Нелінійне посилення і множення частоти: схеми, режими


Нелінійна схема посилення (множення) частоти

Завдання посилення коливань в загальному вигляді формулюється в такий спосіб. На вхід деякого перетворювача надходить сигнал S1 (t). На виході необхідно отримати сигнал S2 (t) = kS1 (t – τ) при k > 1, який повторює форму вхідного сигналу, але посилюється за рахунок енергії місцевого джерела. Час запізнювання τ при цьому не повинно спотворювати форму сигналу.

Мал. 3.8. Нелінійна схема посилення (множення) частоти

Розглянемо як приклад схему резонансного підсилювача на транзисторі, контур на виході якого налаштований на частоту вхідного сигналу (рис. 3.8). На вхід підсилювача подається сигнал (Формула). Для вольт-амперної характеристики використовуємо кусочно-лінійну апроксимацію.

Посилення коливань в лінійному режимі

Звернемося спочатку до лінійного посилення. Кут відсічення в цьому випадку θ = 180 °. Мал. 3.9 відповідає цьому режиму роботи підсилювача, так як вхідний сигнал не виходить за межі лінійної ділянки характеристики (Формула). Тому струм на виході підсилювача змінюється за тим же законом, що і вхідний сигнал. Вихідний струм містить постійну складову (Формула) і змінну складову з амплітудою (Формула) і частотою ω.

Мал. 3.9. Посилення коливань в лінійному режимі

У лінійному режимі завжди, а амплітуда напруги в контурі на виході підсилювача Uk не може бути більше напруги джерела енергії Ek, т. Е. Uk ≤ Ек. Якщо прийняти, a Uk = Ек, то в найсприятливішому випадку коефіцієнт корисної дії не перевищить значення η = 0,5.

 Посилення коливань в нелінійній режимі

Розглянемо тепер нелінійний режим роботи підсилювача, який ілюструє рис. 3.10. В даному випадку кут відсічення θ < 180 °, ставлення (Формула). Наприклад, при θ = 60 ° ставлення (з довідкових таблиць або графіків). Тоді при Uk = Ек коефіцієнт корисної дії η ≈ 0,8 … 0,9. Кут відсічення менше 60 ° небажаний, оскільки при цьому істотно зменшується γ1, а отже, і корисна потужність Р1.

Зі сказаного можна зробити наступний висновок: в нелінійних режимах посилення можна отримати набагато більші значення ККД, ніж у лінійних. Правда, при цьому виникають нелінійні спотворення сигналу, пов’язані з появою додаткових гармонійних складових.

Мал. 3.10. Посилення коливань в нелінійній режимі

Розглянемо тепер множення частоти. Під множенням частоти прийнято розуміти формування на виході пристрою коливання, частота якого в ціле число разів більше частоти вхідного сигналу. Якщо на вході діє сигнал (Формула), то на виході повинна бути частота коливання. Принциповим фактом тут є наявність нелінійного перетворювача, оскільки множення частоти пов’язано з появою нових спектральних складових, яких не було на вході. Реалізувати умножитель частоти застосуванням тільки лінійних елементів неможливо.

Нехай нелінійний перетворювач апроксимувати многочленом n-го ступеня і на його вхід подається гармонійнеколивання.

Після розкладання даного співвідношення по методу формул кратних дуг неважко побачити, що вихідний сигнал містить другу, третю і інші гармоніки. Тому необхідну гармоніку можна виділити за допомогою фільтра, що включається на виході нелінійного перетворювача.

Як нелінійний перетворювача при множенні частоти можна використовувати розглянутий раніше нелінійний підсилювач, тільки тепер в якості навантаження слід взяти коливальний контур, настроєний на частоту n-ої гармоніки. На вхід такого помножувача частоти подається коливання великої амплітуди, що призводить до нелінійних ефектів і дозволяє використовувати при розрахунку кусково-лінійну апроксимацію і метод кута відсічення.

Раніше було показано, що амплітуда n-ої гармоніки. Якщо значення задано, то коефіцієнт буде максимальний при оптимальному куті відсічення θ, який вибирається з довідкових таблиць або графіків. Причому максимум коефіцієнта має місце, якщо θопт ≈ 120 ° / n. Так, для подвоєння частоти оптимальний кут відсічення має дорівнювати 60 °, а для потроєння – θ ≈ 40 °.

Розрахунки коефіцієнтів показують, що вони швидко зменшуються з ростом номера гармонік, а отже, зменшуються і амплітуди гармонік. Тому дану схему застосовують тільки для множення частоти в невелике число разів, тобто в 2 – 3 рази.

Для множення частоти в більше число раз слід перетворити гармонійнеколивання в періодичну послідовність прямокутних імпульсів. Відомо, що в спектральному складі таких імпульсів є коливання всіх частот, кратних частоті їх проходження. Тому
необхідна гармоніка далі виділяється за допомогою вузькосмугового фільтра.

Ссылка на основную публикацию