Умножитель частоты

    Гармоническая форма напряжения может быть в  принципе заметно искажена из-за шунтирующего действия нелинейного входа транзистора. Однако при малых мощностях, при  которых обычно работает умножитель, входные сопротивления транзистора  достаточно велики, чтобы этот эффект не проявлялся.

Структурная схема умножителя частоты представлена на рисунке 3.1 

          Рисунок 3.1 – структурная схема умножителя частоты

    Слабый  входной сигнал усиливается с  помощью каскадов предварительного усиления. Их число зависит от уровней как входного сигнала, так и сигнала, который требуется получить на выходе многокаскадного усилителя.

    Усиленный предварительными каскадами сигнал подаётся на резонансный каскад, который, работая в режиме сильных сигналов, усиливает и фильтрует третью гармонику гармонического сигнала, подаваемого на вход. Тем самым происходит умножение входной синусойды с коэффициентом умножения         N = 3. Выходной каскад предназначен для усиления преобразованного сигнала и передачи его с заданной мощностью на нагрузку. Для лучшей фильтрации побочных составляющих спектра выходного можно подключить резонансный LC-фильтр перед нагрузкой.

Определим максимальный ток протекающий через нагрузку:                                   

 
 

Исходя  из данных:                   

 

    Тогда ориентировочное количество каскадов предварительного усиления по следующей формуле:

                                                                  (3.3)

    Для нашего проекта достаточно буде двух каскадов усиления – предварительного и резонансного. Ориентировочный  коэффициент усиления для каждого  каскада [4]:

                                  (3.4)

    Для расчёта резонансного и предварительного усилительного каскада выберем транзистор ГТ309, который удовлетворяет предъявленным требованиям по частоте и выходной мощности. Параметры транзистора:

        – предельная  частота

       - коэффициент усиления  по току

        Ом – сопротивление  базы

       - ток насыщения

       - импульс тока  каоллектора

       - мощность рассеяния 

4. Описание  принципа работы структурной  схемы

Т.к. по условию поставленной задачи генератор  входного сигнала отсутствует, а  на вход усилителя непосредственно  подаётся синусойда заданной частоты и амплитуды, то входное устройство может отсутствовать в разрабатываемой структурной схеме.

Схемная реализация каскада предварительного усиления представлена на рисунке 4.1. Это  схема усилителя на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. Я выбрал эту схему так как у нее сравнительно большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, а также большое входное сопротивление. Недостаток этой схемы – сдвиг фаз между входным и выходным сигналом равен 180° но в поставленной задаче не указывается обязательное сохранение фазы на выходе, так что этим недостатком можно пренебречь.

    Основными элементами схемы являются источник питания, управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными.

    Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей. 

          Рисунок 4.1 – принципиальная схема усилительного каскада с общим эммитером

    Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток ) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор  является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление  отрицательной обратной связи и  ее стабилизирующего действия на ток  нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока , повышении напряжения и соответственно снижении напряжения . Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока . Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока , а, следовательно, и напряжения .

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название  схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора  по переменному току является общим  для входной и выходной цепи каскада.

    Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный  на частоту усиливаемого сигнала. Для  настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются избирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются  для выделения из действующих  на входе сигналов с разными частотами  лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются  требования возможно большего усиления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

    В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В нашем случае используется схема с ОЭ, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шумов. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам. Неполное включение контура в коллекторную цепь и к нагрузке позволяет избежать чрезмерного ухудшения добротности контура (особенно когда нагрузкой служит малое входное сопротивление транзистора). 

               Рисунок 4.2 – принципиальная схема резонансного усилительного каскада

    Элементы  контура и его связь с выходом  транзистора и с нагрузкой  необходимо выбирать так, чтобы обеспечить настройку каскада на заданную частоту, а также получить требуемую полосу пропускания и нужное усиление. В  транзисторах имеется внутренняя обратная связь, кроме того, в усилителе  имеются паразитные обратные связи. На частотах ниже и выше резонансной  колебательный контур представляет собой комплексную нагрузку и  вносит дополнительный фазовый сдвиг. Общий фазовый сдвиг между  входным и выходным сигналами может достичь 0 или 2π, и усилитель самовозбудится. Поэтому в резонансных усилителях часто применяется нейтрализация, устраняющая или ослабляющая обратную связь на частотах, близких к резонансной, и тем самым повышающая устойчивость работы. 

5. Описание  схемы электрической  и электрический  расчёт

 

Прежде  всего рассчитаем резонансный каскад. [1]

Исходные  данные:

      МГц

      Коэффициент умножения 

   В

      кОм 

    Чтобы обеспечить запас стабильности на погрешность  расчёта, зададимся нестабильностью  тока 3-й гармоники *I = 10% . Из графика рис. 5.1 при выбранном управляющем напряжении такая стабильность обеспечивается при  

          0,4 ≤ cosλ ≤ 0,6              (5.2) 

Где λ  – угол закрывания

 

          Рисунок 5.1 – График зависимости отношения гармоник, нестабильности тока и коэффициента Берга от угла закрывания для утроителя частоты 

      Примем 

      Учтём предельно допустимые параметры транзистора:               

 
        ≤         (5.3) 

                                   ≥                          (5.4) 

Напряжение  на коллекторе найдём из заданной мощности и тока:

Тогда: 

 

Найдём  коэффициент Берга :

Оптимальный угол отсечки:  

 
 Тогда: 

 

Тогда, в соответствии с формулами (5.2), (5.3) и (5.4): 

       - условие выполняется

    = 1 мВт ≤ 50 мВт – условие выполняется

       = 0,185 ≥ 0,008 – условие  выполняется 

      Найдём  максимальное отношение гармоник: 

 

      Где - напряжённость коллектора

         - величина напряжения источника питания 

Из графика  рис. 5.1: 

                               > 0,4              (5.10) 

Тогда окончательно зададим угол закрывания:

                    

                                0,55                     (5.11) 

Рассчитаем  сопротивление обратной связи:

Из рис. 5.3 для низкочастотного приближения (выберем ωτ=1, т.к. в рабочих режимах постоянная составляющая мало зависит от частоты и и при выбранном значении ωτ=1 ошибка не превышает 10%) при 0,55. Выберем .

          Рисунок 5.3 – зависимость коэффициента от