Лекция 18 (лекции по УГФС), страница 4

Е
сли полагать фильтры идеальными, то есть имеющими в УЧ параллельного типа (рис.18.9,а) бесконечно большое сопротивление на всех частотах, кроме резонансных, а в УЧ последовательного типа (рис.18.9,б) бесконечно малое сопротивление на всех частотах, кроме резонансных, то можно считать, что в УЧ параллельного типа переменный ток, протекающий через диод, содержит только первую и n-ю гармоники и равен:

(18.6)

а в УЧ последовательного типа переменное напряжение на диоде равно:

(18.7)

Во всех схемах диодных УЧ на диод подаётся постоянное напряжение Е_{В РТ}, задающее рабочую точку на характеристике (см. рис.18.8). Напряжение может подаваться как от отдельного источника, так и автоматически за счёт среднего (постоянного) тока диода. Постоянная составляющая тока диода возможна только при открывании перехода, что всегда имеет место в варакторных УЧ и УЧ на ДНЗ. При использовании варикапа переход находится в закрытом состоянии и постоянного тока через диод нет, поэтому в этом случае потребуется независимое смещение. Однако часто и в схеме с варикапом используют автосмещение, заходя частично в область открытого состояния диода. Использование автосмещения во всех схемах параметрических диодных умножителей позволяет стабилизировать режим работы диода и способствует увеличению выходной мощности и коэффициента преобразования.

При анализе диодных параметрических УЧ параллельного типа используют соотношение, связывающее заряд на переходе с протекающим через него током

.

При этом напряжение на переходе

,

где переменная составляющая тока определяется (18.6), а ёмкость, например, закрытого перехода определяется (18.5).

Форма напряжения на переходе оказывается отличной от гармонической, что указывает на наличие в нём многих гармонических составляющих.

При анализе диодных параметрических УЧ последовательного типа используют соотношение, связывающее заряд на переходе с напряжением на нём

.

При этом ток через переход

.

Форма тока оказывается отличной от гармонической, что указывает на наличие в токе многих гармонических составляющих.

Например, если принять Е_{В РТ} >> , то с учётом (18.5), (18.7) в последнем случае можно считать

(18.8)

Разлагая сомножитель в степени (–γ) в ряд и ограничивая число членов, можно определить гармонические составляющие ёмкостного тока через переход.

Параллельная схема диодного УЧ обычно используется в мощных каскадах, так как, благодаря возможности соединения диода с корпусом устройства, облегчается его охлаждение. В то же время в параллельной схеме, если используется варикап с коэффициентом p – n-перехода γ = 1/2, возможна генерация только второй гармоники. Однако, если ввести в схему дополнительный фильтр – последовательный колебательный контур, то через диод будет протекать переменный ток не двух (18.6), а трёх гармоник, и в этом случае происходит генерирование колебаний с частотами 3ω, 4ω и т.д. Следует отметить, что дополнительный фильтр часто включают в параллельной схеме УЧ и при использовании варикапа с γ = 1/3, что позволяет повысить эффективность преобразования входного сигнала.

Структурная схема диодного параметрического УЧ параллельного типа с дополнительным фильтром, обычно называемым холостым контуром, показана на рис.18.10. Дополнительный фильтр – холостой контур настраивается на частоту kω < nω.

УЧ по параллельной схеме имеют сравнительно низкие значения входного и выходного сопротивлений, что часто затрудняет согласование их с нагрузкой и источником входного сигнала.

При использовании варакторов параллельная схема УЧ применяется в мощных каскадах при n = 2 и 3. С увеличением номера гармоники заметно падает выходная мощность.

Параллельная схема широко используется в УЧ на ДНЗ, которые обычно превосходят по мощности варакторные УЧ и используются при больших значениях n (n = 8…10 и более раз). В силу большей мощности, соответственно и больших токов, входное и выходное сопротивления УЧ на ДНЗ существенно меньше, чем у варакторных УЧ.

В последовательной схеме диодного УЧ возможна генерация любой гармоники при любом значении коэффициента p – n-перехода γ. УЧ по такой схеме имеют высокие значения входного и выходного сопротивлений, что является их важным преимуществом. Выходная мощность УЧ последовательного типа с ростом номера выделяемой гармоники падает в меньшей степени, чем в УЧ параллельного типа. Поэтому последовательная схема диодного УЧ находит широкое применение на СВЧ при больших значениях n. В схеме удобно применение СВЧ цепей на основе несимметричных полосковых линий. Недостаток схемы – худшие условия для охлаждения диода и наличие паразитной ёмкости диода на корпус устройства, что порой затрудняет реализацию фильтров.

Эффективность преобразования входного сигнала в диодных УЧ определяется коэффициентом преобразования

,

где P_~n – мощность выделяемой (полезной) гармоники; P_~1 – входная мощность, то есть мощность первой гармоники, поступающая от источника входного сигнала (источника возбуждения).

Коэффициент преобразования диодного параметрических УЧ также называют его коэффициентом полезного действия (КПД).

В УЧ на варикапах теоретически возможно преобразование сигнала на любую гармонику с эффективностью 100%. Для этого ёмкость перехода не должна иметь потерь и фильтрующие цепи должны быть без потерь и построены так, чтобы в УЧ существовали только основная и выделяемая гармоники. Реально достижимы значения коэффициента преобразования в таких УЧ до 75% в удвоителях частоты и до 40% в утроителях частоты.

В варакторных УЧ коэффициент преобразования при n = 2 и 3 достигает (60…70)%. С повышением номера гармоники он падает и при n ≥ 4 или 5 УЧ на ДНЗ обеспечивают существенно большее значение коэффициента преобразования, чем варакторные УЧ. При n = 2 и 3 коэффициент преобразования УЧ на ДНЗ примерно как у варакторного УЧ.

На рис.18.11 представлены возможные принципиальные схемы диодных УЧ.

Схемы (рис.18.11,а, б) – утроители частоты по параллельной схеме с дополнительным контуром, настроеннным на вторую гармонику 2ω. В выходном фильтре схемы (рис.18.11,б) применены отрезки несимметричных полосковых линий, причём выходной фильтр представляет систему двух связанных контуров.

Схема (рис.18.11,в) – удвоитель частоты с двумя диодами. Цепи L₁, С_Д1 и L₂, С_Д2 настраиваются на частоту входного сигнала ω, а цепи L₁, С_Д1, L₃, С₁, С₂ и L₂, С_Д2, L₃, С₁, С₂ – на частоту второй гармоники 2ω. С_Д1, С_Д2 – ёмкости переходов соответствующих диодов. Входные сигналы на диоды подаются в противофазе, как в двухтактных схемах генераторов. Соответственно ёмкости переходов изменяются в противоположные стороны и по первой гармонике диоды оказываются включенными последовательно. По второй гармонике диоды подключаются параллельно к нагрузке как в общем проводе двухтактного генератора.

Во всех схемах показано автоматическое смещение. В большинстве случаев сопротивление автосмещения R_СМ = (50…300)кОм.

Согласование с источником входного сигнала (источником возбуждения) во всех представленных схемах (рис.18.11) обеспечивается с помощью ёмкостных делителей. Согласование с полезной нагрузкой в схемах (рис.18.11,а, в) также обеспечивается с помощью ёмкостных делителей (ёмкостная связь), а в схеме (рис.18.11,б) применена кондуктивная связь с нагрузкой. Блокировочная индуктивность L_БЛ в схеме (рис.18.11,б) может отсутствовать в силу большой величины R_СМ (см. схему рис.18.11,а).

В заключение отметим, что при любом подходе к разработке параметрического диодного УЧ важным является этап его макетирования.

В транзисторных радиопередатчиках СВЧ, на рабочей частоте которых невозможно усиление сигнала, первоначально на частоте, существенно ниже рабочей, доводят сигнал до мощности, во много раз превышающей выходную мощность передатчика. Эту мощность подводят к диодному УЧ, с помощью которого повышают частоту сигнала до рабочего значения, обеспечивая при этом с учётом коэффициента преобразования (КПД) УЧ требуемый уровень выходного сигнала радиопередатчика. Естественно, при таком подходе на диоде рассеивается весьма значительная мощность, с чем приходится мириться, считая это своеобразной платой за перенос спектра полезного сигнала в область тех частот, достижение которых невозможно иными способами при существующем уровне развития транзисторной техники.

Перечень вопросов для самоконтроля знаний по теме лекции 18:

1. Получите на основании (18.1) выражение для cos θ при удвоении частоты и выборе Е_С = Е^/_С. Сделайте
выводы.

2. Представьте временные диаграммы анодного тока и его второй гармоники, мгновенного напряжения на
входе и выходе удвоителя частоты при выборе Е_С = Е^/_С. Какие будут отличия, если выбрать Е_С более от-
рицательным, чем Е^/_С?

3. Опишите отличия ДХ анодного тока в режиме удвоения частоты от ДХ анодного тока усилителя. Пояс-
ните их. Изобразите отдельно ДХ анодного тока усилителя и удвоителя частоты при одинаковых
напряжениях на электродах ламп.

4. Представьте временные диаграммы анодного тока и мгновенных напряжений на электродах ламп для ут-
роителя частоты при выборе Е_С, соответствующего θ = 120° и θ = 40°. Какие отличия и почему?

5. Опишите назначение элементов в схеме параметрического транзисторного УЧ рис.18.4.

6. Опишите особенности схем транзисторных УЧ рис.18.4 и рис.18.5.

7. На каких принципах возможно умножение частоты с использованием диодов? Используя приведенные в
лекции выражения, получите выражение (18.8).