепи — на вторую или третью гармонику. Такой умножитель частоты является пассивным, так как энергия выходных колебаний на частоте гно определяется энергией только одно­го источника входного напряжения с частотой со.

Достоинством параллельной схемы умножителя является то, что один вывод варактора в ней находится под нулевым потенци­алом. Это дает возможность разместить варактор на большом радиаторе и улучшить тепловой режим, а значит повысить полез­ную мощность.

Недостаток схемы — возможность возникновения паразитной генерации в контуре, образуемом индуктивностью выводов и ем­костью корпуса варактора и монтажа.

Последовательная схема (рис. 2.14,6) обеспечивает лучшую устойчивость работы, поскольку индуктивности выводов и емкость корпуса входят в состав колебательной системы умножителя. Но в этой схеме усложняются условия теплоотвода.

Наилучшая эффективность преобразования мощности в варакторе достигается подбором оптимального значения напряжения смещения, соответствующего определенному значению входного напряжения. При изменении амплитуды входного напряжения из­меняется и эффективность преобразования.

Автоматическое смещение обеспечивает изменение напряжения смещения при изменении входного напряжения, сохраняя таким образом оптимальную эффективность преобразования.

Варакторные умножители частоты используют для двух- или трехкратного умножения частоты. Для получения умножения большей кратности соединяют последовательно несколько удвои­телей или утроителей.

2.10. Схемы соединения транзисторных генераторов

Для увеличения выходной мощности ГВВ включают парал­лельно или последовательно несколько транзисторов для работы на одну общую нагрузку.

При параллельном включении транзисторов для работы на одну общую нагрузку одноименные электроды транзисторов соеди­няют между собой параллельно. При этом токи отдельных транзи­сторов в общем проводе складываются и в выходном контуре вы­деляется суммарная мощность.

При параллельном включении транзисторов паразитные емко­сти отдельных транзисторов, соединяясь между собой, увеличива­ют общую паразитную емкость схемы, что понижает устойчивость работы схемы в целом.

Соединяемые параллельно транзисторы должны иметь одинако­вые параметры, иначе один из транзисторов будет шунтировать другой транзистор и нагрузку. Значительный разброс параметров транзисторов приводит к необходимости применять дополнитель­ные схемные решения, вы­равнивания режимов рабо­ты отдельных транзисторов. Однако это приводит к ус­ложнению схемы, а следо­вательно снижает надеж­ность ее работы. Поэтому ограничиваются включени­ем не более двух-трех транзисторов параллельно.

Вследствие сложности настройки и снижения на­дежности схемы с парал­лельным включением тран­зисторов применяются ред­ко.

Двухтактные генераторы малой мощности (десятки ватт) на частотах 1 —10 МГц можно выполнять на трансформаторах с маг­нитной связью, как показано на рис. 2.15. Транзисторы в этой схе­ме работают в режиме класса В, т. е. с углом отсечки 0 = 90°. При подаче на вход переменного напряжения возбуждения в це­пях коллекторов импульсы коллекторных токов сдвинуты по фазе на 180°. По току первой гармоники транзисторы оказываются сое­диненными последовательно.

Коллекторный ток первой гармоники транзистора VT1 проте­кает от коллектора VT1 через транзистор VT1, затем участок эмиттер — коллектор транзистора VT2, через нагрузку Т2 к кол­лектору транзистора VT1.

Коллекторный ток первой гармоники транзистора VT2 проте­кает от коллектора VT2 через участок коллектор — эмиттер VT2, через эмиттер — коллектор VT1, через нагрузку и к коллектору VT2.

Через нагрузку Т2 коллекторные токи первой гармоники про­текают в одном направлении и поэтому суммируются. В общем проводе питания токи первой гармоники направлены навстречу и взаимно компенсируются.

На выходе этой схемы при хорошей ее симметрии высшие гар­моники отсутствуют, так как четные гармоники коллекторных то­ков обоих транзисторов в выходном трансформаторе компенсиру­ются, а нечетные гармоники в импульсах с отсечкой 0 = 90° прак­тически отсутствуют.