RU173469U1

RU173469U1 - Умножитель частоты гармонических колебаний

Info

Publication number: RU173469U1
Application number: RU2016130547U
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Зачиняев; Петр Андреевич Землянухин
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2017-08-29

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 расширении функциональных возможностей устройств подобного типа. Это достигается тем, что в умножитель частоты дополнительно введены три резистора и биполярный транзистор n-p-n-типа.

Description

Предполагаемая 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, характеризующее во сколько раз происходит повышение частоты 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 первый вывод конденсатора С соединены с коллектором транзистора VT. Этот узел является выходом устройства, на выходе которого формируется выходной 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 e. Второй вывод источника напряжения сигнала входного воздействия е соединен с первым выводом источника напряжения смещения Е₀, второй вывод которого соединен с общей шиной.

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 (R4, R5 и R6), 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, первый вывод резистора R6 соединен с эмиттером транзистора VT1, а второй вывод этого резистора подключен к общей шине.

К недостаткам 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 1667218 А1 SU, МКИ Н03В 19/10, Венгер А.З., Зубарев А.И., Кулинич А.И., Кулинич В.И. и Шмалий Ю.С., опубликивано 30.07.91, БИ №28). Устройство умножения частоты в четное число раз включает транзистор n-p-n-типа, первый резистор и первый конденсатор, первые выводы которых соединены с эмиттером транзистора, вторые выводы этих первого резистора и первого конденсатора соединены с общей шиной. Второй и третий резисторы образуют делитель напряжения 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, первая катушка индуктивности и второй конденсатор, образующие первый параллельный колебательный контур, второй и третий резисторы, где первый вывод второго резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод второго резистора и первый вывод третьего резистора соединены с базой транзистора, 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.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются первый биполярный транзистор n-p-n-типа, три резистора, параллельно соединенные катушка индуктивности L и конденсатор С.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении кратности умножения частоты гармонического колебания до семи, в сравнении с аналогами и прототипом, при условии, что в заявленной полезной модели, в аналогах и прототипе используются однотипные транзисторы с одинаковыми параметрами.

Кроме того, при подобной организации умножителя частоты увеличивается диапазон частот, в котором может использоваться умножитель гармонических колебаний, увеличении диапазона частот, в котором может использоваться умножитель частоты гармонических колебаний, в сравнении с аналогами и прототипом, при условии, что в заявленной полезной модели, в аналогах и прототипе используются однотипные транзисторы с одинаковыми параметрами.

Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены три резистора и биполярный транзистор n-p-n-типа.

Технический результат достигается тем, что в умножитель частоты, содержащий биполярный транзистор n-p-n-типа, первый, второй и третий резисторы, первый вывод первого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора соединены с базой транзистора, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, первый вывод третьего резистора соединен с эмиттером транзистора, а второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, параллельно соединенные катушку индуктивности и конденсатор дополнительно введены четвертый, пятый и шестой резисторы, и второй биполярный транзистор n-p-n-типа причем коллекторы первого и второго транзисторов соединены с шиной источника напряжения питания, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первым выводом шестого резистора, первый вывод четвертого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод четвертого резистора и первый вывод пятого резистора соединены с базой второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с общей шиной, второй вывод шестого резистора соединен с первыми выводами катушки индуктивности и конденсатора и является выходом устройства, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора соединены с общей шиной. Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная умножителя частоты гармонических колебаний, где 1 - первый резистор, 2 - четвертый резистор, 3 - первый транзистор, 4 - второй транзистор, 5 - шестой резистор, 6 - второй резистор, 7 - третий резистор, 8 - пятый резистор, 9 - катушка индуктивности, 10 - конденсатор.

На фиг. 2 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма), импульсы напряжения, управляющие колебательным контуром при удвоении частоты входного сигнала (средняя диаграмма) и сигнал, частота которого умножена в два раза (нижняя диаграмма).

На фиг. 3 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма), импульсы напряжения, управляющие колебательным контуром при умножении частоты входного сигнала в пять раз (средняя диаграмма) и сигнал, частота которого умножена в пять раз (нижняя диаграмма).

На фиг. 4 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма), импульсы напряжения, управляющие колебательным контуром при увеличении частоты входного сигнала в семь раз (средняя диаграмма) и сигнал, частота которого умножена в семь раз (нижняя диаграмма).

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

Умножитель частоты гармонических колебаний (фиг. 1) содержит два биполярных транзистора 3 и 4 n-p-n-типа, катушку индуктивности 9, конденсатор 10 и шесть резисторов (1, 2, 5, 6, 7, 8). Первый вывод резистора 1 соединен с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод резистора 1 и первый вывод второго резистора 6 соединены с базой первого транзистора 3 и служат узлом для подключения источника входного сигнала u_вх(t), второй вывод резистора 6 соединен с общей шиной, первый вывод резистора 7 соединен с эмиттером первого транзистора 3, а второй вывод резистора 7 соединен с общей шиной, введены три резистора (2, 5 и 8), причем первый вывод резистора 5 соединен с эмиттерами транзисторов 3 и 4, коллектора транзисторов 3 и 4, а также первый вывод резистора 2 соединены с шиной источника напряжения питания +Е_п, второй вывод резистора 2 и первый вывод резистора 8 соединены с базой транзистора 4, второй вывод резистора 8 соединен с общей шиной, второй вывод резистора 5 соединен с первыми выводами катушки индуктивности 9 и конденсатора 10, узел их соединения является выходом устройства u_вых(t). Вторые выводы катушки индуктивности 9 и конденсатора 10 соединены с общей шиной.

Работает устройство умножения частоты гармонических колебаний следующим образом.

На постоянном токе на базе транзистора 4 резистивным делителем, состоящим из резистора 2 и резистора 8, формируется постоянное напряжение, определяющее уровень напряжения ограничения отрицательной и частично положительной полуволн входного сигнала в соответствии с тем углом отсечки импульса управления колебательным контуром, состоящим из катушки индуктивности 9 и конденсатора 10, который требуется для получения выходного сигнала с умноженной частотой в требуемое число раз (2, 3, и т.д.). Тогда постоянное напряжение между эмиттером транзистора 4 и общей шиной равно:

Uотс =

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

Уровень постоянного напряжения, формируемого резистивным делителем, состоящим из резистора 1 и резистора 6, на базе транзистора 3 несколько ниже, чем на базе транзистора 4.

При появлении положительной полуволны входного сигнала на базе транзистора 3 уровень потенциала базы транзистора 3 будет возрастать. При выравнивании потенциалов баз транзисторов 3 и 4 p-n-переход база-эмиттер транзистора 3 будет иметь прямое смещение. Это приводит к тому, что на резисторе 7 начнет формироваться импульс напряжения управления колебательным контуром. По мере роста амплитуды импульса управления колебательным контуром p-n-переход база-эмиттер транзистора 4 будет запираться и транзистор 4 перестает проводить ток. При достижении импульсом управления колебательным контуром максимального значения его интенсивность начинает уменьшаться. При достижении напряжения управляющего импульса уровня U_отс, транзистор 3 будет запираться, формирование импульса напряжения управления колебательным контуром прекращается, а на резисторе 7 установится напряжение близкое к постоянному (фиг. 2 - фиг. 4, средние диаграммы). 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, через резистор 5 передаются на колебательный контур, включающий катушку индуктивности 9 и конденсатор 10. 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 9 и конденсатора 10, 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. 2-4 на верхних диаграммах представлен входной сигнал, изменяющийся с частотой f₀, а на нижних диаграммах представлены сигналы, частоты которых увеличены в два (2⋅f₀), пять (5⋅f₀) и семь (7⋅f₀) раз соответственно.

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

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, где параллельный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, включен в эмиттерную цепь этих транзисторов, а это позволяет:

исключить 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;

улучшить на начальном участке линейность импульсов напряжения, управляющих колебательным контуром за счет того, что при формировании импульсов напряжения с соответствующим углом отсечки первый, либо второй транзисторы всегда открыты и пропускают ток через резистор 7, когда обрезается отрицательная и частично положительная полуволны входного сигнала. Это позволяет повысить коэффициент умножения частоты.

Claims

Умножитель частоты гармонических колебаний, содержащий биполярный транзистор n-p-n-типа, параллельно соединенные катушку индуктивности и конденсатор, первый, второй и третий резисторы, первый вывод первого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора соединены с базой транзистора, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, первый вывод третьего резистора соединен с эмиттером транзистора, а второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, отличающийся тем, что в него дополнительно введены четвертый, пятый и шестой резисторы и второй биполярный транзистор n-p-n-типа, причем коллекторы первого и второго транзисторов соединены с шиной источника напряжения питания, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с первым выводом шестого резистора, первый вывод четвертого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, второй вывод четвертого резистора и первый вывод пятого резистора соединены с базой второго транзистора, второй вывод пятого резистора соединен с общей шиной, второй вывод шестого резистора соединен с первыми выводами катушки индуктивности и конденсатора и является выходом устройства, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора соединены с общей шиной.