Умножитель частоты

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Множитель частоты»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья может потребовать очистки, чтобы соответствовать стандартам качества Википедии . Нет очистки причина не была указана. Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, если можете. ( Июль 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В электронике , A умножитель частоты представляет собой электронную схему , которая генерирует выходной сигнал , выход которого частота является гармонической (множественный) своей входной частоты. Умножители частоты состоят из нелинейной схемы, которая искажает входной сигнал и, следовательно, генерирует гармоники входного сигнала. Последующий полосовой фильтр выбирает желаемую частоту гармоник и удаляет нежелательные основные и другие гармоники с выхода.

Умножители частоты часто используются в синтезаторах частот и схемах связи . 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 диапазоне микроволновых или миллиметровых волн . Некоторые схемы модуляции, такие как частотная модуляция , выдерживают нелинейные искажения без вредного воздействия (но такие схемы, как амплитудная модуляция , нет).

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

Теория [ править ]

Чистая синусоида имеет единственную частоту f

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

Если синусоидальная волна применяется к линейной цепи , такой как усилитель без искажений , на выходе все равно будет синусоида (но может появиться фазовый сдвиг). Однако, если синусоида применяется к нелинейной цепи , результирующие искажения создают гармоники ; частотные составляющие в целых кратных nf основной частоте f . Искаженный сигнал можно описать рядом Фурье по f .

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

Ненулевые c _k представляют собой генерируемые гармоники. Коэффициенты Фурье определяются интегрированием по основному периоду T :

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

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

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. См. 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 x3.

Умножители YIG часто хотят выбрать произвольную гармонику, поэтому они используют схему искажения с отслеживанием состояния, которая преобразует входную синусоидальную волну в приблизительную последовательность импульсов . 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 [ править ]

Диод [ править ]

Схемы отсечения. Полноволновой мостовой удвоитель.

Усилитель и умножитель класса C [ править ]

Эффективное производство энергии становится более важным при высоких уровнях мощности. Линейные усилители класса A имеют КПД в лучшем случае 25 процентов. 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 диод восстановления [ править ]

Для генерации большого количества полезных гармоник требуется быстрое нелинейное устройство.

Ступенчатые восстановительные диоды .

В СВЧ-генераторах может использоваться импульсный генератор ступенчатого восстановительного диода, за которым следует настраиваемый ЖИГ-фильтр . ЖИГ-фильтр имеет сферу из железо-иттриевого граната , настроенную с помощью магнитного поля. Импульсный генератор ступенчато-восстановительного диода работает на субгармонике желаемой выходной частоты. Затем электромагнит настраивает ЖИГ-фильтр для выбора нужной гармоники. ^[2]

Варакторный диод [ править ]

Резистивный загружен варакторов . Регенеративные варакторы. Пенфилд.

Умножители частоты имеют много общего со смесителями частоты , и для обоих используются одни и те же нелинейные устройства: транзисторы, работающие в классе C, и диоды . В передающих схемах многие из усилительных устройств (электронные лампы или транзисторы) работают нелинейно и создают гармоники, поэтому каскад усилителя можно превратить в умножитель, настроив настроенную схему на выходе на частоту, кратную входной частоте. Обычно мощность ( усиление), 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 [ править ]

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 включаются 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.

Микроэлектромеханический (MEMS) удвоитель частоты [ править ]

Микромеханический кантилеверный резонатор, управляемый электрическим полем, является одной из наиболее фундаментальных и широко изученных структур в МЭМС , которая может обеспечивать 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, от микромеханического удвоителя частоты можно ожидать улучшенных характеристик схемы, чем от полупроводниковых устройств, используемых для той же задачи. ^[4]

Умножители частоты на основе графена [ править ]

Полевые транзисторы на основе графена также использовались для удвоения частоты с эффективностью преобразования более 90%. ^{[5] [6]}

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

Петли фазовой автоподстройки частоты с делителями частоты [ править ]

Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) использует опорную частоту для генерации кратной этой частоты. Генератор , управляемый напряжением (ГУН) изначально настроена примерно в диапазоне от желаемой частотой , кратной. Сигнал от VCO делится с помощью делителей частоты.на коэффициент умножения. Разделенный сигнал и опорная частота поступают в фазовый компаратор. На выходе фазового компаратора напряжение пропорционально 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 синтезатора частот .

Синтезатор дробного N [ править ]

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 может быть выполнено другим способом, периодически изменяя целочисленное значение делителя частоты целого числа N , что эффективно приводит к умножению как целого числа, так и дробной составляющей. Такой умножитель называется синтезатором дробного N по его дробной составляющей. ^{[ неудавшаяся 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 целочисленными значениями N. Они также обеспечивают более быстрое время установления из-за более высоких опорных частот, что позволяет расширить полосу пропускания замкнутого и разомкнутого контура. ^{[цитата необходима ]}

Синтезатор дельта-сигма [ править ]

Синтезатор дельта-сигма добавляет рандомизацию к программируемому делителю частоты N синтезатора дробного N. Это сделано , чтобы сжать боковые полосы , созданные периодическими изменениями целочисленного-N делителя частоты .

Ссылки на ФАПЧ [ править ]

• Иган, Уильям Ф. 2000. Синтез частот с помощью фазовой синхронизации , 2-е изд., John Wiley & Sons, ISBN  0-471-32104-4
• Синтезатор частоты с дробным N и компенсацией модуляции Патент США 4686488, Аттенборо, С. (1987, 11 августа).
• Программируемый синтезатор частот с дробным коэффициентом деления. Патент США 5224132, Бар-Гиора Голдберг (1993, 29 июня).

См. Также [ править ]

• Гетероструктурный барьерный варактор
• Множитель процессора

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]