гармонический удвоитель частоты

Формула изобретения

Гармонический удвоитель частоты, содержащий задающий генератор и первый фазоинверсный каскад, вход которого соединен с выходом задающего генератора, первый двухтактный каскад, включающий первый активный элемент и второй активный элемент, выходные электроды которых соединены между собой, первый нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов первого активного элемента и второго активного элемента, а второй вывод первого нагрузочного резистора подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, при этом истоковый электрод первого активного элемента подсоединен к синфазному выходу первого фазоинверсного каскада и, через первый резистор, с общей точкой, а истоковый электрод второго активного элемента соединен с противофазным выходом первого фазоинферсного каскада, и, через второй резистор, с общей точкой, кроме этого управляющие электроды первого активного элемента и второго активного элемента соединены соответственно через первый конденсатор и второй конденсатор, с общей точкой, третий конденсатор, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов первого активного элемента и второго активного элемента, отличающийся тем, что введены первая последовательная цепь, состоящая из третьего резистора и первого источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду первого активного элемента, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, вторая последовательная цепь, состоящая из четвертого резистора и второго источника напряжения смещения, первый вывод которой подключен к управляющему электроду второго активного элемента, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, фазовращатель с фазовым сдвигом 90°, вход которого подключен к точке соединения выхода задающего генератора и входа первого фазоинверсного каскада, второй фазоинверсный каскад, вход которого подсоединен к выходу фазовращателя с фазовым сдвигом 90°, второй двухтактный каскад, включающий третий активный элемент и четвертый активный элемент, выходные электроды которых соединены между собой, второй нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов третьего активного элемента и четвертого активного элемента, а второй вывод второго нагрузочного резистора подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, пятый резистор, первый вывод которого соединен с истоковым электродом третьего активного элемента и синфазным выходом второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод подключен к общей точке, шестой резистор, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого активного элемента и противофазному выходу второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод соединен с общей точкой, четвертый конденсатор, первый вывод которого подключен к управляющему электроду третьего активного элемента, а второй его вывод соединен с общей точкой, пятый конденсатор, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого активного элемента, а второй его вывод подсоединен к общей точке, третья последовательная цепь, состоящая из пятого резистора и третьего источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду третьего активного элемента, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, четвертая последовательная цепь, состоящая из шестого резистора и четвертого источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду четвертого активного элемента, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, шестой конденсатор, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов третьего активного элемента и четвертого активного элемента, и выходная согласующая цепь с двумя противофазными входами, при этом второй вывод третьего конденсатора подключен к синфазному входу выходной согласующей цепи, а второй вывод шестого конденсатора подсоединен к противофазному входу выходной согласующей цепи, при этом выходом устройства является выход выходной согласующей цепи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, измерительной технике и фазометрических системах в качестве источника гармонических колебаний повышенной частоты.

Известен гармонический удвоитель частоты, содержащий фазоинверсный каскад, вход которого соединен с выходом задающего генератора, и двухтактный каскад, включающий первый и второй активные элементы (АЭ), выходные электроды, которые соединены между собой и подключены к нагрузочному резистору, а истоковые электроды первого АЭ и второго АЭ подсоединены к выходам фазоинверсного каскада, а также соответственно через первый резистор и второй резистор к общей точке. При этом управляющие электроды этих АЭ соответственно через первый конденсатор и второй конденсатор соединены с общей точкой [1]. Это устройство осуществляет умножение частоты, с кратностью умножения N=2 (удвоение частоты) при работе АЭ с углом отсечки =90°.

Недостатком устройства является высокий уровень побочных гармоник.

Это обусловлено несколькими причинами: разбросом параметров транзисторов двухтактного каскада, зависимостью этих параметров от температуры и частоты, отличием реальных характеристик АЭ от квадратичной параболы с отсечкой. Так, реальная характеристика АЭ отличается от идеальной квадратичной параболы и может быть близкой к кубической параболе. При этом уровень нечетных гармоник может быть небольшим, поскольку нечетные гармоники в нагрузочном резисторе вычитаются. Что касается четных гармоник, то они суммируются в нагрузочном резисторе. Поэтому при отклонении реальной характеристики от квадратичной параболы их уровень может быть высок, даже при наличии в устройстве [1] 100% внутренней обратной связи по току. Так, уровень четвертой гармоники, определенный для угла отсечки =90°, с использованием коэффициентов разложения [2] и соотношений, приведенных в [1], составляет до 10 процентов, что достаточно много для большинство практических случаев. Что касается последующей шестой гармоники, то ее уровень на 18,4 дБ ниже по сравнению с четвертой гармоникой, поэтому ее можно не учитывать.

Целью изобретения является уменьшение уровня четных побочных гармоник на выходе удвоителя частоты.

Это достигается тем, что в гармонический удвоитель частоты, содержащий задающий генератор и первый фазоинверсный каскад, вход которого соединен с выходом задающего генератора, первый двухтактный каскад, включающий первый АЭ и второй АЭ, выходные электроды которых соединены между собой, первый нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов первого АЭ и второго АЭ, а второй вывод первого нагрузочного резистора подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, при этом истоковый электрод первого АЭ подсоединен к синфазному выходу первого фазоинверсного каскада и, через первый резистор, с общей точкой, а истоковый электрод второго АЭ соединен с противофазным выходом первого фазоинферсного каскада, и, через второй резистор, с общей точкой, кроме этого, управляющие электроды первого АЭ и второго АЭ соединены соответственно через первый конденсатор и второй конденсатор с общей точкой, третий конденсатор, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов первого АЭ и второго АЭ, введены первая последовательная цепь, состоящая из третьего резистора и первого источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду первого АЭ, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, вторая последовательная цепь, состоящая из четвертого резистора и второго источника напряжения смещения, первый вывод которой подключен к управляющему электроду второго АЭ, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, фазовращатель с фазовым сдвигом 90°, вход которого подключен к точке соединения выхода задающего генератора и входа первого фазоинверсного каскада, второй фазоинверсный каскад, вход которого подсоединен к выходу фазовращателя с фазовым сдвигом 90°, второй двухтактный каскад, включающий третий АЭ и четвертый АЭ, выходные электроды которых соединены между собой, второй нагрузочный резистор, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ и четвертого АЭ, а второй вывод второго нагрузочного резистора подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, пятый резистор, первый вывод которого соединен с истоковым электродом третьего АЭ и синфазным выходом второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод подключен к общей точке, шестой резистор, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ и противофазному выходу второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод соединен с общей точкой, четвертый конденсатор, первый вывод которого подключен к управляющему электроду третьего АЭ, а второй его вывод соединен с общей точкой, пятый конденсатор, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ, а второй его вывод подсоединен к общей точке, третья последовательная цепь, состоящая из пятого резистора и третьего источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду третьего АЭ, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, четвертая последовательная цепь, состоящая из шестого резистора и четвертого источника напряжения смещения, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, шестой конденсатор, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ и четвертого АЭ, и выходная согласующая цепь с двумя противофазными входами, при этом второй вывод третьего конденсатора подключен к синфазному входу выходной согласующей цепи, а второй вывод шестого конденсатора подсоединен к противофазному входу выходной согласующей цепи, при этом выходом устройства является выход выходной согласующей цепи.

На чертеже приведена схема гармонического удвоителя частоты.

Гармонический удвоитель частоты содержит задающий генератор 1 и первый фазоинверсный каскад 2, вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, первый двухтактный каскад, включающий первый АЭ 3 и второй АЭ 4, выходные электроды которых соединены между собой, первый нагрузочный резистор 5, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов первого АЭ 3 и второго АЭ 4, а второй вывод первого нагрузочного резистора 5 подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, при этом истоковый электрод первого АЭ 3 подсоединен к синфазному выходу первого фазоинверсного каскада 2 и, через первый резистор 6, с общей точкой, а истоковый электрод второго АЭ 4 соединен с противофазным выходом первого фазоинферсного каскада 2, и, через второй резистор 7, с общей точкой, кроме этого, управляющие электроды первого активного элемента 3 и второго АЭ 4 соединены соответственно через первый конденсатор 8 и второй конденсатор 9 с общей точкой, третий конденсатор 10, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов первого АЭ 3 и второго АЭ 4.

Введены первая последовательная цепь, состоящая из третьего резистора 11 и первого источника напряжения смещения 12, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду первого АЭ 3, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, вторая последовательная цепь, состоящая из четвертого резистора 13 и второго источника напряжения смещения 14, первый вывод которой подключен к управляющему электроду второго АЭ 4, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, фазовращатель 15 с фазовым сдвигом 90°, вход которого подключен к точке соединения выхода задающего генератора 1 и входа первого фазоинверсного каскада 2, второй фазоинверсный каскад 16, вход которого подсоединен к выходу фазовращателя 15 с фазовым сдвигом 90°, второй двухтактный каскад, включающий третий АЭ 17 и четвертый АЭ 18, выходные электроды которых соединены между собой, второй нагрузочный резистор 19, первый вывод которого подключен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18, а второй вывод второго нагрузочного резистора 19 подсоединен к потенциальному выводу источника напряжения питания, пятый резистор 20, первый вывод которого соединен с истоковым электродом третьего АЭ 17 и синфазным выходом второго фазоинверсного каскада, а второй его вывод подключен к общей точке, шестой резистор 21, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ 18 и противофазному выходу второго фазоинверсного каскада 16, а второй его вывод соединен с общей точкой, четвертый конденсатор 22, первый вывод которого подключен к управляющему электроду третьего АЭ 17, а второй его вывод соединен с общей точкой, пятый конденсатор 23, первый вывод которого подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ 18, а второй его вывод подсоединен к общей точке, третья последовательная цепь, состоящая из пятого резистора 24 и третьего источника напряжения смещения 25, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду третьего АЭ 17, а второй вывод этой цепи подключен к общей точке, четвертая последовательная цепь, состоящая из шестого резистора 26 и четвертого источника напряжения смещения 27, первый вывод которой подсоединен к управляющему электроду четвертого АЭ 18, а второй вывод этой цепи соединен с общей точкой, шестой конденсатор 28, первый вывод которого подсоединен к точке соединения выходных электродов третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18, и выходная согласующая цепь 29 с двумя противофазными входами, при этом второй вывод третьего конденсатора 10 подключен к синфазному входу выходной согласующей цепи 29, а второй вывод шестого конденсатора 28 подсоединен к противофазному входу выходной согласующей цепи 29. Выходом устройства является выход выходной согласующей цепи 29.

Гармонический удвоитель частоты работает следующим образом.

Сигнал частоты с выхода задающего генератора 1 передается на первый фазоинверсный каскад 2. В результате на его выходах образуются два противофазных напряжения с практически одинаковыми амплитудами. Далее каждое из этих напряжений передается на управляющие электроды первого АЭ 3 и второго АЭ 4 соответственно. Одновременно на управляющий электрод первого АЭ 3 через первый резистор 11 подается напряжение смещения Е_с1, создаваемое первым источником напряжения смещения 12, а на управляющий электрод второго АЭ 4 через второй резистор 13 подается напряжение смещения Е_с2, создаваемое вторым источником напряжения смещения 14. В результате на истоковый электрод первого АЭ 3 воздействует напряжение

где - амплитуда напряжения на истоковом электроде первого АЭ 3 относительно управляющего электрода, заземленного по высокой частоте через первый конденсатор 8, являющийся блокировочным, а на истоковый электрод второго АЭ 4 воздействует напряжение

где - амплитуда напряжения на входе второго АЭ 4 относительно его управляющего электрода, заземленного по высокой частоте через второй конденсатор 9, являющийся блокировочным.

Фазовый угол Ф=180° между напряжениями (1) и (2) образуется первым фазоинверсным каскадом 2.

При воздействии напряжения (1) на вход первого АЭ 3 и при его работе отсечкой по выходной цепи первого АЭ 3 протекает ток

где , , и - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно. Эти гармоники синфазны и на первом нагрузочном резисторе 5 образуют напряжение с аналогичным спектром.

При воздействии напряжения (2) на истоковый электрод второго АЭ 4, относительно управляющего электрода, заземленного по высокой частоте, через его выход и первый нагрузочный резистор 5 протекает ток

где , , и - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно.

Как следует из (3) и (4), спектр амплитуд тока совпадает со спектром тока , а спектр фаз имеет значения Ф_n=n·180° (n=1, 2, 3, номер гармоник). При n=2, 4 и т.д. (четные гармоники) начальные фазы равны 360°, 720° или кратны периоду колебания, поэтому четные гармоники токов и синфазны. Нечетные гармоники имеют фазовый сдвиг 180°, 540° и т.д.

Поэтому нечетные гармоники токов и противофазны.

Через первый нагрузочный резистор 5 протекает ток . Спектр этого тока в соответствии с учетом (3) и (4) и при равенстве амплитуд напряжений, воздействующих на входы АЭ 3 и АЭ 4, имеет вид

т.е. содержит только четные гармоники, находящиеся в фазе.

Кроме этого, сигнал частоты с выхода задающего генератора 1 поступает и на вход фазовращателя 15 с фазовым сдвигом 90°, который затем передается на вход второго фазоинверсного каскада 16. В результате на выходах этого каскада образуется два противофазных напряжения.

При этом на истоковом электроде третьего АЭ 17 при подаче на него напряжения смещения Е_с3 с третьего источника напряжения смещения 25 через пятый резистор 24 относительно управляющего электрода образуется напряжение

где - амплитуда напряжения относительно его управляющего электрода, который через четвертый конденсатор 22, являющийся блокировочным, заземлен по высокой частоте.

На истоковом электроде четвертого АЭ 18 при подаче на него напряжения смещения Е _с4 с четвертого источника напряжения смещения 27 через шестой резистор 26 воздействует напряжение

где - амплитуда напряжения относительно его управляющего электрода, который через пятый конденсатор 23, являющийся блокировочным, заземлен по высокой частоте.

В результате воздействия напряжения (6) на истоковый электрод третьего АЭ через его выходную цепь протекает ток

где - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно.

При воздействии напряжения (7) на истоковый электрод четвертого АЭ 18 через него протекает ток

где , , , - амплитуды токов первой, второй, третьей и четвертой гармоник соответственно.

Через второй нагрузочный резистор 19 при идентичности параметров третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18 с учетом фазовых сдвигов токов (8) и (9) протекает ток

который содержит только четные гармоники, каждая из которых находится в противофазе с соседней.

Из сравнения спектора токов i_вых1 (5) и i_вых2 (10) следует, что вторые гармоники этих токов противофазны, а четвертые гармоники этих токов синфазны. Спектр напряжения, создаваемый током i_вых1 на первом нагрузочном резисторе 5 определяется зависимостью (5), а спектр напряжения на втором нагрузочном резисторе 19 определяется зависимостью (10).

При воздействии напряжения, создаваемого на первом нагрузочном резисторе 5 на синфазный вход выходной согласующей цепи 29 через третий конденсатор 10, и напряжения, создаваемого на втором нагрузочном резисторе 19 на противофазный вход выходной согласующей цепи 29 через шестой конденсатор 24, на выход этой цепи передается только вторая гармоника 2 , поскольку выходная согласующая цепь передает разностный (противофазный) сигнал, воздействующий на ее входы. Четвертая гармоника сигнала, приложенного к входам выходной согласующей цепи 29 при этом компенсируется и на выход не передается, а остается только вторая гармоника. Следует также отметить, что на выход заявляемого устройства не передается восьмая и другие гармоники, кратные четырем.

Что касается остальных четных гармоник (шестой, десятой и т.д.), то их уровень существенно ниже второй гармоники как минимум на 60 дБ и для большинства практических задач является несущественным.

Таким образом, заявляемое устройство существенно уменьшает уровень четных побочных гармоник по сравнению с известными устройствами.

Необходимо отметить, что выбор элементной базы в заявляемом устройстве не имеет принципиальных трудностей. Так, наиболее высокие требования предъявляются к активным элементам, в качестве которых можно использовать как биполярные, так и полевые транзисторы. При этом более целесообразно использовать полевые транзисторы, поскольку для большинства современных транзисторов этого типа проходная характеристика ближе к квадратичной параболе. При этом для обеспечения высокой идентичности параметров каждая из использованных пар АЭ: первого АЭ 3 и второго АЭ 4, третьего АЭ 17 и четвертого АЭ 18, должна выполняться в виде дифференциальной пары, что при использовании интегральной технологии достигается с высокой точностью.

Фазоинверсные каскады наиболее целесообразно выполнять либо на основе парафазного каскада, либо на основе дифференциального каскада, что также реализуемо по интегральной технологии.

Выходную согласующую цепь 29 с целью обеспечения технологичности необходимо реализовывать в виде дифференциального усилителя или операционного усилителя, чтобы выделить и по возможности усилить разностный вывод.

Что касается других использованных элементов (конденсаторов и резисторов), то эти элементы также технологически реализуемы. При этом первый конденсатор 8, второй конденсатор 9, третий конденсатор 10, четвертый конденсатор 22, пятый конденсатор 23 и шестой конденсатор 29 являются блокировочными по высокой частоте. Их номинал в зависимости от диапазона частот составляет от единиц пФ до десятков пФ, что технологически реализуемо. Сопротивления первого резистора, второго резистора, третьего резистора, четвертого резистора, пятого резистора и шестого резистора, а также первого нагрузочного резистора и второго нагрузочного резистора составляют от сотен Ом до десятков кОм, что также реализуемо.

Источники напряжения смещения 12, 14, 25 и 27 должны быть стабилизированными, чтобы обеспечить в течение времени равенство Ес=Е', где Е'- напряжение отсечки АЭ.

Фазовращатель 16 с фазовым сдвигом 90° целесообразно реализовывать в виде активной RC-цепи, позволяющей обеспечить коэффициент передачи, равный 1, стабильность фазового сдвига и высокую технологичность.

Таким образом, заявляемый удвоитель частоты отвечает требованиям промышленной реализуемости и имеет значительно меньший уровень четных побочных гармоник на выходе по сравнению с известными устройствами.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Пат. 2257665 Российская Федерация, МКИ Н03В 19/06. Гармонический умножитель частоты / М.И.Бочаров; № 2004106839/09; заявл. 09.03.2004; опубл. 27.07.2005; Бюл. № 21.

2. Бруевич А.Н., Евтянов С.И. Аппроксимация нелинейных характеристик и спектры при гармоническом воздействии. - М., Сов. радио, 1965, с.296-301.