Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№21

17.2. УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Умножителем частоты называют устройство, преобразующее гармоническое колебание с частотой ω₀ в гармоническое колебание с частотой Nω₀, где N — коэффициент умножения частоты — целое число.В маломощных умножителях частоты в качестве нелинейных элементов используют двухполюсники: варакторы — диоды с не­линейной емкостью или диоды с накоплением заряда. Нелинейные активные сопротивления из-за низкого КПД применяют редко.

Более мощные умножители частоты выполняют с применением транзисторов, иногда электронных ламп. Энергия входного сиг­нала в таких умножителях расходуется на управление транзис­тором, а энергия выходного сигнала получается от источника питания. В умножителях с нелинейной емкостью энергия входного сигнала преобразуется в энергию выходного путем управления емкостью диода, поэтому такие умножители частоты называют параметрическими. Принципы параметрического умножения час­тоты изложены в § 17.6.

Коэффициенты полезного действия транзисторных и парамет­рических умножителей частоты соответственно будут

где P_N — мощность N-й гармоники на выходе умножителя; Р₀ — мощность, потребляемая от источника питания; Р₁ — мощность потребления входного колебания.

Коэффициент побочных составляющих

учитывает неполноту подавления ненужных гармоник входного сигнала. При большом коэффициенте N выходное колебание значительно отличается от гармонического. Примерный вид такого колебания показан на рис. 17.4.

Известно большое число различных схем умножителей частоты, но все их можно привести к трем видам. Нелинейный двухполюсник VD включен параллельно (рис. 17.5, а) или последова­тельно (рис. 17.5, б). Фильтр FF1 пропускает входной сигнал с частотой ω₀, а фильтр FF2 выделяет выходной сигнал с часто­той Nω₀.

Классическая схема транзисторного умножителя частоты по­казана на рис. 17.5, в, в которой фильтры и нелинейный элемент соединены каскадно. Электрическая схема такого умножителя частоты совпадает со схемой резонанского усилителя мощности (рис. 15.11), в которой выходной контур настроен на частоту Nω₀.

Как видно из графиков коэффициентов гармоник, показанных на рис. 12.7, при фиксированном угле отсечки с ростом номера гармоники амплитуда гармоники уменьшается. Для получения приемлемых значений амплитуд гармоник при больших N выби­рают меньшие отсечки. Максимальный коэффициент N-гармоники α_N (θ) достигается при угле отсечки , при котором .

Коэффициент полезного действия транзисторного умножителя частоты

при увеличении N уменьшается. При увеличении N также повы­шается коэффициент побочных составляющих k_f. Поэтому тран­зисторные резонансные умножители частоты чаще всего применяют при N = 2 или 3. При необходимости умножения частоты в большее число раз применяют несколько каскадов.

Схема последовательного варакторного утроителя частоты по­казана на рис. 17.6. В схеме входной контур, состоящий из L1, С1, С2 и нелинейной емкости варактора, настроен на ча­стоту ω₀. Емкостный делитель напряжения на конденсато­рах С1 и С2 применен для согласования сопротивления контура с низкоомным источ­ником сигнала. Смещение на варакторе создается автомати­чески за счет выпрямленного тока, протекающего через сопро­тивление R. Ток выпрямляет тот же варактор, пропускающий импульсы тока в те моменты времени, когда переменное напря­жение превышает напряжение смещения. Эти же импульсы тока увеличивают нелинейность характеристики варактора и способст­вуют увеличению КПД и выходной мощности.

Выходной контур из L3, С4, С5 и варактора настроен на частоту 3ω₀. Он выделяет третью гармонику. Согласование наг­рузки с выходным контуром осуществляется емкостным делителем С4 и С5. Последовательный контур L2, С3, настроенный на час­тоту 2ω₀, увеличивает ток второй гармоники, что способствует повышению выходной мощности третьей гармоники. От коэффициента умножения N сильно зависит КПД варакторных умножителей частоты. Так, при удвоении частоты η₂ = 0,62 ÷ 0,69, при утроении η₃ = 0,17 ÷ 0,39. Поэтому практи­чески чаще всего используют удвоители и утроители частоты.

Удвоение частоты можно получить, применяя перемножитель аналоговых сигналов, на оба входа которого подается гармони­ческое колебание

.

Тогда выходное колебание

.

Постоянная составляющая легко отделяется и получается вторая гармоника без каких-либо побочных составляющих. Пример такого умножителя частоты показан на рис. 17.7, в котором ис­пользован перемножитель напряжений 526ПС1. Достоинство умножителя частоты на перемножителе напряжений заключается в его широкополосности. Для выполнения не требуется узкопо­лосный фильтр. Применение умножителей частоты позволяет создавать диск­ретную сетку частот с помощью одного неперестраиваемого (и по­этому стабильного) генератора. Они используются в синтезаторах частоты, в радиопередающих устройствах.

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.

2