Делитель частоты

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника синхронизированных колебаний в радиопередающих, радиоприемных и электротехнических устройствах. Технический результат заключается в увеличении полосы деления при увеличении эффективности. Для этого в делитель частоты, содержащий катушку индуктивности, полупроводниковый диод, конденсатор и источник напряжения смещения, дополнительно вводятся транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам полупроводникового диода, катушка индуктивности связи, соединенная с базой транзистора и общей точкой устройства и магнитно-связанная с катушкой индуктивности, а также нагрузочный резистор, включенный между катушкой индуктивности и общей точкой устройства. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника синхронизированных колебаний в радиопередающих, радиоприемных и электротехнических устройствах.

Известен делитель частоты, состоящий из катушки индуктивности, полупроводникового диода, конденсатора и источника напряжения смещения [1]. Недостатком этого устройства является узкая полоса деления. Это обусловлено тем, что в нем деление частоты обусловлено эффектом накопления заряда в полупроводниковом диоде, возникающим в режиме открывания р-n перехода. Однако при открывании полупроводникового диода образуется и постоянная составляющая тока, величина которой приблизительно равна амплитуде высокочастотной составляющей тока, протекающего через него. Преобразование высокочастотного сигнала в постоянную составляющую означает внесение потерь в схему. Уровень этих потерь, как следует из выше указанного, высок, что обуславливает узкую полосу деления и низкую эффективность.

Изобретение направлено на увеличение полосы деления при увеличении эффективности.

Это достигается тем, что в делитель частоты, содержащий катушку индуктивности, полупроводниковый диод, конденсатор и источник напряжения смещения, дополнительно введены транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам полупроводникового диода, катушка индуктивности связи, соединенная с базой транзистора и общей точкой устройства и магнитносвязанная с катушкой индуктивности, а также нагрузочный резистор, включенный между катушкой индуктивности и общей точкой устройства.

На фиг.1 приведена схема делителя частоты.

Делитель частоты содержит катушку индуктивности 1, полупроводниковый диод 2, конденсатор 3, источник напряжения смещения 4, транзистор 5, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам полупроводникового диода 2, катушку индуктивности связи 6, соединенную с базой транзистора 5 и общей точкой устройства и магнитносвязанную с катушкой индуктивности 1, а также нагрузочный резистор 7, включенный между катушкой индуктивности 1 и общей точкой устройства.

Делитель частоты работает следующим образом.

При поступлении ВЧ сигнала синусоидальной формы на вход делителя частоты и при воздействии его первой положительной полуволны на интервале t₀...t₁ (фиг.2, а) по цепи: конденсатор 3, полупроводниковый диод 2 и общая точка устройства ток не протекает (фиг.2, б), поскольку полупроводниковый диод 2 заперт, не протекает и через транзистор 5, т.к. напряжение, приложенное к его входу, равное сумме управляющего напряжение u_y, наводимого на катушке индуктивности связи 6, и напряжения смещения Е, на этом интервале времени меньше напряжения отсечки транзистора Е' (фиг.2, в). Это и обеспечивает закрывание транзистора 5. При этом напряжение Е задает начальное смещение или рабочую точку и во времени не меняется. При воздействии на вход делителя частоты переменного ВЧ сигнала синусоидальной формы управляющее напряжение u_y будет также синусоидальным, но противофазным входному ВЧ сигналу (фиг.2, в). Катушка индуктивности 1 и катушка индуктивности 6 магнитно связаны и фактически образуют трансформатор, обмотки которого включены встречно. На фиг.1 начала обмоток обозначены точками, а на фиг.2 временные диаграммы приведены для Е=0.

Кроме этого, ВЧ сигнал воздействует и на цепь, состоящую из катушки индуктивности 1 и нагрузочного резистора 7. С момента t=t₀ по этой цепи начинает протекать ток i_u (фиг.2, г). Ток выходит из нуля и его нарастание в это время происходит очень медленно, поскольку ток i_u, протекающий через катушку индуктивности 1, мал из-за большой постоянной времени контура τ_к. образованного катушкой индуктивности 1, конденсатором 3 и нагрузочным резистором 7, и возникающей при этом временной задержки. Постоянная времени контура , где L_к - индуктивность катушки, r_к - суммарные потери в катушке индуктивности 1 и в нагрузочном резисторе 7.

При изменении полярности ВЧ сигнала на входе делителя частоты на отрицательную (фиг.2, а) ток через конденсатор 3, полупроводниковый диод 2 и транзистор 5 протекает в течение времени t₁÷t₃ (фиг.2, б), когда сумма управляющего напряжения u_y и напряжения Е, создаваемого источником напряжения смещения 4, превышает напряжение отсечки Е' транзистора 5 (фиг.2, в). При этом в течение времени t₁÷t₂, когда воздействующее на конденсатор 3 напряжение u_c (заряд q) еще не достигло минимума, конденсатор 3 заряжается по цепи: катушка индуктивности 1, нагрузочный резистор 7, полупроводниковый диод 2. Поскольку через полупроводниковый диод 2 протекает ток в прямом направлении, то конденсатор 3 заряжается быстро. Этот ток имеет форму импульса отрицательной полярности (фиг.2, б), который создает на выходных электродах транзистора 5 отрицательное напряжение, закрывающее транзистор 5. За счет этого на интервале времени t₁÷t₂ скорость нарастания тока i_u индуктивной ветви несколько возрастет (фиг.2, г), однако его резкого увеличения не произойдет из-за того, что в момент t₁=t₂ ток i_u имеет небольшое значение и поэтому сопротивление катушки индуктивности 1 большое.

В течение t₂÷t₃ напряжение u_c и заряд q на конденсаторе 3 начинают возрастать. Поэтому конденсатор 3 начинает разряжаться по цепи: транзистор 5, нагрузочный резистор 7, катушка индуктивности 1. При этом ток становится положительным и также имеет форму импульса (фиг.2, б). Это будет способствовать уменьшению тока i_u, протекающего через катушку индуктивности 1. Однако заметного уменьшения этого тока не произойдет, поскольку разряд конденсатора 3 происходит очень медленно из-за большого сопротивления катушки индуктивности 2 и открытого транзистора. Это незначительное уменьшение тока i_u закончится в момент t₃, когда транзистор 5 закроется напряжением u_y+E.

При воздействии на вход делителя частоты второй положительной полуволны изменение тока протекает аналогично тому, как это было при первой положительной полуволне, т.е. ток i_u вновь начнет медленно увеличиваться относительно значения t=t₃. Однако скорость его нарастания несколько увеличится, поскольку в момент появления второй положительной полуволны значение тока i_u имеет значение больше нуля (фиг.2, г), поэтому сопротивление катушки индуктивности 1 становится меньше.

К моменту t′₁=t₁+Т (Т - период ВЧ колебаний) ток i_u имеет некоторую положительную достаточно большую величину, при которой сопротивление индуктивной ветви становится не столь большим. В течение времени t₁÷t₂ опять начинает протекать ток через полупроводниковый диод 2. В результате этого конденсатор 3, подключившись к цепи, состоящей из катушки индуктивности 1 и нагрузочного резистора 7, быстро заряжается, что способствует более резкому возрастанию тока i_u (как показано на фиг.2, г). В течение времени t′₂÷t′₃ начинает вновь разряжаться конденсатор 3. К моменту времени t=t₂′ ток i_u достигает большого уровня (фиг.2, г). Поэтому сопротивление катушки индуктивности 1 становится малым, что вызовет протекание достаточно большого тока положительной полярности через транзистор 5 и, соответственно, резкое уменьшение тока i_u на этом интервале времени до минимального значения, которое может быть равным нулю.

Поэтому на нагрузочном резисторе 7 появляется импульс напряжения u_вых (фиг.2, д), повторяющий форму импульса тока i_u (фиг.2, г).

При воздействии на вход делителя частоты третьей положительной полуволны ВЧ сигнала процесс протекания тока i_u будет проходить аналогично тому, как это происходит при действии его первой положительной полуволны, а при воздействии третьей отрицательной полуволны - аналогично воздействию его первой отрицательной полуволны. При четвертой положительной полуволне появляется второй импульс тока i_u большой амплитуды и т.д.

Таким образом, заявляемое устройство деления частоты работает в соответствии с теорией, изложенной в [1, с.11÷12].

Поскольку импульсы тока, протекающего через полупроводниковый диод 2 и транзистор 5, разнополярны и имеют равные максимальные значения, то ток, протекающий через полупроводниковый диод 2 и транзистор 5, не содержит постоянной составляющей, которая определяет потери. Уменьшение потерь в делителе частоты, как известно, приводит к увеличению полосы деления и уровня выходного сигнала, т.е. обеспечиваются преимущества заявляемого устройства по сравнению с известными. Эти свойства делителя частоты подтверждается и результатами исследований, приведенных в [2].

Для устойчивой работы устройства необходимо, чтобы частота входного ВЧ сигнала приблизительно равнялась резонансной частоте ω этого контура. Волновое сопротивление контура необходимо выбрать таким, чтобы катушка индуктивности на входной частоте ВЧ сигнала имела достаточно высокую добротность для того, чтобы колебания поделенной частоты в схеме возникли, и в рабочем состоянии устройство устойчиво работало. Этому требованию, как известно из теории колебаний, удовлетворяют катушки индуктивности с волновым сопротивлением ρ, составляющим величины от десятков Ом до нескольких кОм. Большие значения ρ выбирать нецелесообразно, поскольку при увеличении его величины уменьшается эквивалентная емкость контура и становится физически нереализуемой из-за паразитных емкостей диода и транзистора (в LC-контлре заявляемого устройства , С - емкость конденсатора 3).

При делении частоты в устройстве фиг.1 оптимальное значение постоянной времени контура выбирается из условия , где Т_N=NT - период колебания поделенной частоты; N - коэффициент деления, т.е. значение τ_к достаточно большое.

Напряжение смещения Е должно быть таким, чтобы при отсутствии управляющего напряжения u_y=0 (фиг.2, в) транзистор 5 находился в закрытом состоянии, что соответствует Е<Е'. Для выбранного транзистора типа n-р-n (фиг.1) Е' положительно и равно 0,2...0,3 В для германиевого транзистора и 0,5...0,7 В для кремниевого. В конкретном случае Е может быть как положительным, но несколько меньшим указанных справочных значении Е', так и равным нулю, а также отрицательным и составляющим по величине несколько вольт. Требование одно: для устойчивой работы транзистор 5 должен быть в исходном состоянии при отсутствии входного ВЧ сигнала и, соответственно, при отсутствии управляющего сигнала (u_y=0), заперт.

В устройстве фиг.1 при условиях, сформулированных выше, деление частоты будет осуществляться в широкой полосе частот без заметного уменьшения амплитуды импульсов выходного напряжения, т.е. эффективность работы устройства будет большой, что обусловлено отсутствием постоянной составляющей в протекающем через контур токе и отсутствием поэтому диссипативного механизма амплитудного ограничения. Работоспособность делителя частоты сохраняется и при использовании в качестве транзистора 5 структуры типа р-n-р. В этом случае в схеме делителя частоты (фиг.1) к аноду полупроводникового диода 2 подключается коллектор транзистора 5, а с катодом полупроводникового диода 2 соединяется эмиттер транзистора 5.

При изменении постоянной времени контура τ_к в устройстве (фиг.1) возможен режим деления частоты и с коэффициентом деления, большим 2. Этот режим также будет сохраняться в широкой полосе частот.

Таким образом, преимуществом предложенного устройства по сравнению с прототипом является существенное увеличение полосы деления и повышение эффективности его работы.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. - М.: Связь. 1976, с.261÷263, рис.8.8, б.

2. Каплан А.Е., Кравцов Ю.А., Рылов В.А. Параметрические генераторы и делители частоты. Под редакцией Ю.А.Кравцова. - М.: Сов. радио. 1966, с.144÷148, рис.68.

Делитель частоты, содержащий катушку индуктивности, полупроводниковый диод, конденсатор и источник напряжения смещения, отличающийся тем, что введены транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам полупроводникового диода, нагрузочный резистор, включенный между катушкой индуктивности и общей точкой делителя, катушка индуктивности связи, соединенная с базой транзистора и магнитносвязана с катушкой индуктивности, при этом напряжение катушки индуктивности связи и напряжение источника смещения создают управляющее напряжение на базе транзистора, причем конденсатор, транзистор, нагрузочный резистор и катушка индуктивности образуют замкнутый контур.