Умножитель частоты

В электронике умножитель частоты — это электронная схема , которая генерирует выходной сигнал , а выходная частота является гармоникой (множителем) ее входной частоты. Умножители частоты состоят из нелинейной схемы, которая искажает входной сигнал и, следовательно, генерирует гармоники входного сигнала. Последующий полосовой фильтр выбирает нужную гармоническую частоту и удаляет нежелательные основные и другие гармоники из выходного сигнала.

Частотные умножители часто используются в синтезаторах частот и коммуникационных схемах. Может быть более экономично разработать сигнал с более низкой частотой с меньшей мощностью и менее дорогими устройствами, а затем использовать цепь частотного умножителя для генерации выходной частоты в диапазоне микроволновых или миллиметровых волн . Некоторые схемы модуляции, такие как частотная модуляция , выдерживают нелинейные искажения без вредных последствий (но такие схемы, как амплитудная модуляция, не выдерживают).

Умножение частоты также используется в нелинейной оптике . Нелинейные искажения в кристаллах могут быть использованы для генерации гармоник лазерного света.

Теория

Чистая синусоида имеет одну частоту f

x(t)=A\sin(2\пи фут)\,

Если синусоидальная волна применяется к линейной схеме , например, к усилителю без искажений , выходной сигнал по-прежнему является синусоидальной волной (но может приобрести сдвиг фазы). Однако, если синусоидальная волна применяется к нелинейной схеме , результирующее искажение создает гармоники ; частотные компоненты в целых кратных nf основной частоты 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 сгенерированные гармоники. Коэффициенты Фурье определяются путем интегрирования по основному периоду T :

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

Таким образом, умножитель частоты можно построить из нелинейного электронного компонента, который генерирует ряд гармоник, за которым следует полосовой фильтр , пропускающий одну из гармоник на выход и блокирующий остальные.

С точки зрения эффективности преобразования нелинейная схема должна максимизировать коэффициент для желаемой гармоники и минимизировать другие. Следовательно, функция транскрибирования часто выбирается специально. Простым выбором является использование четной функции для генерации четных гармоник или нечетной функции для нечетных гармоник. См. Четные и нечетные функции#Гармоники . Например, двухполупериодный выпрямитель хорош для создания удвоителя. Чтобы создать умножитель times-3, исходный сигнал может быть подан на вход усилителя, который перегружен для создания почти прямоугольной волны. Этот сигнал имеет высокие гармоники 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 сохранением состояния, которая преобразует входную синусоидальную волну в приблизительную последовательность импульсов . Идеальная (но непрактичная) последовательность импульсов генерирует бесконечное число (слабых) гармоник. На практике последовательность импульсов, генерируемая моностабильной схемой, будет иметь много пригодных для использования гармоник. Умножители YIG, использующие диоды со ступенчатым восстановлением, могут, например, принимать входную частоту от 1 до 2 ГГц и выдавать выходной сигнал до 18 ГГц. ^[1] Иногда схема умножителя частоты будет регулировать ширину импульсов, чтобы улучшить эффективность преобразования для определенной гармоники.

Схемы

Диод

Схемы ограничения. Двухполупериодный мостовой удвоитель.

Усилитель и умножитель класса C

Эффективная генерация мощности становится более важной на высоких уровнях мощности. Линейные усилители класса A имеют эффективность в лучшем случае 25 процентов. Двухтактные усилители класса B имеют эффективность в лучшем случае 50 процентов. Основная проблема заключается в том, что усиливающий элемент рассеивает мощность. Импульсные усилители класса C нелинейны, но они могут иметь эффективность выше 50 процентов, поскольку идеальный переключатель не рассеивает мощность.

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

Диод восстановления шага

Для генерации большого количества полезных гармоник требуется быстродействующее нелинейное устройство, например, диод со ступенчатым восстановлением .

Микроволновые генераторы могут использовать импульсный генератор на диодах с пошаговым восстановлением, за которым следует настраиваемый ЖИГ-фильтр . ЖИГ-фильтр имеет сферу из иттриевого граната , которая настраивается магнитным полем. Импульсный генератор на диодах с пошаговым восстановлением приводится в действие на субгармонике желаемой выходной частоты. Затем электромагнит настраивает ЖИГ-фильтр для выбора желаемой гармоники. ^[2]

Варикапный диод

Варакторы с резистивной нагрузкой . Регенеративные варакторы. Пенфилд.

Умножители частоты имеют много общего с частотными смесителями , и некоторые из тех же нелинейных устройств используются для обоих: транзисторы, работающие в классе C, и диоды . В передающих схемах многие усилительные устройства ( вакуумные лампы или транзисторы) работают нелинейно и создают гармоники, поэтому каскад усилителя можно сделать умножителем, настроив настроенную схему на выходе на кратность входной частоты. Обычно мощность ( усиление ), создаваемая нелинейным устройством, быстро падает на более высоких гармониках, поэтому большинство умножителей частоты просто удваивают или утраивают частоту, а умножение на более высокие коэффициенты выполняется путем каскадирования каскадов удвоения и утроения.

Предыдущие использования

Умножители частоты используют схемы, настроенные на гармонику входной частоты. Нелинейные элементы, такие как диоды, могут быть добавлены для улучшения производства гармонических частот. Поскольку мощность в гармониках быстро падает, обычно умножитель частоты настраивается только на небольшое кратное (в два, три или пять раз) входной частоты. Обычно усилители вставляются в цепь умножителей частоты, чтобы обеспечить адекватный уровень сигнала на конечной частоте.

Поскольку настроенные схемы имеют ограниченную полосу пропускания, при значительном изменении базовой частоты (более чем на один процент или около того) может потребоваться настройка каскадов умножителя; это может занять значительное время, если каскадов много.

Микроэлектромеханический (МЭМС) удвоитель частоты

Микромеханический консольный резонатор, управляемый электрическим полем, является одной из самых фундаментальных и широко изученных структур в MEMS , которая может обеспечить высокую добротность и узкую полосу пропускания функции фильтрации. Присущая квадратичная нелинейность функции преобразования напряжения в силу емкостного преобразователя консольного резонатора может быть использована для реализации эффекта удвоения частоты. ^[3] Благодаря атрибуту низких потерь (или, что эквивалентно, высокой добротности), предлагаемому MEMS-устройствами, можно ожидать улучшенных характеристик схемы от микромеханического удвоителя частоты, чем от полупроводниковых устройств, используемых для той же задачи. ^[4]

Умножители частоты на основе графена

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

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

Фазовая автоподстройка частоты с делителями частоты

Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) использует опорную частоту для генерации кратной этой частоты. Генератор, управляемый напряжением (ГУН), изначально настраивается примерно на диапазон желаемого кратного частоты. Сигнал от ГУН делится с помощью делителей частоты на коэффициент умножения. Разделенный сигнал и опорная частота подаются в фазовый компаратор. Выходной сигнал фазового компаратора представляет собой 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 регулировка увеличивает частоту, поскольку фаза сигнала ГУН отстает от фазы опорного сигнала, и уменьшает частоту, поскольку отставание уменьшается (или опережение увеличивается). ГУН стабилизируется на желаемом кратном частоте. Этот тип ФАПЧ является типом синтезатора частот .

Синтезатор с дробным числом N

В некоторых системах ФАПЧ опорная частота может также делиться на целое число, кратное множителю, перед подачей на фазовый компаратор. Это позволяет синтезировать частоты, которые в N/M раз больше опорной частоты.

Это можно сделать другим способом, периодически изменяя целочисленное значение делителя частоты с целым числом N , что фактически приводит к множителю как с целым числом, так и с дробным компонентом. Такой множитель называется синтезатором с дробным числом N по его дробному компоненту. ^{[ неудачная проверка ]} Синтезаторы с дробным числом N обеспечивают эффективное средство достижения высокого разрешения по частоте с более низкими значениями N, позволяя создавать архитектуры контуров с фазовым шумом в десятки тысяч раз меньшим, чем альтернативные конструкции с более низкими опорными частотами и более высокими целочисленными значениями N. Они также позволяют сократить время установления из-за более высоких опорных частот, что позволяет расширить полосы пропускания замкнутого и открытого контуров. ^{[ необходима цитата ]}

Дельта-сигма-синтезатор

Дельта-сигма-синтезатор добавляет рандомизацию к программируемому делителю частоты синтезатора с дробным числом N. Это делается для уменьшения боковых полос, создаваемых периодическими изменениями делителя частоты с целым числом N.

Ссылки PLL

Эган, Уильям Ф. 2000. Синтез частот с помощью фазовой синхронизации , 2-е изд., John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4
Синтезатор частот с дробным N-кодом и компенсацией модуляции. Патент США 4,686,488, Аттенборо, К. (1987, 11 августа)
Программируемый синтезатор дробных частот Патент США 5,224,132, Бар-Джиора Голдберг, (1993, 29 июня)

Смотрите также

Ссылки

^ Например, старый Hewlett Packard 83590A.
^ Описание технологии: YIG Tuned Oscillators (PDF) , Fremont, CA: Micro Lambda Wireless, архивировано из оригинала (PDF) 23 февраля 2012 г. , извлечено 18 мая 2012 г.
^ Басу, Джойдип; Бхаттачарья, Тарун К. (2013). «Удвоители частоты на основе кантилевера для микроэлектромеханических систем». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 24 (2): 240–246. arXiv : 1210.3491 . doi : 10.1177/1045389X12461695. S2CID 1266952.
^ Jing Wang; Ren, Z.; Nguyen, CT-C. (2004). "1,156-ГГц самовыравнивающийся вибрирующий микромеханический дисковый резонатор". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 51 (12): 1607–1628. doi :10.1109/TUFFC.2004.1386679. PMID 15690722. S2CID 9498440.
^ Ван, Хан; Незич, Д.; Конг, Цзин; Паласиос, Т. (2009). «Графеновые частотные умножители» (PDF) . IEEE Electron Device Letters . 30 (5): 547–549. Bibcode :2009IEDL...30..547H. doi :10.1109/LED.2009.2016443. hdl : 1721.1/54736 . S2CID 9317247.
^ Ван, Чжэньсин; Чжан, Чжиюн; Сюй, Хуэйлун; Дин, Ли; Ван, Шэн; Пэн, Лянь-Мао (2010). «Высокопроизводительный удвоитель частоты на основе полевого транзистора с верхним затвором из графена». Applied Physics Letters . 96 (17): 173104. Bibcode : 2010ApPhL..96q3104W. doi : 10.1063/1.3413959.
^ Ван, Чжэньсин; Лян, Шибо; Чжан, Чжиюн; Лю, Хунган; Чжун, Хуа; Йе, Линь-Хуэй; Ван, Шэн; Чжоу, Вэйвэй; Лю, Цзе; Чен, Ябин; Чжан, Цзинь; Пэн, Лянь-Мао (2014). «Масштабируемое изготовление амбиполярных транзисторов и радиочастотных схем с использованием массивов ориентированных углеродных нанотрубок». Продвинутые материалы . 26 (4): 645–652. Бибкод : 2014AdM....26..645W. дои : 10.1002/adma.201302793. PMID 24458579. S2CID 20376132.
^ Кабир, Хуссейн Мохаммед Дипу; Салахуддин, SM (2017). «Умножитель частоты с использованием трех амбиполярных графеновых транзисторов». Журнал микроэлектроники . 70 : 12–15. doi :10.1016/j.mejo.2017.10.002. S2CID 31657795.