Умножители частоты для укв радиоаппаратуры

Введение

Проблема формирования сверхширокополосного СВЧ-сигнала наиболее актуальна при разработке современных систем связи, радиолокационных и измерительных систем.

Устройства масштабирования СВЧ-сигнала (умножители частоты) являются важным компонентом сверхширокополосных систем. Актуальность подобных устройств обусловлена тем, что первичные источники сигнала (генераторы на фундаментальной гармонике), как правило, имеют очень узкий диапазон перестройки частоты, и для обеспечения широкой полосы частот требуется масштабирование исходного сигнала в несколько раз . Эту функцию выполняют умножители частоты. Главной частью любого умножителя частоты является нелинейный элемент. Традиционно в пассивных умножителях в качестве такового используются диоды с барьером Шоттки, поскольку они имеют высокую скорость переключения, что обеспечивает работоспособность в диапазоне СВЧ .

Известны умножители частоты на 2 и на 3 как в монолитном, так и в гибридном исполнении, например HMC–XTB110 , TGC1430G , D‑0840 . В  предложен утроитель в монолитном исполнении для диапазона выходных частот 3–30 ГГц. К недостатку упомянутой топологии можно отнести отсутствие фильтрующих элементов на входе и выходе схемы, а также сравнительно высокие потери преобразования.

В этой работе представлены результаты моделирования и измерения трех умножителей частоты с диапазонами выходных частот 10–26 ГГц (удвоитель), 22,5–51 ГГц (утроитель), 20–60 ГГц (удвоитель). Микросхемы реализованы на основе монолитной интегральной технологии на подложке из арсенида галлия (GaAs).

Схемы простых умножителей частоты

Фактически умножитель частоты не является каким-то необычным, специальным каскадом, а представляет собой обычный усилительный каскад высокой частоты. На рис. 1 и Рис. 2 приведены две схемы простых умножителей частоты.

Схема на рис. 1 представляет собой обычный каскад УВЧ. Резисторами R1, R2 и R3 устанавливается режим работы транзистора VТ1. Контур L1C3 должен быть настроен на частоту нужной гармоники электромагнитных колебаний, поступающих на этот каскад через С1 от каскада предыдущего.

Выделенный в контуре L1C3 сигнал нужной частоты подается к следующему каскаду через конденсатор С5. Резистор R4 и конденсатор С2 предотвращают попадание ВЧ энергии в цепи питания (являются блокировочными элементами).

Рис. 1. Схема умножителя частоты.

Рис. 2. Схема умножителя частоты, второй вариант.

Схема на рис. 2 уже имеет значительные отличия от предыдущей схемы. Главное отличие в том, что транзистор VТ1 в этой схеме работает в ключевом режиме, т.е. ток через транзистор протекает только во время прохождения через базу транзистора импульса положительного полупериода колебаний, которые поступают через С1.

Контур L1C3 является параллельной нагрузкой, настроенной на частоту нужной гармоники. Выделенный в этом контуре сигнал нужной частота подается к следующему каскаду через С4.

Гибкость относительно частоты

На данный момент, у нас есть хорошая идея о том, как, используя ФАПЧ, умножить входную частоту, и как изменить схему так, чтобы «коэффициент усиления» по частоте не испортил бы наш переходной процесс. Однако пока функциональность схемы несколько ограничена.

Допустим, мы потратили хорошие деньги на очень качественный кварцевый генератор с тактовой частотой 1 МГц, а затем занялись разработкой потрясающей системы ФАПЧ, чтобы смочь генерировать различные частоты из этого опорного тактового сигнала. Однако при наличии только делителя в пути обратной связи частотные параметры будут довольно ограничены: 2 МГц, 3 МГц, 4 МГц и так далее. И, фактически, если мы реализуем деление с помощью каскадно включенных триггеров, делящих на два, мы будем ограничены: 2 МГц, 4 МГц, 8 МГц и так далее.

В некоторых приложениях это может быть приемлемо, но если вы хотите большей гибкости, вы можете включить делитель частоты перед фазовым детектором:

Добавляем делитель частоты для опорного сигнала в системе ФАПЧ

Теперь у нас есть N_вход и N_{обратная связь}. Входная частота системы ФАПЧ становится равной f_{опорная}/N_вход, а затем эта частота умножается на N_{обратная связь}. Таким образом,

\

Как видите, теперь у нас есть возможность умножать опорную частоту на дробные значения, а не только на целые числа.

Возможно, вы слышали термин «система ФАПЧ с дробным N», и было бы вполне понятно, если бы предположили, что это относится к архитектуре «дели и умножай», показанной выше. Однако это не так. Системы ФАПЧ с дробным N основаны на более сложной технологии, в которой значение делителя частоты изменяется между N и N+1 таким образом, чтобы создать среднее значение делителя, равное N плюс дробь. Этот процесс приводит к нежелательной модуляции частоты ГУН, но отрицательные эффекты этой модуляции могут быть смягчены путем рандомизации и формирования шума.

Умножитель промежуточных частот

Ниже приведено (рис.4) практическая схема (из Интернета) фазового учетверителя частоты с 7,5 МГц до 30 МГц, иллюстрирующая изложенные выше принципы построения этого типа радиосхемотехники и проверенная но практике.

Для ввода транзисторов в режим класса С достаточно на входе схемы установить напряжение исходной частоты кварца порядка 4,3 В.

Рис. 4. Схема умножителя промежуточных частот.

На входе верхней части половины схемы используется фазосдвигающая цепочка но 90° RCL-типа (рис.3,6). В качестве L используется эквивалентная индуктивность (показано но рисунке стрелкой) первичной обмотки фазорасщепительного трансформатора 0°/180°.

Оба трансформатора выполнены но высокочастотном ферритовом сердечнике с р=35. Но выходах этих двух трансформаторов образуется последовательно сверху вниз набор фаз 90°/270°/0°/180°.

На выходе общей суммирующей коллекторной нагрузки четырех транзисторов установлена П-образная согласующая цепь в виде фильтра нижних частот, обеспечивающая оптимальное согласование с 50-омной нагрузкой и дополнительное подавление паразитных частотных составляющих.

При симметрировании схемы обеспечивается степень подавления исходной частоты, второй и третьей гармоники но 50 дБ относительно уровня полезной четвертой гармоники но частоте 30 МГц. Никакой дополнительной фильтрации на выходе фазового умножителя не требуется.

В качестве активных цепей умножителей в фазных каналах можно использовать усилители в режиме класса С на транзисторах любого типа средней мощности подходящего частотного диапазона. Но нагрузке 50 Ом такой умножитель развивает мощность до 100 мВт на частоте 30 МГц при напряжении питания 12 В и токе потребления до 20 мА.

С. Артюшенко, г. Киев.

Литература:

1. Скорик £. Т. Радиолюбителям о цифровой радиосвязи. РА-2001-05.
2. Артюшенко. С.В. Диодная схемотехника. РА-2006-04.

Фазовращатели

Фазовращатели, кок элементы радиосхемотехники недостаточно широко применяются в радиолюбительской практике и поэтому менее известны. Простейший

фазовращатель — это, например, обычная RC цепочка, используемая в качестве переходной между усилительными каскадами.

Так кок емкостной ток всегда сдвинут на 90° относительно приложенного напряжения, то любая RC-цепочка сдвигает фазу ф в пределах 2-го квадранта на фазовой плоскости диаграммы фазовых состояний Q/I (активной/реактивной составляющих полного сопротивления) но величину, зависящую от постоянной времени RC цепочки т. Чем больше величина t=RC, тем ближе ф к 0°.

При R>0 сдвиг фаз только лишь приближается к 90°. Поэтому для получения ф=90° на RC-цепочке с резистором R с конечной величиной сопротивления используют две RC-цепочки с т~45°, включенные последовательно (рис.3,а).

Рис. 3. Схема фазовращателя (а).

Еще один тип фазовращателя использует комбинированную цепочку RCL (рис.3,6). При равенстве реактивных сопротивлений XL=X(~, что соответствует условию последовательного резонанса, сдвиг фаз равен точно 90° вне зависимости от сопротивления резистора R, который в этом случае используется для регулировки амплитуды сигнола в этом плече.

Рис. 3. Схема фазовращателя (б).

Рис. 3. Схема фазовращателя (в).

Известно также, что в простом резонансном контуре с параллельным резонансом при перестройке контура в пределах полосы пропускания по уровню 0,7 от максимального значения амплитуды фазовая характеристике при резонансе изменяется в пределах ±45°, что также используется но практике.

Сдвигают фазу также высокочастотные линии задержки (ЛЗ) типа длинных линий или набора LC цепочек, причем ф=2тіІ0т, где т — задержка ЛЗ.

Последнее соотношение означает, что на каждый 1 МГц частоты на 1 мкс задержки наблюдается задержка фазы на 2ті, т.е. но полный период 360°.

Все приведенные выше фазовращатели по определению относятся к так называемым минимально-фазовым цепям. Они используются в качестве «строительных блоков» при построении более сложных не минимально-фазовых цепей мостового типа.

Для получения регулируемой величины сдвига фаз используется мостовая схема (рис.3,в), в одном плече которой устанавливается конденсатор, а в другом -переменный резистор.

По векторной диаграмме можно показать, что сдвиг фаз при изменении R изменяется в пределах двух квадрантов 0 .180° и может быть точно выставлен но 90° при R=l/2Ttf0C.

Известны также конструкции механически устанавливаемых фазовращателей но всю шкалу 360° на основе сельсинов -электромашин с вращающимися магнитными полями по статору и сигналом переменной фазы, снимаемым с ротора.

Следует отметить, что все типы простых фазовращателей на основе цепей CLR являются частотно-зависимыми, хотя и не столь критичными, кок в случае резонансных цепей.

Для построения базовых частотно-независимых квадратурных цепочек 90° используются более сложные специальные схемы, известные из техники однополосной модуляции как схемы Гильберта.

Медицина

Одним из «экзотических» примеров применения УН в медицинской аппаратуре является его использование в конструкции электроэффлювиальной люстры (ЭЛ), которая предназначена для получения потока отрицательных ионов, оказывающих благоприятное воздействие на дыхательные пути человека.

Для получения высокого отрицательного потенциала для излучающей части генератора аэроионов использован УН с отрицательным выходным напряжением. Из-за достаточно большого объема вспомогательной информации рекомендации по конструкции и применению ЭЛ выходят за рамки настоящей статьи, поэтому ЭЛ упомянута только информативно.

Небольшой пример

Следующая схема является LTspice версией петли фазовой автоподстройки частоты. Если вы читали предыдущие статьи, то уже хорошо знакомы с ней. Хотя сейчас в ней появился новый компонент: в петлю обратной связи я добавил D-триггер, включенный как счетчик деления на два.

Схема системы ФАПЧ с умножением частоты

Ниже приведен график, который показывает входной и выходной сигналы (после того, как система ФАПЧ достигла синхронизации).

Осциллограммы входного и выходного сигналов системы ФАПЧ

Выходной и входной сигналы имеют постоянное фазовое соотношение (как и ожидалось при выполнении условия синхронизации), но выходная частота значительно выше входной частоты. Ожидается, что выходная частота будет в два раза выше, и мы можем легко это подтвердить, посмотрев на результаты FFT (БПФ, быстрого преобразования Фурье):

Результаты FFT преобразования входного и выходного сигналов

Зачем?

Всегда хорошо знать, зачем вы хотите что-то сделать, прежде чем делать это. В случае умножения частоты с помощью ФАПЧ мы пытаемся создать выходной сигнал с частотой, равной входной частоте, умноженной на некоторую константу. Это может показаться несколько ненужной задачей – почему бы просто не купить другой компонент генератора, который напрямую обеспечивает нужную частоту? Оказывается, существуют различные ситуации, в которых метод ФАПЧ весьма полезен:

• Система, построенная на основе ФАПЧ и низкочастотного кварца, может снизить стоимость по сравнению с системой, в которой просто используется высокочастотный кварц.
• С помощью ФАПЧ коэффициент умножения может быть изменен без каких-либо модификаций аппаратного обеспечения. Таким образом, с помощью одной схемы генератора может быть получено много разных частот.
• Петля ФАПЧ, встроенная в микропроцессор, может генерировать высокочастотный тактовый сигнал именно там, где он необходим, что устраняет сложности (я имею в виду электромагнитные помехи и возможные отражения), связанные с передачей высокочастотных сигналов через дорожки на печатной плате.
• Свойства частотной синхронизации петли ФАПЧ позволяют генерировать высококачественный (и высокочастотный) периодический сигнал с помощью генератора низкого качества. Для меня это самая важная причина, поскольку она наиболее полно отображает основные функциональные возможности систем ФАПЧ. Я не стал бы ожидать, что независимый ГУН будет генерировать тактовый сигнал с частотой, которой можно точно управлять, и которая очень стабильна во времени и температуре. Однако синхронизирующее действие ФАПЧ позволяет ГУН генерировать точный и стабильный тактовый сигнал: если у вас есть, например, низкочастотный кварцевый генератор с превосходными точностью и стабильностью, система ФАПЧ «унаследует» эти качества (при этом выдавая более высокую частоту) путем синхронизации/привязки к сигналу с кварцевого генератора.

Последовательный многозвенный однополупериодный выпрямитель

Последовательный многозвенный однополупериодный выпрямитель (рис.3) с умножением напряжения чаще всего применяется при малых (до 10…15 мА) токах нагрузки.

Его схема состоит из однополупериодных выпрямителей — звеньев, в следующем алгоритме — одно звено (диод и конденсатор) — просто од-нополупериодный выпрямитель, состоящий из диода и конденсатора (выпрямителя и фильтра), два звена — умножитель напряжения в два раза, три — в три раза и т.д.

Величины емкости каждого звена в большинстве случаев одинаковы и зависят от частоты питающего УН напряжения и тока потребления .

Рис. 3. Схема многозвенного однополупериодного умножителя напряжения.

Конденсаторные установки крм

Физические процессы увеличения напряжения в многозвенном однополупериодном (рис.3) УН удобно рассматривать при подаче на него переменного синусоидального напряжения. Работает УН следующим образом.

При положительной полуволне напряжения на нижнем выводе вторичной обмотки Т1 через диод VD1 течет ток, заряжая конденсатор С1 до амплитудного значения.

При положительной полуволне питающего напряжения на нижнем выводе вторичной обмотки Т1 к аноду VD2 прикладываются сумма напряжений на вторичной обмотке и напряжение на конденсаторе С1; в результате чего через VD2 проходит ток, потенциал правой обкладки С2 относительно общего провода увеличивается до удвоенного входного напряжения и т.д. Отсюда следует, что чем больше звеньев, тем большее постоянное напряжение (теоретически) можно получить от УН.

Для правильного понимания образования и распределения потенциалов, возникающих на радиоэлементах при работе УН, предположим, что один входной импульс (ВИ) полностью заряжает конденсатор С1 (рис.3) до напряжения +U.

Представим второй положительный импульс, возникающий на верхнем выводе Т1 и поступающий на левую по схеме рис.3 обкладку С1 так же в виде заряженного до напряжения +U конденсатора (Си).

Их совместное соединение (рис.4) примет вид последовательно соединенных конденсаторов. Потенциал на С1 относительно общего провода увеличится до +2U, VD2 откроется, и до +2U зарядится конденсатор С2.

Рис. 4. Схема умножителя напряжения.

При появлении импульса величиной +U на нижнем выводе Т1 и суммировании его аналогичным образом с напряжением +2U на конденсаторе С2, через открывшийся VD3 на C3 появится напряжение +3U и т.д.

Снабберы, способные полностью подавлять пики напряжения

Из приводимых рассуждений можно сделать вывод, что величина напряжения относительно «общего» провода (рис.3) только на С1 будет равна амплитудному значению входного напряжения, т.е. +U, на всех же остальных конденсаторах умножителя напряжение будет ступенчато увеличиваться с шагом +2U.

Однако для правильного выбора рабочего напряжения используемых в УН конденсаторов имеет значение не напряжение на них относительно «общего» провода, а напряжение, приложенное к их собственным выводам. Это напряжение только на С1 равно +U, а для всех остальных оно независимо от ступени умножения равно +2U.

Теперь представим окончание времени действия импульса ВИ, как замыкание конденсатора Си (рис.4) перемычкой (S1). Очевидно, что в результате замыкания потенциал на аноде VD2 понизится до величины +U, а к катоду будет приложен потенциал 2U. Диод VD2 окажется закрытым обратным напряжением 2U-U=U.

Отсюда можно сделать вывод, что к каждому диоду УН относительно собственных электродов приложено обратное напряжение, не больше амплитудного значения импульса напряжения питания. Для выходного же напряжения УН все диоды включены последовательно.

Вспомогательная информация

• Что такое петля фазовой автоподстройки частоты?
• Как промоделировать работу петли фазовой автоподстройки частоты
• Понятие переходного процесса в системе фазовой автоподстройки частоты
• Как оптимизировать переходной процесс петли ФАПЧ
• Проектирование и моделирование оптимизированной петли фазовой автоподстройки частоты
• Применение ФАПЧ: умножение частоты

В предыдущей статье об умножении частоты мы видели, что система с фазовой автоподстройкой частоты может генерировать выходной сигнал с частотой, которая выше частоты входного (опорного) сигнала. Это достигается включением делителя частоты в петлю обратной связи.

Структурная схема системы ФАПЧ с делителем частоты

Этот высокочастотный сигнал «наследует» от входного сигнала необходимые характеристики (то есть точность и стабильность частоты во времени и температуре). Следовательно, низкокачественный генератор, управляемый напряжением, в сочетании с высококачественным (но низкочастотным) опорным сигналом может создавать высококачественный высокочастотный сигнал.

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

В радиолюбительской практике часто требуется несколько напряжений для питания слаботочных узлов (специализированных микросхем, предварительных усилителей и т.п.), а имеющийся источник питания выдает одно напряжение. Чтобы не искать трансформатор с дополнительными обмотками, можно воспользоваться схемами умножения напряжения. Схема ниже:

Предлагаем еще несколько схем умножения напряжения. Изображена мостовая двухтактная схема удвоения напряжения. В этой схеме частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети (fn=2fc), обратное напряжение на диодах в 1,5 раза больше выпрямленного, коэффициент использования трансформатора — 0,64. Ее можно представить в виде двух последовательно включенных однополупериодных схем, работающих от одной обмотки трансформатора и подключенных к общей нагрузке. Если среднюю точку (точку соединения конденсаторов) подключить к общему проводу, получится двухполярный источник с выходным напряжением ±U. Вторая схема удвоения напряжения показана на рисунке 2, который вы видите ниже:

В ней вход (вторичная обмотка трансформатора) и выход имеют общую точку, что в ряде случаев может оказаться полезным. Здесь в течение отрицательного полупериода входного напряжения конденсатор С1 заряжается через диод VD2 до напряжения, равного амплитудному значению U-1. Во время положительного полупериода диод VD2 закрыт, а конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с вторичной обмоткой Т1, поэтому конденсатор С2 через диод VD1 заряжается до удвоенного значения напряжения. Добавив к данной схеме еще один диод и конденсатор, получим варианты утроителей напряжения, которые представлены на следущих рисунках:

Схему на рис.2 можно каскадировать и получать весьма высокие напряжения. Такой каскадный умножитель представлен на рисунке:

В этой схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного напряжения Ui (Uc=2Ui), а С1 заряжается только до Ui. Таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким. Максимальный ток через диоды определяется выражением:lmax=2,1IH, где lH—ток, потребляемый нагрузкой. Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

С=2,85N*Iн/(Кп*Uвых), Мкф

где N—кратность умножения напряжения; IН — ток нагрузки, мА; Кп — допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %; Uвыlx—выходное напряжение, В.

Емкость конденсатора С1 необходимо увеличить в 4 раза по сравнению с расчетным значением (хотя в большинстве случаев хватает и двух-трех- кратного увеличения). Конденсаторы должны быть с минимальным током утечки (типа К73 и аналогичные).

Умножать напряжение можно и с помощью мостовых выпрямителей. Схема ниже на рисунке 6:

Здесь удобно взять малогабаритные выпрямительные мосты, например, серий RB156, RB157 и аналогичные. Конденсаторы СЗ…С6 (и далее) — емкостью 0,22…0,56 мкФ. Следует учитывать возрастание напряжения на обкладках конденсаторов и соответствующим образом выбирать их рабочее напряжение. Это же относится и к конденсаторам фильтра С1, С2.

При совсем малых токах нагрузки можно воспользоваться схемой одно- полупериодного умножителя:

В зависимости от необходимого выходного напряжения Uвых=0,83Uo определяется количество каскадов N по приближенной формуле:N=0.85U0/U1 где U1 — входное напряжение.

Емкость С конденсаторов С1…СЗ рассчитывается: С=34Iн*(Т+2)/U2 где lH —ток нагрузки умножителя; U2 — падение напряжения на R1 (обычно выбирается в пределах 3…5% от U-1).

Снизить коэффициент пульсаций в умножителях напряжения можно с помощью транзисторных фильтров (рис.8),

Которые существенно уменьшают пульсации и шумы выходного напряжения и характеризуются весь малыми массогабаритными показателями. Сейчас выпускаются мощные транзисторы с допустимым напряжением 1,5 кВ и выше при токе нагрузки до 10 А. Диоды выбираются из условия Uобр=1,5U0 и Iмакс=2Iвых — Емкость С конденсаторов С1, С2 рассчитывается по приближенной формуле:

С=125Iн/U0

Сопротивление резистора R1 выбирается в пределах 20… 100 Ом. Емкость конденсатора СЗ определяется из выражения:

С3=0,5*10^6/(m*fc*R1)

где m — число фаз выпрямителя (т=2); fc — рабочая частота умножителя (fc=50 Гц).

Сопротивление R2 подбирается экспериментально (в пределах 51…75 кОм), поскольку оно зависит от коэффициента усиления по току транзистора VT1. В фильтре можно использовать отечественные транзисторы КТ838, КТ840,КТ872, КТ834 и аналогичные.

Форум по умножителям

Вспомогательная информация

• Что такое петля фазовой автоподстройки частоты?
• Как промоделировать работу петли фазовой автоподстройки частоты
• Понятие переходного процесса в системе фазовой автоподстройки частоты
• Как оптимизировать переходной процесс петли ФАПЧ
• Проектирование и моделирование оптимизированной петли фазовой автоподстройки частоты

Статьи из списка вспомогательной информации, я думаю, дают полное представление о проектировании и работы систем ФАПЧ, но им определенно не хватает одного аспекта: они почти ничего не говорят о том, как на самом деле используется ФАПЧ. Единственное «применение», которое мы до сих пор обсуждали, – это создание периодического выходного сигнала, который имеет ту же частоту, что и периодический входной сигнал. Однако это не очень впечатляет, поскольку мы могли бы сделать то же самое с помощью цифрового буфера или повторителя напряжения на операционном усилителе.

Настало время обсудить реальные приложения ФАПЧ, и начнем мы с умножения частоты, которое является естественным и интуитивно понятны расширением способности системы ФАПЧ фиксироваться/синхронизироваться на входной частоте.

Цепи фазовой автоподстройки частоты с делителями частоты

Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) использует опорную частоту для генерации кратной этой частоты. Генератор , управляемый напряжением (ГУН) изначально настроена примерно в диапазоне от желаемой частотой , кратной. Сигнал от VCO делится с помощью делителей частоты на коэффициент умножения. Разделенный сигнал и опорная частота поступают в фазовый компаратор. На выходе фазового компаратора напряжение пропорционально разности фаз. После прохождения через фильтр нижних частот и преобразования в нужный диапазон напряжения это напряжение подается на ГУН для регулировки частоты. Эта регулировка увеличивает частоту, поскольку фаза сигнала ГУН отстает от фазы опорного сигнала, и уменьшает частоту, когда задержка уменьшается (или увеличивается опережение). ГУН стабилизируется на желаемой кратной частоте. Этот тип ФАПЧ является разновидностью синтезатора частот .

Синтезатор дробного N

В некоторых системах ФАПЧ опорная частота также может быть разделена на целое число перед вводом в фазовый компаратор. Это позволяет синтезировать частоты, которые в N / M раз превышают опорную частоту.

Это может быть выполнено другим способом, периодически изменяя целочисленное значение делителя частоты с целым числом N , что эффективно приводит к умножению как целого числа, так и дробной составляющей. Такой умножитель называется синтезатором дробного N по его дробной составляющей. Синтезаторы с дробным N обеспечивают эффективное средство достижения точного разрешения по частоте с более низкими значениями N, позволяя создавать петлевые архитектуры с в десятки тысяч раз меньшим фазовым шумом, чем альтернативные конструкции с более низкими опорными частотами и более высокими целыми значениями N. Они также обеспечивают более быстрое время установления из-за более высоких опорных частот, что обеспечивает более широкую полосу пропускания замкнутого и разомкнутого контура.

Дельта-сигма-синтезатор

Синтезатор дельта-сигма добавляет рандомизацию к программируемому делителю частоты N синтезатора дробного N. Это сделано , чтобы сжать боковые полосы , созданные периодическими изменениями целочисленного-N .

• Иган, Уильям Ф. 2000. Синтез частот с помощью фазовой синхронизации , 2-е изд., John Wiley & Sons, ISBN  0-471-32104-4

Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

Определение умножителя напряжения

Их применяют в радиоэлектронике: медицинской и телевизионной аппаратуре, измерительной технике, бытовой технике и др. Умножитель напряжения составляют диоды и конденсаторы, которые соединяют специальным образом. Умножители способны сформировать напряжение до вольт, при этом имеют небольшую массу и размер. Умножители просты в изготовлении, их несложно рассчитываются.

Однополупериодный умножитель

На рис.1 приведена схема однополупериодного последовательного умножителя.

В течение отрицательного полупериода напряжения происходит зарядка конденсатора через диод , который открыт. Конденсатор заряжается до амплитудной величины приложенного напряжения . В течение положительного полупериода заряжается конденсатор через диод до разности потенциалов . Далее в отрицательный полупериод конденсатор заряжается через диод до разности потенциалов . В очередной положительный полупериод конденсатор заряжается до напряжения . При этом умножитель запускается за несколько периодов изменения напряжения. Напряжение на выходе постоянное и оно является суммой напряжений на конденсаторах и , которые постоянно заряжаются, то есть составляет величину, равную .

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в таком умножителе равно полной амплитуде входного напряжения

При практической реализации умножителя следует обращать внимание на изоляцию элементов, чтобы не допускать коронного разряда, который может вывести прибор из строя. Если необходимо изменить полярность напряжения на выходе, то меняют полярность диодов при соединении

Последовательные умножители применяют особенно часто, так как они универсальны, имеют равномерное распределение напряжения на диодах и конденсаторах. С их помощью можно реализовать большое количество ступеней умножения.

Применяют, также параллельные умножители напряжения. Для них необходима меньшая емкость конденсатора на одну ступень умножения. Но, их недостатком считают увеличение напряжения на конденсаторах с ростом количества ступеней умножения, что создает ограничение в их использовании до напряжения выхода около 20 кВ. На рис. 2 приведена схема однополупериодного параллельного умножителя напряжения.

Для того чтобы рассчитать умножитель следует знать основные параметры: входное переменное напряжение, напряжение и мощность выхода, необходимые размеры (или ограничения в размерах), условия при которых умножитель будет работать. При этом следует учесть, что напряжение входа должно быть менее чем 15 кВ, частота от 5 до 100 кГц, напряжение выхода менее 150 кВ. Температурный интервал обычно составляет -55. Обычно мощность умножителя составляет до 50 Вт, но встречаются и более 200 Вт.

Для последовательного умножителя, если частота на входе в умножитель постоянна, то выходное напряжение вычисляют при помощи формулы:

где — входное напряжение; – частота напряжения на входе; N – число ступеней умножения; C – емкость конденсатора ступени; I – сила тока нагрузки.

Умножители нечетных гармоник

Если двухтактную схему умножителя частоты несколько преобразовать, она станет служить умножителем нечетных гармоник и подавлять гармоники четные. На рис. 5 приведена схема двухтактного утроителя частоты.

Рис. 5. Схема двухтактного утроителя частоты.

Основное отличие схемы этого умножителя состоит в том, что в цепях коллекторов и одного и другого транзисторов (VT1 и VT2) располагаются по одному контуру (L3 и L4), настроенному на нужную гармонику. Каждый из этих контуров настраивается своим собственным подстроечным конденсатором (С3 и С4).

Рис. 6. Принципиальная схема схема двухтактного утроителя частоты для УКВ радиоаппаратуры.

В точке повода питания обязательно должен находиться блокировочный конденсатор С5. В остальном это обычный двухтактный умножитель.

На рис. 6 показана схема еще одного двухтактного утроителя. В этой схеме в цепи и одного и другого транзистора располагается один контур L3C3. Питание подается в отвод от средней точки катушки L3 обязательно через ВЧ дроссель Др1.

Выводы

Проведен полный электродинамический расчет и измерения тестовых топологий МИС умножителей с диапазонами выходных частот 10–26 ГГц (удвоитель), 22,5–51 ГГц (утроитель), 20–60 ГГц (удвоитель). В качестве нелинейных элементов использовались GaAs-диоды с барьером Шоттки (АО «НПФ Микран»). Диоды изготовлены на основе полупроводниковой структуры, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующей подложке арсенида галлия.

Источники финансирования и выражение признательности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.577.21.0188от 27.10.2015 г., идентификатор RFMEFI57715X0188.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине