Гармонический умножитель частоты

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве источника синусоидальных колебаний повышенной частоты. Достигаемый технический результат - уменьшение уровня побочных гармоник в спектре выходного сигнала. Устройство содержит задающий генератор, фазоинверсный трансформатор с первой вторичной обмоткой и второй вторичной обмоткой, включенными последовательно, два полупроводниковых диода, нагрузочный резистор, два конденсатора, усилительный каскад, содержащий активный элемент, проходная характеристика которого является одной ветвью квадратичной параболы, три резистора, источник напряжения смещения и источник напряжения питания. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве источника синусоидальных колебаний повышенной частоты.

Известен гармонический умножитель частоты, содержащий задающий генератор, фазоинверсный трансформатор с первой вторичной обмоткой и второй вторичной обмоткой, включенными последовательно, при этом точка соединения этих обмоток подсоединена к общей точке, первый полупроводниковый диод и второй полупроводниковый диод, аноды которых подключены к соответствующим потенциальным выводам первой и второй вторичных обмоток фазоинверсного трансформатора, а катод первого полупроводникового диода соединен с катодом второго полупроводникового диода, и нагрузочный резистор, включенный между точкой соединения катодов первого и второго полупроводниковых диодов и общей точкой. Его выходным сигналом является вторая гармоника входной частоты ω [1]. B выходном сигнале этого устройства высок уровень четных гармоник с частотами 4ω, 6ω и т.д., поскольку токи этих гармоник в нагрузочном резисторе суммируются. Наибольший уровень из этих побочных гармоник имеет составляющая частоты 4ω как ближайшая к выходной частоте 2ω. Что касается нечетных гармоник, то их уровень будет небольшим, т.к. полупроводниковые диоды работают с углом отсечки, близким к 90°, при котором уровень нечетных гармоник, создаваемых в каждом из полупроводниковых диодов, как известно [2], мал.

Целью изобретения является уменьшение уровня побочных гармоник в спектре выходного сигнала.

Это достигается тем, что в гармоническом умножителе частоты, содержащем задающий генератор, фазоинверсный трансформатор с первой вторичной обмоткой и второй вторичной обмоткой, включенными последовательно, при этом точка соединения этих обмоток подключена к общей точке, первый полупроводниковый диод и второй полупроводниковый диод, аноды которых подключены к соответствующим потенциальным выводам первой и второй вторичных обмоток фазоинверсного трансформатора, а катод первого полупроводникового диода соединен с катодом второго полупроводникового диода, и нагрузочный резистор, включенный между точкой соединения катодов первого и второго полупроводниковых диодов и общей точкой, введен усилительный каскад, содержащий активный элемент, проходная характеристика которого является одной ветвью квадратичной параболы, первый конденсатор, первый вывод которого подключен к нагрузочному резистору, а второй его вывод соединен с управляющим электродом активного элемента, первый резистор и источник напряжения смещения, соединенные последовательно, при этом первый вывод первого резистора соединен с управляющим электродом активного элемента, а второй вывод источника напряжения смещения соединен с общей точкой, второй резистор, первый вывод которого подключен к выходному электроду активного элемента, а второй его вывод соединен с источником питания, второй конденсатор, первый вывод которого подсоединен к выходному электроду активного элемента, а второй его вывод соединен с выходом устройства, третий резистор, первый вывод которого соединен с истоковым электродом активного элемента, а второй его вывод подключен к общей точке.

На фиг.1 приведена схема гармонического умножителя частоты. Гармонический умножитель частоты содержит задающий генератор 1, фазоинверсный трансформатор 2 с первой вторичной обмоткой 3 и второй вторичной обмоткой 4, включенными последовательно, при этом точка соединения этих обмоток подключена к общей точке, первый полупроводниковый диод 5 и второй полупроводниковый диод 6, аноды которых подключены к соответствующим потенциальным выводам первой и второй вторичных обмоток 3 и 4 фазоинверсного трансформатора 2, а катод первого полупроводникового диода 5 соединен с катодом второго полупроводникового диода 6, и нагрузочный резистор 7, включенный между точкой соединения катодов первого и второго полупроводниковых диодов 5 и 6 и общей точкой, введен усилительный каскад 8, содержащий активный элемент 9, проходная характеристика которого является одной ветвью квадратичной параболы, первый конденсатор 10, первый вывод которого подключен к нагрузочному резистору 7, а второй его вывод соединен с управляющим электродом 11 активного элемента 9, первый резистор 12 и источник напряжения смещения 13, соединенные последовательно, при этом первый вывод первого резистора 12 соединен с управляющим электродом 11 активного элемента 9, а второй вывод источника напряжения смещения 13 соединен с общей точкой, второй резистор 14, первый вывод которого подключен к выходному электроду 15 активного элемента 9, а второй его вывод соединен с источником питания, второй конденсатор 16, первый вывод которого подсоединен к выходному электроду 15 активного элемента 9, а второй его вывод соединен с выходом устройства, третий резистор 17, первый вывод которого соединен с истоковым электродом 18 активного элемента 9, а второй его вывод подключен к общей точке.

Гармонический умножитель частоты работает следующим образом.

При протекании синусоидального тока частоты ω, генерируемого задающим генератором 1, через первичную обмотку трансформатора 2 на первой вторичной обмотке 3 образуется синусоидальное напряжение

где - амплитуда напряжения на первой вторичной обмотке 3. При этом на его вторичной обмотке 4 возникает напряжение

где - амплитуда напряжения на второй вторичной обмотке 4. Фазовый угол, равный 180°, в (2) обусловлен тем, что потенциальным выводом второй вторичной обмотки 4 является конец этой обмотки (на фиг.1 начальные выводы первой вторичной обмотки 3 и второй вторичной обмотки 4 обозначены точками).

При положительной полуволне синусоидального напряжения (1) на интервале времени 0...Т/2 открыт первый полупроводниковый диод 5. Второй полупроводниковый диод 6 в это время закрыт, поскольку приложено минусом к аноду этого полупроводникового диода. В результате через первый полупроводниковый диод 5 на этом интервале времени протекает ток i₁'(t) в виде положительной полуволны синусоиды, который на нагрузочном резисторе 7 также создает положительную полуволну синусоидального напряжения (фиг.2, а). На интервале времени Т/2...Т напряжение (1) отрицательно, а напряжение (2) положительно. Поэтому первый полупроводниковый диод 5 закрыт, а второй полупроводниковый диод 6 открыт. Поэтому ток i₁"(t) протекает через второй полупроводниковый диод 6 в указанном на фиг.1 направлении. В результате на нагрузочном резисторе 7 также образуется положительная полуволна напряжения (фиг.2, а). Такое поочередное открывание и закрывание первого полупроводникового диода 5 и второго полупроводникового диода 6 происходит и на последующих интервалах времени Т...2Т, 2Т...3Т и т.д. В результате на нагрузочном резисторе 7 формируется напряжение

где U_мах - максимальное значение импульса напряжения. Соотношение (3) соответствует полной симметрии схемы, когда U'₁=U"₁=U_мах. Последнее условие в реальном устройстве вполне допустимо, поскольку усредненные параметры полупроводниковых диодов, работающих в нелинейном режиме, практически не влияют на максимальное значение импульса напряжения. Это напряжение (3) фактически является выходным сигналом устройства [1].

Гармонический анализ спектра напряжения (3), проведенный с использованием [2], можно с высокой точностью представить следующей нормированной зависимостью

где 0,637=U₀/U_мах - нормированное значение постоянной составляющей напряжения; 0,424=U₂/U_мах - нормированное значение амплитуды второй гармоники; 0,085=U₄/U_max - нормированное значение амплитуды 4-ой гармоники.

Из (4) следует, что уровень 4-ой гармоники по отношению ко 2-ой гармонике составляет -14,0 дБ, т.е. является высоким. Это следует и из временной диаграммы, приведенной на фиг.2а, поскольку оно существенно отличается по форме от синусоиды.

Зависимость (3) одновременно является входным напряжением усилительного каскада 8, активный элемент 9 которого имеет квадратичную проходную характеристику, аналитически описываемую выражением

где I_вых - максимальное значение выходного тока активного элемента 9; S₂ - крутизна проходной характеристики этого элемента; U_вх=U_мах - максимальное значение входного напряжения (фиг.2, а).

При воздействии напряжения (3) на нелинейный элемент с проходной характеристикой (5) (фиг.2, б) формируется сигнал, форма которого представлена на фиг.2, в. Как видно из этого рисунка, напряжение на выходе усилительного каскада существенно отличается от входного напряжения и практически является синусоидальным частоты 2ω.

Более точная количественная оценка уровня побочных гармоник на выходе заявляемого устройства достигается при гармоническом анализе спектра выходного тока при воздействии сигнала (4) на характеристику (5) по методике [2]. В результате спектр, создаваемый на выходе устройства, определяется зависимостью

где U_вых≈S₂·U_мах·R_н; R_н - номинал сопротивления второго резистора 14. Из (6) следует, что относительный уровень частоты 4ω по отношению к частоте 2ω составляет -28,4 дБ.

Из сравнения полученных результатов следует, что выигрыш в ослаблении 4-ой гармоники в заявляемом устройстве по сравнению с устройством [1] составляет 14,4 дБ. Что касается других четных гармонических составляющих, то их уровень еще ниже, а преимущество заявляемого устройства в ослаблении будет еще более.

Низким будет и уровень нечетных гармоник. Это обусловлено тем, что при работе полупроводниковых диодов в нелинейном режиме разброс их параметров при открывании р-n практически не влияет на величину импульса напряжения на нагрузочном резисторе 7, что позволяется достаточно просто обеспечить высокую симметрию плеч на практике даже при относительно большом их разбросе. Поскольку нечетные гармоники вычитаются на нагрузочном резисторе 7, то в результате обеспечивается эффективное подавление и нечетных гармоник. При использовании диодных матриц вопрос разброса параметров полупроводниковых диодов снимается полностью, поскольку в этом случае параметры диодов практически одинаковы, поскольку эти диоды выполнены на одной подложке.

Из вышеизложенного следует, что заявляемое устройство обеспечивает значительно более низкий уровень побочных гармоник по сравнению с известным устройством [1].

Необходимо также отметить, что такой режим сохраняется в широкой полосе частот, начиная от низких (единицы Гц) до очень высоких, на которых проявляется инерционность нелинейного элемента. Реально эти частоты составляют сотни МГц. Поэтому заявляемое устройство является и широкополосным.

Следует отметить, что техническая реализация заявляемого устройства, при которой в начале частота удваивается по двухтактной схеме с помощью первого полупроводникового диода 5 и второго полупроводникового диода 6, работающих в нелинейном режиме, а затем осуществляется значительное ослабление побочных гармоник с применением только одного нелинейного каскада с квадратичной проходной характеристикой, является оптимальной.

Таким образом, применение нелинейного каскада с квадратичной характеристикой позволяет значительно, на 14 дБ и более, ослабить четные побочные гармоники. Такое ослабление реально обеспечивает избирательная цепь, выполненная в виде параллельного контура в полосе частот ≈10-20%. В заявляемом устройстве такое подавление обеспечивается в значительно более широкой полосе, что является существенным преимуществом заявляемого устройства. И это достигается с применением только одного нелинейного элемента, характеристика которого является одной ветвью квадратичной параболы при работе на резистивную нагрузку (второй резистор 14). Это условие не накладывает никаких требований к симметрии схемы этого каскада, как это имеет место в двухтактных схемах при формировании сигнала (3), что существенно при практической реализации устройства. Необходимо также отметить, что усилительный каскад с квадратичной характеристикой (5) легко реализуется на практике, поскольку такую характеристику имеют реальные активные элементы - это полевые транзисторы, выполненные по определенной технологии. При наличии разброса их характеристик от зависимости (5) в усилительном каскаде 8, выполненном по схеме с общим истоковым электродом, за счет выбора глубины отрицательной обратной связи, регулируемой с помощью третьего резистора 17, можно провести коррекцию передаточной характеристики таким образом, чтобы обеспечить оптимальный режим работы. Возможна также коррекция проходной характеристики путем включения активного элемента по схеме с общим управляющим электродом и общим выходным электродом, в которых реализуется 100% обратная связь по току и напряжению соответственно.

Кроме этого, усилительный каскад 8 служит также активной развязкой, поскольку устраняет влияние внешней нагрузки, подключенной к выходу устройства, на работу полупроводниковых диодов 5 и 6, поскольку эта нагрузка изменяется как от режима работы, так и от различных дестабилизирующих факторов, что существенно при эксплуатации.

Необходимо также отметить, что наряду с заявляемым вариантом схемы, возможно также вместо полупроводниковых диодов 5 и 6 (фиг.1) применение диодного моста, выполненного на 4-х полупроводниковых диодах. В этом случае трансформатор 2 реализуется с одной вторичной обмоткой, что более технологично и обеспечивает большую симметрию схемы.

В маломощных устройствах вместо трансформатора 2 целесообразным является применение фазоинверсного усилителя, выполненного без использования трансформатора. В результате существенно повышается технологичность при более высокой симметрии схемы, что позволяет реализовывать устройство и по интегральной технологии.

Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с известными обеспечивает значительно большее ослабление побочных гармоник, реализуемое на практике и удовлетворяет требованию промышленной применимости.

Источники информации

1. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. - М.: Связь, 1976, с.216, рис.6.3.

2. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. - М.: Сов. Радио, 1965, с.284-296.

Гармонический умножитель частоты, содержащий задающий генератор, фазоинверсный трансформатор с первой вторичной обмоткой и второй вторичной обмоткой, включенными последовательно, при этом точка соединения этих обмоток подключена к общей точке, первый полупроводниковый диод и второй полупроводниковый диод, аноды которых подключены к соответствующим потенциальным выводам первой и второй вторичных обмоток фазоинверсного трансформатора, а катод первого полупроводникового диода соединен с катодом второго полупроводникового диода, и нагрузочный резистор, включенный между точкой соединения катодов первого и второго полупроводниковых диодов и общей точкой, отличающийся тем, что введен усилительный каскад, содержащий активный элемент, проходная характеристика которого является одной ветвью квадратичной параболы, первый конденсатор, первый вывод которого подключен к нагрузочному резистору, а второй его вывод соединен с управляющем электродом активного элемента, первый резистор и источник напряжения смещения, соединенные последовательно, при этом первый вывод первого резистора соединен с управляющим электродом активного элемента, а второй вывод источника напряжения смещения соединен с общей точкой, второй резистор, первый вывод которого подключен к выходному электроду активного элемента, а второй его вывод соединен с источником питания, второй конденсатор, первый вывод которого подсоединен к выходному электроду активного элемента, а второй его вывод соединен с выходом устройства, третий резистор, первый вывод которого соединен с истоковым электродом активного элемента, а второй его вывод подключен к общей точке, а при протекании синусоидального тока входной частоты, генерируемой задающим генератором, через первичную обмотку фазоинверсного трансформатора на его первой вторичной обмотке образуется синфазное синусоидальное напряжение, а на его второй вторичной обмотке - противофазное синусоидальное напряжение.