Умножитель частоты - Frequency multiplier

В электроника, а умножитель частоты является Электронная схема который генерирует вывод сигнал чей выход частота это гармонический (кратное) его входной частоте. Умножители частоты состоят из нелинейный схема, которая искажает входной сигнал и, следовательно, генерирует гармоники входного сигнала. Последующий полосовой фильтр выбирает желаемую частоту гармоник и удаляет из выхода нежелательные основные и другие гармоники.

Умножители частоты часто используются в синтезаторы частот и коммуникации схемы. Может быть более экономичным разработать более низкочастотный сигнал с меньшей мощностью и менее дорогими устройствами, а затем использовать цепочку умножителя частоты для генерации выходной частоты в микроволновая печь или же миллиметровая волна классифицировать. Некоторые схемы модуляции, например модуляция частоты, выдерживают нелинейные искажения без вредных последствий (но такие схемы, как амплитудная модуляция не).

Умножение частоты также используется в нелинейная оптика. Нелинейные искажения в кристаллах можно использовать для генерации гармоник лазерного света.

Теория

Чистый синусоидальная волна имеет единственную частоту ж

{ Displaystyle х (т) = А грех (2 пи ft) ,}

Если синусоида применяется к линейная цепь, например, без искажений усилитель мощности, выходной сигнал по-прежнему является синусоидальным (но может иметь фазовый сдвиг). Однако, если синусоида применяется к нелинейная схема, результирующее искажение создает гармоники; частотные составляющие в целых кратных нф основной частоты ж. Искаженный сигнал можно описать как Ряд Фурье в ж.

{ displaystyle x (t) = sum _ {k = - infty} ^ { infty} c_ {k} e ^ {j2 pi kft}.}

Ненулевой c_k представляют собой генерируемые гармоники. Коэффициенты Фурье задаются интегрированием по основному периоду Т:

{ displaystyle c_ {k} = { frac {1} {2 pi}} int _ {0} ^ {T} x (t) , e ^ {- j2 pi kt / T} , dt }

Таким образом, умножитель частоты может быть построен из нелинейного электронного компонента, который генерирует серию гармоник, за которыми следует полосовой фильтр который передает одну из гармоник на выход и блокирует остальные.

С точки зрения эффективности преобразования нелинейная схема должна максимизировать коэффициент для желаемой гармоники и минимизировать другие. Следовательно, функция транскрибирования часто выбирается специально. Простой выбор - использовать четную функцию для генерации четных гармоник или нечетную функцию для нечетных гармоник. Видеть Четные и нечетные функции # Гармоники. Например, двухполупериодный выпрямитель хорош для изготовления удвоителя. Для создания умножителя, умноженного на 3, исходный сигнал может быть введен в усилитель, который перегружен, чтобы произвести почти прямоугольную волну. Этот сигнал имеет высокий уровень гармоник 3-го порядка и может быть отфильтрован для получения желаемого результата 3 раза.

Умножители YIG часто хотят выбрать произвольную гармонику, поэтому они используют схему искажения с отслеживанием состояния, которая преобразует входную синусоидальную волну в приближенную импульсный поезд. Идеальная (но непрактичная) последовательность импульсов генерирует бесконечное количество (слабых) гармоник. На практике последовательность импульсов, генерируемая моностабильной схемой, будет иметь много используемых гармоник. Умножители YIG, использующие ступенчатые восстанавливающие диоды, могут, например, принимать входную частоту от 1 до 2 ГГц и выдавать выходные сигналы до 18 ГГц.^[1] Иногда схема умножителя частоты регулирует ширину импульсов, чтобы повысить эффективность преобразования для конкретной гармоники.

Схемы

Диод

Схемы отсечения. Полноволновой мостовой удвоитель.

Усилитель и умножитель класса C

Эффективное производство энергии становится более важным при высоких уровнях мощности. Усилители Linear класса A имеют КПД в лучшем случае 25%. Двухтактные усилители класса B имеют КПД в лучшем случае 50 процентов. Основная проблема заключается в том, что усилительный элемент рассеивает мощность. Коммутационные усилители класса C являются нелинейными, но они могут иметь КПД выше 50 процентов, поскольку идеальный переключатель не рассеивает мощность.

Продуманная конструкция позволяет использовать нелинейный усилитель класса C как для усиления, так и в качестве умножителя частоты.

Ступенчатый восстанавливающий диод

Для генерации большого количества полезных гармоник требуется быстрое нелинейное устройство.

Ступенчатые восстановительные диоды.

В СВЧ-генераторах может использоваться импульсный генератор ступенчатого восстановления на диоде, за которым следует настраиваемый ЖИГ-фильтр. Фильтр YIG имеет сфера из иттриевого граната настроенный на магнитное поле. Импульсный генератор ступенчато-восстановительного диода работает на субгармонике желаемой выходной частоты. Затем электромагнит настраивает ЖИГ-фильтр для выбора нужной гармоники.^[2]

Варакторный диод

Резистивная нагрузка варакторы. Регенеративные варакторы. Пенфилд.

Умножители частоты имеют много общего с частотные смесители, и некоторые из одних и тех же нелинейных устройств используются для обоих: транзисторы работал в Класс C и диоды. В передающих схемах многие из усилительных устройств (вакуумные трубки или транзисторы) работают нелинейно и создают гармоники, поэтому каскад усилителя можно сделать умножителем, настроив настроенная схема на выходе кратно входной частоте. Обычно мощность (прирост ), производимая нелинейным устройством, быстро спадает на высших гармониках, поэтому большинство умножителей частоты просто удваивают или утроивают частоту, а умножение на более высокие коэффициенты достигается каскадными каскадами удвоителя и утроения.

Предыдущее использование

В умножителях частоты используются схемы, настроенные на гармонику входной частоты. Нелинейные элементы, такие как диоды, могут быть добавлены для усиления генерации гармонических частот. Поскольку мощность гармоник быстро падает, обычно умножитель частоты настраивается только на небольшое количество (в два, три или пять раз) входной частоты. Обычно усилители вставлены в цепочку умножителей частоты, чтобы гарантировать адекватный уровень сигнала на конечной частоте.

Так как настроенные схемы имеют ограниченную полосу пропускания, при значительном изменении базовой частоты (более одного процента или около того) каскады умножителя, возможно, придется отрегулировать; это может занять значительное время, если этапов много.

Удвоитель частоты микроэлектромеханический (MEMS)

Электрическое поле, управляемое микромеханический консоль резонатор одна из самых фундаментальных и широко изученных структур в МЭМС, который может обеспечить высокую добротность и функцию узкополосной фильтрации. Присущая ей квадратичная нелинейность передаточной функции напряжения к силе емкостного преобразователя консольного резонатора может быть использована для реализации эффекта удвоения частоты.^[3] Благодаря атрибуту низких потерь (или, что эквивалентно, высокой добротности), предлагаемому устройствами MEMS, микромеханический удвоитель частоты можно ожидать от микромеханического удвоителя частоты, по сравнению с полупроводниковыми устройствами, используемыми для той же задачи.^[4]

Умножители частоты на основе графена

Графен полевые транзисторы на базе также использовались для удвоения частоты с эффективностью преобразования более 90%.^[5]^[6]

Фактически все амбиполярные транзисторы могут быть использованы для проектирования схем умножителей частоты.^[7] Графен может работать в широком диапазоне частот благодаря своим уникальным характеристикам.^[8]

Цепи фазовой автоподстройки частоты с делителями частоты

А ФАПЧ (PLL) использует опорную частоту для генерации кратной этой частоты. А генератор, управляемый напряжением (VCO) изначально настроен примерно на диапазон желаемых частотных кратных. Сигнал от VCO делится на две части. делители частоты на коэффициент умножения. Разделенный сигнал и опорная частота поступают в фазовый компаратор. Выходной сигнал фазового компаратора - это напряжение, пропорциональное разности фаз. После прохождения через фильтр нижних частот и преобразования в нужный диапазон напряжения это напряжение подается на ГУН для регулировки частоты. Эта настройка увеличивает частоту как фаза сигнала ГУН запаздываний, что опорный сигнал и уменьшает частоту, что отставание уменьшается (или свинец увеличивается). ГУН стабилизируется на желаемой кратной частоте. Этот тип ФАПЧ является разновидностью синтезатор частот.

Синтезатор дробного N

В некоторых системах ФАПЧ опорная частота также может быть разделена на целое число перед вводом в фазовый компаратор. Это позволяет синтезировать частоты, которые в N / M раз превышают опорную частоту.

Это можно сделать по-другому, периодически изменяя целочисленное значение целого числа N. делитель частоты, эффективно приводя к множителю как с целым числом, так и с дробной составляющей. Такой умножитель называется синтезатором дробного N по его дробной составляющей.^{[неудачная проверка ]} Синтезаторы с дробным N обеспечивают эффективное средство достижения точного разрешения по частоте с более низкими значениями N, что позволяет создавать петлевые архитектуры с в десятки тысяч раз меньшим фазовым шумом, чем альтернативные конструкции с более низкими опорными частотами и более высокими целыми значениями N. Они также обеспечивают более быстрое время установления из-за более высоких опорных частот, что обеспечивает более широкую полосу пропускания замкнутого и разомкнутого контура.^{[нужна цитата ]}

Дельта-сигма-синтезатор

Синтезатор дельта-сигма добавляет рандомизацию к программируемому N делитель частоты синтезатора дробного N. Это сделано для уменьшения боковых полос, создаваемых периодическими изменениями целого числа N. делитель частоты.

Ссылки PLL

Иган, Уильям Ф. 2000. Синтез частоты с помощью фазовой синхронизации, 2-е изд., John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4
Синтезатор частоты дробного N с компенсацией модуляции Патент США 4686488, Аттенборо, К. (1987, 11 августа).
Программируемый синтезатор частоты с дробным коэффициентом деления Патент США 5,224,132, Бар-Гиора Голдберг (1993, 29 июня).

Смотрите также

внешняя ссылка

[1] Например, старый Hewlett Packard 83590A.

[2] Описание технологии: Настроенные генераторы YIG (PDF), Фремонт, Калифорния: Micro Lambda Wireless, получено 18 мая 2012

[MEMS_freq_doubler-3] Микроэлектромеханическая система консольных удвоителей частоты

[4] Самовыравнивающийся вибрационный микромеханический дисковый резонатор с частотой 1,156 ГГц

[5] Ван, Хан; Незич, Д .; Конг, Цзин; Паласиос, Т. (2009). «Графеновые умножители частоты» (PDF). Письма об электронных устройствах IEEE. 30 (5): 547–549. Bibcode:2009IEDL ... 30..547H. Дои:10.1109 / LED.2009.2016443. HDL:1721.1/54736.

[6] Ван, Чжэньсин; Чжан, Чжиюн; Сюй, Хуйлун; Дин, Ли; Ван, Шэн; Пэн, Лянь-Мао (2010). «Высокопроизводительный удвоитель частоты на основе графенового полевого транзистора с верхним затвором». Письма по прикладной физике. 96 (17): 173104. Bibcode:2010ApPhL..96q3104W. Дои:10.1063/1.3413959.

[7] Масштабируемое изготовление амбиполярных транзисторов и радиочастотных схем с использованием согласованных массивов углеродных нанотрубок

[8] Умножитель частоты на трех амбиполярных графеновых транзисторах

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]