Лекция 18 (1084998), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

,

а на входе другого напряжение

,

где Е_З – напряжение в рабочей точке, для суммарного тока через выходную цепь получаем

.

Как видим, результирующий выходной ток содержит только постоянную составляющую и вторую гармонику. Соответственно напряжение на нагрузке оказывается чисто гармоническим с частотой 2ω. Отсутствие в составе результирующего тока других гармоник позволяет упростить выходную цепь УЧ, исключив из её состава избирательную цепь С₁, L, С₂. Обратим внимание, что при использовании ПТ в схему УЧ (рис.18.2) для повышения эффективности преобразования частоты сигнала может потребоваться ввести цепь смещения.

Параметрические транзисторные умножители частоты

Выше мы рассмотрели УЧ, в том числе и на транзисторах, в которых умножение частоты осуществляется за счёт отсечки коллекторного тока. Транзистор в таких УЧ обычно работает в режиме «большого сигнала». В то же время в транзисторных ГВВ возможно умножение частоты за счёт нелинейного характера ёмкости перехода коллектор-база. Транзисторные УЧ, в которых используется эффект нелинейности ёмкости коллекторного перехода, носят название параметрических.

Принцип параметрического умножения частоты в транзисторных генераторах целесообразно использовать при частоте выходного сигнала, превышающей в 2…3 раза значение граничной частоты транзистора f_ГР = β₀f_β, где β₀ – статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эмиттером; f_β – частота, на которой модуль коэффициента передачи по току транзистора при включении с общим эмиттером уменьшается раз по сравнению со статическим коэффициентом β₀. Только в этом случае умножение частоты в основном будет происходить за счёт параметрического эффекта и в меньшей степени за счёт нелинейности статических ВАХ и отсечки коллекторного тока.

Параметрическое умножение частоты в транзисторном генераторе осуществляется с большим КПД, поэтому параметрические транзисторные УЧ обеспечивают заметно большее значение выходной мощности, нежели УЧ с отсечкой коллекторного тока. Часто мощность n-й гармоники оказывается почти такой же, как мощность основной гармоники при работе транзистора в режиме усиления. Использование параметрического эффекта в транзисторах для умножения частоты позволяет заметно расширить диапазон рабочих частот этого класса приборов.

На рис.18.3 представлена общая структурная схема параметрического умножителя частоты на транзисторе.

В схеме имеется четыре фильтра: Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф₄. Фильтр последовательного типа Ф₁, включенный в коллекторную цепь, настраивается на частоту основной – первой гармоники ω. Фильтр Ф₃, включенный последовательно с нагрузкой R_Н, настраивается на частоту интересующей гармоники nω. Фильтр Ф₂ настраивается на промежуточную гармонику kω для усиления эффекта умножения частоты. В частности, при n = 3 и 4 k = 2. Фильтр Ф₄ служит для обеспечения малого сопротивления цепи эмиттер-база на рабочей частоте nω. Пунктиром на схеме (рис.18.3) показана ёмкость перехода коллектор-база С_КБ, за счёт которой осуществляется параметрическое умножение частоты, и сопротивление потерь в этой ёмкости R_S.

На рис.18.4 показана принципиальная схема транзисторного параметрического утроителя частоты.

Напряжение смещения создаётся за счёт базового тока I_Б0. Конденсатор ёмкостью С_Б может отсутствовать, так как обычно сопротивление R_Б мало по сравнению с ωL_БЛ. Возможно применение эмиттерного смещения.

Коэффициент полезного действия коллекторной цепи параметрических транзисторных УЧ

обычно лежит в пределах (10…30)%. В связи с этим подобные УЧ применяются в качестве маломощных каскадов радиопередатчиков.

На рис.18.5 для сравнения приведена принципиальная схема транзисторного утроителя частоты, в котором умножение частоты сигнала осуществляется за счёт отсечки коллекторного тока.

В выходной цепи транзистора включен П-контур (с учётом выходной ёмкости транзистора), настроенный на третью гармонику коллекторного тока. Для подавления побочных составляющих тока: первой и второй гармоник, как наиболее сильных, в коллекторную цепь включаются последовательные фильтры, настроенные, соответственно, на основную частоту ω и вторую гармонику 2ω. Для третьей гармоники 3ω эти фильтры представляют индуктивное сопротивление, которое учитывается при расчёте фильтра
(П-контура) третьей гармоники. При умножении на 4 в схему необходимо будет добавить ещё один последовательный фильтр.

Во входной цепи УЧ (рис.18.5) имеется только фильтр (согласующая цепь), настроенный на частоту основного (входного) сигнала.

Нижний угол отсечки коллекторного тока устанавливается цепью эмиттерного смещения R_Э, С_Э.

Из приведенного описания входных и выходных согласующих цепей транзисторных параметрического (рис.18.4) и непараметрического УЧ (рис.18.5) нетрудно видеть их особенности.

Выходная цепь любого транзисторного УЧ (с отсечкой коллекторного тока и параметрического) может быть также реализована в виде полосового фильтра, например, из двух параллельных контуров с внешней ёмкостной связью.

Диодные умножители частоты

В качестве УЧ в современных радиопередающих устройствах широко используют УЧ на специально созданных для этих целей диодах: диодах с нелинейной ёмкостью (ДНЕ) и диодах с накоплением заряда (ДНЗ).¹⁰ Интерес к подобным УЧ огромен, так как эффективность преобразования входного сигнала в таких УЧ довольно высока. Кроме того, не требуются источники питания и рабочий диапазон таких УЧ намного выше, чем при использовании многих других типов генераторных приборов.

ДНЕ обладают нелинейной ёмкостью двух типов: барьерной и диффузионной. Первая из них обусловливается накоплением зарядов противоположного знака по обе стороны p – n-перехода. Увеличение запирающего напряжения на переходе расширяет обеднённый слой, что приводит к уменьшению величины барьерной ёмкости С_Б. Диоды с явно выраженной нелинейностью барьерной ёмкости носят название варикапов.¹¹ В общем случае зависимость барьерной ёмкости p – n-перехода от величины обратного напряжения на переходе описывается выражением

(18.4)

где С_В – ёмкость варикапа, равная барьерной ёмкости перехода; С₀ – начальная ёмкость перехода при напряжении на переходе е_П = 0; – контактная разность потенциалов, то есть напряжение на переходе при отсутствии внешнего напряжения ( = 0,4…0,6 В – для кремниевых диодов и = 0,2…0,3 В – для германиевых диодов); γ – коэффициент
p – n-перехода, зависящий от распределения примесей в переходе, имеющий величину 1/3 при «плавном переходе» (диффузионный тип перехода) и 1/2 при «резком переходе» (сплавной тип перехода). Возможны и другие значения 1/3 ≤ γ ≤ 1/2, а также значения
γ = 1…2 для «сверхрезких переходов». На рис.18.6 показаны зависимости нормированной ёмкости p – n-перехода (18.4) при разных γ: 1/3; 1/2; 1.

Второй тип нелинейной ёмкости – диффузионная ёмкость С_Д выявляется при открытом состоянии диода и обусловливается избыточной концентрацией неосновных носителей, инжектированных по одну сторону p – n-перехода. При е_П < 0 диффузионная ёмкость С_Д = 0 и резко увеличивается по мере приближения е_П к Е ^/ – напряжению, при котором открывается диод (по величине напряжение Е ^/ равно , но имеет противоположную полярность). Характер зависимости диффузионной ёмкости диода показан на рис.18.7. Диффузионная ёмкость С_Д p – n-перехода диода на несколько порядков превышает его барьерную ёмкость С_Б. При отпирании диода диффузионная ёмкость перехода С_Д добавляется к его барьерной ёмкости С_Б. Резкое увеличение ёмкости p – n-перехода при его открывании увеличивает накапливаемый на ней заряд и ток через неё, что способствует увеличению преобразуемой диодом мощности. ДНЕ, работающие с открыванием перехода, носят название варакторов и специально предназначены для умножения частоты.

На рис.18.8 показано изменение результирующей ёмкости ДНЕ с открыванием перехода – варактора (С_В + С_Д).

П ри использовании ДНЕ в УЧ к нему прикладывается обратное напряжение постоянной величины, определяющее рабочую точку диода. Если обозначить это напряжение Е_{В РТ}, то ёмкость варикапа в рабочей точке согласно (18.4)

Соответственно вместо (18.4) для ёмкости варикапа (барьерной ёмкости) можно записать:

(18.5)

Результирующее напряжение на переходе варикапа е_П = Е_{В РТ} + u(t), где u(t) – переменное напряжение, не заходит в область положительных значений, тогда как у варактора оно заходит в положительную область. Соответственно, ёмкость перехода у варактора изменяется в больших пределах и более резко, что увеличивает как уровень входного сигнала, прикладываемого к диоду, так и содержание гармонических составляющих переходного процесса при переходе диода из одного состояния, например, закрытого, в другое – открытое и наоборот.

Помимо ДНЕ: варикапов и варакторов разработаны специальные диоды с ещё более резким изменением заряда на переходе, соответственно и ёмкости перехода, при переходе из открытого состояния в закрытое и наоборот. Такие диоды получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ). В закрытом состоянии у ДНЗ обычно коэффициент перехода
γ = 1/5, то есть ёмкость перехода в закрытом состоянии почти не изменяется. В открытом состоянии в области перехода накапливается большой заряд, который рассасывается за определённое время при смене полярности напряжения на переходе. Продукт переходного процесса обогащён гармоническими составляющими.

Итак, в любом диодном параметрическом УЧ используется нелинейное изменение ёмкости перехода при изменении его режима. Соответственно умножительный (параметрический) диод в эквивалентной схеме УЧ представляется нелинейной ёмкостью. Переходные процессы в области перехода сопровождаются потерями мощности, что учитывается введением в схему сопротивления потерь. Соответственно ёмкость перехода можно характеризовать её добротностью. С повышением рабочей частоты необходимо учитывать индуктивности вводов диода и монтажную ёмкость, что, естественно, усложняет эквивалентную схему УЧ.

Основными элементами диодного УЧ являются: источник входного сигнала, диод, полезная нагрузка. Очевидно, эти три элемента могут быть соединены либо параллельно, либо последовательно. Помимо указанных элементов в схему диодного УЧ обязательно входят, как минимум, два фильтра: один на частоту входного сигнала ω, другой – на интересующую гармонику nω.

На рис.18.9 представлены так называемые параллельная а) и последовательная б) схемы параметрических диодных УЧ. В УЧ параллельного типа фильтры представляют последовательные колебательные контуры, а в УЧ последовательного типа в качестве фильтров используются параллельные колебательные контуры. В общем случае выходные фильтры в любой из схем могут представлять как последовательные, так и параллельные одиночные контуры или системы связанных контуров.

Характеристики

Список файлов лекций