Дегтярь Г.А. Устройства генерирования и формирования сигналов (2003) (1095864), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Параметрические транзисторные умножители частоты. Диодныеумножители частоты (на варикапах, варакторах и диодах с накоплением заряда).Применение умножителей частотыПрименение умножителей частоты (УЧ) широко распространено в радиопередающих устройствах,так как позволяет понизить частоту задающего генератора, что бываетвыгодно с точки зрения получения высокой стабильности частоты рабочих колебаний.1Применение УЧ в радиопередатчиках также даёт возможность при сравнительно узкомдиапазоне возбудителя иметь большее перекрытие частоты передатчиком.
Например, еслиимеется возбудитель, перекрывающий диапазон частот (3…6) МГц, то, применяя одинкаскад удвоения частоты, можно с помощью такого возбудителя перекрыть диапазон частот от 3 до 12 МГц. В передающих устройствах с частотной или фазовой модуляцией УЧиспользуются 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, поэтомуумножение частоты преимущественно производят в маломощных каскадах, энергетикакоторых в малой степени влияет на общие энергетические показатели радиопередатчика.В многокаскадных передатчиках каскад умножения частоты часто включают так, чтобыон 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 вмногокаскадных передатчиках для повышения их устойчивости УЧ обычно чередуют сусилителями. На СВЧ УЧ широко применяются в качестве выходных каскадов передатчиков, позволяя получить колебания с необходимой мощностью на частотах, усилениемощности 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, атакже диодах с накоплением заряда.
Умножение частоты возможно также в специальныхприборах 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 режимобеспечивается соответствующей настройкой выходного резонатора прибора и питающими напряжениями электродов.УЧ на лампе или транзисторе, как указывалось в лекции 1, является разновидностьюГВВ и представляет устройство, преобразующее энергию источников питания в энергиютока высокой частоты, превышающей в целое число раз частоту внешнего высокочастотного сигнала, прикладываемого к АЭ.
Непременным условием обеспечения умножениячастоты в таких ГВВ является работа с отсечкой анодного или коллекторного тока. Соответственно любая из рассмотренных нами схем ламповых и транзисторных генераторовможет 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. Вдвухтактном генераторе, помимо настройки выходного контура на интересующую гармо1На частотах, не превышающих несколько десятков мегагерц, легче получить колебания с высокой стабильностью частоты.
В то же время используемый диапазон радиочастот доходит до десятков – сотен гигагерц. Вопросы создания первичных источников стабильных электрических колебаний рассматриваются влекциях раздела 2 «Генераторы с самовозбуждением – автогенераторы».286нику тока, в зависимости от кратности умножения частоты, то есть номера выделяемойгармоники, может потребоваться некоторое изменение схемы со стороны подключениявыходного контура.В транзисторных генераторах, помимо умножения частоты за счёт отсечки коллекторного тока, возможно умножение частоты за счёт зависимости ёмкости коллекторногоперехода транзистора от его режима, что используется в так называемых параметрическихтранзисторных умножителях частоты.2Основными характеристиками УЧ являются: кратность умножения частоты n; рабочая частота или диапазон рабочих частот; выходная мощность P~n; коэффициент передачиили коэффициент усиления по мощности Кр; коэффициент полезного действия (КПД), онже коэффициент преобразования в диодных УЧ; степень подавления в полезной нагрузкеУЧ 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 общейсеткой, 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):3eC u C EC U MC cos t EC ;eБ u Б E Б U МБ cos t E Б ,а мгновенные напряжения на выходных электродах определяются соответственно соотношениями (1.2), записанными в виде:e A E A u A E A U MA cos n t ;eK E K u K E K U MK cos n t ,где n – номер выделяемой гармоники анодного или коллекторного тока.Последние соотношения справедливы при условии, что на контуре в выходной цепиГВВ 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:4i A S (U MC cos t DU MA cos n t EC/ EC ).(18.1)Обращение к представленной записи уравнения ГВВ в режиме умножения частотыпри работе лампы в основной области семейства её статических ВАХ позволяет глубжепонять особенности умножения частоты в ГВВ.
У транзистора, как неоднократно отмечалось ранее, с большим основанием можно считать параметр D = 0. При этом приведенноеуравнение 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 режимахусиления мощности (напряжения) и умножения частоты.На рис.18.1 представлены для сравнения ДХ и формы импульсов анодного тока дляудвоителя частоты (n = 2) и усилителя мощности (напряжения) при одинаковых амплитудах переменных напряжений на электродах лампы и одинаковых напряжениях питанияЕА, ЕС.
Причём ДХ построены для случая ЕС = Е /С, когда θ = 90° в ГВВ – усилителе. Вы2Возможность параметрического режима в транзисторных ГВВ отмечалась в лекции 4.См. лекцию 1.4Следует из уравнения (4.6) по аналогии с (4.7). См. лекцию 4.3287деленный участок на оси абсцисс еА относится к ДХ удвоителя частоты и приходится намоменты отсутствия анодного тока.Как видно, форма импульсов анодного тока в УЧ существенно отличается от формыимпульсов тока в ГВВ – усилителе. Искажения формы импульсов анодного тока в УЧ посравнению 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.iAeC MAKCiAДинамические характеристикиD≠0для удвоителя частотыИмпульсы анодноготокадля усилителядля усилителяE/C0еА МИН = ЕА - UМАЕАеА-π/20+π/2ωt0+π/2ωtеА МАКС = ЕА + UМАаiAiAD=0eC MAKCДинамические характеристикидля усилителяИмпульсы анодноготокадля удвоителя частоты0еА МИН = ЕА - UМАЕАеА-π/2еА МАКС = ЕА + UМАбРис.18.1Напряжённость режима АЭ при умножении частоты, как и при усилении, определяется соотношением напряженийеС МАКС = UМС – ЕС ;еА МИН = ЕА – UMAв ламповом УЧ иеБ МАКС = UМБ – ЕБ ;еК МИН = ЕК – UMКв транзисторном УЧ.С точки зрения напряжённости оптимальным для умножения частоты, как и для усиления, является критический режим. Импульсы анодного и коллекторного токов при этомимеют практически косинусоидальную форму (при малых значениях D провал в форме288импульсов 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:5I An , Kn I MA, MK n ( ),где IAn,Kn – амплитуда n-й выделяемой гармоники анодного или коллекторного тока;IMA,MK – амплитуда косинусоидальных импульсов анодного или коллекторного тока;αn(θ) – коэффициент пропорциональности между амплитудой косинусоидальных импульсов выходного тока и амплитудой n-й гармоники.Колебательная мощность, которая может быть получена в режиме умножения частоты211 U MA, MK 1 2P~ n U MA, MK I An , Kn I An , Kn Roe ,22 Roe2где Roe – 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 αn(θ) имеет при нижнем угле отсечки выходного тока АЭ120 0.nПри этом, если для первой гармоники максимальное значение коэффициентаα1 МАКС = 0,536 при θ = 120°, то для второй гармоники α2 МАКС = 0,275 при θ = 60°, а длятретьей гармоники α3 МАКС = 0,185 при θ = 40°, то есть максимальные значения коэффициентов αn МАКС для высших гармоник приблизительно обратно пропорциональны номеругармоники относительно α1 МАКС:αn МАКС ≈ α1 МАКС /n.Следовательно, при прочих равных условиях, колебательная мощность, которуюможно получить в УЧ, будет в n раз меньше, чем в режиме усиления при использованиитой же лампы или транзистора.Так как в паспортных данных на лампу или транзистор указывается колебательнаяили 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 кфорсированию по току.
На форсированное использование лампы по току можно пойти,если, кроме запаса по току эмиссии, лампа имеет запас и по мощности рассеяния науправляющей сетке. Для большинства используемых тетродов и пентодов такая возможность есть, поэтому для удвоителя частоты можно выбирать лампу на мощностьP~НОМ ≈ 1,5 P~2,а для утроителя частоты на мощностьP~НОМ ≈ 2 P~3.Последние соотношения вытекают из следующих рассуждений. Как отмечалось(см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
