Диодные умножители частоты

В качестве УЧ в современных радиопередающих устройствах широко используют УЧ на специально созданных для этих целей диодах: диодах с нелинейной ёмкостью (ДНЕ) и диодах с накоплением заряда (ДНЗ).¹⁰Интерес к подобным УЧ огромен, так как эффективность преобразования входного сигнала в таких УЧ довольно высока. Кроме того, не требуются источники питания и рабочий диапазон таких УЧ намного выше, чем при использовании многих других типов генераторных приборов.

ДНЕ обладают нелинейной ёмкостью двух типов: барьерной и диффузионной. Первая из них обусловливается накоплением зарядов противоположного знака по обе стороны p – n-перехода. Увеличение запирающего напряжения на переходе расширяет обеднённый слой, что приводит к уменьшению величины барьерной ёмкостиС_Б. Диоды с явно выраженной нелинейностью барьерной ёмкости носят названиеварикапов.¹¹В общем случае зависимость барьерной ёмкостиp – n-перехода от величины обратного напряжения на переходе описывается выражением

(18.4)

где С_В– ёмкость варикапа, равная барьерной ёмкости перехода;С₀– начальная ёмкость перехода при напряжении на переходее_П= 0;– контактная разность потенциалов, то есть напряжение на переходе при отсутствии внешнего напряжения (= 0,4…0,6 В – для кремниевых диодов и= 0,2…0,3 В – для германиевых диодов);γ– коэффициентp – n-перехода, зависящий от распределения примесей в переходе, имеющий величину 1/3 при «плавном переходе» (диффузионный тип перехода) и 1/2 при «резком переходе» (сплавной тип перехода). Возможны и другие значения 1/3 ≤γ≤ 1/2, а также значенияγ= 1…2 для «сверхрезких переходов». На рис.18.6 показаны зависимости нормированной ёмкостиp – n-перехода (18.4) при разныхγ: 1/3; 1/2; 1.

Второй тип нелинейной ёмкости – диффузионная ёмкость С_Двыявляется при открытом состоянии диода и обусловливается избыточной концентрацией неосновных носителей, инжектированных по одну сторонуp – n-перехода. Прие_П< 0 диффузионная ёмкостьС_Д= 0 и резко увеличивается по мере приближенияе_ПкЕ ^/ – напряжению, при котором открывается диод (по величине напряжениеЕ ^/равно, но имеет противоположную полярность). Характер зависимости диффузионной ёмкости диода показан на рис.18.7. Диффузионная ёмкостьС_Дp – n-перехода диода на несколько порядков превышает его барьерную ёмкостьС_Б. При отпирании диода диффузионная ёмкость переходаС_Ддобавляется к его барьерной ёмкостиС_Б. Резкое увеличение ёмкостиp – n-перехода при его открывании увеличивает накапливаемый на ней заряд и ток через неё, что способствует увеличению преобразуемой диодом мощности. ДНЕ, работающие с открыванием перехода, носят названиеваракторови специально предназначены для умножения частоты.

На рис.18.8 показано изменение результирующей ёмкости ДНЕ с открыванием перехода – варактора (С_В+С_Д).

При использовании ДНЕ в УЧ к нему прикладывается обратное напряжение постоянной величины, определяющее рабочую точку диода. Если обозначить это напряжениеЕ_{В РТ}, то ёмкость варикапа в рабочей точке согласно (18.4)

Соответственно вместо (18.4) для ёмкости варикапа (барьерной ёмкости) можно записать:

(18.5)

Результирующее напряжение на переходе варикапа е_П=Е_{В РТ}+u(t), гдеu(t) – переменное напряжение, не заходит в область положительных значений, тогда как у варактора оно заходит в положительную область. Соответственно, ёмкость перехода у варактора изменяется в больших пределах и более резко, что увеличивает как уровень входного сигнала, прикладываемого к диоду, так и содержание гармонических составляющих переходного процесса при переходе диода из одного состояния, например, закрытого, в другое – открытое и наоборот.

Помимо ДНЕ: варикапов и варакторов разработаны специальные диоды с ещё более резким изменением заряда на переходе, соответственно и ёмкости перехода, при переходе из открытого состояния в закрытое и наоборот. Такие диоды получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ). В закрытом состоянии у ДНЗ обычно коэффициент перехода γ= 1/5, то есть ёмкость перехода в закрытом состоянии почти не изменяется. В открытом состоянии в области перехода накапливается большой заряд, который рассасывается за определённое время при смене полярности напряжения на переходе. Продукт переходного процесса обогащён гармоническими составляющими.

Итак, в любом диодном параметрическом УЧ используется нелинейное изменение ёмкости перехода при изменении его режима. Соответственно умножительный (параметрический) диод в эквивалентной схеме УЧ представляется нелинейной ёмкостью. Переходные процессы в области перехода сопровождаются потерями мощности, что учитывается введением в схему сопротивления потерь. Соответственно ёмкость перехода можно характеризовать её добротностью. С повышением рабочей частоты необходимо учитывать индуктивности вводов диода и монтажную ёмкость, что, естественно, усложняет эквивалентную схему УЧ.

Основными элементами диодного УЧ являются: источник входного сигнала, диод, полезная нагрузка. Очевидно, эти три элемента могут быть соединены либо параллельно, либо последовательно. Помимо указанных элементов в схему диодного УЧ обязательно входят, как минимум, два фильтра: один на частоту входного сигнала ω, другой – на интересующую гармоникуnω.

На рис.18.9 представлены так называемые параллельная а) и последовательнаяб) схемы параметрических диодных УЧ. В УЧ параллельного типа фильтры представляют последовательные колебательные контуры, а в УЧ последовательного типа в качестве фильтров используются параллельные колебательные контуры. В общем случае выходные фильтры в любой из схем могут представлять как последовательные, так и параллельные одиночные контуры или системы связанных контуров.

Если полагать фильтры идеальными, то есть имеющими в УЧ параллельного типа (рис.18.9,а) бесконечно большое сопротивление на всех частотах, кроме резонансных, а в УЧ последовательного типа (рис.18.9,б) бесконечно малое сопротивление на всех частотах, кроме резонансных, то можно считать, что в УЧ параллельного типа переменный ток, протекающий через диод, содержит только первую иn-ю гармоники и равен:

(18.6)

а в УЧ последовательного типа переменное напряжение на диоде равно:

(18.7)

Во всех схемах диодных УЧ на диод подаётся постоянное напряжение Е_{В РТ}, задающее рабочую точку на характеристике (см. рис.18.8). Напряжение может подаваться как от отдельного источника, так и автоматически за счёт среднего (постоянного) тока диода. Постоянная составляющая тока диода возможна только при открывании перехода, что всегда имеет место в варакторных УЧ и УЧ на ДНЗ. При использовании варикапа переход находится в закрытом состоянии и постоянного тока через диод нет, поэтому в этом случае потребуется независимое смещение. Однако часто и в схеме с варикапом используют автосмещение, заходя частично в область открытого состояния диода. Использование автосмещения во всех схемах параметрических диодных умножителей позволяет стабилизировать режим работы диода и способствует увеличению выходной мощности и коэффициента преобразования.

При анализе диодных параметрических УЧ параллельного типа используют соотношение, связывающее заряд на переходе с протекающим через него током

.

При этом напряжение на переходе

,

где переменная составляющая тока определяется (18.6), а ёмкость, например, закрытого перехода определяется (18.5).

Форма напряжения на переходе оказывается отличной от гармонической, что указывает на наличие в нём многих гармонических составляющих.

При анализе диодных параметрических УЧ последовательного типа используют соотношение, связывающее заряд на переходе с напряжением на нём

.

При этом ток через переход

.

Форма тока оказывается отличной от гармонической, что указывает на наличие в токе многих гармонических составляющих.

Например, если принять Е_{В РТ}>>, то с учётом (18.5), (18.7) в последнем случае можно считать

(18.8)

Разлагая сомножитель в степени (–γ) в ряд и ограничивая число членов, можно определить гармонические составляющие ёмкостного тока через переход.

Параллельная схема диодного УЧ обычно используется в мощных каскадах, так как, благодаря возможности соединения диода с корпусом устройства, облегчается его охлаждение. В то же время в параллельной схеме, если используется варикап с коэффициентом p – n-переходаγ= 1/2, возможна генерация только второй гармоники. Однако, если ввести в схему дополнительный фильтр – последовательный колебательный контур, то через диод будет протекать переменный ток не двух (18.6), а трёх гармоник, и в этом случае происходит генерирование колебаний с частотами 3ω, 4ωи т.д. Следует отметить, что дополнительный фильтр часто включают в параллельной схеме УЧ и при использовании варикапа сγ= 1/3, что позволяет повысить эффективность преобразования входного сигнала.

Структурная схема диодного параметрического УЧ параллельного типа с дополнительным фильтром, обычно называемым холостым контуром, показана на рис.18.10. Дополнительный фильтр – холостой контур настраивается на частоту kω<nω.

УЧ по параллельной схеме имеют сравнительно низкие значения входного и выходного сопротивлений, что часто затрудняет согласование их с нагрузкой и источником входного сигнала.

При использовании варакторов параллельная схема УЧ применяется в мощных каскадах при n= 2 и 3. С увеличением номера гармоники заметно падает выходная мощность.

Параллельная схема широко используется в УЧ на ДНЗ, которые обычно превосходят по мощности варакторные УЧ и используются при больших значениях n(n= 8…10 и более раз). В силу большей мощности, соответственно и больших токов, входное и выходное сопротивления УЧ на ДНЗ существенно меньше, чем у варакторных УЧ.

В последовательной схеме диодного УЧ возможна генерация любой гармоники при любом значении коэффициента p – n-переходаγ. УЧ по такой схеме имеют высокие значения входного и выходного сопротивлений, что является их важным преимуществом. Выходная мощность УЧ последовательного типа с ростом номера выделяемой гармоники падает в меньшей степени, чем в УЧ параллельного типа. Поэтому последовательная схема диодного УЧ находит широкое применение на СВЧ при больших значенияхn. В схеме удобно применение СВЧ цепей на основе несимметричных полосковых линий. Недостаток схемы – худшие условия для охлаждения диода и наличие паразитной ёмкости диода на корпус устройства, что порой затрудняет реализацию фильтров.

Эффективность преобразования входного сигнала в диодных УЧ определяется коэффициентом преобразования

,

где P_~n– мощность выделяемой (полезной) гармоники;P_~1– входная мощность, то есть мощность первой гармоники, поступающая от источника входного сигнала (источника возбуждения).

Коэффициент преобразования диодного параметрических УЧ также называют его коэффициентом полезного действия (КПД).

В УЧ на варикапах теоретически возможно преобразование сигнала на любую гармонику с эффективностью 100%. Для этого ёмкость перехода не должна иметь потерь и фильтрующие цепи должны быть без потерь и построены так, чтобы в УЧ существовали только основная и выделяемая гармоники. Реально достижимы значения коэффициента преобразования в таких УЧ до 75% в удвоителях частоты и до 40% в утроителях частоты.

В варакторных УЧ коэффициент преобразования при n= 2 и 3 достигает (60…70)%. С повышением номера гармоники он падает и приn≥ 4 или 5 УЧ на ДНЗ обеспечивают существенно большее значение коэффициента преобразования, чем варакторные УЧ. Приn= 2 и 3 коэффициент преобразования УЧ на ДНЗ примерно как у варакторного УЧ.

На рис.18.11 представлены возможные принципиальные схемы диодных УЧ.

Схемы (рис.18.11,а,б) – утроители частоты по параллельной схеме с дополнительным контуром, настроеннным на вторую гармонику 2ω. В выходном фильтре схемы (рис.18.11,б) применены отрезки несимметричных полосковых линий, причём выходной фильтр представляет систему двух связанных контуров.

Схема (рис.18.11,в) – удвоитель частоты с двумя диодами. ЦепиL₁,С_Д1иL₂,С_Д2настраиваются на частоту входного сигналаω, а цепиL₁,С_Д1,L₃,С₁,С₂иL₂,С_Д2,L₃,С₁,С₂– на частоту второй гармоники 2ω.С_Д1,С_Д2– ёмкости переходов соответствующих диодов. Входные сигналы на диоды подаются в противофазе, как в двухтактных схемах генераторов. Соответственно ёмкости переходов изменяются в противоположные стороны и по первой гармонике диоды оказываются включенными последовательно. По второй гармонике диоды подключаются параллельно к нагрузке как в общем проводе двухтактного генератора.

Во всех схемах показано автоматическое смещение. В большинстве случаев сопротивление автосмещения R_СМ= (50…300)кОм.

Согласование с источником входного сигнала (источником возбуждения) во всех представленных схемах (рис.18.11) обеспечивается с помощью ёмкостных делителей. Согласование с полезной нагрузкой в схемах (рис.18.11,а,в) также обеспечивается с помощью ёмкостных делителей (ёмкостная связь), а в схеме (рис.18.11,б) применена кондуктивная связь с нагрузкой. Блокировочная индуктивностьL_БЛв схеме (рис.18.11,б) может отсутствовать в силу большой величиныR_СМ(см. схему рис.18.11,а).

В заключение отметим, что при любом подходе к разработке параметрического диодного УЧ важным является этап его макетирования.

В транзисторных радиопередатчиках СВЧ, на рабочей частоте которых невозможно усиление сигнала, первоначально на частоте, существенно ниже рабочей, доводят сигнал до мощности, во много раз превышающей выходную мощность передатчика. Эту мощность подводят к диодному УЧ, с помощью которого повышают частоту сигнала до рабочего значения, обеспечивая при этом с учётом коэффициента преобразования (КПД) УЧ требуемый уровень выходного сигнала радиопередатчика. Естественно, при таком подходе на диоде рассеивается весьма значительная мощность, с чем приходится мириться, считая это своеобразной платой за перенос спектра полезного сигнала в область тех частот, достижение которых невозможно иными способами при существующем уровне развития транзисторной техники.