15. Умножители частоты

Умножители частоты, как и усилители мощности колебаний высокой частоты, относятся к подклассу генераторов с внешним возбуждением. От усилителей мощности они отличаются тем, что частота колебаний выходного сигнала в кратное число раз отличается от частоты возбуждения.

Основные области применения умножителей частоты (УЧ):

- Расширение диапазона частот возбудителя.

Предположим , что исходный диапазон частот возбудителя f … 2f. Применение удвоителя частоты позволит получить частоты 2f …4f. В результате общий диапазон частот возбудителя составит f … 4f.

- Углубление частотной модуляции (ЧМ)

При умножении частоты ЧМ колебаний пропорционально увеличивается и отклонение частоты (девиация).

- Перенос низкочастотных колебаний, стабилизированных кварцем, в более высокочастотный диапазон.

- В выходных каскадах транзисторных передатчиков диапазона сверхвысоких частот, где транзисторы утрачивают свои усилительные свойства.

1. Транзисторные умножители частоты

При работе генератора колебаниями второго рода (с отсечкой тока) спектр коллекторного тока содержит ряд гармоник ( см. рисунок 3.4). В режиме усиления мощности выходная колебательная система настраивается на частоту первой гармоники и отфильтровывает высшие гармоники. В режиме умножения колебательная система настраивается на одну из высших гармоник, что и приводит к умножению частоты. Для получения на выходе УЧ максимальной мощности необходимо выбрать оптимальный угол отсечки θ, при котором ток соответствующей гармоники будет наибольшим. Из гармонического анализа косинусоидальных импульсов следует (см. рисунок 3.11), что максимум коэффициента разложения αn соответствует

и

Однако реализовать оптимальные углы отсечки при сохранении величины импульса коллекторного тока достаточно сложно. Покажем это на примере удвоителя частоты. Оптимальный угол отсечки в этом случае составляет 60^о.

Если в режиме усиления использовать угол отсечки 90^о, то для получения угла отсечки 60^о , при сохранении величины импульса коллекторного тока (iкмакс), потребуется удвоение амплитуды напряжения возбуждения (рисунок 3.39).

Действительно, при θ = 90^ο

iкмакс = S(1-cosθ)Uу(90) = SUу(90)

Соответственно при θ = 60^ο

iкмакс = S(1-0,5)Uу(60) = 0,5·SUу(60)

При неизменной величине импульса коллекторного тока получим Uу(60)=2Uу(90); т.е. для угла отсечки 60^о необходимо удвоить амплитуду возбуждения.

С другой стороны

Отсюда Eу = 0,5Uу(60)-Е´у= Uу(90)-Е´у

Поскольку при θ = 90^ο Eу = Е´у , напряжение смещения для угла 60^о должно быть изменено на величину ΔEу = Eу - Е´у = Uу(90)

Соответственно | eумин | для угла отсечки 60^о увеличится на 2Uу(90).

Таким образом, в результате перевода генератора в режим умножения частоты, увеличивается амплитуда возбуждения и входная мощность; возрастает обратное пиковое напряжение eумин и соответственно опасность электрического пробоя входной цепи АЭ; уменьшается коэффициент усиления по мощности.

Учитывая эти особенности, в режиме умножения частоты существенно снижают использование АЭ по мощности и ограничиваются коэффициентом умножения не более 3-х. Угол отсечки выбирают несколько больше оптимального (в режиме удвоения частоты 70-80^о, при утроении 50-60^о).

При необходимости умножения с кратностью более 3-х, применяют последовательное включение нескольких удвоителей и утроителей. В этом случае общая кратность умножения определяется как произведение кратностей отдельных умножителей.

Основное достоинство транзисторных умножителей – возможность одновременно с умножением частоты получить усиление мощности входного сигнала.

Следует заметить, что при использовании в УЧ биполярных транзисторов на частоте возбуждения близкой к fT, возможен параметрический режим умножения, в котором высшие гармоники генерируются не только вследствие отсечки коллекторного тока, но и за счет нелинейной емкости коллекторно-базового перехода [ 4 ].