Умножитель частоты

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

Умножители частоты часто используются в синтезаторах частоты и схемах связи . Может оказаться более экономичным разработать низкочастотный сигнал с помощью менее мощных и менее дорогих устройств, а затем использовать цепочку умножителей частоты для генерации выходной частоты в микроволновом или миллиметровом диапазоне волн. Некоторые схемы модуляции, такие как частотная модуляция , выдерживают нелинейные искажения без вредных последствий (но такие схемы, как амплитудная модуляция, этого не делают).

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

Теория

Чистая синусоида имеет одну частоту f

x(t)=A\sin(2\pi ft)\,

Если синусоидальная волна подается на линейную цепь , например, на усилитель без искажений , выходной сигнал по-прежнему остается синусоидальным (но может иметь фазовый сдвиг). Однако если синусоидальная волна подается на нелинейную цепь , результирующее искажение создает гармоники ; частотные компоненты, кратные nf основной частоте f . Искаженный сигнал можно описать рядом Фурье по f .

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

Ненулевые значения c _k представляют 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 может быть построен из нелинейного электронного компонента, который генерирует серию гармоник, а затем полосового фильтра , который пропускает одну из гармоник на выход и блокирует остальные.

С точки зрения эффективности преобразования нелинейная схема должна максимизировать коэффициент для желаемой гармоники и минимизировать остальные. Следовательно, функция транскрипции часто выбирается специально. Самый 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 создания удвоителя. Чтобы получить множитель, умноженный на 3, исходный сигнал можно подать на вход усилителя, который перегружен для создания почти прямоугольной волны. Этот сигнал имеет высокий уровень гармоник 3-го порядка и может быть отфильтрован для получения желаемого сигнала. результат х3.

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) серия импульсов генерирует бесконечное количество (слабых) гармоник. На практике последовательность импульсов, генерируемая моностабильной схемой, будет содержать множество полезных гармоник. YIG-умножители, использующие диоды со ступенчатым восстановлением, могут, например, принимать входную частоту от 1 до 2 ГГц и обеспечивать выходную частоту до 18 ГГц. ^[1] Иногда схема умножителя частоты регулирует ширину импульсов для повышения эффективности преобразования конкретной гармоники.

Схемы

Диод

Обрезка цепей. Полноволновой бридж-удвоитель.

Усилитель и умножитель класса C

Эффективное производство электроэнергии становится более важным при высоких уровнях мощности. Линейные усилители класса А 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 нелинейны, но их эффективность может превышать 50 процентов, поскольку идеальный переключатель не рассеивает никакой мощности.

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

Ступенчатый восстанавливающий диод

Генерация большого количества полезных гармоник требует быстрого нелинейного устройства.

Диоды со ступенчатым восстановлением .

В микроволновых генераторах может использоваться диодный импульсный генератор со ступенчатым восстановлением, за которым следует настраиваемый YIG-фильтр . Фильтр YIG имеет сферу из железо-иттриевого граната , настроенную с помощью магнитного поля. Диодный импульсный генератор со ступенчатым восстановлением возбуждается на субгармонике желаемой выходной частоты. Затем электромагнит настраивает YIG-фильтр для выбора желаемой гармоники. ^[2]

Варакторный диод

Резистивные нагруженные варакторы . 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 усилительные устройства ( вакуумные лампы или транзисторы) работают нелинейно и создают гармоники, поэтому каскад усилителя можно сделать умножителем, настроив настроенную схему на выходе на частоту, кратную входной частоте. Обычно мощность ( усиление ), создаваемая нелинейным устройством, быстро падает на высших гармониках, поэтому большинство умножителей частоты просто удваивают или утраивают частоту, а умножение на более высокие коэффициенты достигается путем каскадирования удвоительных и тройных каскадов.

Предыдущее использование

В умножителях частоты используются схемы, настроенные на гармонику входной частоты. Нелинейные элементы, такие как диоды, могут быть добавлены для улучшения воспроизведения гармонических частот. Поскольку мощность гармоник быстро снижается, обычно умножитель частоты настраивается лишь на небольшую величину, кратную (в два, три или пять раз) входной частоте. Обычно усилители включаются в цепочку умножителей частоты, чтобы обеспечить достаточный уровень сигнала на конечной частоте.

Поскольку настроенные схемы имеют ограниченную полосу пропускания, при значительном изменении базовой частоты (более одного процента или около того) может потребоваться регулировка каскадов умножителя; это может занять значительное время, если существует много этапов.

Микроэлектромеханический (МЭМС) удвоитель частоты

управляемый электрическим полем, Микромеханический кантилеверный резонатор, является одной из наиболее фундаментальных и широко изученных структур в МЭМС , которая может обеспечить высокую добротность и функцию узкополосной фильтрации. Присущая квадратичная нелинейность передаточной функции напряжение-сила емкостного преобразователя кантилеверного резонатора может быть использована для реализации эффекта удвоения частоты. ^[3] Благодаря характеристикам малых потерь (или, что эквивалентно, высокой добротности), обеспечиваемым устройствами МЭМС, от микромеханического удвоителя частоты можно ожидать улучшенных характеристик схемы, чем от полупроводниковых устройств, используемых для той же задачи. ^[4]

Умножители частоты на основе графена

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

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

Системы фазовой автоподстройки частоты с делителями частоты

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) использует опорную частоту для генерации кратного этой частоты. Генератор , управляемый напряжением (ГУН), первоначально грубо настраивается 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. Выход фазового компаратора напряжение, пропорциональное разности фаз. После прохождения через фильтр нижних частот и преобразования в соответствующий диапазон напряжения это напряжение подается на ГУН для регулировки частоты. Эта регулировка увеличивает частоту, когда фаза сигнала ГУН отстает от фазы опорного сигнала, и уменьшает частоту, когда задержка уменьшается (или увеличивается опережение). ГУН стабилизируется на желаемом кратном частоте. Этот тип ФАПЧ является разновидностью синтезатора частоты .

Синтезатор дробного числа N

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

Этого можно добиться другим способом, периодически изменяя целочисленное значение делителя частоты с целым числом N , что фактически приводит к получению множителя как с целым числом, так и с дробной составляющей. Такой умножитель называется синтезатором с дробным числом по имени его дробной составляющей. ^{[ не удалось пройти проверку ]} Синтезаторы с дробным коэффициентом деления обеспечивают эффективное средство достижения высокого разрешения по частоте при более низких значениях N, позволяя создавать контурные архитектуры с фазовым шумом в десятки тысяч раз меньшим, чем альтернативные конструкции с более низкими опорными частотами и более высокими целочисленными значениями N. Они также обеспечивают более быстрое время установления благодаря более высоким опорным частотам, что обеспечивает более широкую полосу пропускания с замкнутым и разомкнутым контуром. ^{[ нужна ссылка ]}

Дельта-сигма-синтезатор

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

Ссылки на ФАПЧ

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

См. также

Ссылки

^ Например, старый Hewlett Packard 83590A.
^ Описание технологии: Настроенные генераторы YIG (PDF) , Фремонт, Калифорния: Micro Lambda Wireless, заархивировано из оригинала (PDF) 23 февраля 2012 г. , получено 18 мая 2012 г.
^ Басу, Джойдип; Бхаттачарья, Тарун К. (2013). «Микроэлектромеханическая система консольных удвоителей частоты». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 24 (2): 240–246. arXiv : 1210.3491 . дои : 10.1177/1045389X12461695 . S2CID 1266952 .
^ Цзин Ван; Рен, З.; Нгуен, Коннектикут. (2004). «Самоцентрированный вибрационный микромеханический дисковый резонатор 1,156 ГГц» . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 51 (12): 1607–1628. дои : 10.1109/TUFFC.2004.1386679 . ПМИД 15690722 . S2CID 9498440 .
^ Ван, Хан; Незич, Д.; Конг, Цзин; Паласиос, Т. (2009). «Умножители частоты графена» (PDF) . Письма об электронных устройствах IEEE . 30 (5): 547–549. Бибкод : 2009IEDL...30..547H . дои : 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 графенового полевого транзистора с верхним затвором». Письма по прикладной физике . 96 (17): 173104. Бибкод : 2010ApPhL..96q3104W . дои : 10.1063/1.3413959 .
^ Ван, Чжэньсин; Чжан, Чжиюн; Чжун, Хуа; Ван, Шэн, Вэйвэй; Чэнь, Ябин; 2014). «Масштабируемое изготовление амбиполярных транзисторов и радиочастотных схем с использованием массивов ориентированных углеродных нанотрубок» 26 . Мао ( ( 4): 645–652 2014AdM .... 26..645W . . : Бибкод /adma.201302793 .PMID 24458579 S2CID 20376132 .
^ Кабир, Хусейн Мохаммед Дипу; Салахуддин, С.М. (2017). «Умножитель частоты на трех амбиполярных графеновых транзисторах» . Журнал микроэлектроники . 70 : 12–15. дои : 10.1016/j.mejo.2017.10.002 . S2CID 31657795 .

[1] Например, старый Hewlett Packard 83590A.

[2] Описание технологии: Настроенные генераторы YIG (PDF) , Фремонт, Калифорния: Micro Lambda Wireless, заархивировано из оригинала (PDF) 23 февраля 2012 г. , получено 18 мая 2012 г.

[MEMS_freq_doubler-3] Басу, Джойдип; Бхаттачарья, Тарун К. (2013). «Микроэлектромеханическая система консольных удвоителей частоты». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 24 (2): 240–246. arXiv : 1210.3491 . дои : 10.1177/1045389X12461695 . S2CID 1266952 .

[4] Цзин Ван; Рен, З.; Нгуен, Коннектикут. (2004). «Самоцентрированный вибрационный микромеханический дисковый резонатор 1,156 ГГц» . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 51 (12): 1607–1628. дои : 10.1109/TUFFC.2004.1386679 . ПМИД 15690722 . S2CID 9498440 .

[5] Ван, Хан; Незич, Д.; Конг, Цзин; Паласиос, Т. (2009). «Умножители частоты графена» (PDF) . Письма об электронных устройствах IEEE . 30 (5): 547–549. Бибкод : 2009IEDL...30..547H . дои : 10.1109/LED.2009.2016443 . hdl : 1721.1/54736 . S2CID 9317247 .

[6] Ван, Чжэньсин; Чжан, Чжиюн; Сюй, Хуэйлун; 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. Бибкод : 2010ApPhL..96q3104W . дои : 10.1063/1.3413959 .

[7] Ван, Чжэньсин; Чжан, Чжиюн; Чжун, Хуа; Ван, Шэн, Вэйвэй; Чэнь, Ябин; 2014). «Масштабируемое изготовление амбиполярных транзисторов и радиочастотных схем с использованием массивов ориентированных углеродных нанотрубок» 26 . Мао ( ( 4): 645–652 2014AdM .... 26..645W . . : Бибкод /adma.201302793 .PMID 24458579 S2CID 20376132 .

[8] Кабир, Хусейн Мохаммед Дипу; Салахуддин, С.М. (2017). «Умножитель частоты на трех амбиполярных графеновых транзисторах» . Журнал микроэлектроники . 70 : 12–15. дои : 10.1016/j.mejo.2017.10.002 . S2CID 31657795 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]