Преобразователь частоты Советский патент 1987 года по МПК H03D7/14 H03C1/54 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиоприемных устройствах радиовещани и профессионального приема, а также в измерительной технике.

Известен балансный преобразователь частоты, содержащий входной трансформатор, два диодных мост, первые диагонали которых включены между соответствующими выводами вторичной, обмотки входного трансформатора и общей шиной, к среднему отводу входного трансформатора подключена нагрузка, гетеродин и преобразователь напряжение-ток выходы которого подключены к другим диагоналям диодных мостов, выходы гетеродина подключены к входам преобразоватля напряжение-ток.

Однако, известньш балансный преобразователь имеет недостаточный динамический диапазон.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь частоты, содержащий входной трансформатор и два диодных моста, одна из диагоналей каждого из которых включена между соответствукяцими вьгоодами вторичной обмотки входного трансформатора и нагрузкой, другой вывод ко торой подключен к среднему выводу вторичной обмотки входного трансформатора, а также гетеродин, парафаз- ные выходы которого подключены к входам первого преобразователя напр жение-ток.

Однако, известный преобразовател частоты имеет недостаточный динамический диапазон.

Цепь изобретения - расширение динамического диапазона.

Для этого в преобразователь частоты, содержащий входной трансформатор, два диодных моста, одна из диагоналей каждого из которых включена между соответствующими выводами вторичной обмотки входного трансформатора и нагрузкой, другой вьшод которого подключен к среднему выводу вторичной обмотки входного трансформатора, а также гетеродин, пара- фазные выходы которого подключены к

Входной трансформатор 1 является фазорасщепляющим устройством для напряжения сигнала, диодные мосты 2 и 3

входам первого преобразователя напряжение-ток, введены второй преобразо- 55 коммутируют поочередно выводы вторич- ватель напряжение-ток, соответствую- ной обмотки входного трансформатора

щие входы которого подключены к па- рафазным выходам гетеродина, при этом преобразователи напряжение-ток

O

0 35 щей шине. I

выполнены по дифференциальной схеме с симметричными .входами и выходами, и шесть диодов, причем вторая диагональ первого диодного моста включена между первым выходом первого и вторым выходом второго преобразователей напряжение-ток соответственно через первый и второй Д1юды , включенные согласно с диодами первого диодного моста, вторая диагональ второго диодного моста включена между первым выходом второго и вторым выходом первого преобразователей напряжение-ток соответственно через третий и четвер- 5 ть1й диоды, включенные согласно с диодами второго диодного моста, между точкой соединения первого выхода первого преобразователя напряжение- ток и первого диода и точкой соединения первого выхода второго прербра- зователя напряжение-ток и третьего диода включены пятый диод, соединенный с первым и третьим диодами одноименными электродами, а между точкой соединения второго выхода первого преобразователя напряжение-ток и четвертого диода и точкой соединения второго выхода второго преобразователя напряжение-ток и второго диода включен шестой диод, соединенный с четвертым и вторым диодами одноименными электродами, а точка соединения первых диагоналей диодных мостов с нагрузкой подключена к об0

5

На фиг.1 приведена электрическая функциональная схема предложенного преобразователя частоты; на фиг.2 - фрагмент, поясняющий влияние паразитных емкостей.

Преобразователь частоты содержит входной трансформатор 1, первьй и второй диодные мосты 2 и 3, преобра- зователь 4 напряжение-ток, преобразователь 5 напряжение-ток, гетеродин 6, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой диоды 7 - 12, нагрузку 13.

Преобразователь частоты работает следукицим образом.

Входной трансформатор 1 является фазорасщепляющим устройством для напряжения сигнала, диодные мосты 2 и 3

коммутируют поочередно выводы вторич- ной обмотки входного трансформатора

1 к общей шине, в результате чего на нагрузке 13 выделяется Напряжение

преобразованной частоты „, -f

t fc.

fr частотг гетеродина; f где

частота сигнала. Преобразователи 4 и 5 напряжение-ток вырабатывают ток управления соответственно первым и вторым диодными мостами 2 и 3 под действием управляющего напряжения ге теродина 6. Диоды 7 - / О совместно- с диодами своих диодных мостов 2 и 3 создают при протекании по ним тока достаточное запирающее напряжение для второго и первого диодных мостов 3 и 2 соответственно, которое подается через диоды 11 и 12. Кроме названной функции, диоды II и 12 разрывают цепь сигнала между закрытым и открытым диодными мостами, обеспечивая тем самым инвариантность параметров закрытого диодного моста к напряжению сигнала.

При выключенном гетеродине 6 ток на выходах преобразователей 4 и 5 напряжение-ток отсутствует, следовательно, диодные мосты 2 и 3 заперты, в результате чего напряжения сигнала на нагрузке 13 нет. При включении гетеродина 6 допустим в первый его полупериод на первом и втором выходах первого и второго преобразователей 4 и. 5 формируется положительный и отрицательный ток гетеродина 6 соответственно, а другие их выходы обесточены. При этом протекает ток по цепи от первого выхода преобра.зователя 4 напряжение-ток через диод 7, диодный мое т 2, диод 10 к второму выходу преобразователя 5. В результате диодный мост 2 открывается и подключает один из выводов входного трансформатора 1 к нагрузке 13, на которой выделяется напряжение сигнала. Одновременно второй диодный мост 3 закрыт. Во второй полупериод напряжения гетеродина 6 появляется положительный и отрицательный ток на втором и первом выходах йреобразователей 4 и 5 напряжение-ток соответственно, а на других их выходах ток исчезает. Теперь ток протекает через второй ди- одный мост 3, первьй же закрыт. Происходит соединение другого вьшода вторичной обмотки входного трансформатора с нагрузкой 13, на которой выделяется напряжение сигнала. В ре- зультате поочередного включения диодных мостов 2 и 3 под действием тока, вырабатываемого преобразователями 4 и 5 напряжение-ток, в нагрузJO f5

06294

ке 13 образуется Напряжение преобразованных частот. ,

Определяют предельные динамические диапазоны предлагаемого и известного преобразователей частоты.

За критерий предельного динамического диапазона преобразователя

частоты принимают, например, 20%-ное уменьшение коэффициента преобразования. Это соответствует условию

R,,.

5R

(О

Nr

RHсопротивление запертого диода;сопротивление нагрузки.

Так как в известном преобразователе частоты запирающим напряжением для диодного моста является полное напряжение гетеродина, то можно записать

U,-U,-(R.+R,)I

14

1)

(2)

где L

и г R

напряжение сигнала и помех;

напряжение гетеродина; сопротивление ограничительного резистора в цепи ге- теродинй;

показатель степени в принятой экспоненциальной, модели р-п-перехода; 1 - ток обратно смещенного

р-п перехода диода. При принятой аппроксимации сопро- ; тивление диода

э/з.а

1/1 (3)

где

з напряжение на р-п переходе; 1 - ток диода.

а

Принимая во внимание, что напряжение на открытом р-п-переходе при увеличении тока увеличивается незначи-( обозначим

тельно.

1 г„(1 .

о

1) Ugsat.

Тогда, подставляя (2) и (4) олучим

R ,/,

(4) и (3),

К„ + R.

а

(5)

Учитывая условие (1), определим из (5) то напряжение сигнала и по-; мех, которое определяет предельный динамический диапазон известного преобразователя частоты (1)

и иЧ VLJlr±A%±&Jls.

5К„У

Так как 1 (Кн+ Rr) lUgsat, чательно получаем

то оконUo 4(, 2U,,t

При минимально возможном напряжении гетеродина сопротивление Крсле- дует устремить к нулю, в этом случае

Ue и,

+ 2U

2 sat

1/54

Таким образом, предельный динамический диапазон известного преобразователя частоты при минимально воз- ножном уровне гетеродина равен

и 4Ugsat(6)

или 2,8 В (при Ugsat 0,7 В).

Оценим предельный динамический диапазон предложенного преобразователя частоты, в котором уменьшение нелинейных искажений при переключении диодных мостов достигается за счет увеличения их быстродействия, а после переключения - за счет реализации принципа инвариантности к напряжению входного сигнала. Процесс переключения диодных мостов поясним с помощью фиг.2. В один полупериод гетеродина 6 при протекания тока управления через диоды одного из диодных мостов 2 и 3 происходит заряд их емкостей CQ до величины iJo-sot э суммарное напряжение управления диодными мостами при этом достигает U - Ug-scit другой полупериод гетеродина 6 ток управления через эти диоды не течет, а их емкости С постепенно разряжаются. Причем, в случае отсутствия диодов 11 и 12 они вынуждены разряжаться через большое выходное сопротивление преобразователей 4 или 5 напряжение-ток, что приводит к затягиванию одного из фронтов напряжения на диодном мосту и, как следствие, к снижению быстродействия и росту нелинейных искажений. Кроме того, за полпериода гетеродина 6 открытый мост не успевает полностью закрыться . В результате уменьшается коэффициент преобразования и резко возрастают нелинейные искажения преобразователя частоты посл переключения диодных мостов. Практически схема оказьюается неработоспособной.

O

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Для устранения перечисленных недостатков в пpe uIoжeннoм преобразователе частоты искусственно создается путь для перезаряда паразитных емкостей благодаря включению диодов 11 и 12. При этом,в качестве источ-- ника напряжения пёрезаояда используется Падение напряжения, возникающее при протекании тока через диодный мост 2(3) и последовательно включенные с ним диоды 7,8,(9,10). Необходимость включения диодов 7-10 обусловлена тем, что вольтамперная характеристика всякого диода (в том числе и диодов 11 и 12) начинается не с нуля. Поэтому, чтобы произошел разряд емкостей диодов одного закрываемого диодного моста, должны сначала открыться диоды 1I и 12 под действием напряжения другого диодного моста, которое при отсутствии диодов 7-10 имеет недостаточную величину. Как показано на фиг.2, напряжение перезаряда емкостей первого диодного моста 2 с учетом падения напряжения на диодах 11, 12 составляет -2Ug.5Q.t В, т.е. разряд паразитных емкостей идет не к нулю, а к отрицательному источнику. Тем самым гарантируется как быстрое переключение диодных мостов, так и их надежное запирание в статическом состоянии.

Пусть первый диодный мост 2 (фиг.1) закрыт, а второй (З)открыт. Тогда, при положительной полярности сигнала может открыться один из диодов диодного моста 2 и диод 8, а при отрицательной полярности сигнала - другой диод диодного моста 2 и диод 7, диоды же II и 12 при этом еще более запираются, разрывая цепь сигнала между открытым и-закрытым диодными мостами. Аналогично преобразователь частоты работает в другой полупериод гетеродина 6, когда диодный мост 2 закрыт, а диодный мост 3 открыт. Следовательно, любой уровень сигнала на входе преобразователя частоты принципиально не может открыть запертый диодный мост, т.е. его параметры инвариантны к напряже- нию сигналов, а предельный динамичес кий диапазон определяется максимально допустимым обратным напряжением диодов.

Таким образом, новое качество положительного эффекта получено за

счет реализации принципа инвариантности преобразуюЕ1его элемента (диодных мостов ) к сигналу и увеличения его быстродействия благодаря введению преобразователей 4 и 5 напряжение- ток и шести диодов.

Предложенный преобразователь частоты испытан и показал следующие основные параметры: диапазон частот преобразуемых сигналов 0,1-100 МГц; коэффициент передачи по мощности, не хуже 0,45; динамический диапазон.

не менее 136 дБ,при условии , что ЭДС шума, приведенная ко входу, не более 1 мкВ, а перекрестные искажения не превышают 10%; диапазон частот гетеродина 0,1-100 МГц.

Таким образом, динамический диапазон предложенного преобразователя частоты в десять раз и более пре- восходит динамический диапазон известного преобразователя частоты при более высоком быстродействии

фиг,1

Редактор И.Сегляник

Составитель А.Меньшикова Техред А.Кравчук

Заказ 1160/56 Тираж 902Подписное

ВНИШ1И Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

.

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,А

Корректор А.Зимокосов