УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

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 в четное число раз (Авторское свидетельство 1667218 A1 SU, МКИ H03B 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, резистор и конденсатор, первые выводы которых соединены с эмиттером транзистора, вторые выводы этих резистора и конденсатора соединены с общей шиной. Два резистора образуют делитель напряжения и задают напряжение смещения на базу транзистора. Отвод от катушки индуктивности первого параллельного колебательного контура соединен с коллектором транзистора. Отвод от катушки индуктивности второго параллельного колебательного контура соединен с точкой соединения первых выводов конденсатора и катушки индуктивности первого параллельного колебательного контура. Первые выводы конденсатора и катушки индуктивности второго параллельного колебательного контура соединены с шиной источника напряжения питания. В устройстве имеется диодный мост, соединенный двумя выводами с первыми и вторыми выводами конденсатора и катушки индуктивности первого колебательного контура. Дополнительно в устройстве имеются три резистора, три конденсатора и две катушки индуктивности. На базу транзистора подается входной сигнал, а выходной сигнал снимается с резистора, входящего в мост, включающий два резистора и две катушки индуктивности.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие транзистора n-p-n-типа, катушки индуктивности и конденсатора, образующих параллельный колебательный контур, первого и второго резисторов, первые выводы которых соединены с базой транзистора, второй вывод первого резистора соединен с шиной источника напряжения питания, а второй вывод второго резистора соединен с общей шиной.
Недостатком аналога является то, что транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Параллельный колебательный контур, являющийся нагрузкой транзистора, включен в коллекторную цепь транзистора. В этом случае начинает проявляться эффект Миллера, приводящий к следующему: паразитная емкость p-n-перехода база-коллектор транзистора, приведенная к базе транзистора, возрастает в число раз, равное коэффициенту усиления транзистора. 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 H03B 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 C6, второй вывод которого подключен к общей шине. Катушка индуктивности L2 и конденсатор C6 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 C7. Катушка индуктивности L2, конденсатор C6 и конденсатор C7 образуют параллельный колебательный контур с разделенной емкостью. Подбор емкости конденсатора C7 осуществляется таким образом, чтобы параллельный колебательный контур (L2, C6 и C7) был настроен на удвоенную частоту колебаний первого механического резонанса кварцевого резонатора. Это обеспечивает удвоение частоты. Резисторы R4 и R5, первые выводы которых соединены с базой транзистора VT1, а вторые выводы подключены, соответственно, к шине напряжения питания и общей шине, 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 двух резисторов (R4 и R5), где первые выводы резисторов R4 и R5 соединены с базой транзистора, второй вывод резистора R4 соединен с шиной источника напряжения питания, а второй вывод резистора R5 соединен с общей шиной.
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 транзистора. Это приводит к снижению максимальной частоты, на которой может работать данный умножитель частоты.
p
0
p
0
б
0
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство умножения 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 колебательного контура в n раз больше частоты сигнала f входного воздействия: f=nf, где n - целое число, характеризующее во сколько раз происходит повышение частоты входного сигнала. Устройство содержит биполярный транзистор VT n-p-n-типа, Резистор R, катушку индуктивности L, конденсатор C, источник напряжения смещения E и источник входного сигнала e.
к
к
б
б
0
Первый вывод катушки индуктивности L и первый вывод конденсатора C соединены с коллектором транзистора VT. Этот узел является выходом устройства, на выходе которого формируется выходной сигнал u, частота которого в n раз больше частоты сигнала входного воздействия е. Вторые выводы катушки индуктивности L и конденсатора С соединены с шиной источника напряжения питания +E. Эмиттер транзистора VT соединен с общей шиной. База транзистора VT соединена с первым выводом резистора R. Второй вывод резистора R 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 E, второй вывод которого соединен с общей шиной.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются биполярный транзистор n-p-n-типа, параллельно соединенные катушка индуктивности L и конденсатор C.
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 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.
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.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, заключается в увеличении диапазона частот, в котором может использоваться умножитель частоты гармонических колебаний, и увеличение кратности умножения частоты входного сигнала до четырех 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 пять резисторов.
вх
п
вых
Технический результат достигается тем, что в умножитель частоты, содержащий биполярный транзистор n-p-n-типа и параллельно соединенные катушку индуктивности и конденсатор, введены пять резисторов, причем первый вывод первого резистора соединен с источником входного сигнала u(t), второй вывод первого резистора и первые выводы второго и третьего резисторов соединены с эмиттером транзистора, первый вывод четвертого резистора и коллектор транзистора соединены с шиной источника напряжения питания +E, второй вывод четвертого резистора и первый вывод пятого резистора соединены с базой транзистора, вторые выводы третьего и пятого резисторов соединены с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с первыми выводами параллельно соединенных катушки индуктивности и конденсатора и является выходом устройства u(t), вторые выводы параллельно соединенных катушки индуктивности и конденсатора подключены к общей шине.
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 - четвертый резистор, 2 - транзистор, 3 - первый резистор, 4 - второй резистор, 5 - пятый резистор, 6 - третий резистор, 7 - катушка индуктивности, 8 - конденсатор.
На фиг. 2 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма) и импульсы напряжения, управляющие колебательным контуром при удвоении частоты входного сигнала (нижняя диаграмма).
На фиг. 3 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма) и выходной сигнал, частота которого увеличена в два раза (нижняя диаграмма).
На фиг. 4 представлена форма гармонического входного сигнала (верхняя диаграмма) и выходной сигнал, частота которого увеличена в четыре раза (нижняя диаграмма).
Диаграммы, представленные на фиг. 2-4, получены моделированием умножителя частоты гармонических колебаний (фиг. 1) с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
вх
п
вых
Умножитель частоты гармонических колебаний (фиг. 1) содержит биполярный транзистор n-p-n-типа, параллельно соединенные катушку индуктивности 7 и конденсатор 8, а также пять резисторов (1, 3, 4, 5, 6). Первый вывод резистора 3 соединен с источником входного сигнала u(t), второй вывод резистора 3 и первые выводы резистора 6 и резистора 4 соединены с эмиттером транзистора 2, первый вывод резистора 1 и коллектор транзистора 2 соединены с шиной источника напряжения питания +E, второй вывод резистора 1 и первый вывод резистора 5 соединены с базой транзистора 2, вторые выводы резисторов 5 и 6 соединены с общей шиной, второй вывод резистора 4 соединен с первыми выводами катушки индуктивности 7 и конденсатора 8 и является выходом устройства u(t), вторые выводы катушки индуктивности 7 и конденсатора 8 соединены с общей шиной.
Работает устройство умножения частоты гармонических колебаний следующим образом.
см
К первому выводу резистора 3 подключается первый вывод источника входного сигнала, второй вывод которого соединяется с общей шиной. Резистивный делитель напряжения (резисторы 1 и 5) формирует напряжение смещения E на базе транзистора 2. В этом случае, при отсутствии входного сигнала, в узле соединения второго вывода резистора 3, первых выводов резисторов 4 и 6 и эмиттера транзистора 2 будет установлено напряжение
э
см
0
U=E-V.
э
Соответственно ток эмиттера транзистора 2 будет протекать в цепях: резистор 3 - источник входного сигнала; резистор 6; резистор 4 - катушка индуктивности 7. Напряжение U определяет напряжение, относительно которого будет происходить ограничение амплитуды положительной полуволны входного сигнала в соответствии с тем углом отсечки, который требуется для получения выходного сигнала с умноженной частотой в требуемое число раз (2, 3 и т.д.).
э
2
0
3
0
0
вых
При появлении входного сигнала на первом выводе резистора 3 в узле соединения второго вывода резистора 3, первых выводов резисторов 4 и 6 и эмиттера транзистора 2 будет происходить ограничение отрицательной полуволны и части амплитуды положительной полуволны входного сигнала на уровне напряжения U. В результате этого будут формироваться импульсы напряжения (фиг. 2, нижняя диаграмма), имеющие в своем составе спектральные составляющие на частотах кратных центральной частоте входного сигнала: f=2f, f=3f, …, где f - центральная частота входного сигнала. Период следования этих импульсов равен периоду изменения входного сигнала, а длительность этих импульсов будет не более длительности положительной полуволны выходного сигнала u(t) с умноженной частотой.
n
0
n
Через резистор 4 импульсы напряжения поступают в узел соединения второго вывода резистора 4 и первых выводов катушки индуктивности 7 и конденсатора 8. Колебательный контур, построенный с использованием катушки индуктивности 7 и конденсатора 8 и настроенный на резонансную частоту кратную частоте входного сигнала f=nf, где n=2, 3, 4, … - целое число, характеризующее, на сколько происходит умножение частоты входного сигнала, выделяет спектральные составляющие на частоте f и в окрестности ее. На выходе устройства появляется выходной сигнал с умноженной в n раз частотой.
0
0
На фиг. 3 представлен входной сигнал, изменяющийся с частотой f (верхняя диаграмма), и сигнал, частота которого увеличена в два раза (нижняя диаграмма). На фиг. 4 представлен входной сигнал, изменяющийся с частотой f (верхняя диаграмма), и сигнал, частота которого увеличена в четыре раза (нижняя диаграмма).
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 транзистор включен по схеме с общим коллектором, где параллельный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, включен в эмиттерную цепь транзистора, 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, паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база транзистора, приведенная к базе транзистора не возрастает за счет проявления эффекта Миллера;
улучшить линейность импульсов напряжения, управляющих колебательным контуром за счет того, что при формировании импульсов напряжения с соответствующим углом отсечки транзистор запирается и ток не проводит, а, когда обрезается отрицательная и частично положительная полуволны входного сигнала, ток протекает по цепи: шина источника питания - резистор 6 - коллектор - эмиттер транзистора - общая шина. Это обеспечивает формирование импульсов напряжения за счет использования резистивного делителя напряжения (резисторы 1, 3, 5, 6).