Mnożniki częstotliwości półprzewodników

Łączność, łączność, elektronika radiowa i urządzenia cyfrowe

MNOŻNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW 17. Mnożnik częstotliwości tranzystora 17. Diodowe mnożniki częstotliwości 17. Cel Zasada działania i główne parametry Mnożniki częstotliwości na schemacie blokowym nadajnika radiowego, patrz.

Wykład 1 7 . Mnożniki częstotliwości półprzewodników

1 7 .2. Mnożnik częstotliwości tranzystora

1 7 . 4 . Pytania kontrolne

17.1. Cel, zasada działania i główne parametry

Mnożniki częstotliwości na schemacie blokowym nadajnika radiowego (patrz rys. 2.1) znajdują się przed wzmacniaczami mocy oscylacji RF lub mikrofalowych, zwiększając częstotliwość sygnału wzbudnicy wymaganą liczbę razy. Mnożniki częstotliwości mogą być również częścią samego wzbudnicy lub syntezatora częstotliwości. Dla sygnału wejściowego i wyjściowego mnożnika częstotliwości piszemy:

(17.1)

gdzie n współczynnik mnożenia częstotliwości przez liczbę całkowitą.

Klasyfikacja mnożników częstotliwości jest możliwa według dwóch głównych kryteriów: zasady działania, czyli sposobu realizacji funkcji (17.1) oraz rodzaju elementu nieliniowego. Zgodnie z zasadą działania mnożniki dzielą się na dwa rodzaje: oparte na synchronizacji częstotliwości oscylatora z sygnałem zewnętrznym (patrz rozdział 10.3), w P razy niższą częstotliwość (ryc. 17.1, a) i zastosowanie elementu nieliniowego, który zniekształca wejściowy sygnał sinusoidalny i izoluje wymaganą harmoniczną z powstałego widma wieloczęstotliwościowego (ryc. 17.1, B).

Ryż. 17.1. Mnożniki częstotliwości.

W zależności od rodzaju zastosowanego elementu nieliniowego powielacze częstotliwości drugiego typu dzielą się na tranzystorowe i diodowe.

Głównymi parametrami mnożnika częstotliwości są: współczynnik mnożenia częstotliwości N ; moc wyjściowa n-ta harmoniczna Р n, Moc wejściowa pierwszej harmonicznej R1, współczynnik konwersji K pr = P n / P 1 ; efektywność = Р n / Р 0 (w przypadku powielacza tranzystora), poziom tłumienia fałszywych komponentów.

Brak mnożników częstotliwości (ryc. 17.1, A ) Pierwszy typ polega na zawężaniu pasma synchronizacji wraz ze wzrostem liczby harmonicznych P. W przypadku mnożników częstotliwości drugiego typu współczynnik konwersji maleje Do pr wraz ze wzrostem p. Dlatego zwykle ograniczają się do wartości N = 2 lub 3 i, jeśli to konieczne, włącz szeregowo kilka powielaczy częstotliwości, naprzemiennie ze wzmacniaczami.

17.2. Mnożnik częstotliwości tranzystora

Obwód tranzystorowego mnożnika częstotliwości (ryc. 17.2) i sposób jego obliczania praktycznie nie różnią się od wzmacniacza.

Konieczne jest jedynie skonfigurowanie obwodu wyjściowego generatora N harmonicznej i wybierz wartość kąta odcięcia =120  / n , odpowiadający maksymalnej wartości współczynnika n ( ). Przy obliczaniu obwodu wyjściowego współczynnik rozszerzalności impulsu cosinus w pierwszej harmonicznej 1 ( ) należy zastąpić współczynnikiem dla n-ta harmoniczna  n ( ). Obwód w obwodzie wyjściowym dostrojony w rezonansie N - i harmonicznych sygnału, muszą posiadać zadowalające właściwości filtrujące.

Ryż. 17.2. Obwód mnożnika częstotliwości tranzystora.

Współczynnik mnożenia obwodu na ryc. 17,2 zwykle nie przekracza 34 razy przy wydajności 1020%.

17.3. Mnożniki częstotliwości diod

Działanie diodowych mnożników częstotliwości opiera się na wykorzystaniu nieliniowego efektu pojemnościowego. Ten ostatni wykorzystuje pojemność barierową spolaryzowaną odwrotnie p - rz -przemiana. Diody półprzewodnikowe zaprojektowane specjalnie do zwielokrotniania częstotliwości nazywane są waraktorami. Na =0,5 i  0 =0,5 V dla nieliniowej pojemności waraktora otrzymujemy:

, (17.2)

gdzie i - przyłożone napięcie wsteczne złącze p - n.

Wykres funkcji nieliniowej (17.2) pokazano na ryc. 17.3.

Ryż. 17.3. Wykres funkcji nieliniowej (17.2).

Ładunek zgromadzony przez nieliniową pojemność jest powiązany z napięciem i prądem za pomocą następujących zależności:

, (17.3)

Dwa główne obwody mnożników częstotliwości diody z waraktorami pokazano na ryc. 17.4.

Ryż. 17.4. Diodowe mnożniki częstotliwości z waraktorami.

W równoległym obwodzie powielacza diody (ryc. 17.4, A ) istnieją dwa obwody (lub filtry) typu szeregowego, dostrojone w rezonansie odpowiednio do częstotliwości wejściowej i wyjście n  sygnały. Obwody takie mają niską rezystancję przy częstotliwości rezonansowej i dużą rezystancję we wszystkich pozostałych (ryc. 17.5).

Ryż. 17.5 Zależność rezystancji obwodu od częstotliwości.

Zatem pierwszy obwód, dostrojony do rezonansu z częstotliwością sygnału wejściowego o, przepuszcza tylko 1. harmoniczną prądu, a drugi obwód, dostrojony do rezonansu z częstotliwością sygnału wyjściowego n  , - tylko n harmoniczna. W rezultacie prąd płynący przez waraktor ma postać:

, (17.4)

Ponieważ pojemność waraktora (17.2) jest funkcją nieliniową, to zgodnie z (17.3) przy prądzie (17.4) napięcie na waraktorze różni się od kształtu sinusoidalnego i zawiera harmoniczne.

Jedna z tych harmonicznych, do której dostrojony jest drugi obwód, przechodzi do obciążenia.

Zatem za pomocą nieliniowej pojemności urządzenie przekształca moc sygnału z częstotliwością na sygnał o częstotliwości n , tj. mnożenie częstotliwości.

Drugi sekwencyjny obwód mnożnika częstotliwości działa w podobny sposób (ryc. 17.4, B), w którym znajdują się dwa obwody (lub filtry) typu równoległego, dostrojone rezonansowo odpowiednio do częstotliwości wejściowej i wyjście n  sygnały. Obwody takie mają dużą rezystancję przy częstotliwości rezonansowej i niską rezystancję we wszystkich pozostałych. Dlatego napięcie w obwodzie pierwotnym jest dostrojone w rezonansie z częstotliwością sygnału wejściowego , zawiera tylko pierwszą harmoniczną, a w drugim obwodzie dostrojony do rezonansu z częstotliwością sygnału wyjściowego n  , - tylko n harmoniczna. W rezultacie napięcie przyłożone do waraktora ma postać:

, (17.5)

gdzie U 0 - stałe napięcie polaryzacji na waraktorze.

Ponieważ pojemność waraktora (17.2) jest funkcją nieliniową, to zgodnie z (17.3) przy napięciu (17.5) prąd płynący przez waraktor ma kształt inny niż sinusoidalny i zawiera harmoniczne. Jedna z tych harmonicznych, do której dostrojony jest drugi obwód, przechodzi do obciążenia. Zatem za pomocą nieliniowej pojemności w obwodzie moc sygnału jest przekształcana z częstotliwością na sygnał o częstotliwości n , tj. mnożenie częstotliwości.

Mnożniki częstotliwości Varactor w zakresie DCV przy N =2 i 3 mają wysoki współczynnik konwersji K pr = P n / P 1 = 0,6…0,7. Dla dużych wartości P w wartości zakresu mikrofal K pr spada do 0,1 i poniżej.

17.4. Pytania kontrolne

1. Jak mnożona jest częstotliwość oscylacji?

2. Narysuj obwód mnożnika częstotliwości tranzystora.

3. Wyjaśnij, dlaczego można pomnożyć częstotliwość oscylacji za pomocą nieliniowej pojemności.

4. Narysuj obwody diodowego mnożnika częstotliwości typu szeregowego i równoległego. Jakie są różnice między nimi?

Dość często przy konstruowaniu obwodów dla różnych generatorów częstotliwości i syntezatorów pojawia się potrzeba konwersji sygnałów o jednej częstotliwości na sygnały o wyższej częstotliwości. Można tego dokonać za pomocą obwodów mieszaczy opisanych w sekcji Miksery (zapewniające konwersję w górę). Jeżeli jednak wymagana jest wielokrotna konwersja (dwa, trzy lub więcej razy), wygodniej i efektywniej jest zastosować tzw mnożniki częstotliwości . Jak sama nazwa wskazuje, takie obwody zapewniają wielokrotną konwersję (mnożenie) częstotliwości sygnału wejściowego.

Mnożniki częstotliwości diod charakteryzują się szeregiem pozytywnych cech, które decydują o dość powszechnym zastosowaniu tego typu urządzeń (szczególnie przy wysokich i ultrawysokich częstotliwościach). Najważniejsze z nich to: niski poziom szumów cieplnych i fazowych, możliwość pracy w bardzo wysokich częstotliwościach (do częstotliwości submilimetrowych), a także względna prostota konstrukcji.

Obecnie w praktyce stosowane są trzy zasadniczo różne metody mnożenia częstotliwości w mnożnikach diodowych:

• mnożenie waraktorów (mnożenie przez pojemność nieliniową);
• podwojenie w obwodzie prostowniczym pełnookresowym;
• diodowa konwersja kształtu impulsu z późniejszym wyborem żądanej harmonicznej.

Działanie mnożników częstotliwości charakteryzuje się szeregiem parametrów: współczynnik mnożenia, wejście(\(P_(in)\)) i dzień wolny(\(P_(na zewnątrz N)\)) moc, Efektywność(\(\eta = P_(out N)/P_(in)\), czasami nazywane wydajność mnożnika Lub współczynnik przenoszenia mocy), pasmo częstotliwości roboczej itp.

Mnożniki częstotliwości Varactor - są to urządzenia, których głównym elementem roboczym jest warakap mnożący (waraktor) - dioda półprzewodnikowa, która pełni rolę nieliniowej pojemności o małych stratach. Konwersja częstotliwości następuje w wyniku zniekształcenia kształtu sygnału na nieliniowej, zależnej od napięcia pojemności Varaktora i późniejszego wybrania pożądanej składowej harmonicznej. Schematy blokowe dwóch głównych typów mnożników waraktorowych przedstawiono na rys. 3,6-35.

Ryż. 3,6-35. Szeregowe (a) i równoległe (b) schematy blokowe mnożników częstotliwości waraktorowej

Te schematy blokowe zawierają: źródło sygnału wejściowego, waraktor, obciążenie i filtry \(Ф1\), \(Ф2\). Filtry służą do filtrowania harmonicznych w obciążeniu i źródle sygnału wejściowego, a także dopasowywania obciążenia i źródła do mnożnika waraktora. Pierwszy filtr \(Ф1\) jest dopasowywany do częstotliwości sygnału wejściowego (może to być np. filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia nieco wyższej niż częstotliwość sygnału wejściowego), a drugi filtr \ (Ф2\) jest dopasowywany do częstotliwości żądanej harmonicznej (powinien to być wystarczający wąskopasmowy filtr pasmowo-przepustowy, dokładne wymagania dotyczące szerokości pasma obu filtrów są określone przez widmo mnożonego sygnału). Przy takiej charakterystyce przez waraktor przepływają tylko dwie harmoniczne prądu (oczywiście żadne rzeczywiste filtry nie są idealne, więc w rzeczywistości wszystkie inne harmoniczne będą obecne, ale zostaną znacznie stłumione).

Moc sygnału dostarczana do powielacza jest częściowo tracona w waraktorze i filtrach. Część przetworzonej mocy jest rozpraszana w elementach obwodu. Dlatego współczynnik przenoszenia mocy mnożników częstotliwości waraktorowej jest mniejszy od jedności. Zwykle dążą do uzyskania maksymalnej mocy wyjściowej i sprawności, tj. osiągnąć reżim optymalny pod względem wskaźników energetycznych.

Mnożniki waraktorowe znajdują największe zastosowanie w zakresie mikrofal (długości fal centymetrowych, milimetrowych i submilimetrowych). Ich główną zaletą jest to, że można z nich zbudować generatory o wystarczającej mocy dla tych zakresów częstotliwości, w których nie jest możliwe osiągnięcie akceptowalnych parametrów z generatorów opartych na diodach Gunna lub diodach lawinowych (np. dioda lub dioda lawinowa), dioda lotu na żądanej częstotliwości lub ze względu na podwyższony poziom szumów generatorów na LPD).

W rzeczywistych mnożnikach fal centymetrowych (przy częstotliwości wyjściowej) o mnożniku równym dwa osiąga się sprawność na poziomie około 60...70%. Wraz ze wzrostem mnożnika wydajność maleje, więc w potrójnych nie przekracza już 40...50%, a w mnożniku częstotliwości przez 8 spada do 10...12%. Wskazane wartości można nieznacznie zwiększyć stosując szereg technik specjalnych, takich jak: praca w tryb z częściowym odblokowaniem waraktora oraz wprowadzenie dodatkowych (tzw. „ pojedynczy” do obwodu powielacza (ryc. 3.6-35).

W konwencjonalnym mnożniku waraktor jest zawsze w trybie polaryzacji zaporowej (na rys. 3.6-35 nie pokazano obwodów nastawczych trybu DC), a z punktu widzenia ograniczenia strat w waraktorze korzystne jest maksymalizowanie napięcie polaryzacji do poziomu granicznego z przebiciem napięcia. Mniejsze straty wydają się oznaczać większą moc wyjściową i wydajność mnożnika. Jednak nie zawsze tak jest - bardzo ważny jest charakter charakterystyki pojemnościowo-napięciowej \(C(U)\) użytego waraktora. Faktem jest, że nieliniowość tej szczególnej cechy jest podstawowym efektem fizycznym leżącym u podstaw działania mnożnika waraktora. Czyli np. jeśli zależność pojemności diody od przyłożonego napięcia wstecznego jest bliska kwadratowej, to najefektywniej będzie zastosować taką diodę w podwajaczach częstotliwości, a jeżeli stopień nieliniowości będzie większy to sobie poradzi dobrze z pomnożeniem przez większy współczynnik. Najważniejsza jest jednak nie natura, ale głębokość tej nieliniowości, tj. wartości bezwzględne współczynników \(b, c, d, ... \) we wzorze odzwierciedlającym rozwinięcie zależności \(C(U)\) w szeregu Taylora: \(C(U) = C_0 + aU + bU^2 + cU ^3 + ... \). Możliwe jest zwiększenie nieliniowości w tryb z częściowym otwarciem złącza \(p\)-\(n\)-waraktora .

Jeżeli waraktor jest zamknięty przez cały okres sygnału wejściowego, wówczas do zwielokrotnienia częstotliwości wykorzystywana jest tylko pojemność bariery złącza. Kiedy dioda się otwiera, do pojemności bariery dodawana jest pojemność dyfuzyjna, która zmienia się znacznie bardziej w zależności od napięcia, a charakterystyka pojemnościowo-napięciowa staje się bardziej nieliniowa. Jednak podczas otwierania straty znacznie rosną z powodu prądu przewodzenia diody. Istnieje zatem pewne kryterium określające możliwość zastosowania trybu częściowego otwarcia w konkretnym mnożniku częstotliwości waraktora. Kryterium to określa się na podstawie właściwości częstotliwościowych waraktora oraz częstotliwości sygnałów wejściowych i wyjściowych. Faktem jest, że w waraktorze pracującym w trybie częściowego otwarcia charakter strat będzie się zmieniać wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału. Przy niskich częstotliwościach przeważają straty rekombinacyjne; wraz ze wzrostem częstotliwości zmniejszają się, ale straty bezwładności stają się znaczące. W pewnym zakresie częstotliwości oba rodzaje strat mogą być dość małe, w wyniku czego ogólny współczynnik jakości waraktora przekroczy jedność, co powoduje, że wskazane jest stosowanie trybu z częściowym otwarciem. Częstotliwości graniczne szacuje się za pomocą następujących zależności: \(f_(in) > 1/\tau_(eff)\), \(f_(out N)< 1/\tau_{выкл}\), где \(f_{вх}\), \(f_{вых N}\) - частоты входного и выходного сигналов, \(\tau_{эфф}\) - эффективное время жизни неосновных носителей в базе диода, \(\tau_{выкл}\) - время выключения диода.

W waraktorach wysokiej częstotliwości stosuje się specjalne środki w celu zmniejszenia \(\tau_(off)\), które może wynosić dziesiąte części nanosekund. W tym celu należy zmniejszyć grubość podłoża i wykonać je z nierównomiernym stężeniem zanieczyszczeń (patrz Diody magazynujące ładunek).

Technika uzupełniania mnożnika waraktorowego o tzw obwody jałowe pozwala zwiększyć wydajność mnożników o mnożniku większym niż dwa. Polega ona na dodatkowej konwersji sygnału 2., 3. harmonicznej na użyteczny sygnał wyjściowy przy użyciu tego samego waraktora. Można to wyjaśnić na przykładzie triplera z dodatkowym obwodem dostrojonym do drugiej harmonicznej. Jeżeli obwód przełączający tego obwodu jest taki, że nie jest obciążeniem dla 2-giej harmonicznej (pracuje na biegu jałowym), tj. straty na tej harmonicznej będą niewielkie (stąd nazwa - potrójny obwód jałowy dostrojony do 2. harmonicznej), wówczas oddziaływanie oscylacji 1. i 2. harmonicznej na nieliniową pojemność doprowadzi do konwersji części mocy drugiej harmonicznej do potęgi trzeciej.

Wraz ze wzrostem mocy wyjściowej z powodu obwodu jałowego rosną również straty mocy - w końcu moc trzech składowych prądowych jest teraz rozpraszana w diodzie, a nie dwóch, jak w prostym mnożniku. Mimo to wydajność może wzrosnąć, jeśli moc wyjściowa wzrośnie bardziej niż straty. W praktyce dla triplera z obwodem jałowym dla 2. harmonicznej możemy osiągnąć sprawność około 70% zamiast zwykłych 40...50%. W mnożnikach o większej krotności możliwe jest zastosowanie kilku obwodów jałowych, ale ich realizacja przy ultrawysokich częstotliwościach znacznie komplikuje konstrukcję i konfigurację mnożnika przy niewielkim wzroście jego wydajności. Dlatego zwykle ograniczają się do jednego lub rzadziej dwóch obwodów jałowych.

Opisane powyżej mnożenie częstotliwości waraktora odnosi się do klasycznej, stosunkowo długo stosowanej i często stosowanej metody izolowania harmonicznych na elemencie nieliniowym. Główne zalety i wady tej metody są następujące:

• zdolność do generowania znacznych mocy przy częstotliwościach, które są rekordowo wysokie dla wszelkich półprzewodnikowych generatorów mikrofalowych;
• wysoka wydajność, szczególnie w trybie częściowego otwarcia i przy wprowadzaniu obwodów jałowych;
• ponieważ mnożniki waraktorowe są układami rezonansowymi, charakteryzują się wąskopasmowością i trudnością w dostrajaniu częstotliwości;
• podczas pracy przy niskich częstotliwościach układ rezonansowy staje się zbyt nieporęczny, a współczynnik jakości wymagany do wyizolowania pożądanej harmonicznej jest trudny do wdrożenia.

Ostatnio coraz popularniejsze stają się mnożniki częstotliwości, w których nie stosuje się rezonansowej metody separacji harmonicznych. Jedną z odmian są mnożniki oparte na efekcie podwojenie częstotliwości w pełnookresowym obwodzie prostowniczym .

Typowe dla prostownika pełnookresowego jest to, że częstotliwość tętnienia napięcia wyjściowego jest dwukrotnie większa od częstotliwości napięcia wejściowego (analizę działania takich prostowników zamieszczono w rozdziale Prostowniki). Ta właściwość jest wykorzystywana podczas pracy podwajaczy częstotliwości. Na ryc. 3.6-36, 3.6-37 pokazują obwody dwóch prostych podwajaczy opartych na pełnookresowym obwodzie prostowniczym z punktem środkowym i obwodem mostkowym.

Ryż. 3,6-36. Podwajacz częstotliwości oparty na prostowniku pełnookresowym z punktem środkowym

Ryż. 3,6-37. Podwajacz częstotliwości oparty na prostowniku mostkowym

W powyższych obwodach podwajających można zastosować diody różnego typu (diody krzemowe, germanowe lub arsenku galu ze złączem \(p\)-\(n\), diody magazynujące ładunek, diody ze złączem Schottky'ego, diody mikrofalowe), parametry tych diod całkowicie określą właściwości częstotliwościowe i mocy podwajacza. Na przykład zastosowanie diod barierowych Schottky'ego, które charakteryzują się niskim spadkiem napięcia przewodzenia, pozwala na podanie na wejście dość słabych sygnałów, a w przypadku zastosowania diod mikrofalowych zakres działania urządzenia przesuwa się do zakresu ultrawysokich częstotliwości (tzw. zakres częstotliwości roboczej jest również określony przez właściwości częstotliwościowe transformatorów).

Jako transformatory na wejściu i wyjściu powielacza można zastosować zwykłe obwody rezonansowe, jednak najlepsze parametry można uzyskać stosując szerokopasmowe transformatory balunowe podobne do tych stosowanych w szerokopasmowych mikserach diodowych. Takie transformatory zapewniają lepsze dopasowanie wejścia-wyjścia, a także mają dużą szerokość pasma, co pozwala na użycie podwajacza częstotliwości dla sygnałów w bardzo szerokim zakresie częstotliwości bez konieczności strojenia. Istnieje wiele możliwości przełączania transformatorów szerokopasmowych, właściwy wybór pozwala zapewnić wymaganą impedancję wejściową dla konkretnego urządzenia. Na ryc. 3.6-38, 3.6-39 podają szereg przykładów podwajaczy częstotliwości z transformatorami szerokopasmowymi.

Ryż. 3,6-38. Podwajacz częstotliwości oparty na prostowniku mostkowym z balunami szerokopasmowymi (przełożenie 1:4 lub 1:1)

Ryż. 3,6-39. Podwajacz częstotliwości oparty na prostowniku pełnookresowym z szerokopasmowym transformatorem balunowym (przekładnia 1:4) na wejściu

Należy zwrócić uwagę, że na schemacie na ryc. 3.6-39 brakuje transformatora wyjściowego, zastąpiono go dławikiem \(L1\). Nie ma to praktycznie żadnego wpływu na parametry mnożnika, a upraszcza jego konstrukcję.

Jeśli to konieczne, zapewnij pomnożenie częstotliwości przez 4, 8 itd. ponieważ podwajacze w obwodach prostowniczych można łączyć szeregowo. Należy jednak pamiętać, że ich sprawność nie jest zbyt wysoka (około 20% dla podwajacza dwudiodowego). Dlatego między stopniami podwajania z reguły włączane są pośrednie stopnie wzmocnienia.

Zatem główne właściwości podwajaczy w obwodach prostowniczych pełnookresowych to:

• prostota konstrukcji i wysoka szerokopasmowość, zwłaszcza przy zastosowaniu szerokopasmowych transformatorów dopasowujących;
• brak nieporęcznych układów rezonansowych, co pozwala na kompaktowość podwajaczy i stosowanie ich przy niskich częstotliwościach;
• niska wydajność, a w konsekwencji konieczność wzmocnienia pośredniego przy połączeniu wielostopniowym.

Oprócz dwóch metod opisanych powyżej, do zwielokrotnienia częstotliwości można zastosować szeroką gamę obwodów, które działają na zasadzie zmiana kształtu wejściowego sygnału sinusoidalnego w obwodzie o znacznych właściwościach nieliniowych i późniejszy dobór pożądanej harmonicznej . Zasada ta jest bardzo zbliżona do mnożenia częstotliwości waraktora, które również opiera się na obwodzie nieliniowym (waraktorze), zapewnia jednak znacznie niższą wydajność, ponieważ typowe obwody kluczowe zapewniające zmianę kształtu sygnału charakteryzują się zwykle dość dużymi stratami, a nieliniowość, którą wdrażają, powoduje pojawianie się zbyt wielu różnych harmonicznych. Główną zaletą tych mnożników jest prostota schematu i ustawień. Podobnie jak mnożniki waraktorowe, mnożniki zmieniające kształt fali są urządzeniami rezonansowymi i muszą być dostrojone w przypadku zmiany częstotliwości.

Przykład prostego obwodu potrójnego zbudowanego według opisanej zasady pokazano na rys. 3,6-40.

Ryż. 3,6-40. Potrajacz częstotliwości 10/30 MHz na diodach

Podobnie jak w opisanych powyżej mnożnikach opartych na układach prostowniczych, większość parametrów tego mnożnika zależy od rodzaju zastosowanych w nim diod. Optymalnym wyborem jest zazwyczaj dobór diod z barierą Schottky'ego o odpowiedniej mocy.

Zasada działania obwodu jest następująca. Filtr wejściowy \(L1\), \(C1\) zapewnia zgodność impedancji kolejnego przetwornika diodowego z wyjściem poprzedniego stopnia, dodatkowo zapobiega przedostawaniu się harmonicznych sygnału o wysokiej częstotliwości na wejście mnożnika . Konwerter diodowy \(VD1-VD4\), \(L2\) służy do konwersji wejściowego sygnału sinusoidalnego na prostokątny. Obwody wyjściowe \(C2\), \(L3\), \(C3\), \(L4\) wybierają żądaną harmoniczną z sygnału prostokątnego i zapewniają dopasowanie impedancji na wyjściu mnożnika. Bardzo ważną zaletą tego obwodu jest wyjątkowo niski poziom szumu fazowego, który może być czynnikiem decydującym w niektórych zastosowaniach mnożnika częstotliwości.

Jeśli przeprowadzimy analizę matematyczną prostego sygnału prostokątnego, okaże się, że zawiera on tylko harmoniczne o liczbach nieparzystych (1., 3., 5., 7. itd.). Zatem, pokazane na ryc. Obwód 3.6-40, przy odpowiednim dostosowaniu obwodów rezonansowych, można wykorzystać do pomnożenia częstotliwości przez 3, 5, 7, .... Aby uzyskać równomierne zwielokrotnienie konieczna jest kolejna konwersja przebiegu, np. na przebieg trójkątny. Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem mnożnika znacznie maleje i tak już dość niska wydajność mnożnika częstotliwości.

Obwód innego prostego mnożnika częstotliwości pokazano na ryc. 3,6-41. Jego działanie opiera się również na zamianie przebiegu sinusoidalnego na przebieg prostokątny, a następnie oddzieleniu harmonicznej nieparzystej.

PODWÓJNIK CZĘSTOTLIWOŚCI IMPULSU

W praktyce radioamatorskiej często zdarza się, że wymagane jest pomnożenie częstotliwości wejściowej sekwencji impulsów przez stały współczynnik, w szczególności podwajacz częstotliwości. Tvk, w samochodowym tyrystorowym elektronicznym układzie zapłonowym z pulsacyjnym magazynowaniem energii, podwajacz częstotliwości pozwala na zastosowanie mniejszego transformatora, w cyfrowym obrotomierzu przy niskich obrotach silnika pozwala na skrócenie czasu zliczania itp.

Takie podwajacze, wyzwalane zboczem i spadkiem impulsów wejściowych, są zwykle realizowane przy użyciu elementów logicznych EXCLUSIVE OR. Opisany poniżej podwajacz jest montowany przy użyciu bardziej powszechnych elementów NOR i NAND. Zapewnia możliwość oddzielnej regulacji czasu trwania impulsów wyjściowych, gdy są wyzwalane zarówno przez zbocze, jak i dolną część impulsu wejściowego wysokiego poziomu. Kształt impulsów wejściowych może być dowolny, ale preferowany jest prostokątny, ze stromym wzrostem i spadkiem. Amplituda impulsu musi odpowiadać poziomom logicznym zastosowanych mikroukładów (zwykle w granicach tolerancji napięcia zasilania).

Na ryc. 1 przedstawia obwód podwajający wykorzystujący dwa elementy OR-HE, a rys. 2 - wykresy napięcia w jego charakterystycznych punktach. W początkowej chwili kondensator C1 jest rozładowywany, a C2 prawie naładowany.Gdy pojawia się impuls wejściowy wysokiego poziomu, kondensator C1 jest ładowany przez rezystor R1, a C2 jest szybko rozładowywany przez diodę VD2 i wyjście elementu DD1.1.

Gdy napięcie UC2 spadnie do poziomu progowego U, na wyjściu elementu D01.2 pojawi się impuls wysokiego poziomu, kończący się w momencie wzrostu napięcia Ucl do progu. Zatem czas trwania impulsu wyjściowego jest określony przez różnicę czasu ładowania t kondensatora C1 i czasu rozładowania C2 (czas opóźnienia t* elementu można pominąć ze względu na jego względną małą wielkość).

Rezystancja bezpośrednia diody i rezystancja otwartego wejścia elementu są małe, więc w większości przypadków można je również pominąć. W rezultacie czas trwania t^ po wyzwoleniu zboczem impulsu wejściowego wynosi w przybliżeniu 0,7R1C1 „P” Un<*= 0,5U^.

Gdy impuls wejściowy maleje, kondensator C1 jest rozładowywany przez diodę VD1 i wyjście sterownika wejściowego (lub styki S1 przełącznika, pokazane na ryc. 1 liniami przerywanymi), a kondensator C2 jest ładowany przez rezystor R2. Czas trwania t^, wywołany spadkiem impulsu wejściowego, jest równy 0,7R2C2.

Podwajacz oparty na dwóch elementach NAND (K561LA7) różni się od opisanego tym, że diody w nim zawarte są przełączane w przeciwnym kierunku. Długość weekendu wynosi

BB1 K17BLE5

Wyzwalacz tiOP fTT"^".

bez przodu

I. -gp 3 I | Wyzwalanie jesienią

Jębych

d następnie_ _ i//./ (5) o_ _ ShL K155LAZ; VB2 D9K

impulsy wywołane zboczem i opadaniem impulsu wejściowego wysokiego poziomu są określone odpowiednio przez stałe czasowe obwodów R2C2 i R1C1. Przy R1=R2=680 kOhm i C1=C2=1000 pF czas trwania impulsów wyjściowych niskiego poziomu wynosi 500 μs.

Gdy podwajacz działa na stykach mechanicznych, czas trwania impulsu wyjściowego musi przekraczać czas ich „migania”, w przeciwnym razie możliwe są awarie. Ze względu na różnicę w czasach ładowania i rozładowania kondensatorów (mogą się różnić 10...1000 razy), po pierwszym przełączeniu element logiczny pozostanie w tym stanie aż do końca impulsu wyjściowego.

Kondensatory czasowe można podłączyć nie do ujemnego, ale do dodatniego przewodu zasilającego. W tym przypadku fazy ładowania i rozładowywania kondensatorów zmieniają miejsca, ale wykresy napięcia pozostają niezmienione.

Podwajacze można łączyć szeregowo, wówczas częstotliwość wyjściowa będzie 2" razy większa od częstotliwości wejściowej (n to liczba podwajaczy). Stała czasowa każdego kolejnego podwajacza powinna być o połowę mniejsza od poprzedniego.

Podwajacze można zaimplementować w mikroukładach CMOS z serii K176, K561, 564. Diody to krzemowe impulsy małej mocy o niskim prądzie wstecznym, na przykład seria KD520-KD522. Kondensatory czasowe - ceramiczne KM6 lub podobne.

Opisany podwajacz można również zaimplementować na chipach TTL. W przypadku stosowania elementów OR-HE należy wykluczyć rezystory czasowe. Kondensatory będą ładowane przez rezystancję wejściową R^ elementu logicznego, równą 2,8...40 kOhm, w zależności od szeregu mikroukładu, a rozładowywane przez diodę i otwarte wyjście elementu. Czas trwania impulsów wyjściowych wysokiego poziomu określa pojemność odpowiedniego kondensatora - około 0,33^C. Należy stosować diody germanowe o niskim napięciu przewodzenia i prądzie wstecznym, np. serie D9, D310, GD402.

Podwajacz oparty na elementach NAND (rys. 3) nie różni się konstrukcją i działaniem od swojego prototypu opartego na elementach struktury CMOS. Jednak ta opcja ma wady. Zatem kondensator jest ładowany przez wyjście elementu, którego rezystancja wyjściowa w stanie 1 jest kilkakrotnie większa niż w stanie 0. Rezystancja rezystora taktującego powinna być większa niż rezystancja wyjściowa elementu, ale nie powinna przekraczać 0,2Rro. W rezultacie maleje okres zmiany czasu trwania prądu>1, zwiększa się czas opóźnienia, a w efekcie pogarsza się przejrzystość przełączania elementu i ochrona przed „odbiciem” styków.

Czas trwania impulsów wyjściowych o niskim poziomie podwajacza wynosi (1,1...1,2) RC. Wykresy napięć w punktach charakterystycznych podwajacza na elementach NAND pokazano na rys. 4.

B.ROWKOW

Charków, Ukraina

Do zwielokrotniania częstotliwości często stosuje się pętle synchronizacji fazowej. Wcześniej wykorzystywano do tego celu układy generatorów harmonicznych, a następnie selekcjonowano odpowiednią harmoniczną za pomocą filtra wąskopasmowego.

Do tego celu znacznie lepiej nadaje się obwód z pętlą synchronizacji fazowej. W tym obwodzie stosunkowo łatwo jest zmienić współczynnik mnożenia obwodu poprzez zmianę współczynnika podziału w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Mnożenie częstotliwości wykorzystuje cyfrowy lub całkowicie cyfrowy obwód z synchronizacją fazową.

Mnożniki częstotliwości są obecnie powszechnie stosowane w celu zwiększenia szybkości wewnętrznego zegara dużych układów scalonych. W tych układach cyfrowy obwód pętli synchronizacji fazowej nazywany jest mnożnikiem zegara analogowego, a w pełni cyfrowy obwód PLL nazywany jest cyfrowym mnożnikiem częstotliwości.

Aby zwiększyć częstotliwość zegara mikroukładów cyfrowych, często stosuje się całkowicie cyfrowy obwód mnożnika częstotliwości, a w przypadku obwodów mieszanych lub obwodów przeznaczonych do cyfrowego przetwarzania sygnału preferowane jest zastosowanie analogowego mnożnika częstotliwości. Wynika to z czystości widmowej sygnału wyjściowego. Obwód analogowy zapewnia bardziej stabilną oscylację, ale wolniej osiąga tryb pracy.

Przykładowy schemat obwodu mnożnika zegara analogowego pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy analogowego mnożnika częstotliwości.

W tym obwodzie oscylator odniesienia z kwarcową stabilizacją częstotliwości jest zaimplementowany na elementach logicznych D4 i D6. Generator sterowany napięciem jest realizowany na elementach D1 i D3. Biorąc pod uwagę, że jest to oscylator RC, ma on bardzo duży zakres strojenia częstotliwości. Tranzystor polowy VT1 służy jako element sterujący. Może zmieniać rezystancję kanału w zakresie kilku tysięcy. (Częstotliwość VCO będzie regulowana tę samą liczbę razy.) Komparator fazy jest zaimplementowany na chipach D7, D8 i D10. Pasmo wychwytywania obwodu pętli synchronizacji fazowej jest określone przez filtr dolnoprzepustowy zastosowany na kondensatorze C4.

Ten mnożnik częstotliwości umożliwia jedynie szesnaście kroków regulacji częstotliwości zegara. Kod określający współczynnik mnożenia wprowadza się poprzez uproszczony port szeregowy zamontowany na rejestrze przesuwnym D2. W zależności od kodu częstotliwość wyjściowa zmienia się 16 razy.

W bardziej złożonych obwodach mnożnika częstotliwości między oscylatorem odniesienia a komparatorem fazy wprowadza się dzielniki. Pozwala to na realizację ułamkowych współczynników mnożenia częstotliwości.