2. Діодний перетворювач частоти

Мал. 3.33

Принцип роботи

Коливальний контур L₁С₁ створює навантаження на частоті ƒ_с, коливальний контур L₂С₂ створює навантаження на проміжній частоті ƒ_ПЧ. Для інших частот контури створюють нульове навантаження. Таким чином, на діод діє сумарна напруга U_д=U_c+U_r+U_пч. Під дією сумарної

напруги струм діода має складові: постійного струму, гармоніки гетеродина і сигналу і комбінаційні складові (мал. 3.34).

Мал.3.34

Контур L₂С₂ виділяє напруга становлюючої проміжної частотиї ƒ_ПЧ =( ƒ_Г – ƒ_С). У простій схемі діодного перетворювача частоти у складі струму діода дуже багато комбінаційних складових. При поганому узгодженні недостатній фільтрації, неточному виборі режиму роботи частка амплітуди складових струму діода може минати на вихід, що спотворює сигнал проміжної частоти. У цьому головний недолік простої діодної схеми ПЧ.

Параметри

Оскільки діод двополюсник, то його вхідні і вихідні внутрішні параметри одні і ті ж.

де – постійна складова крутизни ВАХ діода.

Крутизна перетворення

Коефіцієнт перетворення ; якщо , тобто

– внутрішній коэфіціент перетворення.

При узгодженому включенні схеми перетворювача з джерелом сигналу і навантаженням:

(3.26)

Вивід. Параметри діодного ПЧ залежать в основному від крутизни ВАХ діода, яка у свою чергу залежить від режиму роботи діода.

Режими роботи простого діодного ПЧ

ВАХ напівпровідникового діода має дві ділянки: квадратичний і лінійний. Залежно від того, на якій ділянці вибрана робоча область розрізняють два режими роботи діодних перетворень частоти.

а) Робота на квадратичній ділянці (мал. 3.35)

У цьому режимі під дією U_г крутість змінюється лінійно. Тому при роботі з відсіченням струму функція S(t) є послідовність косинусоїдальних імпульсів з амплітудою S_max і кутом відсічення . Для визначення параметрів перетворення в цьому режимі скористаємося методом Берга.

де і - коефіцієнти розкладання косинусоїдального імпульсу (коефіцієнти Берга).

Звичайна напруга зсуву в діодному ПЧ відсутній, тому =90° відповідно =0,5; =0,32. Тому

;

При узгодженому включенні

Мал. 3.35

б) робота на лінійній ділянці

Мал. 3.36

У цьому режимі крутість апроксимованої характеристики НЄ під дією напруги гетеродина змінюється стрибком. Тому цей режим часто називають ключовим («ввімкнене» - S_max; «вимкнене» S=0).

Функція крутості має вид послідовності прямокутних імпульсів. При розкладанні цієї функції в лаву Фурье можна отримати:

За умови великої амплітуди U_mг можна рахувати кут відсічення = /2.

Тоді

Виводи. Діодні перетворювачі частоти мають коефіцієнт перетворення менше одиниці К_пр<1. =0.36, =0.48.

Переваги діодних ПЧ:

• малий рівень власних шумів;

• відсутнє джерело живлення.

Складні схеми діодних перетворювачів частоти

Балансний перетворювач частоти (мал. 3.37).

Мал. 3.37

Склад схеми:

-діоди Д₁ і Д₂ - нелінейниє елементи;

- диференціальні трансформатори Тр1 і Тр2. Служать для узгодження джерела сигналу, фільтрів і гетеродина з схемою перетворювача;

- фільтр, налаштований на частоту ƒ_пч - навантаження перетворювача.

Схема симетрична щодо середніх точок трансформаторів, до яким підключений гетеродин, і утворює симетричний міст, який при повній симетрії схеми знаходиться в рівновазі (балансі). Звідси і назва схеми.

Принцип роботи

Напруга гетеродина U_г прикладена до діодів у фазі, а напруга сигналу - в протифазі, тому напруга на діодах буде U_д1= U_г+ U_с/2; U_д2= U_г - U_с/2;

Причому U_г - комутуюча напруга. Воно значно більше U_с (U_г>> U_с).

Воно змінює стан діодів. Діоди працюють в ключовому режимі з імпульсною зміною крутості «включено», «вимкнене».

При U_г>0 діоди відкриті S=max.

При U_г<0 діоди закриті S=0.

Під дією двох напруги U_г і U_с через діоди проходять струми i_д1 і i_д2.

де А - коефіцієнт пропорційності, що має розмірність Ом.

Розгледимо чотири випадки (мал. 3.38):

Мал. 3.38

1)U_Г>0; U_с=0. Діоди відкриті, струми діодів рівні і направлені зустрічно.

.

2) U_г<0; U_с Е будь-якої полярності. Діоди закриті.

3) U_г>0; U_с>0; U_д1= U_г+ U_с/2; U_д2= U_г- U_с/2. Діоди відкриті. i_д1>i_д2.U_вих=А(i_д1- i_д2) >0 і змінюється пропорційно Uс.

Вивід. В результаті комутації діодів за допомогою U_г в схемі діодів минає імпульсний струм, який створює на навантаженні імпульсне напруга, амплітуда і полярність якого визначається напругою сигналу. Складна форма напруги визначається наявністю комбінаційних складових. У складі спектру є: непарні гармоніки сигналу і

комбінаційні складові з частотами Кƒ_г±(2p-1) ƒ_C. У спектрі відсутні гармоніки гетеродина Кƒ_Г, парні гармоніки сигналу 2pƒ_c і комбінаційні складові гармонік гетеродина з парними гармоніками сигналу (Кƒ_г±2pƒ_c). У цьому головне достоїнство балансної схеми по порівнянню з простій діодної. Також балансна схема залишається

працездатною при виході з буд одного діода (його пробої).

Спектр напруги на виході перетворювача (до фільтру) представлений на мал. 3.39.

Мал. 3.39

Кільцевий діодний перетворювач частоти (мал. 3.40).

Ця схема отримала назву кільцем тому, що в ній діоди включені по кільцю. Її точніше б назвати подвійною балансною, т. до. вона є паралельним з'єднанням двох балансних схем перетворювачів частоти.

Мал. 3.40

Пари діодів Д₁, Д₂ і Д₃, Д₄ комутуються для U_с по черзі, тобто коли діоди Д₁,д₂ відкриті, Д₃,д₄ закриті, і навпаки. Напруга сигналу створює протилежні струми в обмотках Тр2 при комутації діодів Д₁,д₂ і Д₃,д₄ (мал. 3.41).

Мал. 3.41

Спектр вихідного сигналу кільцевого діодного ПЧ в своєму складі має комбінаційні складові частот.

Решта складових спектру компенсується. У цьому головне гідність схеми, оскільки значно полегшується завдання фільтрації непотрібних продуктів перетворення.

Спектр вихідного сигналу кільця ПЧ представлений на мал. 3.42.

Мал. 3.42

Порівнюючи спектр вихідного сигналу розглянутих схем діодних ПЧ, можна зробити вивід, що найбільшою гідністю володіє кільцева схема, так як вона забезпечує компенсацію найбільшого числа складових продуктів перетворення (за умови повної симетрії схеми). Тому кільцева схема найчастіше використовується в різних пристроях техніки зв'язки, зокрема в радіоприймальних пристроях.