12. Умножители частоты и их характеристики. Умножители на транзисторах.

Применяются для увеличения частоты в целое число раз.

Параметры: кратность умножения, рабочая частота или диапазон, степень подавления входной и побочных частот, энергетические параметры.

По типу используемых приборов: на линейных активных приборах и на нелинейных пассивных.

Транзисторные УЧ по сути – ГВВ, отличаются только тем, что выходной контур настроен на гармонику частоты возбуждения, а режим работы транзистора выбирается так, чтобы получить максимальную полезную мощность и КПД.

Обычно используется кратность умножения 2 или 3, более высокая почти не применяется из-за резкого уменьшения выходной мощности и КПД (вместо 4 лучше 2 по 2).

А нализ работы и расчёт параметров – аналогично обычному ГВВ. Т.к. токи и напряжения в выходном контуре можно считать гармоническими (т.к. фильтрация), то для получения максимальной мощности и КПД используют ГР. При этом значение мощности и тока принимают максимальные значения при определённых углах отсечки.

При выборе угла отсечки: выбирается крайний левй максимум, т.к. при этом схема потребляет меньше энергии, соотв-но, увеличивается КПД.

Даже при оптимальном угле отсечки по мере увеличения кратности КПД остаётся низким (<0,3), а полезная мощность уменьшается почти пропорционально квадрату кратности.

Некоторое ослабление этого снижения может быть получено резким увеличением тока или напряжения возбуждения, но при этом существенно уменьшается коэф-т усиления по мощности и требуется увеличение сопротивления нагрузки.

Также с увеличением кратности умножения уменьшается относительная расстройка между гармониками, и это усложняет выходной фильтр. Поэтому в схеме умножения стараются делать так, чтобы присутствовала только 1я гармонич.сост-щая на выходе (идеал. случай). Это почти легко получить при кратности 2.

При этом используется 2х-тактная схема умножения:

‘ –для верхнего плеча; “ – для нижнего. Блокирующие элементы – чтобы токи не ушли в цепь питания.

Б лагодаря трансформатору1 с заземлённой по РЧ средней точкой транзисторы возбуждаются одинаковыми по амплитуде токами, но с противоположными фазами. Коллекторные цепи тр-ров подключены параллельно.

Напряжения смещения и базы выбираются равными напряжению отсечки тр-ра. При этом угол отсечки колл-го тока будет =90 (полпериода).

Выходное напряжение состоит из чётных гармоник, амплитуда 4й и высших невелики.

Наличие нижнего сгиба реальных проходных характеристик приводит к дополнительному снижению этих гармоник (пунктир на последнем графике). В такой схеме наиболее полезно использовать ПТ, у которых нижняя часть проходной характеристики имеет довольно протяженный квадратичный участок, что тоже уменьшает уровень высших гармоник.

В современных передатчиках умножители частоты на транзисторах используют на частотах 5-10 ГГ. на более высоких – варакторы.

13. Умножители частоты на пассивных элементах.

В современных передатчиках умножители частоты на транзисторах используют на частотах 5-10 ГГ. на более высоких – варакторы (пасс.эл-т), устанавливаемые после выходного каскада усилителя передатчика.

Структура такого умножителя:

полосы фильтров Ф1 и Ф2 не перекрываются. Для варактора – 2 режима работы: 1) варактор даже при макс.напряжении закрыт и угол отсечки =0. 2) варактор открыт на части периода колебаний, угол осечки >0.

1й режим – входной гармонический ток с частотой ω, протекающей через варактор, создаёт на нём негармоническое напряжение, вследствие которого возникает гармонический выходной ток с частотой n·ω, т.е. происходит преобразование колебаний одной частоты в колебания другой частоты.

2й режим - в цепи смещения варактора появляются постоянные составляющие как побочный продукт работы диодных выпрямителей. Теоретически такой умножитель с углом отсечки =0 имеет КПД=1.

Но в реале из-за потерь в варакторе и фильтрах КПД<1.

Эквив.сх. варактора:

элементы: индуктивность выводов, сопр-е материала полупроводника, дифф-е сопротивление перехода, барьерная и диффузионная ёмкости.

Зависимость емкостей от напряжения (рис.выше):

е – напряжение на варакторе.

Св измняется мало (в 2-4 раза), а Сд=0 при ев<0 и резко увеличивается при ев близких напряжению отсечки Е’. поэтому для теоретических исследований пользуются аппроксимацией 2х отрезков (а1а2 и а2а3).

Поскольку Св мало меняется и значения её малы, то режим варактора с углом отсечки =0 и используется на частотах>10ГГц в удвоителях и утроителях напряжения. При большей кратности и на более НЧ обычно используется режим с отпиранием p-n переода (θ>0). И тогда к Св добавляется Сд (Сд>Св на несколько порядков). В результате увеличиваются накопленный заряд, рабочий ток и преобразуемая мощность. Мощность и КПД оказываются достаточно большими даже при кратности 5-7. т.к. КПД<1, то желательно в таком умножителе минимизировать потере. Условия минимизации различны при открытом и закрытом состояниях p-n перехода:

- в открытом состоянии необходимо, чтобы ток протекал в основном через Сд, т.е. 1/ωСд<<Rr (прямо по схеме), тогда рбочая частота ограничена временем рекомбинации: ω>10/tрек = 10/ RrСд (1). Если условии не выполняются, то часть ощности будет рассеиваться на Rr.

- при закрытом переходе Сд и Rr отсутствют, и потери бдт мал, если: 1/ωСв>>Rs -> ω<1/10RsСв (2).

В варикапах имеют место потери из-за коненого времени восстановления p-n перехода. Эти потери незначительны, если

ω<1/10 tв (3)

в интервале частот, ограничеснном этими 3мя нервенствами, варактор эквивалентен нелинейной ёмкости с относительно малыми потерями как в открытом, так и в закрытом состояниях.

П араллельная и Последовательная схема:

т.к. варакторы применяются в СВЧ, то входной и выходной фильтры выполняются в виде микрополосковых линий и волноводных конструкций. При правильном выборе элементов схемы равноценны.