Делитель частоты

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве источника синхронизированных колебаний в приемопередающих устройствах. Достигаемый технический результат - расширение рабочего диапазона частот в сторону высоких частот и повышение технологичности. Делитель частоты содержит трансформатор, конденсатор, катушку индуктивности, полупроводниковый диод, транзистор, интегрирующую цепь и цепь смещения, состоящую из последовательно включенных источника напряжения смещения и резистора. 2 ил.

 

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

Известен делитель частоты, состоящий из трансформатора, содержащего первичную и вторичную обмотки, а также конденсатора [1]. Недостатками этого устройства являются низкая область рабочих частот и низкая технологичность. Это обусловлено тем, что трансформатор, на котором выполнено устройство, реализован на сердечнике из ферромагнитного материала с нелинейной зависимостью проницаемости от приложенного напряжения, частотные свойства которого с увеличением частоты резко ухудшаются, поскольку увеличиваются потери в нем, уменьшаются также магнитная проницаемость и нелинейность его характеристик. Поэтому устройство является низкочастотным. Кроме этого для конструктивного выполнения этого устройства используются сердечники из ферромагнитного материала специальной конструкции [1, с.5-8], что обуславливает и низкую его технологичность в процессе производства, а для возбуждения субгармоники, кроме этого, требуется либо электромагнит, либо постоянный магнит, создающие постоянное магнитное поле, что также ухудшает конструктивные и технологические характеристики устройства.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот в сторону высоких частот и повышение технологичности.

Это достигается тем, что в делитель частоты, содержащий трансформатор с первичной и вторичной обмотками и конденсатор, который совместно со вторичной обмоткой этого трансформатора образуют колебательный контур, введены последовательная цепь, состоящая из катушки индуктивности, полупроводникового диода и транзистора, при этом первый вывод катушки индуктивности подсоединен к колебательному контуру, ее второй вывод соединен с анодом полупроводникового диода, при этом его катод подключен к коллектору транзистора, а эмиттер соединен с общей точкой устройства, интегрирующая цепь, вход которой подключен к колебательному контуру, а выход соединен с базой транзистора, а также цепь смещения, состоящая из последовательно включенных источника напряжения смещения и резистора, подсоединенная к базе транзистора, причем точка подключения интегрирующей цепи к колебательному контуру является выходом устройства.

На фиг.1 приведена схема делителя частоты. Устройство содержит трансформатор 1 и конденсатор 2, который совместно со вторичной обмоткой 3 трансформатора 1 образуют колебательный контур, последовательную цепь, состоящую из катушки индуктивности 4, полупроводникового диода 5 и транзистора 6, при этом первый вывод катушки индуктивности 4 подсоединен к колебательному контуру, а ее второй вывод соединен с анодом полупроводникового диода 5, при этом катод полупроводникового диода 5 подключен к коллектору транзистора 6, а эмиттер соединен с общей точкой устройства, интегрирующую цепь 7, вход которой подключен к колебательному контуру, а выход соединен с базой транзистора 6, а также цепь смещения, состоящая из последовательно включенных источника напряжения смещения 8 и резистора 9, подсоединенная к базе транзистора 6, при этом выходное напряжение интегрирующей цепи 7 и источника напряжения смещения 8 создают коммутирующее напряжение на базе транзистора, причем точка подключения интегрирующей цепи 7 к колебательному контуру является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. При поступлении на его вход ВЧ-напряжения синусоидальной формы с частотой Nω, где N=2, 3... - коэффициент деления (номер субгармоники), происходит трансформация этого напряжения ВЧ-трансформатором 1 на вторичную обмотку 3. В результате на ее зажимах образуется синусоидальное напряжение u_L (фиг.2а) (Далее для удобства пояснения все временные диаграммы на фиг.2 приведены для N=2). Напряжение u_L приложено также и к конденсатору 2, подключенному параллельно вторичной обмотке 3, а также к последовательной цепи, состоящей из катушки индуктивности 4, полупроводникового диода 5 и транзистора 6, подключенной параллельно вторичной обмотке 3. Далее напряжение u_L через интегрирующую цепь 7, подключенную ко вторичной обмотке 3, преобразуется в выходное напряжение интегрирующей цепи (фиг.2а) и подается на базу транзистора 6. Одновременно на базу транзистора 6 через резистор 9 от источника напряжения смещения 8 подается напряжение смещения Е, которое, совместно с напряжением образует коммутирующее напряжение (фиг.2б) на базе этого транзистора.

На интервале времени 0...t₁ ¹ (E' - напряжение отсечки транзистора). Поэтому транзистор 6 заперт, и через катушку индуктивности 4 ток не протекает. Следовательно катушка индуктивности 4 к колебательному контуру не подключена. Следовательно, и эквивалентная индуктивность L_Э(t) (фиг.2в) колебательного контура равна индуктивности L₂ вторичной обмотки 3 трансформатора 1. На интервале времени t₁ ¹...t₂ ¹ Поэтому транзистор 6 открыт и через катушку индуктивности 4, полупроводниковый диод 5, коллектор-эмиттер транзистора 6 протекает коммутационный ток i_ком (фиг.2в), амплитуда и форма которого определяются соотношением

где L_ком - индуктивность катушки 4.

Таким образом, на интервале времени t₁ ¹...t₂ ¹ напряжением происходит подключение катушки индуктивности 4 параллельно вторичной обмотке 3 трансформатора 1. В результате этого эквивалентная индуктивность L_Э(t) колебательного контура уменьшается и становится равной L_2K=L₂·L_ком/(L₂+L_ком)<L₂ (фиг.2в). Такое периодическое отключение и подключение катушки индуктивности 4 к колебательному контуру происходит и на других интервалах времени t₁ ²...t₂ ² и т.д. (фиг.2в).

При настройке колебательного контура на выходную частоту ω, т.е. на частоту в два раза меньше частоты входного ВЧ-сигнала, за счет начального заряда на конденсаторе 2 или флуктуационных явлений через него начинает протекать ток i_С частоты ω (фиг.2г), который на интервале времени 0...t₁ ¹ (фиг.2г) быстро нарастает. Увеличению тока i_С способствует и то, что за счет уменьшения индуктивности L_Э(t) колебательного контура на величину ΔL_Э в моменты t₁ ¹, t₁ ² и т.д., когда ток i_С проходит через максимумы, в контур вносится электрическая энергия, равная изменению энергии магнитного поля катушки индуктивности ΔW=ΔL_Э·(ΔI_c)², где ΔL_Э - изменение индуктивности колебательного контура; ΔI_c - изменение амплитуды тока. Поскольку по законам коммутации ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно, а на конденсаторе мгновенно не может измениться напряжение, то в моменты коммутации t₁ ¹, t₁ ² и т.д. происходит мгновенное изменение амплитуды тока i_С (фиг.2г). С другой стороны переход индуктивности L_Э(t) колебательного контура в исходное состояние происходит в моменты времени t₂ ¹, t₂ ² и т.д., при которых мгновенные значения тока i_С=0, т.е. без внесения потерь в контур.

Следовательно, за счет периодического автоматического изменения эквивалентной индуктивности L_Э(t) колебательного контура в течение каждого периода ВЧ-колебаний частоты Nω в него вносится энергия, которая компенсирует потери в контуре, что и обеспечивает установление колебаний с коэффициентом деления N=2. Это колебание передается и на выход устройства.

Аналогичные рассуждения могут подтвердить и возможность реализации в этом устройстве режима деления частоты с N=3, N=4 и т.д. Для этого необходимо, при неизменной частоте входного сигнала, изменить резонансную частоту ω_р колебательного контура таким образом, чтобы эта частота приблизительно равнялась выходной частоте ω.

Для устойчивого возбуждения колебания требуемой субгармоники необходимо реализовать оптимальный режим работы устройства. Для этого необходимо использовать линейный режим работы трансформатора 1 и катушки индуктивности 4, что обеспечивает малые потери в них. Необходимо также, чтобы энергия, вносимая в контур, при изменении его индуктивности превышала потери в нем. Поэтому в колебательном контуре необходимо минимизировать конструктивные потери во вторичной обмотке 3 и катушке индуктивности 4. Для уменьшения этих потерь необходимо катушки индуктивности выбрать так, чтобы волновое сопротивление колебательного контура ρ=ωL_Э было оптимальным, что соответствует его значению от нескольких десятков Ом до 1...2 кОм. В этом случае катушки индуктивности реализуются с максимальной конструктивной добротностью, составляющей от десятков до сотен единиц, что значительно больше значений, требуемых для возбуждения субгармоники.

Необходимо также обеспечить оптимальный режим коммутации при таких условиях: уменьшение индуктивности обеспечить при максимальном значении тока i_C, а переход в исходное состояние при i_C=0. В этом случае коммутационные потери минимальны. Это обеспечивается при выполнении условия Е=Е', т.е. напряжение смещения на базе транзистора 6 равняется напряжению отсечки транзистора. Для транзистора типа n-р-n (фиг.1) напряжение отсечки Е'=0.5...0.7 В (кремниевый транзистор) или 0.2...0.3 В (германиевый транзистор). Заданное напряжение смещения устанавливается источником напряжения смещения 8. На режим коммутации влияют также характеристики интегрирующей цепи 7, величина создаваемого фазового сдвига и значение амплитуды сигнала на ее выходе. Идеальный интегратор создает фазовый сдвиг ϕ_и=90°. Однако в реальной схеме это требование с высокой точностью реализовать нет необходимости, поскольку в моменты коммутации i_С меняется медленно. Поэтому в качестве интегрирующей цепи 7 можно использовать как простейшие RC и LR цепи, так и активные звенья. При этом должны выполняться условия Т_u≫Т, где Т_u - постоянная времени интегрирующей цепи, Т - период входного ВЧ-сигнала.

Для устойчивости режима коммутации и уменьшения вносимых потерь в колебательный контур необходимо также, чтобы амплитуда сигнала на выходе интегрирующей цепи составляла 1...2 В. При таком напряжении транзистор 6 полностью открывается, его сопротивление становится минимальным и равным сопротивлению насыщения, а при малом сопротивлении насыщения в контур вносятся и небольшие потери. Малые потери вносят и интеграторы, выполненные на простейших RC и LR цепях, но для этого требуется достаточно большое напряжение на контуре, превышающем значение на порядок и более. При использования активных интеграторов требуемый уровень напряжения достигается при значительно меньших значениях напряжения на контуре и почти без его шунтирования.

Большое значение на работу делителя частоты оказывают параметры транзистора 6. Для обеспечения работоспособности устройства необходимо, чтобы в рабочем состоянии мгновенные значения токов и напряжений на электродах транзистора не превышали допустимые величины. Кроме этого транзистор 6 во многом определяет частотные характеристики устройства, поскольку другие элементы схемы по этому показателю не критичны. Для обеспечения работоспособности в области высоких частот необходимо выбрать транзистор 6 с высокой граничной частотой. Поскольку переключение транзистора происходит в режиме, когда через него ток не проходит i_ком=0 (фиг.2в), то коммутационные потери в транзисторе 6, обусловленные его паразитными емкостями и индуктивностями, практически не возникают даже на высоких частотах, составляющих несколько десятых долей граничной частоты транзистора. Что касается сопротивления насыщения транзистора, то оно практически не меняется вплоть до указанных значений частот и при правильном выборе транзистора (малое значение сопротивления насыщения) практически не влияет на работу устройства. Поэтому верхняя рабочая частота устройства составляет около 0,3f_Т, где f_Т - граничная частота транзистора, которая для современных транзисторов составляет от сотен МГц до единиц ГГц. В результате выполнения этих условий, которые реализуются на практике, потери минимальны и соизмеримы с конструктивными потерями в трансформаторе 1 и катушке индуктивности 4. Поэтому область рабочих частот заявляемого устройства, значительно превышает область рабочих частот известных устройств, выполненных на нелинейных катушках индуктивности.

Что касается технологических характеристик устройства, то они в основном определяются технологичностью катушек индуктивности. Поскольку в заявляемом устройстве используются катушки индуктивности, работающие в линейном режиме, то для их выполнения на относительно низких частотах не требуются сердечники специальной конструкции и ферромагнитные материалы с особыми свойствами, а на высоких частотах эти катушки вообще реализуются без магнитных сердечников. Отмеченное подтверждает высокие показатели технологичности заявляемого устройства.

Таким образом, заявляемое устройство имеет значительно более высокие области рабочих частот и более высокие технологические характеристики по сравнению с известными и отвечает требованию промышленной применимости.

Источники информации

1. Задерей Г.П. Многофункциональные магнитные элементы (многофункциональные электронно-магнитные трансформаторы). М.: Сов. радио, 1980. с.115-116, рис.108.

Делитель частоты, содержащий трансформатор с первичной и вторичной обмотками и конденсатор, который совместно со вторичной обмоткой этого трансформатора образует колебательный контур, отличающийся тем, что введены последовательная цепь, состоящая из катушки индуктивности, полупроводникового диода и транзистора, при этом первый вывод катушки индуктивности подсоединен к колебательному контуру, ее второй вывод соединен с анодом полупроводникового диода, при этом его катод подключен к коллектору транзистора, а эмиттер соединен с общей точкой устройства, интегрирующая цепь, вход которой подключен к колебательному контуру, а ее выход соединен с базой транзистора, а также цепь смещения, состоящая из последовательно включенных источника напряжения смещения и резистора, подсоединенная к базе транзистора, при этом выходное напряжение интегрирующей цепи и напряжение источника смещения создают коммутирующее напряжение на базе транзистора, причем точка подключения входа интегрирующей цепи к колебательному контуру является выходом устройства.