Умножители частоты
Структурная схема умножителя частоты.
Умножитель частоты (УЧ)- устройство, в котором при подаче на вход колебания с периодом 2 / вх на выходе формируется колебание с периодом 2 / N вх, где N целое число.
УЧ применяются:
1.Для повышения частоты КАГ. Обычно частота КАГ f < 100 МГц. УЧ позволяют получить колебания СВЧ-диапазона со стабильностью кварца.
2.В синтезаторах частоты (операция умножения для получения сетки частот).
3.Измерение стабильности частоты генератора. УЧ выравнивает частоты, измеряемые и эталона для удобства сравнения.
ВРПУ с помощью УЧ удается:
•понизить частоту задающего генератора (ЗГ), что способствует улучшению стабильности частоты;
•расширить диапазон работы РПУ при меньшем диапазоне перестройки ЗГ;
•повысить устойчивость работы РПУ за счет ослабления обратных связей, т.к. в УЧ входная и выходная цепи настроены на разные частоты;
•увеличить абсолютную девиацию f или фазы при ЧМ (ФМ).
Основные параметры УЧ: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• коэффициент умножения N, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• выходная мощность РN, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• коэффициент передачи по мощности К |
рN |
=Р |
N |
/Р |
вх1 |
, |
где Р |
вх1 |
- входная |
|
|
|
|
|
|
||||
мощность, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•КПД выходной цепи,
•уровень побочных спектральных составляющих.
Другие важные параметры: амплитудная и частотная характеристика УЧ, стабильность фазы выходного напряжения, изменение выходной мощности при вариации температуры и др.
Умножители частоты можно разделить на два класса:
•умножители на нелинейных активных приборах (лампы, транзисторы);
•умножители на нелинейных пассивных приборах (диоды, варикапы).
Рис.1. Общая структурная схема умножителя частоты
Фильтр Ф2: подобран так, чтобы через Rн протекал только ток N-ой гармоники.
PN=0.5Uнn·Ikn - мощность N-ой гармоники в коллекторной цепи.
Po=Iko·EП - мощность потребляемая от источника питания. hэn=PN/Po - электронный КПД.
КрN=РN/Рвх1- коэффициент передачи по мощности, где Рвх1=0,5·Uбэ·Iб1 - мощность на входе УЧ.
Сравним показатели типовых режимов УЧ и УМ в следующих условиях: КР, Eп; Iкm; Екр - одинаковы, кроме этого 1=900, N= oпт=120/N. PN/P1= N( опт)/ 1(900) 1/N, РN уменьшается в N раз,
эN/ э1= gn( опт)/g1(900) 0.8, КПД эN 55% почти не меняется (для
N=2,3,4 gn( опт)=1.27; 1,26; 1,25 и g1(900)=1,57), э1 70% . RнN/Rн1= Ik1 /IkN= 1(900)/ N( опт) N, т.е. критический режим УЧ имеет место
при RнN в N раз большим.
Энергетические показатели УЧ ниже, чем УМ и ухудшаются с ростом N.
IвыхN=SUвх gN( ); IвыхN =Iвыхm N( ); |
IвыхN /Iвых0 |
= gN( ) |
|
Отношение коэффициентов усиления |
по мощности |
|
KPN |
|
KP1 |
||
УЧ на биполярных транзисторах |
|
|
|
лампах целесообразно применять в РПУ при малом уровне мощности с небольшим коэффициентом умножения (N=2, 3), т.к. энергетические показатели при N>4 существенно ухудшаются.
Выводы:
• Оптимальный угол отсечки из условия максимальной мощности PN
|
PN |
PВХ1 |
1.23 |
|
P |
||||
|
P |
N 2 |
||
|
ВХN |
1 |
|
гармоники N=120/N= опт. Его
величина достаточно критична.
• Оптимальный угол отсечки из условия максимального КПД УЧ
N=180/N (при gN( )= max) .
• В УЧ целесообразно использовать НЭ с возможно меньшей реакцией выходного напряжения на выходной ток.
Рис.2. Изменение модулей коэффициентов Берга в зависимости от угла отсечки
Умножители частоты на транзисторах
+EП 
|
|
|
|
|
L6 |
С10 |
|
Ф2 N вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
вx |
Ф1 |
|
N |
вх |
|
С5 |
L4 |
С8 |
|
|
|
|
|
|
VT1 |
|
|
|
|
|
L1 |
С2 |
С4 |
|
L5 |
L3 |
С6 |
С7 |
С9 |
RП |
|
С1 |
С3 |
L2 |
|
|
|
|
|
|||
|
C11 |
|
|
|
|
|
||||
|
+ |
|
Фильтры Ф1 и Ф2 создают гармоническое напряжение на базе и коллекторе. Для |
||
|
ЕС |
Рис.3. Схема умножителя частоты. |
этого нужно, чтобы сопротивление Ф1 и Ф2 со стороны транзистора были малыми |
||
на всех частотах, кроме вx для Ф1 и N вх для Ф2. |
||
С1, L1, C2, C3 и |
C7, L4, C8, C9 – П-образные фильтры. |
|
L2, C4 и C6, L3 – резонансная частота совпадает с N вх. |
||
Сопротивление С5 на вх равно индуктивному сопротивлению контура L3C6. Т.е. переход Б-Э закорочен на частоте N вх, а К-Э на вх.
С помощью Ф1 на вх обеспечивается оптимальное сопротивление для
предыдущего каскада. Ф2RОПТобеспечиваетRЭКВ URKmопт дляN транзистораIKm |
на частоте N вх . |
Вдиапазонных передатчиках выгодно использовать не перестраиваемые широкодиапазонные умножители частоты.
Вэтих умножителях выбором режима работы ЭП и схемы их включения в каскаде добиваются того, чтобы в спектре выходного напряжения (или тока)
каскада полностью отсутствовали (или были значительно ослаблены) составляющие с частотами ω, (n–1)ω и (n+1)ω.
Видеальном случае желательно отсутствие всех составляющих, кроме полезной с частотой nω.
Это позволяет сделать умножитель частоты широкодиапазонным - без переключаемых или перестраиваемых фильтров.
= 90°
Рис. Схема двухтактного удвоителя частоты
Благодаря входному трансформатору Тр1 с заземленной по радиочастоте средней точкой транзисторы возбуждаются токами I'Б и I"Б с одинаковыми амплитудами и противоположными фазами.
Коллекторные цепи транзисторов подключены к нагрузке параллельно. Напряжение смещения на базах транзисторов установлено равным ЕБ = Е'
вследствие чего угол отсечки коллекторных токов = 90°.
На рис. приведены эпюры входного напряжения возбуждения Uвх, коллекторных токов i'K и i"к и напряжения на сопротивлении нагрузки UH.
При выбранных схеме удвоителя и режимах транзисторов выходное напряжение состоит из напряжений второй и последующих четных гармоник.
Варакторные умножители частоты
Умножители частоты на биполярных и полевых транзисторах используются на частотах до единиц ГГц.
На больших частотах после оконечного транзисторного усилителя включается один или несколько умножителей на варакторах (варикапах).
Эквивалентная схема варикапа Lв - индуктивность выводов,
Rs – сопротивление материала п/п,
RR – дифференциальное сопротивление перехода, Св- барьерная емкость закрытого перехода,
Сдиф – дифференциальная емкость.
Eсм
Зависимость емкости варикапа от напряжения смещения
(а1а2, а2а3 –аппроксимированная характеристика)
Эквивалентная схема мощного варикапа для преобразователя частоты и зависимость емкости варикапа от напряжения на нем приведены на рисунках.
а)
Схемы умножителей частоты при параллельном (а) и последовательном (б) включениях варикапа
Возможны два варианта работы варикапа:
Переход закрыт во всём диапазоне входных напряжений ( =0).
Входной гармонический ток с частотой ω, протекающий через нелинейную
емкость Св варикапа, создаёт негармоническое падение напряжения на нём, которое воздействует на выходную цепь.
Выходная цепь выделяет ток с частотой nω. Этот режим используется в удвоителях и утроителях на частоте более 10 ГГц.
На более низких частотах используется режим с открыванием p-n-перехода на части периода входного тока ( >0). Этот режим обеспечивает коэффициент умножения до 5–7.
При отпирании p-n-перехода к барьерной ёмкости Св добавляется ёмкость Сдиф
С |
/= С + С |
диф |
(С |
диф |
>> С |
). |
в |
в |
|
в |
|
Резкое увеличение ёмкости увеличивает рабочий ток, а значит и мощность на выходе.
Для получения высокого КПД необходимо найти компромисс между режимами открытого и закрытого p-n-перехода - опт соответствующий max N( ).
При открытом переходе емкостное сопротивление Сдиф должно быть 1/ωСдиф<<RR, иначе часть тока, текущая через RR увеличит потери.
Рабочая частота выбирается из неравенства ω>10/τрек, где τрек=СдифRR – постоянная времени рекомбинации.
При закрытом переходе для уменьшения потерь емкостное сопротивление Св
должно быть 1/ωСв>>RS, откуда ω<1/10СвRS.
Кроме того, варикап обладает конечным временем восстановления закрытого состояния p-n-перехода (tв), которое требует, чтобы ω <1/10 tв.
Если выбрать рабочую частоту с учётом всех трёх неравенств, то потери будут малы.
Всантиметровом диапазоне КПД удвоителя частоты 60-70%, утроителя частоты –40-50%, в умножителе на 8 падает до 10%.
Мощность и КПД в УЧ уменьшаются с ростом частоты из-за роста потерь.
Вреальных УЧ СВЧ диапазона применяют входные и выходные фильтры на