Circuito moltiplicatore di frequenza per 1000. Moltiplicazione di frequenza. Come controllare le frequenze

Un moltiplicatore di frequenza è un GVV, la frequenza di oscillazione, la cui uscita è 2, 3,..., n volte superiore all'ingresso.

Il circuito moltiplicatore di frequenza è simile a quello di un amplificatore a radiofrequenza convenzionale. Un moltiplicatore differisce da un amplificatore in quanto il circuito di uscita del moltiplicatore è sintonizzato sul secondo, terzo o p-y armonica della tensione di ingresso. Pertanto, il carico rilascia la potenza dell'armonica su cui è configurato il circuito di uscita.

Dall'analisi del modo di oscillazioni del secondo genere si nota che all'aumentare del numero armonico diminuisce l'ampiezza delle componenti armoniche: I n =α n, Imah- Pertanto la potenza utile e il rendimento del moltiplicatore sono inferiori a quelli dell'amplificatore. La modalità di moltiplicazione viene utilizzata negli stadi del trasmettitore a bassa potenza, la cui bassa efficienza praticamente non riduce nella pratica l'efficienza del trasmettitore.

Il principio di costruzione dei moltiplicatori di frequenza dei transistor si basa sull'uso di due processi fisici: la selezione dell'armonica desiderata dall'impulso di corrente del collettore e la natura non lineare della variazione della capacità del collettore derivante dalle variazioni della tensione del collettore.

I moltiplicatori di frequenza del transistor, che funzionano secondo il principio della separazione dell'armonica desiderata da un impulso, forniscono la moltiplicazione a frequenze relativamente basse. Ciò accade perché all'aumentare della frequenza operativa, l'impulso di corrente del collettore si espande (fino a 180°) e il contenuto di armoniche superiori in esso diminuisce drasticamente. In pratica, i moltiplicatori basati su questo principio funzionano a frequenze fino a 0,3 Ѡ t.

Per la moltiplicazione a frequenze più elevate viene utilizzata la non linearità della capacità del collettore. Ciò consente di ottenere una frequenza all'uscita del moltiplicatore maggiore della frequenza di taglio del transistor. Nella fig. La Figura 2.12 mostra un diagramma di un moltiplicatore di frequenza a transistor che funziona sia alle basse che alle alte frequenze. All'ingresso del circuito viene fornita una tensione della frequenza fondamentale, sulla quale è sintonizzato il circuito nel circuito di base del transistor. Il circuito del collettore include filtri che isolano una determinata armonica sul carico.

Gli oscillatori a transistor funzionano a frequenze fino a 10 GHz. Per ottenere potenza a frequenze più elevate, i moltiplicatori di frequenza basati su diodi a semiconduttore - varicap e varactor - vengono attivati ​​dopo il generatore di transistor.

Nei dispositivi a semiconduttore, la capacità di una giunzione p-n è costituita da due componenti: barriera (1) - quella principale quando la giunzione è chiusa e diffusione (2) - quello principale in una transizione aperta.

I grafici della dipendenza delle capacità della giunzione p-n dalla tensione ai suoi capi sono mostrati in Fig. 2.13. La curva 3 riflette la capacità risultante della giunzione pn. Per operare il moltiplicatore sulla caratteristica Cris =f(U) selezionare il punto di funzionamento UN, applicando la tensione di polarizzazione appropriata.

I diodi progettati per funzionare a piccole ampiezze rispetto alla tensione di polarizzazione sono chiamati varicap. Le proprietà di un varicap sono determinate solo dalle proprietà della capacità di barriera della giunzione con gate.

I diodi progettati per funzionare a grandi ampiezze sono chiamati varactor. Nei moltiplicatori varactor, il lavoro avviene sia nelle regioni di transizione chiuse che in quelle aperte.

Il principio di funzionamento di un moltiplicatore di frequenza varactor si basa sull'utilizzo della non linearità della capacità della giunzione p-n. Quando viene applicata una tensione armonica alla giunzione p-n, la corrente attraverso la giunzione sarà non armonica (Fig. 2.13.6). Questa corrente contiene componenti armoniche più elevate. L'uso della regione di giunzione pn aperta porta ad un aumento del livello delle armoniche superiori.

Un varactor può essere collegato ad un circuito moltiplicatore sia in parallelo (Fig. 2.14a) che in serie (Fig. 2.14.6). Il circuito di ingresso del moltiplicatore è sintonizzato sulla frequenza fondamentale e il circuito di uscita è sintonizzato sulla seconda o terza armonica. Un tale moltiplicatore di frequenza è passivo, poiché l'energia delle oscillazioni di uscita alla frequenza fno è determinata dall'energia di una sola sorgente di tensione di ingresso con una frequenza co.

Il vantaggio di un circuito moltiplicatore parallelo è che un terminale del varactor è a potenziale zero. Ciò permette di posizionare il varactor su un radiatore di grandi dimensioni e migliorare le condizioni termiche, il che significa aumentare la potenza utile.

Il circuito sequenziale (Fig. 2.14.6) fornisce una migliore stabilità di funzionamento, poiché l'induttanza dei conduttori e la capacità dell'alloggiamento fanno parte del sistema oscillatorio del moltiplicatore. Ma in questo schema le condizioni di rimozione del calore diventano più complicate.

La migliore efficienza di conversione di potenza in un varactor si ottiene selezionando il valore ottimale della tensione di polarizzazione corrispondente ad un certo valore della tensione di ingresso. Al variare dell'ampiezza della tensione di ingresso, cambia anche l'efficienza di conversione.

Il bias automatico garantisce che la tensione di offset cambi al variare della tensione di ingresso, mantenendo così un'efficienza di conversione ottimale.

I moltiplicatori di frequenza del varactor vengono utilizzati per raddoppiare o triplicare la frequenza. Per ottenere moltiplicazioni di molteplicità maggiore, si collegano in serie più duplicatori o triplicatori.

2.10. Schemi di collegamento per generatori a transistor

Per aumentare la potenza di uscita della fornitura di acqua calda, diversi transistor sono collegati in parallelo o in serie per funzionare su un carico comune.

Quando i transistor sono collegati in parallelo per funzionare su un carico comune, gli stessi elettrodi dei transistor sono collegati tra loro in parallelo. In questo caso, le correnti dei singoli transistor nel filo comune si sommano e la potenza totale viene rilasciata nel circuito di uscita.

I transistor collegati in parallelo devono avere gli stessi parametri, altrimenti uno dei transistor bypasserà l'altro transistor e il carico. Una significativa diffusione dei parametri dei transistor porta alla necessità di utilizzare soluzioni circuitali aggiuntive per equalizzare le modalità operative dei singoli transistor. Tuttavia, ciò comporta una complessità del circuito e quindi riduce l'affidabilità del suo funzionamento. Pertanto, si limitano a collegare non più di due o tre transistor in parallelo.

A causa della complessità della configurazione e della ridotta affidabilità, i circuiti con connessione parallela dei transistor vengono utilizzati raramente.

I generatori push-pull a bassa potenza (decine di watt) a frequenze di 1-10 MHz possono essere eseguiti su trasformatori accoppiati magneticamente, come mostrato in Fig. 2.15. I transistor di questo circuito funzionano in modalità classe B, cioè con un angolo di taglio di 0 = 90°. Quando all'ingresso dei circuiti del collettore viene applicata una tensione di eccitazione alternata, gli impulsi della corrente del collettore vengono sfasati di 180°. Secondo la corrente di prima armonica i transistor sono collegati in serie.

VT1 perdite dal collettore VT1 tramite transistor VT1, quindi la sezione emettitore-collettore del transistor VT2, attraverso il carico T2 al collettore del transistor VT1.

Corrente di collettore della prima armonica del transistor VT2 perdite dal collettore VT2 attraverso la sezione collettore - emettitore VT2, tramite emettitore - collettore VT1, attraverso il carico e al collettore VT2.

Attraverso il carico T2 Le correnti di collettore della prima armonica fluiscono in una direzione e quindi si sommano. Nel cavo comune di alimentazione le prime correnti armoniche sono dirette l'una verso l'altra e si annullano a vicenda.

All'uscita di questo circuito, con la sua buona simmetria, non ci sono armoniche superiori, poiché le armoniche pari delle correnti di collettore di entrambi i transistor nel trasformatore di uscita sono compensate, e le armoniche dispari negli impulsi con un taglio di 0 = 90° sono praticamente assente.

2.11. Schemi degli stadi di uscita dei trasmettitori radio

Le oscillazioni di radiofrequenza create dal generatore vengono trasmesse all'antenna per la radiazione. Per fare ciò, l'antenna del trasmettitore deve essere collegata al circuito di uscita dell'ultimo stadio del trasmettitore. Lo stadio caricato con l'antenna è chiamato stadio di uscita. Lo stadio di uscita del trasmettitore è lo stadio più potente e assorbe la maggior quantità di energia dagli alimentatori. Pertanto, la prestazione energetica dello stadio di uscita determina principalmente la prestazione energetica del trasmettitore nel suo insieme. Pertanto, lo stadio di uscita dovrebbe avere la massima efficienza possibile. Inoltre, lo stadio di uscita funziona nella modalità di oscillazione del secondo tipo, “componenti armoniche più elevate della corrente del suo circuito di uscita possono essere trasmesse all'antenna ed emesse da essa, creando interferenze con altre stazioni radio. Per eliminare ciò, lo stadio di uscita deve fornire un filtraggio armonico sufficientemente buono.

La modalità operativa e le prestazioni energetiche dello stadio di uscita dipendono dai parametri elettrici dell'antenna e dal metodo di collegamento al circuito di uscita del generatore.

A seconda del metodo di collegamento dell'antenna, esistono due schemi di uscita: semplici e complessi.

Un circuito di uscita semplice è quello in cui l'antenna è direttamente collegata al circuito di uscita del generatore, come mostrato in Fig. 2.16, a. In questo circuito l'antenna, insieme agli elementi di sintonizzazione e comunicazione, fa parte del circuito di uscita, che costituisce il carico del generatore. Il circuito di uscita qui è chiamato circuito dell'antenna. Deve essere sintonizzato su una determinata frequenza e avere una resistenza pari alla resistenza di carico equivalente ottimale del generatore.

È noto che il trasferimento più completo della potenza oscillatoria all'antenna avviene quando l'impedenza di ingresso dell'antenna è abbinata all'impedenza di uscita del generatore. In un circuito semplice, il circuito dell'antenna viene sintonizzato su una determinata frequenza utilizzando una bobina di sintonizzazione L n e la resistenza di carico viene selezionata modificando l'induttanza o la capacità di accoppiamento.

Se il trasmettitore funziona su un'onda fissa, le condizioni per implementare la modalità generatore più vantaggiosa e il trasferimento di energia più completo all'antenna si ottengono come segue. Innanzitutto, sintonizzare il circuito dell'antenna sulla frequenza operativa del generatore, quindi, senza modificare le impostazioni del circuito, selezionare il valore della resistenza equivalente del circuito per garantire il funzionamento ottimale del generatore.

Quando l'antenna è collegata direttamente al circuito di uscita del generatore, l'energia viene trasferita all'antenna in modo più completo e ciò consente di ottenere una maggiore efficienza del generatore, il che è un vantaggio di un semplice circuito di uscita.

Lo svantaggio di un circuito semplice è il basso filtraggio armonico e il funzionamento inaffidabile in caso di rottura dell'antenna. Se l'antenna si rompe, la resistenza di carico diminuisce e il generatore potrebbe trovarsi in modalità di sottotensione. In questo caso, le perdite di potenza su un dispositivo elettronico possono superare i limiti consentiti e distruggere il dispositivo.

In un circuito di uscita complesso, ci sono due circuiti nel circuito di uscita del generatore (Fig. 2.16.6). Uno di questi è collegato direttamente al circuito di uscita del generatore e si chiama intermedio. Il secondo circuito è creato dagli elementi dell'antenna ed è chiamato circuito dell'antenna. Entrambi i circuiti sono sintonizzati sulla frequenza operativa del generatore. La resistenza di carico ottimale in un circuito complesso viene selezionata selezionando la connessione tra il circuito intermedio e l'antenna (utilizzando il metodo delle approssimazioni successive).

Il vantaggio di un circuito complesso è un migliore filtraggio delle armoniche. Inoltre, un circuito complesso è più affidabile, poiché se l'antenna si rompe, il generatore entra in modalità di sovratensione e le perdite di potenza dovute al riscaldamento del dispositivo elettronico si riducono. Lo svantaggio di un circuito complesso è la bassa efficienza dovuta alle perdite di energia sugli elementi di comunicazione e sul circuito intermedio.

I circuiti di uscita complessi vengono utilizzati nei trasmettitori di alta e media potenza, dove è importante un migliore filtraggio delle armoniche e sono tollerate dimensioni e complessità del circuito di grandi dimensioni.

Nei trasmettitori di comunicazione a bassa potenza, per i quali sono cruciali le dimensioni ridotte, il peso e la semplicità del circuito, nonché l'efficienza, viene utilizzato un semplice circuito di uscita.

Per controllare la modalità operativa del dispositivo elettronico e sintonizzare il circuito sulla risonanza, nello stadio di uscita del trasmettitore è incluso un dispositivo per misurare le correnti nei circuiti di uscita e ingresso del generatore.

Capitolo 3. GENERATORI AUTOMATICI

3.1. Principio di autoeccitazione

Per creare oscillazioni di radiofrequenza nei dispositivi di trasmissione radio, viene utilizzato il fenomeno del verificarsi di oscillazioni elettriche in un circuito oscillatorio, in cui viene introdotta una certa quantità di energia dall'esterno, ovvero la fonte primaria di oscillazioni elettriche nei dispositivi di trasmissione radio è il circuito oscillatorio.

Se nel circuito elettrico L.C. introdurre una certa quantità di energia dall'esterno, ad esempio caricando il condensatore C, nel circuito si formano oscillazioni libere e smorzate di radiofrequenza.

Affinché le oscillazioni non siano smorzate, cioè la loro ampiezza non diminuisca, è necessario periodicamente, in sincronia con le oscillazioni libere, reintegrare l'energia nel circuito. Questo può essere fatto periodicamente collegando una sorgente EMF al circuito, che ricaricherà il condensatore del circuito. Quando la quantità di energia che entra nel circuito è sufficiente a compensare tutte le perdite di energia in esso, le oscillazioni nel circuito non saranno smorzate.

Per creare oscillazioni continue nel circuito è necessario reintegrare l'energia una volta per periodo. E poiché la frequenza di oscillazione è elevata (centinaia e migliaia di kilohertz), solo uno speciale dispositivo ad alta velocità - un tubo a vuoto o un transistor - può collegare una fonte di energia elettrica al circuito per ricostituire l'energia al suo interno.

Affinché il rifornimento di energia entri nel circuito in tempo con oscillazioni libere (con le proprie oscillazioni), è necessario che le oscillazioni stesse controllino la corrente della fonte di alimentazione. A questo scopo il circuito generatore dispone di una retroazione (OS) del circuito di uscita con il circuito di ingresso. Pertanto, un generatore autoeccitato è costituito da un circuito oscillatorio, un dispositivo elettronico, una fonte di alimentazione ed elementi di feedback positivo. /

L'energia delle oscillazioni generate viene rilasciata nel circuito oscillatorio, la cui frequenza è determinata dai parametri del circuito L e C. Il dispositivo elettronico funge da regolatore del consumo di energia della fonte di alimentazione. Gli elementi di retroazione possono essere un induttore o un condensatore. L'alimentatore ripristina l'energia nel circuito. Pertanto, lo è un generatore autoeccitato

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Fig.3.1. schema a blocchi di un autooscillatore

Circuito 1-OS; 2-elemento di rinforzo; Circuito a 3 oscillazioni;

4-alimentatore.

un dispositivo che crea oscillazioni di radiofrequenza utilizzando un circuito oscillante ed elementi di feedback. E poiché le oscillazioni in un tale generatore si verificano automaticamente, immediatamente dopo l'accensione delle fonti di alimentazione, viene chiamato auto-oscillatore (Fig. 3.1).

Moltiplicatori di frequenza. I moltiplicatori passivi di frequenza più semplici si basano sulla distorsione del segnale armonico in ingresso em(t) nella corrente di un elemento non lineare privo di inerzia con la caratteristica e b1X (e bx). Nel circuito di uscita di un tale elemento non lineare, è incluso un circuito per isolare (filtrare) le componenti a frequenza più alta della corrente /out (/).

Valutiamo l'efficienza operativa di tali moltiplicatori di frequenza in base alla molteplicità P. Approssimiamo la caratteristica di un elemento non lineare con una funzione esponenziale regolare

dove / 0 è la corrente a e w= 0; a è un moltiplicatore di dimensione B" 1.

Scriviamo il segnale di ingresso armonico nel modulo

Riso. 3.11.

Dove E- offset iniziale; UBX- ampiezza del segnale di ingresso del moltiplicatore; co-frequenza del segnale di ingresso.

Allora l'ampiezza dell'l-esima armonica di corrente /1„ di tale elemento non lineare può essere espressa tramite la funzione di Bessel modificata Gv(x) dell'ordine l nella forma

Dove

A piccole ampiezze di ingresso x = aUBX «n la funzione di Bessel nella formula (3.4) è sostituita dall'espressione asintotica

Nella fig. 3.11 la linea tratteggiata mostra il rapporto tra l'ampiezza della corrente dell'lesima armonica e l'ampiezza della corrente della prima armonica per una nonlinearità esponenziale uniforme con un piccolo segnale secondo la formula (3.5).

A grandi ampiezze del segnale di ingresso in tale nodo, si verifica l'effetto di limitazione della corrente di uscita e, al limite, la non linearità può essere considerata a due livelli:

dove / 0 è un coefficiente con la dimensione attuale, che ha un significato fisico di livello limite; E"- tensione di interruzione corrente.

L'angolo di interruzione attuale, tenendo conto della formula (3.4), è determinato dalla relazione cos0 = (SUO") / U in e le armoniche superiori della corrente 10 pag invece della formula (3.5) sono espressi dalla relazione

Se per ogni molteplicità l selezioniamo l'angolo di taglio 0 in modo che il fattore sin l0 al numeratore della formula (3.7) sia uguale a uno, allora dalla formula (3.7) ne consegue che le ampiezze delle armoniche superiori della corrente diminuiscono di proporzione inversa al numero armonico, e la loro potenza, di conseguenza, inversamente proporzionale al quadrato del numero armonico. Nella fig. 3.11, la linea tratteggiata mostra il rapporto tra l'ampiezza della corrente armonica l e l'ampiezza della corrente prima armonica per una non linearità a due livelli secondo la formula (3.6).

Se utilizziamo un'approssimazione lineare a tratti delle caratteristiche di un elemento non lineare

Dove S- coefficiente con la dimensione A/B, che ha significato fisico la pendenza della caratteristica di un elemento non lineare, quindi al posto della formula (3.5) o (3.7) l'ampiezza della l-esima corrente armonica P pagè espresso attraverso i coefficienti dell'espansione lineare a tratti di un impulso coseno con un limite:

(3.8)

Per l = 1 vale la seguente espressione: e per

io? 2 è necessario utilizzare l'espressione

. Per ciascun fattore di moltiplicazione esiste un angolo di taglio ottimale 0 OPT = tf/l, al quale l'ampiezza della corrente di questa armonica è massima. Il rapporto /„//, ampiezze attuali della 1a e 1a armonica per valori ottimali dell'angolo di taglio 0 OPT è espresso dalla relazione

Nella fig. 3.11 la linea continua mostra (secondo la formula (3.9)) la dipendenza di /„// dalla molteplicità l per l'approssimazione poligonale e l'angolo di cutoff ottimale.

Dalla fig. 3.11 ne consegue che le correnti di armoniche superiori della corrente con trasformazione non lineare priva di inerzia e scelta ottimale dell'angolo di taglio diminuiscono in media in proporzione inversa alla molteplicità di l, e la loro potenza diminuisce in proporzione inversa al quadrato della molteplicità. Anche l'isolamento della componente armonica richiesta con buona purezza dello spettro dagli impulsi di corrente è difficile con elevata molteplicità, poiché richiede valori elevati e difficili da realizzare del fattore di qualità dei filtri passa banda selettivi in ​​frequenza. Pertanto, i moltiplicatori di frequenza più semplici vengono utilizzati solo per rapporti di moltiplicazione bassi l = 2 e l = 3 utilizzando angoli di taglio ottimali.

Dalla formula (3.8), inoltre, segue che scegliendo l'angolo di cutoff 0 O = p/(p- 1) è possibile ottenere un'ampiezza di corrente pari a zero di una delle armoniche interferenti adiacenti. Ad esempio, l'ampiezza della corrente della terza armonica è zero a 0 = 90°, la quarta - a 0 = 66°, la quinta - a 0 = 52 e, la sesta - a 0 = 43 e, la settima - a 0 = 38 e, l'ottavo - a 0 = 33 e Questa caratteristica può essere presa in considerazione per migliorare il filtraggio delle componenti spettrali interferenti nei moltiplicatori di frequenza.

Un moltiplicatore di frequenza multiplo elevato senza isolare una componente armonica in uscita può essere realizzato in base alla formazione di brevi impulsi video rettangolari da un segnale di ingresso armonico con frequenza /in nei momenti in cui la tensione di ingresso passa attraverso lo zero con una derivata positiva in secondo la formula (3.6). Questo circuito è chiamato generatore di armoniche e viene utilizzato per generare una griglia di numerose componenti spettrali contemporaneamente con un passo di frequenza fisso. Nella fig. La Figura 3.12 mostra l'ampiezza dello spettro di potenza delle armoniche superiori per una sequenza periodica di impulsi video, quando 0 = i/8, cioè la durata dell'impulso generato è 16 volte inferiore al periodo di oscillazione della frequenza di ingresso.

Le componenti spettrali dell'oscillazione mostrate in Fig. 3.12, hanno frequenze nfm, il loro involucro di potere R" obbedisce alla legge

Dove P0- potenza della componente costante del segnale.

Riso. 3.12.

Gli svantaggi di un tale moltiplicatore di frequenza sono, in primo luogo, una diminuzione dell'efficienza di conversione della potenza del segnale di ingresso nella potenza dell'armonica desiderata, proporzionale al quadrato della molteplicità, con molteplicità crescente; in secondo luogo, una diminuzione della potenza armonica in prossimità di valori della molteplicità l, approssimativamente pari al duty cycle degli impulsi Q= io/0. Inoltre, all'aumentare della molteplicità, diventa più complicato il compito di sopprimere con la profondità richiesta componenti aventi frequenza superiore ed inferiore a quella da isolare.

La moltiplicazione della frequenza basata su elementi reattivi non lineari (varactor) consente di trasferire una parte significativa della potenza della frequenza di ingresso al carico in corrispondenza dell'armonica assegnata. Le relazioni di Manly-Rowe dimostrano che è fondamentalmente possibile, utilizzando un elemento reattivo non lineare, convertire fino al 100% della potenza del segnale di ingresso alla frequenza c in potenza del segnale ad un'armonica arbitraria avente una frequenza di le, se l'energia elettrica un circuito con un elemento reattivo non lineare all'ingresso ha una resistenza trascurabile per tutte le frequenze tranne l'ingresso, e all'uscita c'è una resistenza trascurabile per tutte le frequenze tranne l'uscita. Tuttavia, per tali moltiplicatori non esiste disaccoppiamento tra i circuiti di ingresso e di uscita con un elemento reattivo non lineare comune. All'aumentare del fattore di moltiplicazione aumentano le difficoltà nel realizzare circuiti di filtraggio lineare con le proprietà indicate.

In molti casi, la frequenza del segnale di ingresso del moltiplicatore cambia durante il funzionamento, rendendo difficile l'uso di circuiti di filtro risonanti. I moltiplicatori di frequenza a banda larga sono costruiti senza l'utilizzo di circuiti risonanti che evidenziano l'armonica desiderata. Il circuito bilanciato (Fig. 3.13) di un moltiplicatore di frequenza basato su due elementi non lineari identici (NE) con eccitazione antifase attraverso uno splitter (P) consente di compensare le armoniche pari o dispari in uscita. Per compensare le armoniche dispari, le uscite dei canali vengono aggiunte in fase nel sommatore (C) e per compensare le armoniche pari, viene invece attivato un sommatore di segnale antifase, simile a uno splitter P.

I circuiti bilanciati con design integrato ad alta tecnologia riducono il livello dei segnali interferenti più vicini nella molteplicità

Riso. 3.13.

Riso. 3.14.

componenti spettrali di 30...35 dB. Il filtro passa banda in uscita (BPF) per preservare la larghezza di banda del moltiplicatore viene eseguito sotto forma di inclusione sequenziale di un filtro passa basso, che attenua i componenti con frequenze inferiori a quelle isolate, e di un filtro passa alto (filtro armonico ), che non consente alle armoniche di passare alla molteplicità superiore dell'uscita. Ad esempio, in un duplicatore di frequenza bilanciato (P= 2) gli angoli di taglio negli elementi non lineari (vedi Fig. 3.13) dovrebbero essere scelti intorno a 90°, in modo che l'ampiezza della corrente più vicina all'armonica superiore selezionata con numero P= 3 verrà indebolito di 20...30 dB a causa della scelta dell'angolo di taglio e, a causa del bilanciamento, le componenti della prima e della terza armonica verranno indebolite di ulteriori 30...35 dB. I duplicatori di frequenza che utilizzano un circuito bilanciato (vedi Fig. 3.13) possono funzionare in modo soddisfacente quando la frequenza del segnale di ingresso cambia più volte - di 1 - 2 ottave.

I duplicatori e triplicatori di frequenza, di regola, sono resi passivi e i moltiplicatori di frequenza hanno una molteplicità maggiore, a volte attivi. Un moltiplicatore di frequenza attivo sotto forma di un sistema ad anello ad aggancio di fase VCO con un divisore di frequenza nell'anello di autoregolazione è costruito secondo il circuito mostrato in Fig. 3.14. In tale circuito, la frequenza del VCO viene selezionata in modo che sia approssimativamente un multiplo della frequenza del segnale di ingresso. Divisore di frequenza fisso :P riduce la frequenza ad un valore vicino a /in, un discriminatore fase-impulso (PPD) confronta le fasi del segnale di ingresso e le oscillazioni della frequenza VCO divisa, e il segnale di controllo filtrato eh sì attraverso il circuito di retroazione viene alimentato all'ingresso di controllo della frequenza del VCO, formando così un sistema ad anello ad aggancio di fase (PLL). Schemi di questo tipo sono discussi più dettagliatamente nel capitolo. 5.

Lo svantaggio del moltiplicatore di frequenza mostrato in Fig. 3.14, è la possibilità che il sistema PLL esca dalla banda di sincronizzazione con variazioni significative nelle impostazioni proprie del VCO. Sono disponibili moltiplicatori di frequenza attivi con molteplicità da 3 a 64 con frequenze di uscita fino a 100 GHz.

Nei moltiplicatori di frequenza su dispositivi a microonde a elettrovuoto, ad esempio sui klystron di volo, in cui il risonatore di ingresso è sintonizzato sulla frequenza armonica del segnale di ingresso e il risonatore di uscita su una frequenza multipla, la massima potenza di uscita diminuisce con l'aumentare della molteplicità in senso inverso proporzione a l, cioè significativamente più debole rispetto ai moltiplicatori di frequenza basati su elementi attivi privi di inerzia. Ciò è dovuto alle differenze nella natura del raggruppamento degli elettroni in tali dispositivi. Pertanto, tali moltiplicatori di frequenza hanno una soglia di applicabilità più elevata in termini di molteplicità.

Nei moltiplicatori di frequenza della bobina ferromagnetica che funzionano in modalità saturazione, la tensione di ingresso armonica crea una corrente impulsiva nel circuito di uscita a causa del processo di inversione della magnetizzazione del nucleo. Tali unità hanno una limitazione sulla frequenza operativa superiore, dove possono essere utilizzati circuiti con induttanze concentrate su ferrite. La conversione della potenza dell'oscillazione armonica in ingresso di frequenza ultraelevata fino a 3 GHz sotto forma di brevi impulsi con un elevato contenuto di armoniche superiori può essere effettuata utilizzando diodi di accumulo di carica con recupero netto.

Nella tabella 3.2 presenta i parametri di alcuni modelli di moltiplicatori e divisori di frequenza integrati a banda larga. Il modello D-0840 è un duplicatore di frequenza a diodo passivo con una gamma di frequenza di ingresso estremamente ampia - rapporto di sovrapposizione di frequenza kf= 5. Il coefficiente di attenuazione della potenza media della gamma è -15 dB. Il triplicatore di frequenza attivo ATA-0304 ha un coefficiente di sovrapposizione di frequenza kf- 1.33 potenza del segnale in uscita 15 dBm. Ciò è garantito da un amplificatore di potenza a banda larga integrato con una banda di frequenza di 9...12 GHz. Nel modello MAX5M65075 con moltiplicatore di frequenza 5x, l'amplificatore di potenza in uscita forniva un livello elevato di potenza in uscita e i filtri passa-basso sequenziali integrati (con una larghezza di banda di 12 GHz) e un filtro passa-alto (con una larghezza di banda di 1,5 GHz) fornito un livello attenuato migliorato (fino a - 40 dB). Tabella 3.2. Parametri dei moltiplicatori e divisori di frequenza integrati a banda larga

moltiplicatore o divisore	Circuito di ingresso		Circuito di uscita			SP (F), dB/Hz, F= 100 chilocicli		Modello, sito web
		/>«, dBm W		1 FUORI 1
							Passivo	D-0840,www. markimicrowave.com
								ATA-0304, www. markimicrowave.com
								HMC445LP4, www. ittite.com
								DV-1826,www. markimicrowave.com
								HMC437MS8G, www. ittite.com
								www.inphi-corp.com

Nota. x2 - duplicatore di frequenza; x3 - triplicatore di frequenza; x5 - moltiplicatore di frequenza attivo 5 volte; x 16 - moltiplicatore di frequenza attivo 16 volte; +2 - divisore di frequenza attivo per 2...

rimozione delle componenti armoniche indesiderate del segnale di uscita. Nei moltiplicatori e divisori di frequenza, oltre al parametro che caratterizza la composizione armonica del segnale di uscita - PSS OUT, indicano i valori di PSS IN, che mostra la proporzione di componenti spettrali indesiderati che compaiono nel circuito di ingresso a causa del passaggio inverso. Di norma, il valore di PSS VX è

10...20 dB inferiore a PSS OUT. Un problema molto difficile è stato risolto dagli sviluppatori e produttori del moltiplicatore di frequenza 16 volte modello HMC445LP4: nel circuito di uscita, la griglia delle armoniche presenti contemporaneamente ha un passo di 0,6...0,7 GHz rispetto alla frequenza media di 10. ..11GHz. Questo modello utilizza un circuito bilanciato per compensare le armoniche dispari della 15a e 17a e un filtro dielettrico passa-banda in uscita, ma nonostante ciò il livello PSS OUT supera -20 dB. Si può notare un livello molto basso di rumore di fase intrinseco S9 (F) per questo modello.

Divisori di frequenza. La divisione per due della frequenza di un segnale armonico in ingresso avviene nei circuiti parametrici con reattanza non lineare, ad esempio con varicap o con ferrite. Questa divisione parametrica per due della frequenza viene utilizzata nel range di frequenze di ingresso inferiore a 3...40 GHz, e se è necessario ottenere un coefficiente di divisione più elevato, tali nodi vengono collegati in cascata. Il vantaggio dei divisori di frequenza parametrici varactor è che la loro larghezza di banda è inferiore a un'ottava, poiché non utilizzano circuiti risonanti.

Nell'intervallo di frequenze di ingresso inferiori a 1 GHz, è possibile utilizzare divisori di frequenza del contatore digitale: in tali nodi il coefficiente di divisione della frequenza è impostato arbitrariamente e non vi è alcuna restrizione sulla frequenza operativa inferiore e, di conseguenza, sulla frequenza più alta coefficiente di divisione. Il segnale di uscita dei divisori di frequenza digitali è a due livelli: ha una forma di impulso a meandro con un duty cycle di 2. Se è necessario isolare da essi la componente armonica della frequenza divisa, l'elaborazione della frequenza viene eseguita utilizzando un passa-basso filtro con una frequenza di taglio pari al valore più alto della frequenza di uscita.

Moltiplicatori e divisori di frequenza introducono non solo errori regolari, ma anche casuali nella fase del segnale di uscita, che dipendono dal loro circuito, dalla progettazione del nodo, dalla molteplicità, dalla qualità del filtraggio e da altri fattori destabilizzanti. Pertanto, l'instabilità della fase e della frequenza del segnale di uscita del moltiplicatore o divisore di frequenza è leggermente superiore a quella del segnale di ingresso. La dipendenza dell'intensità del proprio rumore di fase vicino alla frequenza portante dalla frequenza di disaccordo è determinata dal circuito e dalla modalità operativa dell'elemento non lineare dell'unità di conversione di frequenza, che può essere appositamente progettato come a basso rumore. Ad esempio, nei divisori di frequenza in due gamme 1...2 GHz, il livello PSD del proprio rumore di fase “bianco” all'uscita S^(F)è -155...-140 dB/Hz quando scordato dalla frequenza portante F= 100 chilocicli.

Nei divisori di frequenza, come nei moltiplicatori di frequenza, c'è un'incertezza nello spostamento iniziale tra i tempi di passaggio per lo zero delle oscillazioni di ingresso e di uscita, che è un multiplo del periodo della frequenza più alta. Nella fase di accensione della fonte di alimentazione o come risultato dell'azione del rumore pulsato, la fase dell'oscillazione a frequenza più alta può cambiare di un numero intero di periodi della sua oscillazione rispetto alla fase dell'oscillazione a bassa frequenza. Il progettista del sintetizzatore di segnale deve valutare le conseguenze di questo fenomeno in base allo scopo e alle proprietà del sistema radio in cui verrà utilizzato.

Se il segnale di ingresso di un moltiplicatore di frequenza in l volte ha una modulazione angolare periodica (fase o frequenza) con deviazione di frequenza D/ e frequenza di modulazione FM, alla sua uscita la frequenza di modulazione non cambierà e la deviazione di frequenza sarà lD/ At allo stesso tempo, il livello di potenza delle bande laterali dello spettro di modulazione rispetto alla potenza di vibrazione della portante aumenta di 20 lg I, cioè per un duplicatore - di 6 dBc.

Il divisore di frequenza DV-1826 ha segnali di ingresso a onde millimetriche, quindi vengono utilizzate soluzioni high-tech per ospitare elementi a montaggio superficiale. I divisori di frequenza dei modelli HMC437MS8G e 25673DV-QFN sono progettati come contatori, quindi il coefficiente di divisione può essere dispari e non esiste un limite inferiore alla frequenza operativa: i microcircuiti producono una divisione di frequenza a banda larga per un numero specificato di volte in qualsiasi basso -gamma di frequenza fino a DC. Il chip divisore di frequenza in otto modelli 25673DV-QFN è progettato per funzionare in un intervallo di temperature esteso: da -55 a +125 °C. Si può notare che il rumore di fase intrinseco dei divisori di frequenza digitali è significativamente inferiore rispetto, ad esempio, a un VCO della stessa gamma.

Per il funzionamento delle stazioni radioamatoriali nelle sezioni ad alta frequenza delle bande VHF e microonde, gli oscillatori locali di ricevitori e trasmettitori diventano multistadio. L'oscillatore principale, che è il primo stadio dell'oscillatore locale, funziona solitamente a una frequenza piuttosto bassa.

Questo viene fatto per vari motivi.

Alle basse frequenze è più semplice selezionare il risonatore al quarzo richiesto o creare condizioni più favorevoli per la stabilizzazione della frequenza nei generatori con stabilizzazione parametrica.
Alle basse frequenze è più facile organizzare il controllo della frequenza del generatore.
I radioamatori non hanno risonatori al quarzo ad alta frequenza.

Un oscillatore locale multistadio è costituito da un generatore e successivi diversi stadi di moltiplicazione della frequenza al valore operativo richiesto. Quindi, ad esempio, se dobbiamo sviluppare un convertitore per ricevere segnali nella gamma 145 MHz per un ricevitore radio HF con una banda amatoriale di 21 MHz, dobbiamo creare un oscillatore locale con una frequenza operativa di 123 MHz.

Questa frequenza operativa può essere ottenuta in diversi modi, utilizzando un'ampia varietà di risuonatori al quarzo. Un'opzione potrebbe essere quella di utilizzare la RF ad una frequenza di 13,66 MHz.

In questo caso, il generatore stesso deve generare una frequenza di 13,66 MHz, e i due stadi successivi devono moltiplicare questa frequenza per 9 volte, cioè ciascuno degli stadi deve moltiplicare la frequenza per 3 o, come si suol dire, ciascuno di questi stadi deve funzionare in modalità triplicatore di frequenza.

Di norma, le cascate moltiplicatrici vengono utilizzate raramente nella pratica amatoriale.

Circuiti di semplici moltiplicatori di frequenza

In effetti, il moltiplicatore di frequenza non è una sorta di stadio speciale e insolito, ma è un normale stadio amplificatore ad alta frequenza. La Figura 1 mostra due circuiti di semplici moltiplicatori di frequenza.

Il circuito in Fig. 1 rappresenta una cascata UHF convenzionale. I resistori R1, R2 e R3 impostano la modalità operativa del transistor VT1. Il circuito L1C3 deve essere sintonizzato sulla frequenza dell'armonica desiderata delle oscillazioni elettromagnetiche che arrivano a questa fase attraverso C1 dalla fase precedente.

Il segnale della frequenza richiesta selezionata nel circuito L1C3 viene fornito allo stadio successivo attraverso il condensatore C5. Il resistore R4 e il condensatore C2 impediscono all'energia RF di entrare nel circuito di alimentazione (sono elementi di blocco).

Il circuito di Fig. 2 presenta già differenze significative rispetto al circuito precedente. La differenza principale è che il transistor VT1 in questo circuito funziona in modalità interruttore, ad es. la corrente scorre attraverso il transistor solo durante il passaggio di un impulso di oscillazione di semiciclo positivo attraverso la base del transistor, che entra attraverso C1.

Il circuito L1C3 è un carico parallelo sintonizzato sulla frequenza dell'armonica desiderata. Il segnale della frequenza richiesta selezionata in questo circuito viene fornito allo stadio successivo tramite C4.

Circuiti duplicatori push-pull

Il requisito che il segnale dell'oscillatore locale contenga un rumore minimo, che dipende dalla presenza di un gran numero di armoniche nel segnale, impone il compito di ridurre il numero di queste armoniche.

Il compito può essere svolto utilizzando speciali moltiplicatori a due transistor, in cui questi due transistor sono collegati in un circuito push-pull. La Figura 3 mostra un diagramma schematico di un duplicatore di frequenza push-pull.

Fig.3

I transistor nello schema di Fig. 3 sono collegati secondo il cosiddetto circuito push-pull. Il fatto è che i segnali antifase vengono ricevuti alla base di questi transistor e il transistor VT1 funziona durante un semiciclo del segnale in arrivo e il transistor VT2 funziona durante il secondo semiciclo.

Poiché questi due transistor funzionano su un carico comune, in questo carico durante un periodo della frequenza del segnale che entra nella cascata compaiono due periodi di una nuova doppia frequenza.

Se il segnale che arriva a tale stadio è sufficientemente forte, esattamente allo stesso modo la quarta armonica del segnale che arriva all'ingresso può essere isolata all'uscita.

Come avrete già notato, uno stadio duplicatore push-pull produce solo armoniche di numero pari nel suo carico. Tutte le armoniche dispari vengono soppresse e non sono più presenti nel segnale successivo.

Il segnale da raddoppiare è isolato nel circuito L1C. La bobina L2, composta da due fili separati, è avvolta sopra la bobina L1. La bobina L2 è realizzata come segue. È necessario misurare e tagliare due pezzi identici di filo sottile isolato, la cui lunghezza dovrebbe essere sufficiente per avvolgere 3...5 spire sulla bobina L1, di cui sarà composta la bobina L2.

Quindi le due estremità di entrambi i fili vengono fissate e i due fili vengono attorcigliati in un unico fascio. Dopo aver avvolto la bobina L2 con il fascio risultante e averne assicurato le spire, l'inizio di uno dei fili viene collegato all'estremità dell'altro filo. In questo modo si forma il punto centrale della bobina L2, che è collegata al corpo (messa a terra). La restante estremità del primo filo e l'inizio del secondo filo sono collegati, tramite i condensatori C1 e C2, alle basi dei transistor VT1 e VT2.

In questo modo viene organizzata l'alimentazione in controfase dei segnali alle basi VT1 e VT2.

Fig.4

La Figura 4 mostra un diagramma schematico della seconda versione di un duplicatore di frequenza push-pull. Il circuito di questa opzione è leggermente più semplice e contiene meno parti, ma funziona altrettanto efficacemente. Come avete già notato, in questa forma di realizzazione il carico dello stadio di raddoppio, il cui ruolo è svolto dal circuito L3C3, è collegato in serie.

In questo caso, è sempre necessario ricordare che le capacità di uscita dei transistor si sommano e che la presa per il collegamento della bobina deve essere posizionata più vicino all'estremità RF della bobina.

La corrente attraverso i transistor e con essa l'amplificazione del segnale raddoppiato viene regolata selezionando il valore della resistenza R1. La capacità C1 viene solitamente presa nell'intervallo 120...200 pF.

1. Introduzione

2. Revisione dei metodi per risolvere problemi simili

3. Selezione della giustificazione e calcolo preliminare dello schema strutturale

4. Descrizione del principio di funzionamento dello schema a blocchi

5. Descrizione del circuito elettrico e calcoli elettrici

6. Calcolo su un computer

7. Conclusione

8. Riferimenti

9. Elenco degli elementi per lo schema elettrico

1. introduzione

I moltiplicatori di frequenza, o come vengono chiamati in forma più dettagliata, sistemi per generare un insieme discreto di frequenze, sono attualmente molto diffusi in un'ampia varietà di tipologie di apparecchiature elettroniche.

Forni a induzione con correnti ad alta frequenza, comunicazioni radio, sistemi di radionavigazione e radar, circuiti di soppressione delle interferenze, sistemi di controllo della velocità del motore: questo non è un elenco completo delle applicazioni dei moltiplicatori di frequenza.

La comparsa dei primi sviluppi dei moltiplicatori di frequenza risale agli anni '30 e '40 del XX secolo.

In ingegneria elettrica ed elettronica moltiplicatore di frequenza chiamato dispositivo radioelettronico progettato per aumentare un numero intero di volte N la frequenza delle oscillazioni elettriche periodiche fornite in un dato intervallo di frequenza con la stabilità e la qualità richieste del segnale di uscita.

Parametro principale – fattore di moltiplicazione della frequenza N , definito come il rapporto tra la frequenza del segnale di uscita e la frequenza di ingresso:

(1.1)

Una caratteristica dei moltiplicatori di frequenza è la costanza N quando si modifica (in una certa regione finita) la frequenza del segnale di ingresso, nonché i parametri del moltiplicatore stesso (ad esempio, le frequenze di risonanza dei circuiti oscillatori o dei risonatori inclusi nel moltiplicatore di frequenza), ad es. In un moltiplicatore di frequenza, l'instabilità relativa della frequenza di oscillazione durante la moltiplicazione rimane costante. Questa importante proprietà consente l'uso di moltiplicatori di frequenza per aumentare la frequenza delle oscillazioni stabili in vari impianti di trasmissione radio, radar, misurazione e altri; in cui N possono arrivare a 10 o più.

Il problema principale nella progettazione dei moltiplicatori di frequenza è ridurre l'instabilità di fase delle oscillazioni di ingresso (a causa della natura casuale dei loro cambiamenti di fase), che porta ad un aumento dell'instabilità relativa della frequenza di uscita rispetto al valore corrispondente all'ingresso.

I moltiplicatori di frequenza più comuni sono costituiti da un dispositivo non lineare (ad esempio un transistor, un varicap, una bobina con nucleo di ferrite) e uno o più filtri elettrici. Un dispositivo non lineare modifica la forma delle oscillazioni di ingresso, per cui nello spettro di oscillazione all'uscita compaiono componenti con frequenze multiple della frequenza di ingresso. Queste oscillazioni complesse vengono inviate all'ingresso di un filtro, che seleziona un componente con una determinata frequenza

, sopprimendo (non lasciando passare) il resto. Tali dispositivi vengono utilizzati per moltiplicare la frequenza delle oscillazioni armoniche.

Vengono utilizzati anche moltiplicatori di frequenza, il cui funzionamento si basa sulla sincronizzazione delle oscillazioni dell'oscillatore. In tali dispositivi, le oscillazioni vengono eccitate con una frequenza

, che diventa esattamente uguale sotto l'influenza delle oscillazioni che arrivano all'ingresso con frequenza . Lo svantaggio di questi moltiplicatori di frequenza è la banda di valori relativamente ristretta alla quale è possibile la sincronizzazione.

Inoltre, a differenza dei moltiplicatori di frequenza convenzionali, i moltiplicatori sfasatori possono fornire un segnale di uscita spettralmente puro che non richiede filtraggio. Utilizzando circuiti di differenza di fase a banda larga per la divisione di fase, è possibile implementare moltiplicatori indipendenti dalla frequenza che operano in una gamma che copre molte ottave.

Attualmente sono stati individuati i seguenti metodi principali per la costruzione dei moltiplicatori di frequenza:

– indiretto basato su sistemi PLL (Pulse-Phase-Locked Loop);

– Dritto utilizzo di elementi filtranti basati sulle onde acustiche superficiali;

– digitale sulla base di procedure computazionali.

Va notato che i moltiplicatori di frequenza con IPLF rientrano tra i sistemi estremamente dinamici e in via di sviluppo per generare un insieme discreto di frequenze. Un ruolo decisivo in questo caso è giocato dai vantaggi più importanti dei moltiplicatori di frequenza e degli IPLL, come la capacità di implementare caratteristiche spettrali e dinamiche accettabili di alta qualità con buoni indicatori generali, energetici e altri.

2. Revisione dei metodi per risolvere problemi simili

Diamo un'occhiata ad alcuni circuiti e metodi per costruire moltiplicatori di frequenza. Il processo di moltiplicazione della frequenza su un elemento non lineare si riduce a quanto segue: il segnale di ingresso agisce su un elemento non lineare o su un risonatore non lineare, a seguito del quale un'oscillazione sinusoidale si trasforma in un'oscillazione periodica non sinusoidale, che corrisponde a una serie infinita delle componenti sinusoidali. Il risuonatore seleziona quindi il componente su cui è sintonizzato, con il risultato che l'armonica selezionata domina su tutte le altre in uscita.

L'entità delle armoniche laterali è determinata dal fattore di qualità del risonatore e per ridurle è necessario aumentare il fattore di qualità dei risonatori. Tuttavia, il valore del fattore di qualità dei risonatori, soprattutto alle onde lunghe e corte, è limitato e in questo caso vengono utilizzati filtri speciali o vari stadi buffer per attenuare le armoniche laterali.

L'indicatore principale di un moltiplicatore di frequenza su un elemento non lineare passivo è il fattore di efficienza η, che è inteso come il rapporto tra la potenza dell'N-esima armonica nel carico

alla potenza consumata dall'eccitatrice:

Valori di efficienza così bassi dovuto al fatto che, a causa delle proprietà raddrizzanti della resistenza attiva non lineare, la maggior parte della potenza dell'eccitatrice viene convertita in potenza di corrente continua e rilasciata nel circuito di polarizzazione.

Se si utilizza la reattanza non lineare per i circuiti di moltiplicazione della frequenza, a causa dell'assenza di perdite di potenza in un elemento non lineare con filtraggio ideale nei circuiti di ingresso e uscita, l'efficienza il moltiplicatore sarà uguale.

La capacità non lineare viene solitamente utilizzata come reattanza non lineare nei moltiplicatori di frequenza P -N transizione.

Figura 2.1. Schema a blocchi di un moltiplicatore di frequenza basato su un elemento non lineare. 1 – filtro accordato su un'armonica vicina alla prima; n – filtro sintonizzato sull'ennesima armonica.

Il principio di funzionamento dei moltiplicatori che utilizzano sfasatori è mostrato in Fig. 2.2. La frequenza dell'onda sinusoidale viene moltiplicata per N dividendo la tensione di ingresso in N fasi diverse equidistanti tra loro su un intervallo di 360°. N segnali con fasi diverse pilotano N transistor funzionanti in modalità classe C, i cui segnali di uscita vengono combinati per formare un impulso ogni 360°/N gradi. Utilizzando N transistor, la potenza del segnale di ingresso può essere N volte la potenza richiesta per saturare il transistor.

Figura 2.2. Schema a blocchi di un moltiplicatore di frequenza che utilizza sfasatori.

Il circuito di un semplice moltiplicatore di frequenza con un fattore di moltiplicazione variabile e sincronizzazione rigida dei segnali di uscita rispetto ai segnali di ingresso è mostrato in Fig. 2.3. È costituito da un generatore di impulsi su tre inverter DD1.1-DD1.3 e uno stadio di sincronizzazione sul transistor VT1.

Quando non sono presenti impulsi di clock in ingresso, il multivibratore su DD1.1-DD1.3 funziona in modalità normale. Se il generatore utilizza un microcircuito con due diodi di protezione all'ingresso, il tempo di ricarica del condensatore C1 per qualsiasi polarità è lo stesso e il periodo dell'impulso sarà 1,4 R3 C1 e la frequenza f sarà 0,7/(R3 C1).

Quando impulsi positivi dell'ingresso di frequenza F arrivano all'ingresso VT1 (Fig. 2.3), il transistor si apre nei momenti t 1, t 3, il che porta ad un'interruzione del processo di ricarica periodica. Dopo averlo chiuso dall'istante t 2, t 4, riprende il processo di generazione.Il generatore genera impulsi sincroni rispetto a quelli in ingresso con una frequenza

F fuori = kF dentro, (2.3)

Figura 2.3. Diagramma schematico di un moltiplicatore di frequenza con sincronizzazione dura.

dove k è un coefficiente di moltiplicazione variabile determinato dagli elementi R3, C1 e Fin è la frequenza degli impulsi di ingresso.

Qualsiasi microcircuito inverter delle serie K176, K561, KR1561 può essere utilizzato come elementi DD1. Inoltre gli elementi DD1.1, DD1.2 possono essere senza inversione (buffer) o con isteresi (trigger Schmitt).Il transistor della serie KT315 può essere sostituito con un altro simile.

Questo dispositivo, quando alimentato all'ingresso con impulsi di frequenza di scansione televisiva orizzontale, consente di selezionare sezioni rigorosamente definite della linea raster per generare o leggere informazioni.

Il moltiplicatore di frequenza può anche essere progettato su uno stadio amplificatore risonante. Un amplificatore risonante è un amplificatore il cui carico è un circuito risonante sintonizzato sulla frequenza del segnale amplificato. La reattanza variabile viene utilizzata per la sintonizzazione del circuito. Gli amplificatori risonanti sono amplificatori selettivi ad alta frequenza. Nella radioingegneria si intende isolare dai segnali di ingresso con frequenze diverse solo gruppi di segnali con frequenze simili che trasportano le informazioni necessarie. Gli amplificatori risonanti devono avere il massimo guadagno possibile, elevata selettività e stabilità, basso livello di rumore, facilità di controllo, ecc.

Domande di studio:

1 Scopo dei moltiplicatori di frequenza

1 Scopo dei moltiplicatori di frequenza

Un amplificatore intermedio, la cui frequenza di oscillazione all'uscita è maggiore della frequenza di oscillazione all'ingresso di un numero intero di volte (solitamente 2 o 3 volte) fBыx = nfBX, dove n è il fattore di moltiplicazione, è chiamato moltiplicatore di frequenza .

L'uso di moltiplicatori di frequenza nei trasmettitori consente:

1) abbassare la frequenza dell'oscillatore principale mantenendo una frequenza più alta all'uscita del trasmettitore e, quindi, utilizzare la stabilizzazione della frequenza al quarzo nei trasmettitori a onde corte e ultracorte, poiché le piastre di quarzo direttamente per HF e VHF sono meccanicamente fragili e non può essere utilizzato; i risonatori al quarzo sono prodotti per frequenze non superiori a 100 MHz e l'uso di moltiplicatori consente di ottenere oscillazioni stabilizzate al quarzo fino a migliaia di megahertz; inoltre, con la stabilizzazione della frequenza senza quarzo, i parametri del circuito auto-oscillatore a una frequenza più bassa sono migliori;

2) espandere la gamma d'onda del trasmettitore n volte senza espandere la gamma d'onda dell'oscillatore principale;

4) aumentare la stabilità della frequenza dell'eccitatore, poiché a diverse frequenze di sintonizzazione dei circuiti di ingresso e di uscita del moltiplicatore, la modifica dell'accordatura del circuito di ingresso non ha quasi alcun effetto sull'accordatura del suo circuito di uscita e, di conseguenza, sulla messa a punto del circuito dello stadio precedente;

5) aumentare la deviazione di frequenza o di fase durante la modulazione di frequenza o di fase;

6) generare una varietà di frequenze stabilizzate al quarzo in sintetizzatori di frequenza per eccitatori di trasmettitori a banda larga.

Il moltiplicatore di frequenza deve essere costituito da un convertitore non lineare dell'oscillazione armonica in ingresso e da un filtro che seleziona l'armonica richiesta. Sulla base di ciò, il diagramma funzionale del moltiplicatore di frequenza può essere presentato in forma generale, come mostrato in Fig.

Qui Z1 e Z2 sono circuiti di filtraggio e adattamento e l'UE è un elemento amplificatore con proprietà non lineari.

All'ingresso del moltiplicatore viene fornita una tensione armonica (sinusoidale). Il circuito di ingresso Z1 garantisce l'adattamento della sorgente di questa tensione con l'elemento amplificatore (non lineare) (NE). In un elemento amplificatore non lineare, la tensione armonica viene convertita in una tensione impulsiva non armonica, il cui spettro è ricco di armoniche. Il compito del circuito di uscita è isolare la componente armonica richiesta nfBх dallo spettro degli impulsi, sopprimere tutte le altre armoniche e trasformare la resistenza complessa Zн nella resistenza attiva richiesta, garantendo la modalità specificata dell'elemento non lineare del NE. Tubi elettronici, transistor e diodi vengono utilizzati come elementi non lineari. I moltiplicatori a tubi e transistor amplificano le oscillazioni, i diodi no.

2 Circuiti moltiplicatori di frequenza che utilizzano transistor e tubi

Il diagramma schematico di un generatore moltiplicatore di frequenza non è diverso nella sua costruzione dal circuito generatore-amplificatore. L'unica differenza è che il circuito di uscita del moltiplicatore non è sintonizzato sull'armonica fondamentale (prima) della corrente di uscita, ma sulla seconda, terza, ecc. In questo caso, il circuito di uscita avrà la massima potenza nelle oscillazioni con la frequenza su cui è sintonizzato.

Uno schema pratico del moltiplicatore di frequenza a transistor è mostrato in Fig. 1,65.

All'ingresso del circuito viene applicata un'oscillazione con frequenza ω. Il partitore di tensione di base imposta il transistor in modalità classe B o C. Durante uno dei semicicli della tensione di ingresso, il transistor si apre e la corrente scorre nel circuito del collettore sotto forma di una sequenza periodica di impulsi. Il carico selettivo del collettore è un filtro passa banda a doppio circuito con accoppiamento capacitivo esterno CCB, sintonizzato sulla seconda o terza armonica della tensione di ingresso. L'uscita del circuito produce una tensione con frequenza doppia o tripla.

Dall'analisi delle oscillazioni del secondo tipo si nota che all'aumentare del numero armonico diminuisce l'ampiezza delle componenti armoniche. Maggiore è il numero dell'armonica su cui è sintonizzato il circuito di uscita del moltiplicatore, minore è l'ampiezza della corrente di uscita con la stessa ampiezza dell'impulso Iout n = αnIout.max Di conseguenza, la potenza oscillatoria all'uscita del moltiplicatore sarà minore è, maggiore è il (fattore moltiplicativo. La diminuzione del coefficiente di valore αn avviene in modo approssimativamente inversamente proporzionale al numero armonico αn max - α1 max /n. La potenza oscillatoria nella modalità di moltiplicazione della frequenza è circa n volte inferiore rispetto all'amplificazione della prima armonica modalità Pn~P1/n Pertanto la moltiplicazione è più del doppio poiché una cascata non è pratica, se è necessario moltiplicare la frequenza più volte si utilizzano più cascate di duplicatori o triplicatori.

Lo schema di un moltiplicatore di frequenza a tubo è mostrato in Fig. 1.67. I processi fisici in questo circuito procedono allo stesso modo del circuito dell'amplificatore, con l'unica differenza che il circuito nel circuito dell'anodo è sintonizzato sulla seconda armonica della tensione sulla griglia della lampada.

Per ottenere il modo limite la resistenza del circuito deve essere tanto maggiore quanto maggiore è il numero delle armoniche assegnate (Ren = nR1). La realizzazione di un tale circuito presenta notevoli difficoltà tecniche, soprattutto nei circuiti ad onde corte e ultracorte Inoltre all'aumentare di Re diminuisce l'efficienza del circuito di uscita.

3 Moltiplicatori di frequenza utilizzando varicap e varactor

Un varicap è un diodo semiconduttore la cui capacità cambia al variare della tensione applicata (variren - cambiamento, capazitat - capacità). La capacità della giunzione pn è costituita dalla capacità di barriera Cb e dalla capacità di diffusione Cd. Quando la giunzione è chiusa la principale è la capacità di barriera; quando la giunzione è aperta è la capacità di diffusione. Entrambe le capacità dipendono in modo non lineare dalla tensione applicata. Nella fig. La Figura 1.69 mostra le dipendenze della barriera Sb, della diffusione Sd e delle capacità risultanti Sb=Sb + Sd dal valore della tensione applicata ai suoi elettrodi. Qui Svar è la capacità dei varicap. I diodi a bassa potenza con capacità non lineare sono chiamati varicap, mentre i diodi ad alta potenza sono chiamati varactor.

Un varicap viene solitamente utilizzato in modalità massima e la sezione di lavoro della sua caratteristica C=f (U) è la parte corrispondente allo stato chiuso del varicap. La resistenza interna del varicap è prevalentemente reattiva, le perdite di potenza in esso contenute sono insignificanti e il coefficiente di trasferimento di potenza è piuttosto elevato: 0,75 nel duplicatore e 0,4 nel triplicatore. Il coefficiente di trasmissione qui è il rapporto tra le potenze assegnate e le prime armoniche. I duplicatori e triplicatori di frequenza a bassa potenza vengono solitamente eseguiti utilizzando varicap. I varactor vengono utilizzati per eseguire moltiplicatori di ordine superiore (n-10... 15) e con potenza maggiore.

L'uso di moltiplicatori di frequenza varactor nei dispositivi di trasmissione radio a onde ultracorte consente di utilizzare transistor in questo intervallo. I moderni oscillatori a transistor funzionano a frequenze fino a 10 GHz. L'ottenimento di frequenze più alte si ottiene come segue. Dopo l'oscillatore principale vengono installati diversi amplificatori a transistor che aumentano la potenza di oscillazione ad un valore leggermente superiore alla potenza specificata nell'antenna. E poi vengono attivati ​​i moltiplicatori varactor, che aumentano la frequenza al valore operativo. Ma l'efficienza del trasmettitore diminuisce. Tuttavia, le perdite di energia sono giustificate dall'ottenimento di frequenze elevate, che non possono essere ottenute utilizzando i soli transistor.

Un varicap (o varactor) in un moltiplicatore di frequenza può essere collegato in un circuito parallelo (Fig. 1.70,a) o seriale (Fig. 1.70,6).

Il circuito di ingresso del moltiplicatore è sintonizzato sulla prima armonica della corrente e l'uscita L2C2 sulla seconda o n-esima armonica. Un pratico circuito moltiplicatore ha circuiti aggiuntivi: alimentazione, filtraggio, sintonizzazione, adattamento.

All’aumentare del fattore di moltiplicazione n, la potenza e l’efficienza diminuiscono. È possibile aumentare l'efficienza e la potenza di uscita del moltiplicatore a n > 3 utilizzando dispositivi elettronici attivi operanti in classe D.