Умножители частоты

В тех случаях, когда имеется источник гармонических колебаний с частотой ω, а требуется получить колебание с частотой Nω, где N-целое число, используют каскад, называемый умножителем частоты (УЧ). Причины, вынуждающие применять УЧ в устройстве формирования сигналов, весьма различны.
При умножении частоты ФМ или ЧМ сигнала значение фазы или частоты увеличивается в N раз. Поэтому УЧ часто применяют в системах с ЧМ и ФМ для углубления модуляции.
Радиочастотные тракты с большим коэффициентом усиления склонны к самовозбуждению, если содержат только усилительные каскады. Развязать каскады по частоте можно применением УЧ.

3. Кроме того, УЧ применяются в сложных возбудителях РПДУ, создающих сетку стабильных частот, – синтезаторах частоты. УЧ обладает более слабой зависимостью входного сопротивления от нагрузки, чем в усилителе (входная и выходная часть УЧ работает на разных частотах). Поэтому его целесообразно использовать в качестве буферной ступени, ослабляющей влияние последующих каскадов на стабильность частоты задающего генератора.

Параметры умножителя частоты
коэффициент умножения по частоте n;
выходная мощность n-й гармоники Рn,
входная мощность 1-й гармоники Р1,
коэффициент преобразования Кпр=Рn / Р1;
коэффициент полезного действия η = Рn / Р0 (в случае транзисторного умножителя),
уровень подавления побочных составляющих.
Недостаток умножителей частоты на базе АГ состоит в сужении полосы синхронизма с увеличением номера гармоники n;
Недостаток умножителей частоты на базе нелинейного элемента состоит в уменьшении коэффициента преобразования Кпр с повышением n. Поэтому обычно ограничиваются значением n = 2 или 3 и при необходимости включают последовательно несколько умножителей частоты, чередуя их с усилителями.

Классификация умножителей частоты
1. В УЧ первой группы воздействие колебания с частотой ω на нелинейный элемент дает спектр токов, где содержится нужная гармоника Nω. Она выделяется с помощью фильтра, подавляющего все остальные гармоники. К этой группе относятся УЧ на биполярных, полевых транзисторах, лампах, диодах с накоплением заряда (ДНЗ), варакторах и других нелинейных элементах.

Классификация умножителей частоты
2. Ко второй группе относятся УЧ на основе автогенераторов (АГ) с частотой, близкой к Nω, синхронизируемых стабильными колебаниями с частотой ω.
3. К третьей группе относятся умножители частоты на основе систем фазовой автоподстройки частоты.

Умножители частоты на диодах
Входное напряжение
Ток через обычный диод
Ток через диод с накоплением заряда
Вольт-фарадная характеристика
Вольт-амперная характеристика

Умножители частоты на диодах
Умножитель частоты на диоде с накоплением заряда
Фильтр f
Диод с накоплением заряда
Фильтр nf

Умножители частоты на диодах
В схеме диодного умножителя параллельного вида имеются два контура (или фильтра) последовательного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного w и выходного nw сигналов. Такие контуры имеют малое сопротивление на резонансной частоте и большое - на всех остальных. Поэтому первый контур, настроенный в резонанс с частотой входного сигнала ω, пропускает только 1-ю гармонику тока, а второй контур, настроенный в резонанс с частотой выходного сигнала nw, - только n-ю гармонику.

Умножители частоты на диодах
Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида , в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного w и выходного nw сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое - на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала w, содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала nw, - только n-ю гармонику.

Умножители частоты на диодах
Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида , в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного w и выходного nw сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое - на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала w, содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала nw, - только n-ю гармонику.

Умножители частоты на транзисторах
Схема транзисторного умножителя частоты и методика его расчета практически ничем не отличаются от усилителя.
Необходимо выходную цепь генератора настроить на n-ю гармонику и выбрать θ=120°/n, соответствующее максимальному значению коэффициента αn(θ).
При расчете выходной цепи коэффициент разложения по 1-й гармонике α1(θ) следует заменить на коэффициент по n-й гармонике αn (θ).
Контур в выходной цепи, настроенный в резонанс с n-й гармоникой сигнала, должен обладать удовлетворительными фильтрующими свойствами.
Коэффициент умножения схемы обычно не превышает 3–4 раз при КПД, равном 10–20%.

Умножители частоты на транзисторах
Умножитель частоты на транзисторе
Ф1 – фильтр настроенный на пропускание первой гармоники.
Последовательный контур L1C2 настроен на первую гармонику, а контур L2C4 настроен на третью гармонику.
Ф2 – фильтр настроенный на пропускание третьей гармоники .
Параллельный контур L3C6 настроен на третью гармонику, а последовательный контур С5L3C6 настроен на первую гармонику.

Умножители частоты на транзисторах
Если АЭ VT1 работает в режиме умножения частоты, то его КПД почти не зависит от кратности умножения, а полезная мощность PN снижается в N раз по сравнению с P1. Критический режим УЧ имеет место при RнN в N раз большей и при амплитуде возбуждения в 0,5N2 раз большей, чем в режиме по первой гармонике.

Умножители частоты на транзисторах
Двухтактный усилитель на транзисторах

Умножители частоты на транзисторах
Двухтактный умножитель на транзисторах для нечетных N

Умножители частоты на транзисторах
Двухтактный умножитель на транзисторах для четных N

Умножители частоты синхронизируемом генераторе