Нелинейное усиление и умножение частоты: схемы, режимы


Нелинейная схема усиления (умножения) частоты

Задача усиления колебаний в общем виде формулируется следующим образом. На вход некоторого преобразователя поступает сигнал S1(t). На выходе необходимо получить сигнал S2(t) = kS1(t — τ) при k > 1, который повторяет форму входного сигнала, но усиливается за счет энергии местного источника. Время запаздывания τ при этом не должно искажать форму сигнала.

Нелинейное усиление и умножение частоты: схемы, режимы

Рис. 3.8. Нелинейная схема усиления (умножения) частоты

Рассмотрим в качестве примера схему резонансного усилителя на транзисторе, контур на выходе которого настроен на частоту входного сигнала (рис. 3.8). На вход усилителя подается сигнал (Формула). Для вольт-амперной характеристики используем кусочно-линейную аппроксимацию.

Усиление колебаний в линейном режиме

Обратимся сначала к линейному усилению. Угол отсечки в этом случае θ = 180°. Рис. 3.9 соответствует этому режиму работы усилителя, так как входной сигнал не выходит за пределы линейного участка характеристики (Формула). Поэтому ток на выходе усилителя изменяется по тому же закону, что и входной сигнал. Выходной ток содержит постоянную составляющую (Формула) и переменную составляющую с амплитудой (Формула) и частотой ω.

Нелинейное усиление и умножение частоты: схемы, режимы

Рис. 3.9. Усиление колебаний в линейном режиме

В линейном режиме всегда, а амплитуда напряжения в контуре на выходе усилителя Uk не может быть больше напряжения источника энергии Ek, т. е. Uk ≤ Ек. Если принять, a Uk = Ек, то в самом благоприятном случае коэффициент полезного действия не превысит значения η = 0,5.

 Усиление колебаний в нелинейном режиме

Рассмотрим теперь нелинейный режим работы усилителя, который иллюстрирует рис. 3.10. В данном случае угол отсечки θ < 180°, отношение (Формула). Например, при θ = 60° отношение (из справочных таблиц или графиков). Тогда при Uk = Ек коэффициент полезного действия η ≈ 0,8 … 0,9. Угол отсечки менее 60° нежелателен, поскольку при этом существенно уменьшается γ1, а следовательно, и полезная мощность Р1.


Из сказанного можно сделать следующий вывод: в нелинейных режимах усиления можно получить гораздо большие значения КПД, чем в линейных. Правда, при этом возникают нелинейные искажения сигнала, связанные с появлением дополнительных гармонических составляющих.

Нелинейное усиление и умножение частоты: схемы, режимы

Рис. 3.10. Усиление колебаний в нелинейном режиме

Рассмотрим теперь умножение частоты. Под умножением частоты принято понимать формирование на выходе устройства колебания, частота которого в целое число раз больше частоты входного сигнала. Если на входе действует сигнал (Формула), то на выходе должна быть частота колебания. Принципиальным фактом здесь является наличие нелинейного преобразователя, поскольку умножение частоты связано с появлением новых спектральных составляющих, которых не было на входе. Реализовать умножитель частоты применением только линейных элементов невозможно.

Пусть нелинейный преобразователь аппроксимирован многочленом n-й степени и на его вход подается гармоническое колебание.

После разложения данного соотношения по методу формул кратных дуг нетрудно увидеть, что выходной сигнал содержит вторую, третью и другие гармоники. Поэтому необходимую гармонику можно выделить с помощью фильтра, включаемого на выходе нелинейного преобразователя.

В качестве нелинейного преобразователя при умножении частоты можно использовать рассмотренный ранее нелинейный усилитель, только теперь в качестве нагрузки следует взять колебательный контур, настроенный на частоту n-й гармоники. На вход такого умножителя частоты подается колебание большой амплитуды, что приводит к нелинейным эффектам и позволяет использовать при расчете кусочно-линейную аппроксимацию и метод угла отсечки.

Ранее было показано, что амплитуда n-й гармоники. Если значение задано, то коэффициент будет максимален при оптимальном угле отсечки θ, который выбирается из справочных таблиц или графиков. Причем максимум коэффициента имеет место, если θопт ≈ 120°/n. Так, для удвоения частоты оптимальный угол отсечки должен быть равен 60°, а для утроения — θ ≈ 40°.

Расчеты коэффициентов показывают, что они быстро уменьшаются с ростом номера гармоник, а следовательно, уменьшаются и амплитуды гармоник. Поэтому данную схему применяют только для умножения частоты в небольшое число раз, т.е. в 2 — 3 раза.

Для умножения частоты в большее число раз следует преобразовать гармоническое колебание в периодическую последовательность прямоугольных импульсов. Известно, что в спектральном составе таких импульсов имеются колебания всех частот, кратных частоте их следования. Поэтому требуемая гармоника далее выделяется с помощью узкополосного фильтра.


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: