Лекция: Умножители частоты

Учебные вопросы:

1Назначение умножителей частот

2 Схемы умножителей частоты на транзисторах и лампах

3 Умножители частоты на варикапах и варакторах

1Назначение умножителей частоты

Промежуточный усилитель, частота колебаний на выходе которого больше частоты колебаний на входе в целое число раз (чаще всего в 2 или 3 раза) fBыx = nfBX, где n— кратность умножения, называется умножителем частоты.

Использование умножителей частоты в передатчиках позволяет:

1) понизить частоту задающего генератора при сохранении более высокой частоты на выходе передатчика, а, следовательно, применить кварцевую стабилизацию частоты в коротковолновых и ультракоротковолновых передатчиках, так как кварцевые пластины непосредственно для KB и УКВ оказываются механически непрочными и применить их нельзя; кварцевые резонаторы изготовляются на частоты не более 100 МГц, а применение умножителей позволяет получить стабилизированные кварцем колебания до тысяч мегагерц; кроме того, при бескварцевой стабилизации частоты параметры контура автогенератора на более низкой частоте получаются лучшими;

2) расширить в п раз диапазон волн передатчика, не расширяя диапазон волн задающего генератора;

3) повысить устойчивость работы передатчика потому, что при большой разнице в рабочих частотах каскадов, стоящих перед умножителем и после него, паразитная обратная связь значительно уменьшается;

4) повысить стабильность частоты возбудителя, так как при разных частотах настройки входного и выходного контуров умножителя изменение настройки входного контура почти не влияет на настройку его выходного контура, а следовательно, и на настройку контура предыдущего каскада;

5) увеличить девиацию частоты или фазы при частотной или фазовой модуляции;

6) сформировать множество стабилизированных кварцем частот в синтезаторах частоты возбудителей широкополосных передатчиков.

Умножитель частоты должен состоять из нелинейного преобразователя входного гармонического колебания и фильтра, выделяющего требуемую гармонику. Исходя из этого функциональная схема умножителя частоты в общем виде может быть представлена, как показано на рис.

 

Здесь Z1 и Z2 — цепи фильтрации и согласования, а УЭ — усилительный элемент, обладающий нелинейными свойствами.

На вход умножителя подается гармоническое (синусоидальное) напряжение. Входная цепь Z1 обеспечивает согласование источника этого напряжения с усилительным (нелинейным) элементом (НЭ). В нелинейном усилительном элементе происходит преобразование гармонического напряжения в негармоническое— импульсное, спектр которого богат гармониками. Задача выходной цепи — выделение из спектра импульсов требуемой гармонической составляющей nfBх, подавление всех остальных гармоник и трансформация комплексного сопротивления Zн в требуемое активное сопротивление, обеспечивающее заданный режим нелинейного элемента НЭ. В качестве нелинейного элемента используют электронные лампы, транзисторы и диоды. Ламповые и транзисторные умножители усиливают колебания, диодные — не усиливают.

 

 

2 Схемы умножителей частоты на транзисторах и лампах

 

Принципиальная схема генератора-умножителя частоты по своему построению не отличается от схемы генератора-усилителя. Различие только в том, что выходной контур умножителя настраивается не на основную (первую) гармонику выходного тока, а на вторую, третью и т. д. В этом случае в выходном контуре наибольшую мощность будут иметь колебания с частотой, на которую он настроен.

Практическая принципиальная схема транзисторного умножителя частоты приведена на рис. 1.65.

 

На вход схемы подается колебание с частотой ω. Базовым делителем напряжения транзистор устанавливается в режим класса В или С. В один из полупериодов входного напряжения транзистор открывается и в цепи коллектора ток протекает в виде периодической последовательности импульсов. Избирательной коллекторной нагрузкой является двухконтурный полосовой фильтр с внешнеемкостной связью Ссв, настроенный на вторую или третью гармонику входного напряжения. На выходе схемы создается напряжение с удвоенной или утроенной частотой.

Из анализа колебаний второго рода известно, что с увеличением номера гармоники амплитуда гармонических составляющих уменьшается. Чем больше номер гармоники, на которую настроен выходной контур умножителя, тем меньше амплитуда выходного тока при одной и той же амплитуде импульса Iвых n = αnIвых.max Следовательно, и колебательная мощность на выходе умножителя будет тем меньше, чем больше (коэффициент умножения. Уменьшение значения коэффициента αn происходит приблизительно обратно пропорционально номеру гармоники αn макс — α1 макс /n. Колебательная мощность в режиме умножения частоты примерно в n раз меньше, чем в режиме усиления по первой гармонике Pn~Р1/n Поэтому умножение больше, чем в два раза в одном каскаде нецелесообразно. Если необходимо умножение частоты произвести в большее число раз, применяют несколько каскадов удвоителей или утроителей.

Схема лампового умножителя частоты приведена на рис. 1.67. Физические процессы в этой схеме протекают так же, как в схеме усилителя, с той лишь разницей, что контур в анодной цепи настроен на вторую гармонику напряжения на сетке лампы.

Для получения граничного (режима сопротивление контура должно быть тем больше, чем выше номер выделяемой гармоники (Rэn = nR1). Выполнение такого контура представляет немалые технические трудности, особенно в контурах коротких и ультракоротких волн. Кроме того, при увеличении Rэ снижается КПД выходного контура.

 

3 Умножители частоты на варикапах и варакторах

Варикапом называют полупроводниковый диод, емкость которого изменяется с изменением величины приложенного к нему напряжения (variren — менять, capazitat — емкость). Емкость р—n-перехода складывается из барьерной емкости Сб и диффузионной Сд. При закрытом переходе основной является барьерная емкость, при открытом — диффузионная. Обе емкости нелинейно зависят от приложенного напряжения. На рис. 1.69 показаны зависимости барьерной Сб, диффузионной Сд и результирующей Св=Сб + Сд емкостей от значения напряжения, приложенного к его электродам. Здесь Свар — емкость варикапа. Варикапами называют маломощные диоды с нелинейной емкостью, а варакторами — мощные.

Варикап обычно используют в максимальном режиме, и рабочим участком его характеристики C=f (U) является часть ее, соответствующая закрытому состоянию варикапа. Внутреннее сопротивление варикапа в основном реактивное, потери мощности в нем незначительные и коэффициент передачи по мощности довольно высокий: 0,75 в удвоителе и 0,4 в утроителе. Коэффициентом передачи здесь называют отношение мощностей выделяемой и первой гармоник. На варикапах обычно выполняют удвоители и утроители частоты небольшой мощности. На варакторах выполняются умножители более высокого порядка (n—10... 15) и на большую мощность.

 

Применение варакторных умножителей частоты в радиопередающих устройствах ультракоротких волн обеспечивает возможность применения транзисторов в этом диапазоне. Современные транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц. Получение более высоких частот достигается следующим образом. После задающего генератора ставят несколько транзисторных усилителей, которые увеличивают мощность колебаний до значения, несколько превышающего заданную мощность в антенне. А затем включаются варакторные умножители, которые повышают частоту до рабочего значения. Но КПД передатчика при этом понижается. Однако энергетические потери оправдываются получением высоких частот, которых использованием только транзисторов получить нельзя.

Варикап (или варактор) в умножителе частоты можно включать по параллельной (рис. 1.70,а) или по последовательной (рис. 1.70,6) схеме.

 

Входной контур умножителя настраивают на первую гармонику тока, а выходной L2C2 — на вторую или n-ю. Практическая схема умножителя имеет дополнительные цепи: питания, фильтрации, настройки, согласования.

В варакторном удвоителе частоты (рис. 1.71,а) входной контур образован индуктивностями L1, L2 и паразитной емкостью схемы. Он настроен на первую гармонику входного напряжения. Выходной контур, настроенный на вторую гармонику, выполнен в виде объемного резонатора Р. Проникновение первой гармоники в выходную цепь преграждается фильтр-пробкой.

При увеличении коэффициента умножения n уменьшается мощность и КПД. Увеличить КПД и выходную мощность умножителя при n >З оказывается возможным путем применения активных электронных приборов, работающих в классе Д.