УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY DOUBLER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике умножения частоты колебаний (в основном, гармонических) различных частот. Предлагаемое устройство предназначено для удвоения частоты колебаний в широком диапазоне частот.
Уровень техники
Известны умножители частоты (в особенности, удвоители) на основе схем двухполупериодных диодных выпрямителей с резистивной нагрузкой (см., например, [1-6]). Как известно, на выходе балансной (двухтактной) схемы двухполупериодного диодного выпрямителя с резистивной нагрузкой (без шунтирующего эту нагрузку конденсатора) при подаче на вход гармонического переменного напряжения получается однополярное напряжение в виде примыкающих друг к другу импульсов синусоидальной формы с частотой, вдвое большей частоты входного гармонического колебания. На фиг.1 приведены варианты таких схем на двух диодах (балансная с симметрирующим трансформатором на входе) и на четырех диодах (мостовая) и временные диаграммы входного гармонического и выходного напряжений. Такие схемы работают в широком диапазоне частот от низких частот НЧ [3] до СВЧ диапазона (1-8 ГГц [6] на диодах Шоттки типа 3А117А-6 и 3А119А6), который ограничивается практически частотными свойствами применяемых трансформаторов. Такие балансные удвоители частоты нашли применение, в частности, в частотно-измерительных устройствах [4, 5] при построении т.н. декадных умножителей частоты (в 10 раз). Такие декадные умножители [4, 5] содержат балансные удвоители (по схеме фиг.1а), к выходу которых подключены резонансные нелинейные умножители частоты в 5 раз на биполярных транзисторах (БТ по схеме с общим эмиттером ОЭ [4] или БТ по схеме с общей базой ОБ [6] с высокодобротными нагрузочными LC-контурами в цепях коллекторов. В таких схемах декадных умножителей частоты особенно проявляется главный недостаток балансных диодных удвоителей частоты, который заключается в неудовлетворительной форме их выходных импульсов, имеющих большую длительность (более половины периода на уровне 0,5) и пологие вершины (из-за их синусоидальной формы). Известно, однако, что для получения максимального уровня нужной гармоники на выходе резонансного нелинейного умножителя частоты на БТ ток коллектора БТ должен быть получен в виде узких импульсов с углом отсечки, близким к оптимальному [3], при котором длительность этих импульсов должна быть меньше периода в число раз, равное коэффициенту умножения частоты. При этом БТ в нелинейных резонансных умножителях частоты в 5 раз должны открываться вершинами выходных импульсов балансных удвоителей частоты на уровне (он показан пунктиром на временных диаграммах фиг.1в и г), близком к амплитуде этих импульсов, где крутизна изменения напряжения на пологих вершинах выходных импульсов этих удвоителей мала. Из-за такой малой крутизны малейшие нестабильности амплитуды выходных импульсов удвоителей преобразуются в значительные (по величине) нестабильности фазы выходных колебаний нелинейных резонансных умножителей частоты (это т.н. амплитудно-фазовая конверсия).
Схемы запатентованных умножителя частоты [1] и удвоителя частоты [2] весьма усложнены по сравнению с прототипом - простой балансной схемой на двух диодах [3], показанной на фиг.1 (по-видимому для достижения заявленных целей). Недостаток прототипа - значительная амплитудно-фазовая конверсия - обусловлена, как показано выше, в неоптимальной форме выходных импульсов синусоидальной формы, имеющих большую длительность и пологие вершины.
Сущность изобретения
Целью предлагаемого изобретения является улучшение формы выходных импульсов двухтактных диодных удвоителей частоты (на основе схем двухполупериодных выпрямителей с резистивной нагрузкой), в частности, в уменьшении их длительности.
На фиг.2 и 3 приведены варианты схем предлагаемого удвоителя частоты для получения положительных и отрицательных импульсов на выходе и временные диаграммы входных и выходных напряжений, поясняющие работу этих схем удвоителей частоты. Предлагаемый удвоитель частоты отличается от прототипа тем, что между заземленным выводом резистора нагрузки (точка А), другой вывод которого соединен с одним полюсом диодного выпрямителя и с выходным выводом удвоителя частоты (точка Б), и с другим полюсом диодного выпрямителя
Д
доп
(точка В), включена дополнительно RC-цепь из параллельно включенных конденсатора С и дополнительного резистора R. При этом постоянная времени этой дополнительной RC-цепи (τ) должна быть много больше максимальной величины периода выходного колебания удвоителя частоты:
o
m
выпр
вых
выпр
o
выпр
При выполнении условия (1) на дополнительной RC-цепи создается постоянное напряжение U, по величине близкое к амплитуде U выходных импульсов двухполупериодного выпрямителя u (t), а выходное напряжение удвоителя u (t), выделяющееся на резисторе нагрузки R, получается как разность напряжений u(t) - U и представляет по форме остроконечные импульсы (с полярностью, противоположной u (t), длительность которых (по уровню 0,5) гораздо меньше половины периода Т выходных колебаний (в отличие от прототипа).
Рассмотрим работу вариантов схем предложенного удвоителя частоты подробнее.
Д
На фиг.1-3 показаны трансформаторы 1, через которые входное напряжение поступает на диодные выпрямители 2, к выходам которых присоединены нагрузочные резисторы (R) 3. Между заземленными выводами (нижние на схемах) этих резисторов (точка А на схемах) и другими полюсами выпрямителей (точка В на схемах на фиг.1) включены дополнительные RC-цепи (4 на фиг.2 и 3) из параллельно включенных конденсатора С и дополнительного резистора R. Работа вариантов схемы предложенного удвоителя частоты (балансной на фиг.2а и 3а и мостовой на фиг.2б и 3б) поясняется временными диаграммами напряжений u(t) на фиг.2в и 3в. При подаче на входы гармонического напряжения u(t) на вторичных обмотках трансформаторов 1 получим также гармоническое напряжение на входах диодных выпрямителей 2
вх
m
u(t)=U·cos ωt.
выпр
вх
o
Д
На выходах этих двухполупериодных выпрямителей (на резисторах (R) 3 (между точками А и Б на схемах) образуется напряжение u (t) в виде однополярных импульсов синусоидальной формы с частотой вдвое большей частоты u (t), т.е. 2ω. На дополнительной RC-цепи, включенной между точками А и В (4 на фиг.2 и 3), при выполнении условия (1) образуется практически постоянное напряжение U, полярность которого указана на фиг.2 и 3 за счет быстрого заряда конденсатора С через диоды 2 выпрямителей и через резистор R (3) за время нахождения диодов 2 выпрямителей в открытом состоянии и медленного разряда этого конденсатора С через дополнительный резистор R. При этом должно выполняться дополнительное условие:
m
вх
вых
выпр
o
И
Величина этого напряжения будет близка к величине амплитуды импульсов на выходах выпрямителей 2 (при выполнении условия (2)), которая в свою очередь близка к амплитуде U переменного напряжения u (t) и отличается от нее на величину прямого падения напряжения на диоде 2 (на фиг.2а и 3а) или на двух последовательно включенных диодах 2 (на фиг.2б и 3б). Выходное напряжение u (t) (на резисторах (R) 3) в схемах на фиг.2 и 3 получается как разность напряжений u (t) - U и с удвоенной частотой 2ω отрицательной полярности в схемах на фиг.2а) и б) или положительной полярности в схемах на фиг.3а) и б), как показано на диаграммах фиг.2в и фиг.3в. Как видно на этих диаграммах длительности этих выходных импульсов τ (по уровню 0,5) получаются гораздо меньше половины периода Т выходных колебаний (в отличие от прототипа).
Входной трансформатор 1 обеспечивает симметричное переменное напряжение на вторичной обмотке со средней точкой в балансных схемах фиг.1а, 2а и 3а (в мостовых схемах (на фиг.1б, 2б и 3б) в этих средних точках нет нужды) и, кроме того, обеспечивает надежную электрическую изоляцию выходных цепей (с заземленным нагрузочным резистором (R) 3) от входных во всех вариантах схемы предложенного удвоителя.
Источники информации
1. Умножитель частоты (Frequenzvervielfacher). Патент ФРГ № DE 3046019 А1, МКИ Н03В 19/16, 27.08.1981.
3
2. Удвоитель частоты. Авторское свидетельство СССР №756602, МКИ. Н03В 19/10, 15.08.1980, БИ 30.
3. Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. Изд 2-е. - М.: Связь, 1976, с.216.
4. Тугаринов И.М., Галкина Н.Г., Ярмолинский С.Х. Аппаратура сравнения частот кварцевых генераторов Сибирского филиала ВНИИ ФТРИ. - В сб.: Доклады научно-технического семинара «Метрология в радиоэлектронике». Часть 2. - М.: ВНИИ ФТРИ, 1970, с.62-70.
5. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / Под ред. Б.П.Фатеева. - М.: Советское радио, 1978. - 304 с.
6. Плавский Л.Г. Умножительный тракт синтезатора сетки частот. - Приборы и техника эксперимента, 2008, №2. - с.179.