Лекция 18

Области применения умножителей частоты. Умножитель частоты как разновидность ГВВ. Умножитель частоты с безынерционным управлением АЭ, особенности режимов и расчёта. Параметрические транзисторные умножители частоты. Диодные умножители частоты (на варикапах, варакторах и диодах с накоплением заряда).

Применение умножителей частоты

Применение умножителей частоты (УЧ) широко распространено в радиопередающих устройствах,так как позволяет понизить частоту задающего генератора, что бывает выгодно с точки зрения получения высокой стабильности частоты рабочих колебаний.¹ Применение УЧ в радиопередатчиках также даёт возможность при сравнительно узком диапазоне возбудителя иметь большее перекрытие частоты передатчиком. Например, если имеется возбудитель, перекрывающий диапазон частот (3…6) МГц, то, применяя один каскад удвоения частоты, можно с помощью такого возбудителя перекрыть диапазон частот от 3 до 12 МГц. В передающих устройствах с частотной или фазовой модуляцией УЧ используются для углубления модуляции – увеличения девиации частоты.

Коэффициент полезного действия и колебательная мощность, которую можно получить с помощью АЭ в режиме умножения частоты, ниже, чем в режиме усиления, поэтому умножение частоты преимущественно производят в маломощных каскадах, энергетика которых в малой степени влияет на общие энергетические показатели радиопередатчика. В многокаскадных передатчиках каскад умножения частоты часто включают так, чтобы он делил тракт передатчика на две части. Поскольку в этом случае каскады до умножителя частоты и каскады после него будут работать на разных частотах, то существенно повышается устойчивость работы всего передатчика. Если требуется несколько УЧ, то в многокаскадных передатчиках для повышения их устойчивости УЧ обычно чередуют с усилителями. На СВЧ УЧ широко применяются в качестве выходных каскадов передатчиков, позволяя получить колебания с необходимой мощностью на частотах, усиление мощности на которых затруднено или невозможно с использованием достигнутых возможностей имеющихся АЭ. Использование УЧ в этом случае является единственной возможностью создания требуемого устройства.

УЧ строят на лампах, транзисторах и специальных диодах – варикапах, варакторах, а также диодах с накоплением заряда. Умножение частоты возможно также в специальных приборах СВЧ – пролётных клистронах. В настоящей лекции мы рассмотрим УЧ на электронных лампах, биполярных транзисторах, варикапах, варакторах и диодах с накоплением заряда (ДНЗ). Что касается умножения частоты в пролётном клистроне, то такой режим обеспечивается соответствующей настройкой выходного резонатора прибора и питающими напряжениями электродов.

УЧ на лампе или транзисторе, как указывалось в лекции 1, является разновидностью ГВВ и представляет устройство, преобразующее энергию источников питания в энергию тока высокой частоты, превышающей в целое число раз частоту внешнего высокочастотного сигнала, прикладываемого к АЭ. Непременным условием обеспечения умножения частоты в таких ГВВ является работа с отсечкой анодного или коллекторного тока. Соответственно любая из рассмотренных нами схем ламповых и транзисторных генераторов может быть поставлена в режим умножения частоты. Для этого в однотактных генераторах при работе с нижним углом отсечки анодного или коллекторного тока θ < 180° требуется настроить выходной контур на интересующую гармонику выходного тока АЭ. В двухтактном генераторе, помимо настройки выходного контура на интересующую гармонику тока, в зависимости от кратности умножения частоты, то есть номера выделяемой гармоники, может потребоваться некоторое изменение схемы со стороны подключения выходного контура.

В транзисторных генераторах, помимо умножения частоты за счёт отсечки коллекторного тока, возможно умножение частоты за счёт зависимости ёмкости коллекторного перехода транзистора от его режима, что используется в так называемых параметрических транзисторных умножителях частоты.²

Основными характеристиками УЧ являются: кратность умножения частоты n; рабочая частота или диапазон рабочих частот; выходная мощность P_~n; коэффициент передачи или коэффициент усиления по мощности К_р; коэффициент полезного действия (КПД), он же коэффициент преобразования в диодных УЧ; степень подавления в полезной нагрузке УЧ входного сигнала и ненужных гармоник (в децибелах).

Ламповые и транзисторные УЧ за счёт отсечки анодного или коллекторного тока

(УЧ с безынерционным управлением АЭ)

Как уже отмечалось, ламповый ГВВ по любой схеме: с общим катодом или общей сеткой, равно как и транзисторный генератор по схеме с общим эмиттером или общей базой, может быть поставлен в режим умножения частоты. При этом мгновенные напряжения на входных электродах лампы или транзистора определяются соотношениями (1.1):³

а мгновенные напряжения на выходных электродах определяются соответственно соотношениями (1.2), записанными в виде:

где n – номер выделяемой гармоники анодного или коллекторного тока.

Последние соотношения справедливы при условии, что на контуре в выходной цепи ГВВ присутствует только напряжение выделяемой гармоники выходного тока, что допустимо считать.

При работе лампы или транзистора в области недонапряжённого вплоть до критического режима основное уравнение ГВВ в терминах, например, лампового генератора, принимает вид:⁴

(18.1)

Обращение к представленной записи уравнения ГВВ в режиме умножения частоты при работе лампы в основной области семейства её статических ВАХ позволяет глубже понять особенности умножения частоты в ГВВ. У транзистора, как неоднократно отмечалось ранее, с большим основанием можно считать параметр D = 0. При этом приведенное уравнение упрощается.

Динамические характеристики (ДХ) анодного тока в УЧ весьма существенно отличаются от ДХ анодного тока усилителя, что приводит к отличию формы импульсов анодного тока в УЧ при одинаковых значениях напряжений на электродах лампы в режимах усиления мощности (напряжения) и умножения частоты.

На рис.18.1 представлены для сравнения ДХ и формы импульсов анодного тока для удвоителя частоты (n = 2) и усилителя мощности (напряжения) при одинаковых амплитудах переменных напряжений на электродах лампы и одинаковых напряжениях питания Е_А, Е_С. Причём ДХ построены для случая Е_С = Е ^/_С, когда θ = 90° в ГВВ – усилителе. Выделенный участок на оси абсцисс е_А относится к ДХ удвоителя частоты и приходится на моменты отсутствия анодного тока.

Как видно, форма импульсов анодного тока в УЧ существенно отличается от формы импульсов тока в ГВВ – усилителе. Искажения формы импульсов анодного тока в УЧ по сравнению с косинусоидальной тем больше и заметнее, чем больше проницаемость D. Поэтому в ламповых УЧ предпочтение отдаётся лампам с малой проницаемостью: лучевым тетродам и пентодам. В общем случае с реакцией анода в УЧ можно не считаться, если D ≤ (0,01…0,025). Сказанное относится и к транзисторным УЧ.

Напряжённость режима АЭ при умножении частоты, как и при усилении, определяется соотношением напряжений

е_{С МАКС} = U_МС – Е_С ;

е_{А МИН} = Е_А – U_MA

в ламповом УЧ и

е_{Б МАКС} = U_МБ – Е_Б ;

е_{К МИН} = Е_К – U_MК

в транзисторном УЧ.

С точки зрения напряжённости оптимальным для умножения частоты, как и для усиления, является критический режим. Импульсы анодного и коллекторного токов при этом имеют практически косинусоидальную форму (при малых значениях D провал в форме импульсов тока при работе в недонапряжённом и критическом режимах мал и с ним можно не считаться), следовательно, амплитуда выделяемой гармоники выходного тока связана с амплитудой косинусоидального импульса известным соотношением:⁵

где I_An,Kn – амплитуда n-й выделяемой гармоники анодного или коллекторного тока;
I_MA,MK – амплитуда косинусоидальных импульсов анодного или коллекторного тока;
α_n(θ) – коэффициент пропорциональности между амплитудой косинусоидальных импульсов выходного тока и амплитудой n-й гармоники.

Колебательная мощность, которая может быть получена в режиме умножения частоты

где R_oe – эквивалентное сопротивление контура в анодной или коллекторной цепи соответственно лампы или транзистора, настроенного на частоту выделяемой гармоники выходного тока.

Как отмечалось в лекции 5, наибольшее значение коэффициент α_n(θ) имеет при нижнем угле отсечки выходного тока АЭ

.

При этом, если для первой гармоники максимальное значение коэффициента
α_{1 МАКС} = 0,536 при θ = 120°, то для второй гармоники α_{2 МАКС} = 0,275 при θ = 60°, а для третьей гармоники α_{3 МАКС} = 0,185 при θ = 40°, то есть максимальные значения коэффициентов α_{n МАКС} для высших гармоник приблизительно обратно пропорциональны номеру гармоники относительно α_{1 МАКС}:

α_{n МАКС} ≈ α_{1 МАКС} /n.

Следовательно, при прочих равных условиях, колебательная мощность, которую можно получить в УЧ, будет в n раз меньше, чем в режиме усиления при использовании той же лампы или транзистора.

Так как в паспортных данных на лампу или транзистор указывается колебательная или выходная мощность, которую прибор может отдать в режиме усиления, то, очевидно, при заданной колебательной мощности УЧ P_~n лампу или транзистор необходимо выбирать, исходя из мощности P_~НОМ = P_~1 = nP_~n.

Если лампа имеет запас по току эмиссии, то при использовании её в УЧ прибегают к форсированию по току. На форсированное использование лампы по току можно пойти, если, кроме запаса по току эмиссии, лампа имеет запас и по мощности рассеяния на управляющей сетке. Для большинства используемых тетродов и пентодов такая возможность есть, поэтому для удвоителя частоты можно выбирать лампу на мощность

P_~НОМ ≈ 1,5 P_~2,

а для утроителя частоты на мощность

P_~НОМ ≈ 2 P_~3.

Последние соотношения вытекают из следующих рассуждений. Как отмечалось
(см. лекцию 6), у ламп, не имеющих ограничения по току эмиссии, нижний угол отсечки анодного тока θ выбирается около 60° и у таких ламп ограничивающим является использование по постоянной составляющей анодного тока I_{А0 ДОП} (см. лекцию 7). Следовательно, колебательная мощность, отдаваемая лампой в режиме усиления, при этом будет

При таком же использовании по току в удвоителе частоты при оптимальном угле отсечки анодного тока θ = 60° отдаваемая лампой мощность будет

Очевидно, при прочих одинаковых параметрах, включая равенство коэффициентов использования напряжения анодного питания , получаем