8.5. Умножение частоты

Наличие в составе импульсного тока ряда гармоник с частотами, кратными основной частоте возбуждения, позволяет использовать усилитель, работающий с отсечкой тока, в качестве умножителя частоты. Для этого не требуются какие-либо изменения в схеме резонансного усилителя, достаточно лишь нагрузочный колебательный контур настроить на частоту выделяемой гармоники и установить наиболее выгодный для подчеркивания полезной гармоники режим работы активного элемента. Из графиков изображенных на рис. 8.12 видно, что для удвоения частоты выгодно работать с углом отсечки, близким к 60°, при котором коэффициент второй гармоники проходит через максимум, для утроения частоты - с углом отсечки 40° и т. д.

Если контур настроен на частоту nω₀, n = 2, 3, ..., то гармоники тока порядка n - 1 и более низкие пройдут преимущественно через индуктивную ветвь, а гармоники n + 1 и более высокие - через емкостную ветвь контура. При достаточно высокой добротности напряжение на контуре от всех гармоник, за исключением n-й, очень мало. Поэтому напряжение на контуре близко к гармоническому с частотой nω₀.

Следует иметь в виду, что для полного использования мощности электронного прибора уменьшение угла отсечки должно осуществляться при поддержании неизменного уровня амплитуды импульса. Для этого одновременно с изменением смещения |U₀| нужно увеличивать амплитуду переменного напряжения на входе Е. На рис. 8.16 углу θ = 90° соответствует смещение U₀₁, углу θ = 60° - смещение U₀₂ и т. д., амплитуды Е₁, Е₂, ... выбраны такими, что I_m остается неизменным. Можно поэтому считать, что для умножителя частоты характерен режим работы с большими амплитудами входного напряжения.

Рис. 8.16. К выбору угла отсечки в умножителе частоты при различных коэффициентах умножения

Это обстоятельство наряду с уменьшением полезной мощности при повышении порядка умножения из-за убывания коэффициентов α_n (см. рис. 8.12) существенно ухудшает энергетические соотношения в умножителях.

Схема замещения умножителя частоты внешне не отличается от схемы замещения нелинейного усилителя (см. рис. 8.15, б). Следует лишь по аналогии с выражением (8.33) под средней крутизной подразумевать

где коэффициент n-й гармоники α_n определяется формулой (8.26).

Соответственно и внутреннее сопротивление электронного прибора, приведенное к используемой гармонике, равно

Умножение частоты широко применяется в радиопередающих устройствах с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора. Частота этого генератора выбирается относительно невысокой, в 4-12 раз меньшей рабочей частоты передатчика, благодаря чему создаются благоприятные условия для использования пьезоэлектрического эффекта кварцевой пластинки. Умножение частоты осуществляется в последующих каскадах передатчика на малой мощности. Чаще всего применяется удвоение, реже утроение частоты в одном каскаде.

Умножение частоты широко применяется также в ряде измерительных устройств, когда требуется получить сетку частот, кратных какой-либо одной определенной частоте, рассматриваемой в качестве опорной. В подобных устройствах используется электронный прибор, работающий с очень малым углом отсечки. Подавая на вход достаточно большое переменное напряжение (при большом смещении), можно получить ток в виде последовательности весьма острых импульсов. Такой ток богат гармониками, образующими очень широкий линейчатый спектр. При воздействии этого спектра на контур напряжение на последнем может сильно отличаться от синусоидального, так как в полосу прозрачности контура попадает ряд гармоник. В подобных случаях напряжение на контуре часто удобно определять, исходя не из спектрального представления импульсного тока, а из рассмотрения свободных колебаний, возбуждаемых каждым из импульсов тока в отдельности (рис. 8.17). В промежутке Т между двумя импульсами тока амплитуда напряжения на контуре убывает по закону

где ω_св - частота свободных колебаний в контуре; Q - добротность.

Рис. 8.17. Напряжение на выходе умножителя частоты при недостаточно высокой добротности резонансной цепи

Если к началу следующего импульса колебание, вызванное предыдущим импульсом, не успевает полностью затухнуть, необходимо учитывать наложение свободных колебаний.

Намеченная выше картина явлений в умножителе частоты является лишь качественной иллюстрацией сильно нелинейного режима работы усилительного прибора и выделения полезной гармоники с помощью избирательной цепи. При расчете и проектировании умножителя частоты приходится учитывать деформацию импульсов тока, обусловленную нелинейным характером внутренних сопротивлений усилительного прибора. Эта деформация проявляется в приборах полупроводникового типа.