УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1994 года по МПК H03B19/14 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопередающих и других радиотехнических устройствах.

Известен умножитель частоты (УЧ), содержащий два биполярных транзистора одной структуры, коллекторы которых подключены к разным выводам выходного параллельного колебательного контура, к отводу от середины которого подведено напряжение питания, на базы транзисторов поступают противофазные входные сигналы с обмотки входного трансформатора и постоянные напряжения смещения, а эмиттеры заземлены по высокой частоте. Однако данный УЧ требует наличия источника постоянного напряжения и цепей, подводящих питание и смещение, что усложняет его, снижает надежность и КПД. Кроме того, УЧ имеет недостаточно высокое подавление паразитных гармоник частоты входного сигнала на выходе. Такими же недостатками обладают аналогичные транзисторные УЧ с источниками питания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является умножитель частоты, содержащий первый и второй транзисторы, которые выполнены с противоположным типом структуры, катушку индуктивности и первый конденсатор, первые выводы которых подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов, а вторые - к общей шине, выходной LC колебательный контур, включенный между коллекторами первого и второго транзисторов и общей шиной, причем базы транзисторов подключены к общей шине. В этом умножителе частоты отсутствует источник питания постоянного напряжения, однако по сравнению с транзисторными УЧ с источниками питания и с диодными УЧ данный умножитель имеет большее выходное сопротивление и более высокий КПД (из-за отсутствия источника питания под КПД понимается отношение мощности выходного сигнала умноженной частоты к мощности входного сигнала входной частоты). Это объясняется тем, что источник входного сигнала используется и для работы транзисторов как усилительных приборов за счет поочередного смещения их рабочих точек в активный режим на пиках полуволн входного сигнала. В эти моменты транзисторы работают как усилительно-умножительные приборы по схеме с ОБ. Как известно, УЧ по схеме с ОБ имеют низкий КПД из-за малого содержания гармоник в спектре выходного тока, амплитуда которых резко убывает с номером гармоник. Это объясняется тем, что в каскаде с ОБ существует глубокая отрицательная обратная связь по току, резко снижающая нелинейность, т.е. содержание высших гармоник в выходном сигнале. Следствием значительного убывания с ростом номера гармоник их амплитуды является ухудшение спектральной чистоты выходного сигнала УЧ за счет большего уровня гармоник с номерами, меньшими, чем у выделяемой.

Цель изобретения - повышение спектральной чистоты выходного сигнала и повышение коэффициента полезного действия УЧ.

Поставленная цель достигается тем, что в известный УЧ, содержащий первый и второй транзисторы, которые выполнены с противоположным типом структуры, катушку индуктивности и первый конденсатор, первые выводы которых подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов, выходной LC колебательный контур, первый вывод которого подключен к общей шине, при этом второй вывод первого конденсатора подключен к общей шине, введены второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй резисторы, первый LC колебательный контур, который включен между коллектором первого транзистора и вторым выводом выходного LC колебательного контура, второй LC колебательный контур, который включен между коллектором второго транзистора и вторым выводом выходного LC колебательного контура, а катушка индуктивности выполнена в виде катушки индуктивности с отводами, первый отвод которой является входом умножаемого сигнала умножителя частоты, а второй отвод соединен с общей шиной и с первым выводом второго конденсатора, при этом первые выводы первого и второго резисторов, четвертого и пятого конденсаторов соединены с вторым выводом катушки индуктивности с отводами, вторые выводы первого резистора, второго и четвертого конденсаторов и первый вывод третьего конденсатора подключены к базе первого транзистора, вторые выводы второго резистора, третьего и пятого конденсаторов подключены к базе второго транзистора.

На чертеже приведена принципиальная схема УЧ.

УЧ содержит первый 1 и второй 2 биполярные транзисторы разной структуры, катушку индуктивности с отводами 3, первый вывод которой подключен к эмиттерам первого и второго транзисторов. Первый отвод катушки индуктивности 3 подключен к входу устройства, а ее второй отвод - к общей шине. Коллектор первого транзистора через первый 4 LC колебательный контур, а коллектор второго транзистора через второй 5 LC колебательный контур подключены к выходному 6 LC колебательному контуру. Первый конденсатор 7 включен между эмиттерами транзисторов и общей шиной, второй конденсатор 8 включен между базой первого транзистора и общей шиной, третий конденсатор 9 включен между базами первого и второго транзисторов. Параллельно соединенные первый резистор 10 и четвертый конденсатор 11 включены между базой первого транзистора и вторым выводом катушки индуктивности 3, а также параллельно соединенные второй резистор 12 и пятый конденсатор 13 включены между базой второго транзистора и вторым выводом катушки индуктивности 3.

УЧ работает следующим образом.

Входное напряжение частотой ω_вх, действующее на катушке индуктивности 3, выделяется резонансным контуром, состоящим из верхней (по схеме) от заземленного отвода части катушки индуктивности 3 и первого конденсатора 7 и настроенным на ω_вх, и прикладывается через настроенные на различные гармоники частоты ω_вх LC колебательные контуры 4, 5 и 6 к участкам коллектор-эмиттер первого 1 и второго 2 транзисторов. Коллекторы транзисторов 1 и 2 практически заземлены по постоянному току и по частоте ω_вх (так как резонансные частоты LC контуров 4, 5 и 6 сильно отличаются от ω_вх), поэтому напряжение коллектор-эмиттер U_кэ транзисторов равно входному напряжению U_вх. При амплитуде входного сигнала U_вх на эмиттерах транзисторов, равной приблизительно 0,7 В (порогу отпирания U_бэ базо-эмиттерных переходов кремниевых транзисторов), транзисторы переходят в активный режим, причем напряжение коллектор-база U_кб транзисторов в этот момент примерно равно нулю, так как из-за малости постоянных составляющих токов баз падением напряжения на резисторах 10 и 12 можно пренебречь.

При дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала возникшие импульсы базовых токов вызовут увеличение постоянной составляющей токов баз и увеличение падения напряжения на базовых резисторах, что приведет к увеличению напряжения коллектор-база транзисторов. Это объясняется тем, что первый 10 и второй 12 резисторы по постоянному току включены между базами и коллекторами соответствующих транзисторов, т.е. на постоянном токе U_кбVT1=U_R10, U_кбVT2=U_R12, где U_кбVT1, U_кбVT2 - постоянные напряжения между коллектором и базой соответственно первого и второго транзисторов; U_R10, U_R12 - постоянные напряжения на первом и втором резисторах 10 и 12, которые создаются за счет протекания через резисторы 10 и 12 постоянных составляющих токов баз первого 1 и второго 2 транзисторов соответственно. Высокочастотные напряжения на базах транзисторов одинаковы, так как они соединены через третий конденсатор 9, являющийся разделительным для ω_вх. По входной частоте ω_вх базы транзисторов 1 и 2 соединены с общей шиной через последовательный колебательный контур, настроенный на ω_вх и состоящий из нижней по схеме (от заземленного отвода) части катушки индуктивности 3 и четвертого 11, пятого 13 и третьего 9 конденсаторов.

Рассмотрим, как меняется режим работы первого и второго транзисторов 1 и 2 в течение одного периода входной частоты в установившемся режиме. Второй транзистор 2 структуры p-n-p на пике положительной полуволны входного сигнала, когда мгновенное значение U_вх превысит постоянное напряжение базы на 0,7 В, открывается и переходит в активный режим со следующей рабочей точкой: U_кэVT2=U_вх; U_бэVT2= - 0,7 В; U_кбVT2=-U_R12=U_вх-0,7 В.

В этот промежуток времени несмотря на отсутствие источника постоянного напряжения второй транзистор 2 находится в активном режиме и может использоваться как УЧ на активных приборах. Причем энергия, необходимая для работы транзистора 2 в активном режиме, отбирается от источника входного сигнала. Аналогично на пике отрицательной полуволны входного сигнала открывается и переходит в активный режим первый транзистор 1 структуры n-p-n, причем параметры его рабочей точки отличаются лишь обратным знаком. Цепи автосмещения первого и второго транзисторов 1 и 2 (первый и второй резисторы 10 и 12, третий 9, четвертый 11 и пятый 13 конденсаторы) выравнивают и уменьшают угол отсечки транзисторов 1 и 2, вследствие чего растет амплитуда высших гармоник в спектре выходного тока транзисторов 1 и 2, снижается влияние разброса их параметров, а также увеличивается U_кб в активном режиме, за счет чего повышается граничная частота f_т транзисторов 1 и 2.

Таким образом, в течение периода входной частоты ω_вх транзисторы 1 и 2 поочередно переходят в активный режим под воздействием источника входного сигнала. В данной схеме (как и в прототипе) источник входного сигнала используется помимо своего прямого назначения и как источник энергии для питания транзисторов как активных приборов.

Рассмотрим, процессы умножения частоты в предлагаемом устройстве и их отличие от аналогичных в прототипе.

В прототипе умножение частоты происходит транзисторами по схеме с ОБ с присущей этой схеме глубокой ООС по току, причем необходимая гармоника выделяется лишь за счет резонансных свойств выходного контура. Вследствие этого прототип обладает следующими недостатками.

В спектре выходного тока I_вых каждого транзистора наиболее мощной является первая гармоника ω_вх; спектр I_вых содержит малое количество (5-7) высших гармоник ω_вх достаточного уровня, причем амплитуда их резко падает с номером гармоники; низкое входное сопротивление по ω_вх, вследствие чего от источника сигнала требуется большая мощность; низкая степень подавления ненужных гармоник на выходе и низкий КПД.

В предлагаемом устройстве транзисторы 1 и 2 при переходе их в активный режим работают как умножители частоты по схеме с общим эмиттером (ОЭ), поскольку входными электродами являются базы транзисторов, на которые сигнал подается с нижней по схеме части катушки индуктивности 3. Причем эта часть входной катушки 3 совместно с четвертым 11, пятым 13 и третьим 9 конденсаторами образует последовательный колебательный контур с небольшой добротностью, настроенный на ω_вх. Этот контур обеспечивает наиболее эффективную подачу ω_вх на входные электроды транзисторов, что приводит к росту КПД УЧ. Включение транзисторов по схеме с ОЭ приводит к резкому увеличению содержания высших гармоник в спектре выходного тока каждого транзистора. Так, сравнение на анализаторе спектров выходного тока каждого транзистора прототипа и предлагаемого УЧ (при условии отсутствия в нем резко улучшающих чистоту спектра второго конденсатора 8 и первого и второго LC контуров 4 и 5) показывает, что спектр I_вых по уровню - 26 дБ предлагаемого УЧ простирается до 25-30-й гармоники (у прототипа до 5-7-й), амплитуды высших гармоник на 6-20 дБ больше, чем у прототипа, отсутствует резкий спад амплитуды гармоники с ростом ее номера, причем наибольшую величину имеют 2-3-я гармоники (а не 1-я как в прототипе). Вследствие изложенного данный УЧ гораздо более эффективно преобразует энергию входного сигнала в энергию высших гармоник т.е. имеет более высокий КПД.

Базовые цепи транзисторов 1 и 2 УЧ развязаны по постоянному току третьим конденсатором 9, который совместно с четвертым 11 и пятым 13 конденсаторами обеспечивает не только последовательный резонанс на ω_вх, но и поддержание напряжений автосмещения на базах первого 1 и второго 2 транзисторов. Наличие этих напряжений позволяет повысить эффективность УЧ и снизить критичность УЧ к амплитуде входного напряжения.

Наличие в схеме второго конденсатора 8 приводит к тому, что колебательная система, состоящая из нижней части катушки индуктивности 3 и четвертого 11, пятого 13, третьего 9 и второго 8 конденсаторов, имеет два резонанса. Первый - последовательный, настроенный на ω_вх, второй - параллельный, настроенный на частоту выделяемой УЧ гармоники nω_вх. Частота параллельного резонанса определяется в основном вторым конденсатором 8 небольшой величины. Последний контур из импульсов с отсечкой базового тока выделяет напряжение частотой nω_вх, которое совместно с ω_вх с первого последовательного контура прикладывается к базам транзисторов 1 и 2. Таким образом, на управляющих электродах транзисторов наряду с ω_вх действует напряжение nω_вх, что приводит не только к ослаблению всех других гармоник, кроме ω_вх и nω_вх, но и к значительному (на 6-10 дБ) увеличению амплитуды гармоники nω_вх в спектре I_вых (по сравнению со случаем отсутствия четвертого конденсатора 8).

Заградительные LC контуры 4 и 5 в коллекторных цепях транзисторов 1 и 2 настроены на подавляемые гармоники ω_вх, чаще всего (n-1) ω_вх и (n+1) ω_вх. Эти контуры, не связанные с общей шиной, имеют высокую добротность и обеспечивают глубокую (на 26-40 дБ) режекцию подавляемых частот. Причем эта режекция намного более эффективна, чем при аналогичном включении контуров в диодном УЧ из-за входа транзисторов в насыщение по режектируемой гармонике. Это объясняется тем, что на заградительном контуре вследствие его высокой добротности выделяется значительное переменное напряжение режектируемой гармоники (допустим (n-1) ω_вх), и при превышении амплитуды на контуре напряжения автосмещения транзистор входит в насыщение по (n-1) гармонике ω_вх, усилительные свойства его по частоте (n-1) ω_вх исчезают и по этой же частоте происходит шунтирование выходной нагрузки. Вследствие этого происходит значительно более глубокая режекция соседней гармоники, чем в известных схемах.

Таким образом, из-за того, что в предлагаемом устройстве транзисторы включены по схеме с ОЭ, базовая цепь имеет два резонанса на последовательной ω_вх и параллельной nω_вх частотах, а также из-за наличия цепи автосмещения и заградительных контуров, вводящих в насыщение транзисторы по режектируемым гармоникам, предложенный УЧ имеет в 1,5-2 раза больший КПД и на 20-40 дБ лучшее подавление паразитных гармоник, чем прототип.

Использование: радиотехнические устройства. Сущность изобретения: умножитель частоты содержит первый и второй транзисторы 1, 2, катушку индуктивности с отводами 3, колебательные контуры 4, 5, 6, конденсаторы 7, 8, 9, 11, 13, резисторы 10, 12 и позволяет повысить спектральную чистоту выходного сигнала и КПД. 1 ил.

УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий первый и второй транзисторы, которые выполнены с противоположным типом структуры, катушка индуктивности и первый конденсатор, первые выводы которых подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов, выходной колебательный LC-контур, первый вывод которого подключен к общей шине, при этом второй вывод первого конденсатора подключен к общей шине, отличающийся тем, что, с целью повышения спектральной чистоты выходного сигнала и повышения КПД, введены второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй резисторы, первый колебательный LC-контур, который включен между коллектором первого транзистора и вторым выводом выходного колебательного LC-контура, второй колебательный LC-контур, который включен между коллектором второго транзистора и вторым выводом выходного колебательного LC-контура, а катушка индуктивности выполнена в виде катушки индуктивности с отводами, первый отвод которой является входом умножаемого сигнала умножителя частоты, а второй отвод которой соединен с общей шиной и первым выводом второго конденсатора, при этом первые выводы первого и второго резисторов, четвертого и пятого конденсаторов соединены с вторым выводом катушки индуктивности с отводами, вторые выводы первого резистора, второго и четвертого конденсаторов и первый вывод третьего конденсатора подключен к базе первого транзистора, вторые выводы второго резистора, третьего и пятого конденсаторов подключены к базе второго транзистора.