MULTIPLICATEURS DE FRÉQUENCE À SEMI-CONDUCTEURS

Communication, communications, électronique et appareils numériques

MULTIPLICATEURS DE FRÉQUENCE DE SEMICONDUCTEURS 17. Multiplicateur de fréquence de transistor 17. Multiplicateurs de fréquence de diode 17. Objet, principe de fonctionnement et paramètres de base Multiplicateurs de fréquence dans le schéma structurel de l'émetteur radio voir.

Conférence 1 7 ... MULTIPLICATEURS DE FRÉQUENCE À SEMI-CONDUCTEURS

1 7 .2. Multiplicateur de fréquence de transistor

1 7 . 4 ... Questions de contrôle

17.1. Objectif, principe de fonctionnement et paramètres de base

Les multiplicateurs de fréquence dans le schéma structurel de l'émetteur radio (voir Fig. 2.1) sont situés devant les amplificateurs de puissance RF ou micro-ondes, augmentant la fréquence du signal d'excitation du nombre requis de fois. Les multiplicateurs de fréquence peuvent également faire partie de l'excitateur lui-même ou du synthétiseur de fréquence. Pour le signal d'entrée et de sortie du multiplicateur de fréquence, on écrit :

(17.1)

où n - le facteur de multiplication de fréquence est un nombre entier de fois.

La classification des multiplicateurs de fréquence est possible selon deux caractéristiques principales : le principe de fonctionnement, ou la manière de mettre en œuvre la fonction (17.1), et le type d'élément non linéaire. Par le principe de fonctionnement, les multiplicateurs sont divisés en deux types : basés sur la synchronisation de la fréquence de l'oscillateur avec un signal externe (voir Section 10.3), en N.-É. fois plus petite en fréquence (Fig.17.1, a), et en utilisant un élément non linéaire qui déforme le signal sinusoïdal d'entrée, et en séparant l'harmonique requise du spectre multifréquence obtenu (Fig.17.1, b).

Riz. 17.1. Multiplicateurs de fréquence.

Par le type d'élément non linéaire utilisé, les multiplicateurs de fréquence du deuxième type sont divisés en transistors et diodes.

Les principaux paramètres du multiplicateur de fréquence sont : le facteur de multiplication de fréquence m ; puissance de sortie n -ième harmonique n, Puissance d'entrée du 1er harmonique P1, facteur de conversion K pr = P n / P 1 ; Efficacité= P n / P 0 (dans le cas d'un multiplicateur à transistors), le niveau de suppression des composantes parasites.

Absence de multiplicateurs de fréquence (fig.17.1, une ) le premier type consiste à rétrécir la bande de synchronisme avec une augmentation du nombre d'harmoniques NS. Pour les multiplicateurs de fréquence du deuxième type, le coefficient de conversion diminue K pr avec une augmentation de p. Par conséquent, ils sont généralement limités à la valeur m = 2 ou 3 et, si nécessaire, inclure plusieurs multiplicateurs de fréquence en série, en alternance avec des amplificateurs.

17.2. Multiplicateur de fréquence de transistor

Le circuit d'un multiplicateur de fréquence à transistor (Fig. 17.2) et la méthode de calcul ne diffèrent pratiquement pas d'un amplificateur.

Il suffit de régler le circuit de sortie du générateur sur m ème harmonique et sélectionnez la valeur de l'angle de coupure= 120 / n correspondant à la valeur maximale du coefficient n ( ). Lors du calcul du circuit de sortie, le coefficient de décomposition de l'impulsion cosinus dans le 1er harmonique 1 ( ) doit être remplacé par un coefficient par nième harmonique  n ( ). Un circuit dans le circuit de sortie accordé pour résonner avec m - et l'harmonique du signal, doit avoir des propriétés de filtrage satisfaisantes.

Riz. 17.2. Circuit multiplicateur de fréquence de transistor.

Le facteur de multiplication du circuit de la Fig. 17,2 ne dépasse généralement pas 3-4 fois avec une efficacité égale à 10-20%.

17.3. Multiplicateurs de fréquence de diode

Le fonctionnement des multiplicateurs de fréquence à diodes est basé sur l'utilisation de l'effet de la capacité non linéaire. Ce dernier est la capacité barrière de la polarisation inverse p - n -transition. Les diodes à semi-conducteur spécialement conçues pour la multiplication de fréquence sont appelées varactors. À= 0,5 et 0 = 0,5 V pour la capacité non linéaire du varactor on obtient :

, (17.2)

où et - tension inverse appliquée à p - n-jonction.

Le graphique de la fonction non linéaire (17.2) est illustré à la Fig. 17.3.

Riz. 17.3. Graphique de fonction non linéaire (17.2).

La charge accumulée par une capacité non linéaire est liée à la tension et au courant par des dépendances :

, (17.3)

Deux circuits principaux de multiplicateurs de fréquence à diodes avec varactors sont illustrés à la Fig. 17.4.

Riz. 17.4. Multiplicateurs de fréquence à diodes avec varactors.

Dans un circuit multiplicateur de diodes en parallèle (Fig.17.4, une ) il y a deux circuits (ou filtres) de type série, accordés en résonance respectivement avec la fréquence de l'entrée et sortie n  signaux. De tels circuits ont une faible résistance à la fréquence de résonance et une grande à tous les autres (Fig. 17.5).

Riz. 17.5 Dépendance de la résistance de boucle sur la fréquence.

Par conséquent, le premier circuit, accordé pour résonner avec la fréquence du signal d'entrée, ne laisse passer que la 1ère harmonique du courant, et le deuxième circuit, accordé pour résonner avec la fréquence du signal de sortie n О, - seulement n e harmonique. En conséquence, le courant circulant dans le varactor ressemble à:

, (17.4)

Puisque la capacité du varactor (17.2) est une fonction non linéaire, alors selon (17.3) au courant (17.4) la tension aux bornes du varactor est différente de la forme sinusoïdale et contient des harmoniques.

L'une de ces harmoniques, sur laquelle le deuxième circuit est accordé, passe dans la charge.

Ainsi, à l'aide d'une capacité non linéaire dans l'appareil, la puissance du signal est convertie avec une fréquence en un signal de fréquence n , c'est à dire. multiplication de fréquence.

Le deuxième circuit du multiplicateur de fréquence séquentiel fonctionne de manière similaire (Fig.17.4, b), dans lequel se trouvent deux circuits (ou filtres) de type parallèle, accordés en résonance, respectivement, avec la fréquence de l'entrée et sortie n  signaux. De tels circuits ont une résistance élevée à la fréquence de résonance et faible - à tous les autres. Par conséquent, la tension sur le premier circuit, accordée à la résonance avec la fréquence du signal d'entrée , ne contient que le 1er harmonique, et sur le deuxième circuit, accordé en résonance avec la fréquence du signal de sortie n О, - seulement n e harmonique. En conséquence, la tension appliquée au varactor a la forme:

, (17.5)

où U 0 - tension de polarisation constante aux bornes du varactor.

Étant donné que la capacité du varactor (17.2) est une fonction non linéaire, alors selon (17.3) à la tension (17.5) le courant traversant le varactor est différent de la forme sinusoïdale et contient des harmoniques. L'une de ces harmoniques, sur laquelle le deuxième circuit est accordé, passe dans la charge. Ainsi, en utilisant une capacité non linéaire dans le circuit, la puissance du signal est convertie avec une fréquence en un signal de fréquence n , c'est à dire. multiplication de fréquence.

Multiplicateurs de fréquence varactor dans la gamme DCV à m = 2 et 3 ont un taux de conversion élevé Kpr = P n / P 1 = 0,6 ... 0,7. Aux grandes valeurs N.-É. dans la gamme des micro-ondes la valeur K pr diminue à 0,1 et moins.

17.4. Questions de contrôle

1. Comment s'effectue la multiplication de la fréquence de vibration ?

2. Dessinez le circuit du multiplicateur de fréquence du transistor.

3. Expliquez pourquoi une capacité non linéaire peut être utilisée pour multiplier la fréquence d'oscillation.

4. Dessinez les circuits multiplicateurs de fréquence à diodes de type série et parallèle. Quelles sont les différences entre eux ?

Assez souvent, lors de la construction de circuits de divers générateurs et synthétiseurs de fréquence, il devient nécessaire de convertir des signaux d'une fréquence en signaux d'une fréquence plus élevée. Cela peut être fait en utilisant les circuits mélangeurs décrits dans la section Mélangeurs (fournissant la conversion). Cependant, lorsqu'une transformation multiple est requise (deux, trois fois ou plus), il est plus pratique et plus efficace d'utiliser les schémas de ce que l'on appelle multiplicateurs de fréquence ... Comme leur nom l'indique, de tels circuits fournissent une conversion multiple (multiplication) de la fréquence du signal d'entrée.

Multiplicateurs de fréquence de diode se caractérisent par un certain nombre de caractéristiques positives qui déterminent l'utilisation assez répandue de tels dispositifs (en particulier aux hautes et ultra hautes fréquences). Les plus importants sont : un faible niveau de bruit thermique et de phase, la capacité de fonctionner à des fréquences très élevées (jusqu'à des fréquences de la gamme submillimétrique), ainsi que la relative simplicité de la conception.

Actuellement, trois méthodes fondamentalement différentes de multiplication de fréquence dans les multiplicateurs à diodes sont utilisées dans la pratique :

• multiplication varactor (multiplication par capacité non linéaire);
• doublement sur le circuit de redressement double alternance ;
• transformation par diode de la forme d'impulsion avec sélection ultérieure de l'harmonique souhaitée.

Le fonctionnement des multiplicateurs de fréquence est caractérisé par un certain nombre de paramètres : facteur de multiplication, entrée(\ (P_ (en) \)) et fin de semaine(\ (P_ (hors N) \)) Puissance, Efficacité(\ (\ eta = P_ (out N) / P_ (in) \), parfois appelé efficacité du multiplicateur ou rapport de transmission de puissance), bande passante, etc.

Multiplicateurs de fréquence varactor - ce sont des dispositifs dont le principal élément de travail est un varicap multiplicateur (varactor) - une diode semi-conductrice utilisée comme capacité non linéaire à faibles pertes. La conversion de fréquence se produit en raison de la distorsion de la forme du signal au niveau de la capacité dépendant de la tension non linéaire du varactor et de la sélection ultérieure de la composante harmonique souhaitée. Les schémas structurels des deux principaux types de multiplicateurs varactor sont présentés à la Fig. 3.6-35.

Riz. 3.6-35. Schémas structurels série (a) et parallèle (b) des multiplicateurs de fréquence varactor

Ces schémas fonctionnels contiennent : source de signal d'entrée, varactor, charge et filtres \ (F1 \), \ (F2 \). Les filtres sont utilisés pour filtrer les harmoniques dans la charge et la source d'entrée, ainsi que pour faire correspondre la charge et la source avec un multiplicateur varactor. Le premier filtre \ (Ф1 \) est accordé sur la fréquence du signal d'entrée (cela peut être, par exemple, un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure légèrement supérieure à la fréquence du signal d'entrée), et le deuxième filtre \ (Ф2 \) - à la fréquence de l'harmonique souhaitée (cela devrait être un filtre à bande étroite suffisant, les exigences exactes en bande passante des deux filtres sont déterminées par le spectre du signal multiplié). Avec de telles caractéristiques, seuls deux harmoniques de courant traversent le varactor (bien sûr, tous les vrais filtres sont imparfaits, par conséquent, en fait, tous les autres harmoniques seront présents, mais ils seront considérablement supprimés).

La puissance de signal fournie au multiplicateur est partiellement perdue dans le varactor et les filtres. Une partie de la puissance convertie est dissipée dans les éléments du circuit. Par conséquent, le coefficient de transmission de puissance des multiplicateurs de fréquence varactor est inférieur à l'unité. Habituellement, ils s'efforcent d'obtenir la puissance de sortie et l'efficacité maximales, c'est-à-dire atteindre un régime optimal en termes de performance énergétique.

Les multiplicateurs de varactor sont les plus largement utilisés dans la gamme des micro-ondes (longueurs d'onde centimétriques, millimétriques et submillimétriques). Leur principal avantage est qu'ils peuvent être utilisés pour créer des générateurs suffisamment puissants pour les gammes de fréquences dans lesquelles il est impossible d'obtenir des paramètres acceptables à partir de générateurs basés sur des diodes Gunn ou des diodes à transit par avalanche (par exemple, en raison de l'impossibilité de générer directement des une diode Gunn ou une diode de transit d'avalanche à la fréquence souhaitée ou en raison de l'augmentation du niveau de bruit des générateurs sur le LPD).

Dans les multiplicateurs réels de la plage centimétrique (en termes de fréquence de sortie) avec un facteur de multiplication de deux, une efficacité d'environ 60 ... 70 % est atteinte. Avec une augmentation du facteur de multiplication, l'efficacité diminue, donc dans les triples, elle ne dépasse plus 40 ... 50%, et dans un multiplicateur de fréquence par huit, elle tombe à 10 ... 12%. Les valeurs indiquées peuvent être légèrement augmentées lors de l'utilisation d'un certain nombre de techniques spéciales, telles que: travailler dans mode avec déverrouillage partiel du varactor et l'introduction de suppléments (appelés « inactif”) Circuits dans le circuit multiplicateur (Fig. 3.6-35).

Dans un multiplicateur conventionnel, le varactor est toujours en mode polarisation inverse (les circuits de réglage du mode CC ne sont pas représentés sur la figure 3.6-35), et, du point de vue de la réduction des pertes dans le varactor, il est avantageux de maximiser la tension de polarisation jusqu'à un niveau voisin du claquage de tension. La réduction des pertes semble signifier une plus grande puissance de sortie et une efficacité multiplicatrice. Néanmoins, ce n'est pas toujours le cas - le caractère de la caractéristique capacité-tension \ (C (U) \) du varactor utilisé est très important. Le fait est que la non-linéarité de cette caractéristique même est l'effet physique fondamental qui sous-tend le fonctionnement du multiplicateur varactor. Ainsi, par exemple, si la dépendance de la capacité de la diode sur la tension inverse appliquée est proche du quadratique, alors l'utilisation d'une telle diode dans les doubleurs de fréquence sera la plus efficace, et si le degré de non-linéarité est plus élevé, alors il supportera bien la multiplication par un coefficient plus grand. Mais le plus important n'est pas la nature, mais la profondeur de cette non-linéarité, c'est-à-dire les valeurs absolues des coefficients \ (b, c, d, ... \) dans la formule traduisant le développement de la dépendance \ (C (U) \) dans la série de Taylor : \ (C (U) = C_0 + aU + bU ^ 2 + cU ^ 3 + ... \). Il est possible d'améliorer la non-linéarité dans mode avec ouverture partielle \ (p \) - \ (n \) - transition varactor .

Si le varactor est fermé pendant toute la période du signal d'entrée, alors seule la capacité barrière de la jonction est utilisée pour multiplier la fréquence. Lorsque la diode est ouverte, une capacité de diffusion est ajoutée à la barrière, qui change beaucoup plus avec la tension, et la caractéristique capacité-tension devient plus non linéaire. Cependant, lors de l'ouverture, les pertes augmentent considérablement en raison du courant direct de la diode. Ainsi, il existe un certain critère qui détermine la possibilité d'utiliser le mode d'ouverture partielle dans l'un ou l'autre multiplicateur de fréquence varactor. Ce critère est déterminé en fonction des propriétés fréquentielles du varactor et des fréquences des signaux d'entrée et de sortie. Le fait est que dans un varactor fonctionnant dans un mode à ouverture partielle, avec une augmentation des fréquences du signal, la nature des pertes va changer. Aux basses fréquences, les pertes par recombinaison prévaudront ; avec l'augmentation de la fréquence, elles diminuent, mais les pertes inertielles deviennent importantes. Dans une certaine gamme de fréquences, les deux types de pertes peuvent être assez faibles et, par conséquent, le facteur Q total du varactor dépassera l'unité, ce qui rend conseillé d'utiliser le mode avec ouverture partielle. Les fréquences aux limites sont estimées par les relations suivantes : \ (f_ (in)> 1 / \ tau_ (eff) \), \ (f_ (out N)< 1/\tau_{выкл}\), где \(f_{вх}\), \(f_{вых N}\) - частоты входного и выходного сигналов, \(\tau_{эфф}\) - эффективное время жизни неосновных носителей в базе диода, \(\tau_{выкл}\) - время выключения диода.

Dans les varactors haute fréquence, des mesures spéciales sont utilisées pour réduire \ (\ tau_ (off) \), qui peut être de quelques dixièmes de nanoseconde. Pour ce faire, réduisez l'épaisseur de la base et effectuez-la avec une concentration inégale d'impuretés (voir Diodes à accumulation de charges).

La technique consistant à compléter le multiplicateur varactor avec ce que l'on appelle circuits inactifs vous permet d'augmenter l'efficacité des multiplicateurs avec un multiplicateur supérieur à deux. Il est basé sur une transformation supplémentaire sur le même varactor du 2ème, 3ème... signal harmonique en un signal de sortie utile. Ceci peut s'expliquer par l'exemple d'un tripleur avec un circuit supplémentaire accordé sur la 2e harmonique. Si le circuit d'allumage de ce circuit est tel qu'il n'est pas une charge pour le 2e harmonique (il est au ralenti), c'est-à-dire les pertes à cet harmonique seront faibles (d'où le nom - un tripleur avec un circuit au repos accordé au 2e harmonique), alors l'interaction des oscillations des 1er et 2e harmoniques sur la capacité non linéaire conduira à la conversion d'une partie du 2e puissance harmonique en puissance 3e.

Avec une augmentation de la puissance de sortie due au circuit au repos, la puissance de perte augmente également - après tout, la puissance de trois composants de courant est désormais dissipée dans la diode, et non deux, comme dans un simple multiplicateur. Malgré cela, l'efficacité peut augmenter si la puissance de sortie augmente plus que la perte. En pratique, pour un tripleur avec un circuit au repos pour le 2e harmonique, un rendement d'environ 70 % est atteignable au lieu des 40 ... 50 % habituels. Dans les multiplicateurs de plus fort grossissement, il est possible d'utiliser plusieurs circuits au repos, cependant, leur mise en œuvre aux ultra hautes fréquences complique considérablement la conception et le réglage du multiplicateur avec une légère augmentation de son efficacité. Par conséquent, ils sont généralement limités à un, moins souvent - deux circuits inactifs.

Décrit ci-dessus multiplication de fréquence varactor fait référence à la méthode classique, utilisée depuis relativement longtemps et souvent pour isoler les harmoniques sur un élément non linéaire. Les principaux avantages et inconvénients de cette méthode sont les suivants :

• la capacité de générer des puissances importantes à des fréquences record pour n'importe quel générateur de micro-ondes à semi-conducteurs ;
• rendement élevé, en particulier dans le mode à ouverture partielle et avec introduction de circuits de repos;
• les multiplicateurs varactor étant un système résonnant, ils se caractérisent par une bande étroite et une difficulté d'accord de fréquence;
• en fonctionnement à basses fréquences, le système résonant devient trop encombrant, et le facteur de qualité requis pour isoler l'harmonique recherchée est difficile à mettre en œuvre.

Récemment, les multiplicateurs de fréquence sont devenus de plus en plus répandus, dans lesquels la méthode résonante d'isolement des harmoniques n'est pas utilisée. L'une des variétés sont des multiplicateurs basés sur l'effet doublage de fréquence sur un circuit de redressement double alternance .

Pour un redresseur double alternance, il est caractéristique que la fréquence d'ondulation de la tension de sortie soit le double de la fréquence de la tension d'entrée (une analyse du fonctionnement de tels redresseurs est donnée dans la section Redresseurs). C'est cette propriété qui est utilisée lorsque les doubleurs de fréquence fonctionnent. En figue. 3.6-36, 3.6-37 montrent des schémas de deux doubleurs simples basés sur un circuit de redressement double alternance avec un point milieu et sur un circuit en pont.

Riz. 3.6-36. Doubleur de fréquence basé sur un redresseur milieu pleine onde

Riz. 3.6-37. Doubleur de fréquence basé sur un pont redresseur

Dans les schémas de doubleurs ci-dessus, des diodes de différents types peuvent être utilisées (diodes au silicium, au germanium ou à l'arséniure de gallium avec une jonction \ (p \) - \ (n \), diodes à stockage de charge, diodes à transition Schottky, diodes micro-ondes) , les paramètres de ces diodes détermineront pleinement les propriétés de fréquence et de puissance du doubleur. Par exemple, l'utilisation de diodes avec une barrière Schottky, qui ont une faible chute de tension directe, permet d'appliquer des signaux suffisamment faibles à l'entrée, et si des diodes micro-ondes sont utilisées, la plage de fonctionnement de l'appareil est décalée vers les micro-ondes. région (la plage de fréquence de fonctionnement est également déterminée par les propriétés de fréquence des transformateurs).

Les circuits résonnants ordinaires peuvent être utilisés comme transformateurs à l'entrée et à la sortie du multiplicateur, cependant, les meilleurs paramètres sont réalisables en utilisant des transformateurs balun large bande similaires à ceux utilisés dans les mélangeurs à diodes large bande. De tels transformateurs offrent une meilleure correspondance d'entrée et de sortie, et ont également une bande passante élevée, ce qui permet l'utilisation d'un doubleur de fréquence pour des signaux d'une très large gamme de fréquences sans aucun accord. Il existe de nombreuses options pour connecter des transformateurs à large bande, le bon choix vous permet de fournir l'impédance d'entrée requise pour un appareil particulier. En figue. 3.6-38, 3.6-39 donnent un certain nombre d'exemples de doubleurs de fréquence avec des transformateurs à large bande.

Riz. 3.6-38. Doubleur de fréquence basé sur un pont redresseur avec transformateurs balun large bande (rapport de transformation 1: 4 ou 1: 1)

Riz. 3.6-39. Doubleur de fréquence basé sur un redresseur double alternance avec transformateur balun large bande (rapport de transformation 1: 4) à l'entrée

Notez que dans le circuit de la Fig. 3.6-39 il n'y a pas de transformateur de sortie, il a été remplacé par un starter\(L1\). Cela n'affecte pratiquement pas les paramètres du multiplicateur, mais cela simplifie sa conception.

Si nécessaire, fournissez une multiplication de fréquence de 4, 8, etc. les doubleurs sur les circuits de redressement peuvent être connectés en série. Dans ce cas, cependant, il faut garder à l'esprit que leur rendement n'est pas très élevé (environ 20 % pour un doubleur à deux diodes). Par conséquent, entre les étages de doublement, en règle générale, des étages d'amplification intermédiaires sont inclus.

Ainsi, les principales propriétés des doubleurs dans les circuits de redressement double alternance sont :

• simplicité de construction et bande passante élevée, en particulier lors de l'utilisation de transformateurs d'adaptation à large bande ;
• l'absence de systèmes résonants encombrants, ce qui permet de rendre les doubleurs compacts et d'utiliser dans les basses fréquences ;
• faible rendement et, par conséquent, la nécessité d'une amplification intermédiaire dans une connexion à plusieurs étages.

En plus des deux méthodes décrites ci-dessus, pour la multiplication de fréquence, une grande variété de schémas peuvent être utilisés qui fonctionnent sur le principe changer la forme du signal sinusoïdal d'entrée sur un circuit avec des propriétés non linéaires significatives et l'isolement ultérieur de l'harmonique souhaité ... Ce principe est très proche de la multiplication de fréquence varactor, qui est également basée sur un circuit non linéaire (varactor), mais il offre une efficacité beaucoup plus faible, car les circuits clés typiques qui modifient la forme d'onde sont généralement caractérisés par des pertes plutôt élevées et la nature de la non-linéarité. réalisé par eux provoque l'apparition d'un trop grand nombre d'harmoniques différentes. Le principal avantage de ces multiplicateurs est la simplicité du schéma de circuit et de la configuration. Comme les multiplicateurs varactor, les multiplicateurs de forme d'onde sont des dispositifs résonnants et doivent être réglés lorsque la fréquence change.

Un exemple de circuit tripleur simple construit selon le principe décrit est illustré à la Fig. 3,6-40.

Riz. 3,6-40. Tripleur de fréquence 10/30 MHz sur diodes

Comme dans les multiplicateurs du circuit redresseur décrits ci-dessus, la plupart des paramètres de ce multiplicateur sont déterminés par le type de diodes utilisées dans celui-ci. Le choix optimal est généralement la sélection de diodes avec une barrière Schottky de puissance appropriée.

Le principe de fonctionnement du circuit est le suivant. Le filtre d'entrée \ (L1 \), \ (C1 \) garantit que l'impédance du prochain convertisseur à diodes est adaptée à la sortie de l'étage précédent. De plus, il empêche la pénétration d'harmoniques de signal haute fréquence à l'entrée de le multiplicateur. Le convertisseur à diode \ (VD1-VD4 \), \ (L2 \) est utilisé pour convertir le signal sinusoïdal d'entrée en un signal rectangulaire. Les circuits de sortie \(C2\),\(L3\),\(C3\),\(L4\) extraient l'harmonique recherchée du signal carré et assurent l'adaptation des impédances en sortie du multiplicateur. Un avantage très important de ce circuit est son bruit de phase particulièrement faible, qui peut être un facteur décisif pour certaines applications de multiplicateur de fréquence.

Si vous effectuez une analyse mathématique d'un signal rectangulaire simple, il s'avère que seules des harmoniques avec des nombres impairs y sont présents (1er, 3e, 5e, 7e, etc.). Ainsi, représenté sur la Fig. Le circuit 3.6-40 avec un réglage approprié des circuits résonnants peut être utilisé pour multiplier la fréquence par 3, 5, 7, .... Pour assurer une multiplication uniforme, une autre transformation de forme d'onde est nécessaire, telle qu'une forme d'onde triangulaire. Il convient de garder à l'esprit qu'avec une augmentation du facteur de multiplication, l'efficacité déjà assez faible du multiplicateur de fréquence diminue considérablement.

Le circuit d'un autre multiplicateur de fréquence simple est illustré à la Fig. 3.6-41. Son travail repose également sur la transformation d'un signal sinusoïdal en un signal carré, suivi de l'extraction de l'harmonique impaire.

un dispositif électronique (moins souvent électromagnétique) conçu pour augmenter la fréquence des oscillations électriques périodiques qui lui sont fournies par un nombre entier de fois. Attitude F dehors / F dans ( F dans et F out - la fréquence d'oscillation, respectivement, à l'entrée et à la sortie du canal U.) est appelée facteur de multiplication de fréquence m(m 2; peut atteindre plusieurs dizaines). Un trait caractéristique de euh est la constance T lors du changement (dans une zone finie) F dans , ainsi que les paramètres de U.h. (par exemple, les fréquences de résonance des circuits oscillants (voir. Circuit oscillatoire) ou Résonateurs , inclus dans le U. h.). Il s'ensuit donc que si F pour une raison quelconque a reçu une augmentation Δ F in (assez petit), alors l'incrément Δ F fréquence de sortie F out est tel que Δ F dans / F dans = F dehors / F out, c'est-à-dire que l'instabilité relative de la fréquence d'oscillation pendant la multiplication reste inchangée. Cette propriété importante des UC leur permet d'être utilisés pour augmenter la fréquence des oscillations stables (généralement obtenues à partir d'un oscillateur maître à quartz (voir Oscillateur maître)) dans diverses installations de transmission radio, de radar, de mesure et autres.

Le plus courant U.ch. consistant en un dispositif non linéaire (par exemple, un transistor , varactor ou varikapa , bobines à noyau de ferrite; tube à vide (voir tube à vide)) et un filtre électrique (voir filtre électrique) (un ou plusieurs). Un dispositif non linéaire modifie la forme des oscillations d'entrée, de sorte que les composants avec des fréquences qui sont des multiples de F dans. Ces oscillations complexes sont transmises à l'entrée du filtre, qui sélectionne un composant avec une fréquence donnée. mf dans , supprimer (ne pas sauter) le reste. Étant donné qu'une telle suppression dans les filtres réels n'est pas complète, des composants indésirables (appelés latéraux) restent à la sortie du U.C., c'est-à-dire des harmoniques avec des nombres différents de m. La tâche est facilitée si le dispositif non linéaire ne génère pratiquement que m-ème harmonique F dans, - dans ce cas, ils se passent parfois de filtre (il existe des U.h. similaires connus sur des diodes tunnel (voir Diode tunnel) et des dispositifs spéciaux à faisceau d'électrons). À m> 5 il est énergétiquement plus avantageux d'utiliser des U. Ch. multi-étages (dans ceux-ci, les oscillations de sortie d'un étage servent d'entrée pour l'autre).

U.h. sont également utilisés, dont l'action est basée sur la synchronisation d'un autogénérateur (voir . Génération d'oscillations électriques). Dans ce dernier, les oscillations sont excitées avec une fréquence F 0 = mf dans , qui devient exactement égal à mf entrée sous l'influence de vibrations arrivant à son entrée avec une fréquence F dans. L'inconvénient d'un tel U. h. est une bande de valeurs relativement étroite F entrée, à laquelle la synchronisation est possible. En plus de celles indiquées, les unités à ultrasons radio-pulsés ont reçu une certaine distribution, dans laquelle des impulsions radio d'une certaine forme sont fournies à l'entrée d'un filtre électrique, générées sous l'action d'oscillations d'entrée avec une fréquence F dans.

Le principal problème dans la création d'une fréquence ultrasonore est une diminution de l'instabilité de phase des oscillations de sortie (en raison de la nature aléatoire du changement de leur phase), ce qui conduit à une augmentation de l'instabilité de fréquence relative à la sortie par rapport à la valeur correspondante à l'entrée. Le calcul rigoureux de U.h. est associé à l'intégration d'équations différentielles non linéaires.

Lit. : Zhabotinsky ME, Sverdlov Yu. L., Principes fondamentaux de la théorie et de la technologie de la multiplication de fréquences, M., 1964; Rizkin I. Kh., Multiplicateurs et diviseurs de fréquence, M., 1966; Bruevich A.N., Multiplicateurs de fréquence, M., 1970; Dispositifs de transmission radio sur dispositifs semi-conducteurs, M., 1973.

I. Kh. Rizkin.

• - un multiplicateur d'électrons, - un dispositif électronique d'amplification du flux d'électrons basé sur l'émission d'électrons secondaires...
• - un transformateur spécial qui augmente la fréquence du courant alternatif généré par le générateur, ou un circuit de lampe spécial qui sert à obtenir des courants à haute fréquence ...

  Vocabulaire marin

• - un dispositif électronique d'amplification du courant d'électrons primaires basé sur l'émission d'électrons secondaires. EI fait soit partie de certains appareils d'électrovide, soit il est utilisé en tant qu'indépendant ...

  Sciences naturelles. Dictionnaire encyclopédique

• - photomultiplicateur, - amplificateur de photocourants faibles, action du K-poro DOS. sur l'émission électronique secondaire; une sorte de dispositif photoélectrique. Principale Noeuds PMT : photocathode émettant des électrons sous l'action d'optiques ...

  Grand dictionnaire polytechnique encyclopédique

• - voir Multiplicateur d'électrons secondaire ...

  Grand dictionnaire polytechnique encyclopédique

• - un dispositif électronique destiné à augmenter la fréquence des oscillations électriques périodiques qui lui sont fournies par un nombre entier de fois. Le rapport fout/fin est appelé facteur de multiplication de fréquence m...
• - un appareil à électrovide dans lequel le flux d'électrons émis par la Photocathode sous l'action d'un rayonnement optique est amplifié dans le système de multiplication par émission d'électrons secondaires...

  Grande Encyclopédie Soviétique

• - un dispositif électronique d'amplification du flux d'électrons basé sur l'émission d'électrons secondaires...

  Grande Encyclopédie Soviétique

• - un dispositif électronique pour augmenter la fréquence des oscillations électriques périodiques qui lui sont fournies par un nombre entier de fois...
• - amplificateur de photocourants faibles, dont l'action est basée sur l'émission d'électrons secondaires. Unités structurales de PMT : photocathode, dynodes et anode collectrice...

  Grand dictionnaire encyclopédique

• - multiplier / tel-enfant / ktor, ...

  Ensemble. Une part. Trait d'union. Dictionnaire de référence

• - MULTIPLICATEUR, multiplicateur, mari. Dans l'expression : un multiplicateur de fréquence est un transformateur qui augmente la fréquence d'un courant alternatif...

  Dictionnaire explicatif d'Ouchakov

• - ...

  Dictionnaire d'orthographe-référence

• - multiplier "...

  dictionnaire d'orthographe russe

• - ...

  Formes de mots

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Dans les voies d'émission et de réception des systèmes de communication, ainsi que dans certains appareils de mesure, la transformation non linéaire d'une oscillation harmonique est largement utilisée, de sorte que la fréquence de cette oscillation augmente de k une fois que, k Est un entier positif. Cette transformation non linéaire est appelée multiplication de fréquence, et le dispositif qui la met en œuvre est appelé multiplicateur de fréquence.

Ainsi, un multiplicateur de fréquence est un dispositif qui augmente de k fois la fréquence de la vibration harmonique. Si un signal est appliqué à l'entrée du multiplicateur, alors un signal est généré à la sortie, et certains multiplicateurs augmentent de k fois et la phase initiale, c'est-à-dire ...

Les multiplicateurs de fréquence sont utilisés pour générer des oscillations avec une stabilité à haute fréquence. Cela s'applique principalement à la formation d'oscillations à haute fréquence avec stabilisation par quartz de la fréquence de l'oscillateur maître. La fréquence naturelle du quartz est déterminée par l'expression, b C'est l'épaisseur de la plaque de quartz. Pour les fréquences supérieures à 50 MHz, la plaque doit avoir une épaisseur de l'ordre du centième de millimètre. Il est très difficile de réaliser de telles plaques, elles ont une faible résistance mécanique. Par conséquent, cette méthode de stabilisation est utilisée dans les générateurs avec une fréquence allant jusqu'à 5 MHz, dans certains cas jusqu'à 50 MHz. Des oscillations de fréquence plus élevée sont obtenues en utilisant des multiplicateurs de fréquence.

En tant que multiplicateurs de fréquence, un circuit amplificateur résonant non linéaire avec un circuit accordé à la fréquence requise est le plus souvent utilisé. Comme indiqué précédemment, le spectre des impulsions de courant d'un amplificateur non linéaire à base de transistor (fonctionnant en mode de coupure de courant) contient des composantes harmoniques dont les fréquences sont des multiples de la fréquence du signal d'entrée. Si le circuit amplificateur est réglé sur la fréquence k-ème harmonique, alors la sortie formera une vibration harmonique avec la fréquence de cette harmonique.

On sait que l'amplitude k e harmonique est déterminé par l'expression ... Par conséquent, le mode de fonctionnement de l'amplificateur en tant que multiplicateur de fréquence doit être tel que l'amplitude de l'harmonique recherchée soit la plus grande. A une certaine valeur, ceci est assuré par l'angle de coupure optimal, auquel = max.

Il a été pratiquement prouvé que l'angle de coupure auquel les graphiques ont des maxima bien définis est égal à ... La connaissance de l'angle de coupure permet de déterminer l'amplitude du signal d'entrée et la tension du point de fonctionnement du multiplicateur de fréquence :

, .

Voici la pente moyenne de la caractéristique I - V du transistor pour k e harmonique, est la tension de coupure.

Le circuit multiplicateur considéré peut fournir une multiplication de fréquence par 2, moins souvent par 3 fois ou plus, car les amplitudes des harmoniques supérieures du courant collecteur diminuent rapidement avec l'augmentation de la fréquence. Dans les cas où il est nécessaire de multiplier la fréquence du signal par des dizaines ou plus, la multiplication de fréquences multiples est possible en connectant séquentiellement plusieurs multiplicateurs. Cependant, il est plus conseillé d'utiliser une méthode différente.

On sait que le spectre d'une séquence périodique d'impulsions vidéo contient un nombre infini de composantes harmoniques dont les fréquences sont des multiples du taux de répétition des impulsions. Les amplitudes de ces harmoniques à sont suffisamment grandes dans une large gamme de fréquences (la largeur du lobe principal du spectre est égale). Par conséquent, à l'aide de filtres à bande étroite, il est possible d'isoler les harmoniques avec des fréquences à des valeurs supérieures à dix.

Le circuit d'un tel multiplicateur contient un convertisseur non linéaire d'oscillations harmoniques en une séquence périodique d'impulsions vidéo très courtes avec un taux de répétition égal à la fréquence de l'oscillation d'entrée, c'est-à-dire ... L'harmonique nécessaire du spectre de ces impulsions est mise en évidence par un filtre.

Un facteur de multiplication encore plus élevé peut être obtenu en utilisant une séquence périodique d'impulsions radio. Le spectre d'un tel signal est concentré dans la région de la fréquence porteuse. Ce spectre contient des composantes harmoniques avec des fréquences nettement supérieures à la fréquence de l'oscillation d'entrée. Le circuit d'un tel multiplicateur est complexe, car il doit contenir un modulateur d'amplitude d'impulsions qui convertit des oscillations avec une fréquence en une séquence périodique d'impulsions radio avec un taux de répétition.

La multiplication de fréquence peut également être effectuée à l'aide de circuits paramétriques (par exemple des circuits avec un varactor). Ce tutoriel ne couvrira pas ce problème.

La mise en forme de fréquence en multiples d'une fréquence d'entrée fixe est l'une des applications PLL les plus courantes. Dans les synthétiseurs de fréquence, la fréquence du signal de sortie est formée en multipliant la fréquence stabilisée par un résonateur à quartz par le nombre n, le nombre n peut être réglé sous forme numérique, c'est-à-dire vous pouvez obtenir une source de signal flexible qui peut être contrôlée même avec un ordinateur ou un simple contrôleur.

Dans cet exemple, on va essayer d'utiliser une PLL pour obtenir une fréquence assez élevée de la gamme UHF, stabilisée par un résonateur à quartz basse fréquence. Ainsi, nous avons un résonateur à quartz pour une fréquence de 6,8 MHz, un microcircuit KR193IE6 (diviseur par 64, fonctionne à des fréquences jusqu'à 1000 MHz), ainsi qu'un microcircuit KR1564LP5, que nous utiliserons comme détecteur de phase.

Commençons par une PLL standard, dans laquelle un compteur diviseur-n est connecté entre la sortie du VCO et le détecteur de phase (Figure 1).

Dans ce schéma, le gain est indiqué pour chaque bloc fonction. Lors du calcul de la boucle PLL, ces coefficients sont utilisés pour effectuer des calculs de stabilité. Il existe des formules spéciales pour calculer chacun des facteurs de transmission. Le gain total de la boucle PLL sera égal au produit des gains de tous les blocs fonctionnels de la boucle.

Sur la base des résultats du calcul de la valeur du coefficient total, il est jugé sur le fonctionnement stable de ce schéma de circuit. Les plus grandes difficultés de ces calculs sont liées au calcul des éléments du filtre passe-bas. La plupart des radioamateurs qui ne sont pas en mesure de faire le calcul de stabilité doivent sélectionner les composants du filtre jusqu'à ce que le circuit fonctionne. Essayons de considérer le but des éléments filtrants. La figure 2 montre l'un des schémas de filtre passe-bas possibles.

Le produit R1xC0 détermine le temps de lissage du contour, et R0 / R1 est l'amortissement, c'est-à-dire pas de surcharge dans les sauts de fréquence. La sélection des valeurs peut commencer par R0 = 0,2 R1. La figure 2 (b) montre un circuit avec un condensateur supplémentaire C1. Une des variantes possibles de ce filtre peut avoir les données suivantes : R1 = 10k, R0 = 10k, C0 = 1000 et C1 = 0.033mk.

Considérons un schéma de principe d'un multiplicateur de fréquence avec une PLL, dans lequel se trouve un résonateur à quartz à une fréquence de 6,8 MHz, un microcircuit KR193IE6 (diviseur par 64, fonctionne à des fréquences allant jusqu'à 1000 MHz), ainsi qu'un microcircuit KR1564LP5, que nous utiliserons comme détecteur de phase. La figure 3 montre l'un des circuits électriques de base possibles d'un multiplicateur de fréquence par 64 utilisant une PLL, dans lequel les composants ci-dessus sont impliqués.

3

Ce circuit n'est pas élaboré et est présenté par moi uniquement dans le but d'illustrer une option de multiplicateur possible à l'aide d'une PLL. Le détecteur de phase est basé sur MS DD1 74NS86 (564LP5). Sur l'élément de ce microcircuit DD1.1, un générateur avec un résonateur à quartz Z1 est réalisé. L'élément DD1.3, qui fonctionne en mode répéteur, reçoit un signal de la MS du diviseur de fréquence VCO.

Le signal de différence est détecté sur l'élément DD1.2 et envoyé au filtre passe-bas actif, réalisé sur les transistors VT1 et VT2. R10 et C6 sont des éléments de filtre passe-bas en option. Le signal de différence est transmis à la varicap VD1 via R10. Le VCO est réalisé sur un transistor VT3, et un tampon est monté sur VT4 - un amplificateur de fréquence pour le VCO. À partir de VT4, le signal c est transmis via C14 à la sortie et via le filtre haute fréquence C13Dr1C15 au diviseur de fréquence VCO, réalisé sur DD2. A partir de la sortie du diviseur de fréquence, le signal est envoyé au détecteur de phase à travers le condensateur C16.

Processus de capture

Pour effectuer le processus de verrouillage de fréquence, une tension suffisante du signal d'erreur après le filtre passe-bas est une condition préalable. Il faut toujours se rappeler qu'un filtre passe-bas LC introduit beaucoup d'atténuation du signal. La boucle du premier ordre se synchronisera toujours car il n'y a pas d'atténuation d'erreur à basse fréquence.

La synchronisation de la boucle du second ordre dépend du type de détecteur de phase et de la bande passante du filtre passe-bas. De plus, un détecteur de phase OU EXCLUSIF a une plage de capture limitée en fonction de la constante de temps du filtre.

4
Le processus d'acquisition est le suivant : lorsque le signal d'erreur de phase rapproche la fréquence du VCO de la fréquence de référence, ses changements deviennent plus lents et vice versa. Le signal d'erreur est donc asymétrique et évolue plus lentement dans cette partie du cycle, pendant laquelle fgun se rapproche de fon.

En conséquence, une composante moyenne non nulle apparaît, c'est-à-dire composante constante, qui introduit la PLL en synchronisme. Si vous analysez graphiquement la tension de commande du VCO pendant la capture, vous pouvez obtenir quelque chose de similaire au signal illustré à la figure 4.
Chaque processus de capture est différent et semble différent à chaque fois.

Bande de capture et de suivi

Lors de l'utilisation d'un détecteur de phase OU EXCLUSIF, la bande passante de capture est limitée par la constante de temps du filtre passe-bas. Cela a du sens, car si la différence de fréquence est importante, le signal d'erreur sera atténué par le filtre de sorte que la boucle ne pourra jamais capturer. De toute évidence, l'augmentation de la constante de temps du filtre diminue la bande passante de capture, car cela entraîne un gain de boucle inférieur.

Multiplicateur de fréquence pour MC12179

Motorola fabrique un microcircuit PLL MC12179 série, qui contient déjà les composants suivants requis pour créer un circuit PLL à part entière, à savoir :

Tous les éléments nécessaires à l'organisation du fonctionnement d'un oscillateur externe avec stabilisation de fréquence à quartz ;
Détecteur de phase;
Diviseur de fréquence par 256, ce qui permet d'utiliser cette MS comme multiplicateur de fréquence jusqu'à des fréquences de 2500 MHz ;
Une entrée est fournie pour la fréquence du VCO et une sortie de signal d'erreur vers le filtre passe-bas.

Veuillez noter qu'il n'y a pas de filtre passe-bas dans le microcircuit ; il doit être conçu dans chaque cas individuel conformément aux exigences individuelles du multiplicateur.

5 et 6

La figure 5 montre un schéma de principe d'un circuit PLL avec un microcircuit MC12179. Le quartz Z1 peut être sélectionné dans la plage de 5 à 11 MHz, tandis qu'à la sortie du multiplicateur, des fréquences dans la plage de 2400 à 2800 MHz peuvent être obtenues. Les schémas des filtres passe-bas possibles sont illustrés à la Fig. 6.

Le multiplicateur de fréquence avec une PLL sur le MC12179 produit un bruit plusieurs fois inférieur au multiplicateur selon le schéma décrit ci-dessus avec un diviseur de fréquence séparé.

Synthétiseur de fréquence sur LM7001

Le circuit synthétiseur de fréquence pour la bande 145 MHz est réalisé sur le microcircuit LM7001J utilisé par diverses sociétés dans les récepteurs radio domestiques.

Le synthétiseur est conçu pour fonctionner dans des émetteurs-récepteurs FM avec une fréquence intermédiaire de 10,7 MHz. Il fournit une mise en forme du signal avec une fréquence de 133,3 ... 135,3 MHz en mode réception et 144 ... 146 MHz en mode émission avec un pas de grille de fréquence de 25 kHz. Il offre également la possibilité de balayer en mode réception sur toute la plage de fréquences de fonctionnement.

Le synthétiseur dispose d'une mémoire non volatile pour trois fréquences utilisateur. Il dispose également de 9 canaux répéteurs (R0 ... R8) câblés. En mode émission, le synthétiseur effectue une modulation de fréquence du signal RF. Le synthétiseur est alimenté par une tension de 8 ... 15 V. La consommation de courant ne dépasse pas 50 mA. Le niveau du signal RF à sa sortie avec une charge de 50 Ohms est d'au moins 0,1 V. Cette conception très intéressante devrait intéresser de nombreux radioamateurs.

Caractéristiques techniques du MS LM7001J :

1. Tension nominale. alimentation, V ....................................................... ...... 4,5 ... 6,5.
2. Tension d'entrée niveau haut, V, par les entrées CE, CL, Data 2.2 ... 6.5.
3. Tension d'entrée de bas niveau, V, via les entrées CE, CL, Data ... 0 ... 0,7.
4. Tension maximale admissible fournie à la sortie SC, V .... 6.5.
5. Tension maximale admissible fournie aux sorties BSoutl ... BSout3, V ........ 13.
6. Courant de sortie maximal admissible de la sortie SC, mA .................... 3.
7. Courant d'entrée maximal admissible des entrées BSoutl ... BSout3, mA 3.
8. Intervalle de fréquence de l'entrée Amin1, MHz ................... 0,5 ... 10.
9. Intervalle de fréquence de l'entrée Fmin, MHz, à un pas de la grille de fréquence
- 25,50,100 kHz ............. 45 ... 130.
- 1,5,9,10 kHz ............ 5 ... 30.
10. Sensibilité des entrées Amin et Fmin, V (eff.) .............. 0,1 ... 1,5.
11. Valeur typique de la résistance d'entrée pour les entrées Amin et Fmin, kOhm ....... 500.
12. Courant consommé total, mA .............. 40.

Les microcircuits LM7001J et LM7001JM sont conçus pour construire des synthétiseurs de fréquence avec un système PLL utilisé dans les récepteurs radio domestiques. Les deux microcircuits sont identiques en termes de circuit et de paramètres et ne diffèrent que par la conception du boîtier - le LM7001J a un boîtier DIP16 pour un montage conventionnel et le LM7001JM-MFP20 pour un montage en surface (les deux puces sont en plastique). L'affectation des broches des microcircuits est indiquée dans le tableau ci-dessous.

Broches Xout et Xin - sortie et entrée de l'amplificateur d'un signal de la fréquence exemplaire; un résonateur à quartz est connecté à ces broches. Sortie CE - entrée du signal de validation d'enregistrement. CL - entrée d'impulsion d'horloge d'écriture. Entrée de données -informations. SC - Syncro Control - Sortie fréquence de contrôle 400 kHz. BSoutl -BSout3 - sorties de commutation de bande pour le contrôle d'appareils externes (la sortie BSoutl est en outre une sortie de signal à 8 Hz); Ces signaux sont utilisés pour commuter les gammes Amin et Fmin - les entrées du diviseur de fréquence programmable, en d'autres termes, les entrées des signaux AM et FM. Pdl et Pd2 sont les sorties du détecteur fréquence-phase dans les modes FM et AM, respectivement.

Le schéma fonctionnel de l'appareil est illustré à la Fig. 7. La séquence de contrôle des bits arrivant au registre à décalage de réception détermine la valeur du pas de la grille de fréquence du synthétiseur, le facteur de division du diviseur de fréquence programmable, son mode de fonctionnement et l'état des sorties BSoutl... BSout3 .

7

Le microcircuit peut fonctionner avec sept valeurs standard du pas de grille de fréquence - 1, 5, 9, 10, 25, 50 ou 100 kHz (à la fréquence du générateur de référence 7200 kHz. qui peut fonctionner en deux modes - AM et FM.