RU2266609C2

RU2266609C2 - Frequency divider

Info

Publication number: RU2266609C2
Application number: RU2003130049/09A
Authority: RU
Inventors: М.И. Бочаров (RU); М.И. Бочаров
Original assignee: Воронежский государственный технический университет
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-12-20
Also published as: RU2003130049A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: proposed frequency divider that can be used, for instance, as synchronized-wave source in radio transceiving, radio receiving, and electrical devices has inductance coil, semiconductor diode, capacitor, and bias voltage supply; in addition, it is also provided with newly introduced transistor whose collector and emitter are connected to respective unlike-polarity electrodes of semiconductor diode, communication inductance coil connected to transistor base and to common point of device and magnetically coupled with inductance coil, as well as loading resistor inserted between inductance coil and common point of device.

EFFECT: enlarged division band and enhanced efficiency.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве источника синхронизированных колебаний в радиопередающих, радиоприемных и электротехнических устройствах.The invention relates to the field of radio engineering and can be used as a source of synchronized oscillations in radio transmitting, radio receiving and electrical devices.

Известен делитель частоты, состоящий из катушки индуктивности, полупроводникового диода, конденсатора и источника напряжения смещения [1]. Недостатком этого устройства является узкая полоса деления. Это обусловлено тем, что в нем деление частоты обусловлено эффектом накопления заряда в полупроводниковом диоде, возникающим в режиме открывания р-n перехода. Однако при открывании полупроводникового диода образуется и постоянная составляющая тока, величина которой приблизительно равна амплитуде высокочастотной составляющей тока, протекающего через него. Преобразование высокочастотного сигнала в постоянную составляющую означает внесение потерь в схему. Уровень этих потерь, как следует из выше указанного, высок, что обуславливает узкую полосу деления и низкую эффективность.Known frequency divider, consisting of an inductor, a semiconductor diode, a capacitor and a bias voltage source [1]. The disadvantage of this device is the narrow division band. This is due to the fact that the frequency division in it is due to the effect of charge accumulation in a semiconductor diode that occurs in the opening mode of the pn junction. However, when the semiconductor diode is opened, a constant current component forms, the value of which is approximately equal to the amplitude of the high-frequency component of the current flowing through it. Converting a high-frequency signal into a DC component means introducing losses into the circuit. The level of these losses, as follows from the above, is high, which leads to a narrow division band and low efficiency.

Изобретение направлено на увеличение полосы деления при увеличении эффективности.The invention is aimed at increasing the division band with increasing efficiency.

Это достигается тем, что в делитель частоты, содержащий катушку индуктивности, полупроводниковый диод, конденсатор и источник напряжения смещения, дополнительно введены транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам полупроводникового диода, катушка индуктивности связи, соединенная с базой транзистора и общей точкой устройства и магнитносвязанная с катушкой индуктивности, а также нагрузочный резистор, включенный между катушкой индуктивности и общей точкой устройства.This is achieved by the fact that a transistor is added to the frequency divider containing an inductor, a semiconductor diode, a capacitor and a bias voltage source, the collector and emitter of which are connected to the corresponding unlike electrodes of the semiconductor diode, a coupling inductor connected to the base of the transistor and the common point of the device and magnetically coupled to the inductor, as well as a load resistor connected between the inductor and the common point of the device.

На фиг.1 приведена схема делителя частоты.Figure 1 shows a diagram of a frequency divider.

Делитель частоты содержит катушку индуктивности 1, полупроводниковый диод 2, конденсатор 3, источник напряжения смещения 4, транзистор 5, коллектор и эмиттер которого подключены к соответствующим разноименным электродам полупроводникового диода 2, катушку индуктивности связи 6, соединенную с базой транзистора 5 и общей точкой устройства и магнитносвязанную с катушкой индуктивности 1, а также нагрузочный резистор 7, включенный между катушкой индуктивности 1 и общей точкой устройства.The frequency divider contains an inductor 1, a semiconductor diode 2, a capacitor 3, a bias voltage source 4, a transistor 5, the collector and emitter of which are connected to the corresponding unlike electrodes of the semiconductor diode 2, a coupling inductance 6 connected to the base of the transistor 5 and the common point of the device and magnetically coupled to the inductor 1, as well as a load resistor 7 connected between the inductor 1 and the common point of the device.

Делитель частоты работает следующим образом.The frequency divider operates as follows.

При поступлении ВЧ сигнала синусоидальной формы на вход делителя частоты и при воздействии его первой положительной полуволны на интервале t₀...t₁ (фиг.2, а) по цепи: конденсатор 3, полупроводниковый диод 2 и общая точка устройства ток не протекает (фиг.2, б), поскольку полупроводниковый диод 2 заперт, не протекает и через транзистор 5, т.к. напряжение, приложенное к его входу, равное сумме управляющего напряжение u_y, наводимого на катушке индуктивности связи 6, и напряжения смещения Е, на этом интервале времени меньше напряжения отсечки транзистора Е' (фиг.2, в). Это и обеспечивает закрывание транзистора 5. При этом напряжение Е задает начальное смещение или рабочую точку и во времени не меняется. При воздействии на вход делителя частоты переменного ВЧ сигнала синусоидальной формы управляющее напряжение u_y будет также синусоидальным, но противофазным входному ВЧ сигналу (фиг.2, в). Катушка индуктивности 1 и катушка индуктивности 6 магнитно связаны и фактически образуют трансформатор, обмотки которого включены встречно. На фиг.1 начала обмоток обозначены точками, а на фиг.2 временные диаграммы приведены для Е=0.Upon receipt of the RF signal of a sinusoidal shape at the input of the frequency divider and when it is exposed to the first positive half-wave in the interval t ₀ ... t ₁ (Fig. 2, a) along the circuit: capacitor 3, semiconductor diode 2 and the device common point does not flow ( figure 2, b), since the semiconductor diode 2 is locked, does not leak through the transistor 5, because the voltage applied to its input, equal to the sum of the control voltage u _y induced on the coupling inductance 6 and the bias voltage E, in this time interval is less than the cut-off voltage of the transistor E '(Fig. 2, c). This ensures the closing of the transistor 5. In this case, the voltage E sets the initial bias or operating point and does not change in time. When exposed to the input of the frequency divider of the alternating RF signal in a sinusoidal form, the control voltage u _y will also be a sinusoidal, but out of phase input RF signal (Fig. 2, c). The inductor 1 and the inductor 6 are magnetically coupled and actually form a transformer, the windings of which are turned on counter. In Fig. 1, the beginnings of the windings are indicated by dots, and in Fig. 2, timing diagrams are given for E = 0.

Кроме этого, ВЧ сигнал воздействует и на цепь, состоящую из катушки индуктивности 1 и нагрузочного резистора 7. С момента t=t₀ по этой цепи начинает протекать ток i_u (фиг.2, г). Ток выходит из нуля и его нарастание в это время происходит очень медленно, поскольку ток i_u, протекающий через катушку индуктивности 1, мал из-за большой постоянной времени контура τ_к. образованного катушкой индуктивности 1, конденсатором 3 и нагрузочным резистором 7, и возникающей при этом временной задержки. Постоянная времени контура

, где L_к - индуктивность катушки, r_к - суммарные потери в катушке индуктивности 1 и в нагрузочном резисторе 7.In addition, the RF signal acts on the circuit, consisting of an inductor 1 and a load resistor 7. From the moment t = t ₀ , the current i _u starts flowing along this circuit (Fig. 2, d). The current leaves zero and its growth at this time occurs very slowly, since the current i _u flowing through the inductor 1 is small due to the large time constant of the circuit τ _k . formed by an inductor 1, a capacitor 3 and a load resistor 7, and the resulting time delay. Loop time constant

where L _to - the inductance of the coil, r _to - the total loss in the inductor 1 and the load resistor 7.

При изменении полярности ВЧ сигнала на входе делителя частоты на отрицательную (фиг.2, а) ток через конденсатор 3, полупроводниковый диод 2 и транзистор 5 протекает в течение времени t₁÷t₃ (фиг.2, б), когда сумма управляющего напряжения u_y и напряжения Е, создаваемого источником напряжения смещения 4, превышает напряжение отсечки Е' транзистора 5 (фиг.2, в). При этом в течение времени t₁÷t₂, когда воздействующее на конденсатор 3 напряжение u_c (заряд q) еще не достигло минимума, конденсатор 3 заряжается по цепи: катушка индуктивности 1, нагрузочный резистор 7, полупроводниковый диод 2. Поскольку через полупроводниковый диод 2 протекает ток в прямом направлении, то конденсатор 3 заряжается быстро. Этот ток имеет форму импульса отрицательной полярности (фиг.2, б), который создает на выходных электродах транзистора 5 отрицательное напряжение, закрывающее транзистор 5. За счет этого на интервале времени t₁÷t₂ скорость нарастания тока i_u индуктивной ветви несколько возрастет (фиг.2, г), однако его резкого увеличения не произойдет из-за того, что в момент t₁=t₂ ток i_u имеет небольшое значение и поэтому сопротивление катушки индуктивности 1 большое.When the polarity of the RF signal at the input of the frequency divider changes to negative (Fig. 2, a), the current through the capacitor 3, the semiconductor diode 2, and the transistor 5 flows during the time t ₁ ÷ t ₃ (Fig. 2, b), when the sum of the control voltage u _y and voltage E generated by the bias voltage source 4 exceeds the cut-off voltage E 'of the transistor 5 (FIG. 2, c). Moreover, during the time t ₁ ÷ t ₂ , when the voltage u _c acting on the capacitor 3 (charge q) has not yet reached a minimum, the capacitor 3 is charged through the circuit: inductor 1, load resistor 7, semiconductor diode 2. Since through the semiconductor diode 2 current flows in the forward direction, then the capacitor 3 charges quickly. This current has the form of a pulse of negative polarity (Fig. 2, b), which creates a negative voltage at the output electrodes of transistor 5, which closes transistor 5. Due to this, the rate of rise of current i _{u of the} inductive branch increases slightly (t ₁ ÷ t ₂ ( figure 2, d), however, its sharp increase will not occur due to the fact that at the moment t ₁ = t _{2 the} current i _u has a small value and therefore the resistance of the inductor 1 is large.

В течение t₂÷t₃ напряжение u_c и заряд q на конденсаторе 3 начинают возрастать. Поэтому конденсатор 3 начинает разряжаться по цепи: транзистор 5, нагрузочный резистор 7, катушка индуктивности 1. При этом ток

становится положительным и также имеет форму импульса (фиг.2, б). Это будет способствовать уменьшению тока i_u, протекающего через катушку индуктивности 1. Однако заметного уменьшения этого тока не произойдет, поскольку разряд конденсатора 3 происходит очень медленно из-за большого сопротивления катушки индуктивности 2 и открытого транзистора. Это незначительное уменьшение тока i_u закончится в момент t₃, когда транзистор 5 закроется напряжением u_y+E.During t ₂ ÷ t _{3 the} voltage u _c and the charge q on the capacitor 3 begin to increase. Therefore, the capacitor 3 begins to discharge along the circuit: transistor 5, load resistor 7, inductor 1. In this case, the current

becomes positive and also has the shape of an impulse (figure 2, b). This will help to reduce the current i _u flowing through the inductor 1. However, a noticeable decrease in this current will not occur, since the discharge of the capacitor 3 occurs very slowly due to the high resistance of the inductor 2 and the open transistor. This slight decrease in current i _u will end at time t ₃ when transistor 5 is closed by voltage u _y + E.

При воздействии на вход делителя частоты второй положительной полуволны изменение тока протекает аналогично тому, как это было при первой положительной полуволне, т.е. ток i_u вновь начнет медленно увеличиваться относительно значения t=t₃. Однако скорость его нарастания несколько увеличится, поскольку в момент появления второй положительной полуволны значение тока i_u имеет значение больше нуля (фиг.2, г), поэтому сопротивление катушки индуктивности 1 становится меньше.When the second positive half-wave acts on the input of the frequency divider, the current changes in the same way as it did with the first positive half-wave, i.e. the current i _u again begins to slowly increase relative to the value t = t ₃ . However, its slew rate will increase slightly, since at the moment of the appearance of the second positive half-wave, the value of current i _u has a value greater than zero (Fig. 2, d), therefore, the resistance of the inductor 1 becomes less.

К моменту t′₁=t₁+Т (Т - период ВЧ колебаний) ток i_u имеет некоторую положительную достаточно большую величину, при которой сопротивление индуктивной ветви становится не столь большим. В течение времени t₁÷t₂ опять начинает протекать ток через полупроводниковый диод 2. В результате этого конденсатор 3, подключившись к цепи, состоящей из катушки индуктивности 1 и нагрузочного резистора 7, быстро заряжается, что способствует более резкому возрастанию тока i_u (как показано на фиг.2, г). В течение времени t′₂÷t′₃ начинает вновь разряжаться конденсатор 3. К моменту времени t=t₂′ ток i_u достигает большого уровня (фиг.2, г). Поэтому сопротивление катушки индуктивности 1 становится малым, что вызовет протекание достаточно большого тока положительной полярности через транзистор 5 и, соответственно, резкое уменьшение тока i_u на этом интервале времени до минимального значения, которое может быть равным нулю.By the time t ′ ₁ = t ₁ + T (T is the period of the HF oscillations), the current i _u has some positive sufficiently large value at which the resistance of the inductive branch becomes not so large. During the time t ₁ ÷ t ₂ , a current begins to flow again through the semiconductor diode 2. As a result, the capacitor 3, being connected to the circuit consisting of an inductor 1 and a load resistor 7, quickly charges, which contributes to a sharper increase in current i _u (as shown in figure 2, d). During the time t ′ ₂ ÷ t ′ ₃ , the capacitor ₃ starts to discharge again. By the time t = t ₂ ′, the current i _u reaches a large level (Fig. 2, d). Therefore, the resistance of the inductor 1 becomes small, which causes a sufficiently large current of positive polarity to flow through the transistor 5 and, accordingly, a sharp decrease in the current i _u in this time interval to a minimum value, which can be zero.

Поэтому на нагрузочном резисторе 7 появляется импульс напряжения u_вых (фиг.2, д), повторяющий форму импульса тока i_u (фиг.2, г).Therefore, a voltage pulse u _o appears on the load resistor 7 (figure 2, e), repeating the shape of the current pulse i _u (figure 2, g).

При воздействии на вход делителя частоты третьей положительной полуволны ВЧ сигнала процесс протекания тока i_u будет проходить аналогично тому, как это происходит при действии его первой положительной полуволны, а при воздействии третьей отрицательной полуволны - аналогично воздействию его первой отрицательной полуволны. При четвертой положительной полуволне появляется второй импульс тока i_u большой амплитуды и т.д.When exposed to a third input of the frequency divider positive half-wave rf signal current i _u flowing process will pass the same manner as it occurs under the action of its first positive half-cycle, and when subjected to the third negative half-wave - similar effects its first negative half-wave. With the fourth positive half-wave, a second current pulse i _{u of} large amplitude appears, etc.

Таким образом, заявляемое устройство деления частоты работает в соответствии с теорией, изложенной в [1, с.11÷12].Thus, the inventive frequency division device operates in accordance with the theory set forth in [1, pp. 11 ÷ 12].

Поскольку импульсы тока, протекающего через полупроводниковый диод 2 и транзистор 5, разнополярны и имеют равные максимальные значения, то ток, протекающий через полупроводниковый диод 2 и транзистор 5, не содержит постоянной составляющей, которая определяет потери. Уменьшение потерь в делителе частоты, как известно, приводит к увеличению полосы деления и уровня выходного сигнала, т.е. обеспечиваются преимущества заявляемого устройства по сравнению с известными. Эти свойства делителя частоты подтверждается и результатами исследований, приведенных в [2].Since the pulses of the current flowing through the semiconductor diode 2 and the transistor 5 are heteropolar and have equal maximum values, the current flowing through the semiconductor diode 2 and the transistor 5 does not contain a constant component that determines the loss. The decrease in losses in the frequency divider, as is known, leads to an increase in the division band and the level of the output signal, i.e. the advantages of the claimed device in comparison with the known. These properties of the frequency divider are confirmed by the results of studies presented in [2].

Для устойчивой работы устройства необходимо, чтобы частота входного ВЧ сигнала приблизительно равнялась резонансной частоте ω этого контура. Волновое сопротивление контура необходимо выбрать таким, чтобы катушка индуктивности на входной частоте ВЧ сигнала имела достаточно высокую добротность для того, чтобы колебания поделенной частоты в схеме возникли, и в рабочем состоянии устройство устойчиво работало. Этому требованию, как известно из теории колебаний, удовлетворяют катушки индуктивности с волновым сопротивлением ρ, составляющим величины от десятков Ом до нескольких кОм. Большие значения ρ выбирать нецелесообразно, поскольку при увеличении его величины уменьшается эквивалентная емкость контура

и становится физически нереализуемой из-за паразитных емкостей диода и транзистора (в LC-контлре заявляемого устройства

, С - емкость конденсатора 3).For stable operation of the device, it is necessary that the frequency of the input RF signal is approximately equal to the resonant frequency ω of this circuit. The impedance of the circuit must be chosen so that the inductor at the input frequency of the RF signal has a high quality factor so that the oscillations of the divided frequency appear in the circuit, and in the working state the device operates stably. This requirement, as is known from the theory of oscillations, is satisfied by inductors with wave impedance ρ ranging from tens of ohms to several kilohms. It is impractical to choose large values of ρ, since an increase in its value decreases the equivalent circuit capacity

and becomes physically unrealizable due to stray capacitance of the diode and transistor (in LC-control of the claimed device

, C is the capacitance of the capacitor 3).

При делении частоты в устройстве фиг.1 оптимальное значение постоянной времени контура выбирается из условия

, где Т_N=NT - период колебания поделенной частоты; N - коэффициент деления, т.е. значение τ_к достаточно большое.When dividing the frequency in the device of figure 1, the optimal value of the time constant of the circuit is selected from the condition

where T _N = NT is the period of oscillation of the divided frequency; N is the division coefficient, i.e. the value of τ _{k is} quite large.

Напряжение смещения Е должно быть таким, чтобы при отсутствии управляющего напряжения u_y=0 (фиг.2, в) транзистор 5 находился в закрытом состоянии, что соответствует Е<Е'. Для выбранного транзистора типа n-р-n (фиг.1) Е' положительно и равно 0,2...0,3 В для германиевого транзистора и 0,5...0,7 В для кремниевого. В конкретном случае Е может быть как положительным, но несколько меньшим указанных справочных значении Е', так и равным нулю, а также отрицательным и составляющим по величине несколько вольт. Требование одно: для устойчивой работы транзистор 5 должен быть в исходном состоянии при отсутствии входного ВЧ сигнала и, соответственно, при отсутствии управляющего сигнала (u_y=0), заперт.The bias voltage E should be such that in the absence of a control voltage u _y = 0 (Fig.2, c) the transistor 5 is in the closed state, which corresponds to E <E '. For the selected transistor type n-p-n (Fig. 1), E 'is positive and equal to 0.2 ... 0.3 V for a germanium transistor and 0.5 ... 0.7 V for silicon. In the specific case, E can be either positive, but slightly less than the indicated reference values of E ', or equal to zero, and also negative and amounting to several volts in magnitude. There is only one requirement: for stable operation, transistor 5 must be in the initial state in the absence of an input RF signal and, accordingly, in the absence of a control signal (u _y = 0), it is locked.

В устройстве фиг.1 при условиях, сформулированных выше, деление частоты будет осуществляться в широкой полосе частот без заметного уменьшения амплитуды импульсов выходного напряжения, т.е. эффективность работы устройства будет большой, что обусловлено отсутствием постоянной составляющей в протекающем через контур токе и отсутствием поэтому диссипативного механизма амплитудного ограничения. Работоспособность делителя частоты сохраняется и при использовании в качестве транзистора 5 структуры типа р-n-р. В этом случае в схеме делителя частоты (фиг.1) к аноду полупроводникового диода 2 подключается коллектор транзистора 5, а с катодом полупроводникового диода 2 соединяется эмиттер транзистора 5.In the device of FIG. 1, under the conditions formulated above, frequency division will be carried out in a wide frequency band without a noticeable decrease in the amplitude of the output voltage pulses, i.e. the efficiency of the device will be large, due to the absence of a constant component in the current flowing through the circuit and the absence of therefore a dissipative mechanism of amplitude limitation. The efficiency of the frequency divider is preserved when using a structure of the pnp type as the transistor 5. In this case, in the frequency divider circuit (Fig. 1), the collector of transistor 5 is connected to the anode of semiconductor diode 2, and the emitter of transistor 5 is connected to the cathode of semiconductor diode 2.

При изменении постоянной времени контура τ_к в устройстве (фиг.1) возможен режим деления частоты и с коэффициентом деления, большим 2. Этот режим также будет сохраняться в широкой полосе частот.When changing the time constant of the circuit τ _k in the device (Fig. 1), a frequency division mode is possible with a division coefficient greater than 2. This mode will also be stored in a wide frequency band.

Таким образом, преимуществом предложенного устройства по сравнению с прототипом является существенное увеличение полосы деления и повышение эффективности его работы.Thus, the advantage of the proposed device compared with the prototype is a significant increase in the fission band and increase its efficiency.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. - М.: Связь. 1976, с.261÷263, рис.8.8, б.1. Rizkin I.Kh. Multipliers and frequency dividers. - M .: Communication. 1976, p. 261 ÷ 263, fig. 8.8, b.

2. Каплан А.Е., Кравцов Ю.А., Рылов В.А. Параметрические генераторы и делители частоты. Под редакцией Ю.А.Кравцова. - М.: Сов. радио. 1966, с.144÷148, рис.68.2. Kaplan A.E., Kravtsov Yu.A., Rylov V.A. Parametric generators and frequency dividers. Edited by Yu.A. Kravtsov. - M .: Owls. radio. 1966, p. 144 ÷ 148, fig. 68.

Claims

A frequency divider comprising an inductor, a semiconductor diode, a capacitor and a bias voltage source, characterized in that a transistor is introduced, the collector and emitter of which is connected to the corresponding unlike electrodes of the semiconductor diode, a load resistor connected between the inductor and the common point of the divider, a coupling inductor connected to the base of the transistor and magnetically coupled to the inductor, while the voltage of the coupling inductor and the voltage of the source cm The buildings create a control voltage at the base of the transistor, and the capacitor, transistor, load resistor and inductor form a closed loop.