RU169928U1 - Умножитель частоты гармонических колебаний - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована в радиоприемных и радиопередающих устройствах, радиолокации, системах защищенной связи и т.п. Технический результат полезной модели заключается в увеличении диапазона частот, в котором может использоваться умножитель частоты гармонических колебаний, а также увеличение коэффициента умножения частоты устройств подобного типа. Это достигается тем, что в умножитель частоты дополнительно введен второй биполярный транзистор n-p-n-типа.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована в радиоприемных и радиопередающих устройствах, радиолокации, системах защищенной связи и т.п.

Известно устройство умножителя частоты на базе резонансного усилителя (Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов. / Д.В. Васильев, М.Р. Витоль, Ю.Н. Горшенков и др. Под ред. К.А. Самойло. - М.: Радио и связь, 1982. - С. 188-194, рис. 6.9). В этом устройстве резонансная частота f_p колебательного контура в n раз больше частоты сигнала f₀ входного воздействия: f_p=nf₀, где n - целое число, которое характеризует во сколько раз возрастает частота выходного сигнала в сравнении с частотой входного сигнала. Устройство содержит биполярный транзистор VT n-p-n-типа, резистор R_б, катушку индуктивности L, конденсатор С, источник напряжения смещения Е₀ и источник входного сигнала е.

Первые выводы катушки индуктивности L и конденсатора С соединены с шиной источника напряжения питания +Е_к. Второй вывод катушки индуктивности L и второй вывод конденсатора С соединены с коллектором транзистора VT. Этот узел является выходом устройства, на котором формируется сигнал u_к, частота которого в n раз больше частоты сигнала входного воздействия e. Эмиттер транзистора VT соединен с общей шиной. База транзистора VT соединена с первым выводом резистора R_б. Второй вывод резистора R_б соединен с первым выводом источника напряжения сигнала входного воздействия е. Второй вывод источника напряжения сигнала входного воздействия е соединен с первым выводом источника напряжения смещения Е₀, второй вывод которого соединен с общей шиной.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора n-p-n-типа, резистора, катушки индуктивности и конденсатора, где первый вывод резистора соединен с базой транзистора.

Недостатком аналога является то, что в устройстве транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Параллельный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, включен в коллекторную цепь транзистора и является нагрузкой этого транзистора. При подобном включении транзистора и нагрузки начинает проявляться эффект Миллера, приводящий к следующему. Паразитная емкость p-n-перехода база-коллектор транзистора, приведенная к базе транзистора, возрастает пропорционально коэффициенту усиления каскада. Добротность параллельного колебательного контура имеет достаточно большую величину (десятки единиц). А коэффициент усиления каскада пропорционален квадрату добротности. Это соответственно приводит к уменьшению максимальной частоты, на которой может работать данный умножитель частоты.

Известно устройство управляемого кварцевого генератора с умножением частоты (Патент 2128873 RU, МПК Н03В 5/36, Воронович В.В. (РФ), опубл. 10 апреля 1999 г.). Управляемый кварцевый генератор с умножением частоты включает в своем составе кварцевый генератор и умножитель частоты, построенные на транзисторе VT1 p-n-p-типа. Генератор построен по схеме емкостной трехточки, при этом катушка индуктивности L2 первым выводом соединена с коллектором транзистора VT1. Второй вывод катушки индуктивности L2 соединен с первым выводом конденсатора С6, второй вывод которого подключен к общей шине. Катушка индуктивности L2 и конденсатор С6 представляют собой последовательный колебательный контур, настроенный на частоту колебаний первого механического резонанса кварцевого резонатора. На резонансной частоте этот колебательный контур имеет низкий импеданс (сопротивление контура стремится к нулю), что обеспечивает устойчивое самовозбуждение генератора на частоте первого механического резонанса кварцевого резонатора. Между коллектором транзистора VT1 и общей шиной включен конденсатор С7. Катушка индуктивности L2, конденсатор С6 и конденсатор С7 образуют параллельный колебательный контур с разделенной емкостью. Подбор емкости конденсатора С7 осуществляется таким образом, чтобы параллельный колебательный контур (L2, С6 и С7) был настроен на удвоенную частоту колебаний первого механического резонанса кварцевого резонатора. Это обеспечивает удвоение частоты. Резисторы R4 и R5, где первый вывод резистора R4 соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод резистора R4 и первый вывод резистора R5 соединены с базой транзистора VT1, а второй вывод резистора R5 подключен к общей шине. Подобное соединение резисторов R4 и R5 представляют собой резистивный делитель напряжения, который формирует напряжение смещения на базе транзистора VT1.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие транзистора, катушки индуктивности, конденсатора и трех резисторов, где первый вывод первого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора соединены с базой транзистора, а второй вывод второго резистора подключен к общей шине, первый вывод третьего резистора соединен с эмиттером транзистора, а второй вывод третьего резистора подключен к общей шине.

К недостатком аналога следует отнести то, что транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Параллельный колебательный контур с разделенной емкостью, являющийся нагрузкой транзистора, включен в коллекторную цепь транзистора. В этом случае начинает проявляться эффект Миллера, который приводит к тому, что паразитная емкость p-n-перехода база-коллектор транзистора, приведенная к базе транзистора, возрастает в число раз, равное коэффициенту усиления каскада. Это приводит к снижению максимальной частоты, на которой может работать данный умножитель частоты.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство умножения частоты в четное число раз (Авторское свидетельство SU 1667218 А1, МКИ Н03В 19/10, Венгер А.З., Зубарев А.И., Кулинич А.И., Кулинич В.И. и Шмалий Ю.С., опубликовано 30.07.91, БИ №28). Устройство умножения частоты в четное число раз включает транзистор n-p-n-типа, третий резистор и первый конденсатор, первые выводы которых соединены с эмиттером транзистора, вторые выводы этих третьего резистора и первого конденсатора соединены с общей шиной. Второй и третий резисторы образуют делитель напряжения источника питания и задают напряжение смещения на базу транзистора. Первая катушка индуктивности и второй конденсатор образуют первый параллельный колебательный контур. Отвод от первой катушки индуктивности первого параллельного колебательного контура соединен с коллектором транзистора. Отвод от катушки индуктивности второго параллельного колебательного контура, образованного третьим конденсатором и второй катушкой индуктивности, соединен с точкой соединения первых выводов второго конденсатора и первой катушки индуктивности первого параллельного колебательного контура. Первые выводы третьего конденсатора и второй катушки индуктивности второго параллельного колебательного контура соединены с шиной источника напряжения питания.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются биполярный транзистор n-p-n-типа, первый конденсатор, первая катушка индуктивности, второй конденсатор, первый, второй и третий резисторы, где первый вывод первого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора соединены с базой транзистора, первый вывод третьего резистора соединен с эмиттером транзистора, а второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной.

Прототипу свойственны следующие недостатки.

1. В устройстве транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Параллельный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, включен в коллекторную цепь транзистора и является нагрузкой этого транзистора. При подобном включении транзистора и нагрузки начинает проявляться эффект Миллера, приводящий к тому, что паразитная емкость p-n-перехода база-коллектор транзистора, приведенная к базе транзистора, возрастает пропорционально коэффициенту усиления каскада. Добротность параллельного колебательного контура имеет достаточно большую величину (десятки единиц), а коэффициент усиления каскада пропорционален квадрату добротности колебательного контура. Это соответственно приводит к уменьшению максимальной частоты, на которой может работать данный умножитель частоты.

2. Проходная характеристика транзистора на начальном участке имеет явно выраженную нелинейную зависимость тока коллектора транзистора от напряжения, приложенного между базой и эмиттером транзистора. Это приводит к тому, что, при работе транзистора с отсечкой тока, импульсы коллекторного тока на начальном участке имеют искаженный вид. В связи с этим, при формировании напряжения на выходе умножителя частоты отклик напряжения переходного процесса, происходящего в колебательном контуре, вызванный последующим импульсом тока коллектора транзистора, будет накладываться на отклик напряжения переходного процесса, происходящего в колебательном контуре, вызванный предыдущим импульсом тока коллектора транзистора. Это приводит к искажению фазы и формы напряжения на выходе умножителя частоты на стыке наложения откликов напряжений переходных процессов в колебательном контуре, вызванных предыдущим и последующим импульсами тока коллектора транзистора, что говорит о существенном отличии формы напряжения на выходе умножителя частоты от синусоидальной. Кроме этого снижается коэффициент, на который можно умножить частоту входного воздействия при использовании данного умножителя частоты.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил то, что в заявляемом техническом решении первый и второй транзисторы включены по схеме с общим коллектором, катушка индуктивности и второй конденсатор образуют последовательный колебательный контур, включенный в эмиттерную цепь этих транзисторов и настроенный на частоту: f_p=nf₀, где n - целое число, которое характеризует во сколько раз возрастает частота выходного сигнала в сравнении с частотой входного сигнала f₀, а это позволяет решить следующую задачу: существенно снизить влияние эффекта Миллера на частотные свойства умножителя частоты, поскольку при подобном включении транзистора коэффициент усиления каскада по напряжению не превышает единицы, соответственно, отсутствует рост паразитной емкости p-n-перехода коллектор-база транзистора, приведенной к базе этого транзистора за счет проявления эффекта Миллера, что позволяет существенно расширить частотный диапазон работы умножителя частоты и повысить коэффициент умножения частоты устройством.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.

Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введен второй биполярный транзистор n-p-n-типа.

Технический результат достигается тем, что в умножитель частоты, содержащий первый биполярный транзистор n-p-n-типа (4), первый конденсатор (1), второй конденсатор (8), катушку индуктивности (7), первый (2), второй (3) и третий (5) резисторы, где первый вывод первого резистора (2) соединен с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод первого резистора (2) и первый вывод второго резистора (3) соединены с базой первого транзистора (4), второй вывод второго резистора (3) соединен с общей шиной, первый вывод третьего резистора (5) соединен с эмиттером первого транзистора (4), а второй вывод третьего резистора (5) соединен с общей шиной, введен второй биполярный транзистор n-p-n-типа (6), причем эмиттер второго (6) транзистора n-p-n-типа и первый вывод катушки индуктивности (7) соединены с узлом соединения эмиттера первого транзистора n-p-n-типа (4) и первого вывода третьего резистора (5), коллектора первого (4) и второго (6) транзисторов соединены с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод катушки индуктивности (7) соединен с первым выводом второго конденсатора (8) и является выходом устройства u_вых(t), второй вывод второго конденсатора (8) соединен с общей шиной, первый вывод первого конденсатора (1) является входом устройства, на который подается входной сигнал u_вх(t), второй вывод первого конденсатора (1) подключен к узлу соединение второго вывода первого резистора (2), первого вывода второго резистора (3) и базы первого транзистора (4), база второго транзистора (6) подключена к источнику опорного напряжения Е₀.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная умножителя частоты гармонических колебаний.

На фиг. 2 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма) и сигнал, частота которого умножена в два раза (нижняя диаграмма).

На фиг. 3 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма) и сигнал, частота которого умножена в три раза (нижняя диаграмма).

На фиг. 4 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма) и сигнал, частота которого умножена в пять раз (нижняя диаграмма).

Диаграммы, представленные на фиг. 2 - фиг. 4, получены моделированием умножителя частоты гармонических колебаний (фиг. 1) с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.

Умножитель частоты гармонических колебаний (фиг. 1) содержит первый (4) и второй (6) биполярные транзисторы n-p-n-типа, катушку индуктивности (7), первый (1) и второй (8) конденсаторы, первый (2), второй (3) и третий (5) резисторы. Первый вывод первого резистора (2) соединен с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод первого резистора (2), первый вывод второго резистора (3) и второй вывод первого конденсатора (1) соединены с базой первого транзистора (4), первый вывод первого конденсатора (1) служат узлом для подключения источника входного сигнала u_вх(t), второй вывод второго резистора (3) соединен с общей шиной, первый вывод третьего резистора (5), первый вывод катушки индуктивности (7) и эмиттеры первого (4) и второго (6) транзисторов n-p-n-типа соединены между собой, второй вывод третьего резистора (5) соединен с общей шиной, коллектора первого (4) и второго (6) транзисторов соединены с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод катушки индуктивности (7) и первый вывод второго конденсатора (8) соединены между собой, а узел их соединения является выходом устройства u_вых(t), второй вывод второго конденсатора (8) соединены с общей шиной, база второго транзистора (6) соединена с источником опорного напряжения Е₀.

Работает устройство умножения частоты гармонических колебаний следующим образом.

На постоянном токе к базе второго транзистора (6) от источника опорного напряжения Е₀ прикладывается постоянное напряжение, которое определяет уровень напряжения ограничения отрицательной и частично положительной полуволн входного сигнала в соответствии с тем углом отсечки импульса напряжения управления колебательным контуром, состоящим из катушки индуктивности (7) и второго конденсатора (8), который требуется для получения выходного сигнала с умноженной частотой в требуемое число раз (n=2, 3, и т.д.). Тогда постоянное напряжение между эмиттером второго транзистора (6) и общей шиной равно:

U_отс=Е₀-V₀,

где V₀ - постоянное напряжение, падающее на p-n-переходе база-эмиттер второго транзистора при прямом смещении.

Уровень постоянного напряжения, которое формируется резистивным делителем, состоящим из первого резистора (2) и второго резистора (3), на базе первого транзистора (4) несколько ниже, чем на базе второго транзистора (6).

При появлении положительной полуволны входного сигнала на базе первого транзистора (4) уровень потенциала базы этого транзистора будет возрастать. При выравнивании потенциалов баз первого (4) и второго (6) транзисторов p-n-переход база-эмиттер первого транзистора (4) будет иметь прямое смещение. Это приводит к тому, что на третьем резисторе (5) начнет формироваться импульс напряжения управления колебательным контуром. По мере роста амплитуды импульса управления колебательным контуром p-n-переход база-эмиттер второго транзистора (6) будет запираться и этот транзистор перестает проводить ток. При достижении импульсом управления колебательным контуром максимального значения его интенсивность начинает уменьшаться. При достижении напряжения управляющего импульса уровня U_отс, первый транзистор (4) начнет запираться, формирование импульса напряжения управления колебательным контуром прекратится, а на третьем резисторе R3 установится напряжение, близкое к постоянному. Сформированные импульсы напряжения управления колебательным контуром, имеющие в своем составе спектральные составляющие на частотах, кратных центральной частоте входного сигнала: f₂=2f₀, f₃=3f₀, …, где f₀ - центральная частота входного сигнала, прикладываются к колебательному контуру, включающему катушку индуктивности (7) и второй конденсатор (8). Период следования этих импульсов равен периоду изменения входного сигнала, а длительность этих импульсов будет не более длительности положительной полуволны выходного сигнала u_вых(t) с умноженной частотой. Колебательный контур, построенный с использованием катушки индуктивности (7) и второго конденсатора (8), имеет резонансную частоту, кратную частоте входного сигнала: f_n=nf₀, где n=2, 3, 4, … - целое число, характеризующее коэффициент умножения частоты входного сигнала, выделяет спектральные составляющие на частоте f_n и в окрестности ее. На выходе устройства появляется выходной сигнал с умноженной в n раз частотой.

На фиг. 2 - фиг. 4 на верхних диаграммах представлен входной сигнал, изменяющийся с частотой f₀, а на нижних диаграммах представлены сигналы, частоты которых увеличены в два (2⋅f₀), три (3⋅f₀) и пять (5⋅f₀) раз соответственно.

Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства умножителя частоты гармонических колебаний.

Промышленная применимость этого устройства возможна в радиопередающих, радиоприемных и других устройствах, где требуется умножение частоты гармонических колебаний. При этом расширение диапазона частот работы устройства и повышение коэффициента умножения частоты позволяет упростить конечное устройство.

Claims (1)

1. Умножитель частоты гармонических колебаний, содержащий первый биполярный транзистор n-p-n-типа, первый конденсатор, второй конденсатор, катушку индуктивности, первый, второй и третий резисторы, где первый вывод первого резистора соединен с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора соединены с базой первого транзистора, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, первый вывод третьего резистора соединен с эмиттером первого транзистора, а второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй биполярный транзистор n-p-n-типа, причем эмиттер второго транзистора n-p-n-типа и первый вывод катушки индуктивности соединены с узлом соединения эмиттера первого транзистора n-p-n-типа и первого вывода третьего резистора, коллекторы первого и второго транзисторов соединены с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод катушки индуктивности соединен с первым выводом второго конденсатора и является выходом устройства u_вых(t), второй вывод второго конденсатора соединен с общей шиной, первый вывод первого конденсатора является входом устройства, на который подается входной сигнал u_вх(t), второй вывод первого конденсатора подключен к узлу соединения второго вывода первого резистора, первого вывода второго резистора и базы первого транзистора, база второго транзистора подключена к источнику опорного напряжения Е₀.

Images