делитель частоты

Формула изобретения

Делитель частоты, содержащий трансформатор с первичной и вторичной обмотками и конденсатор, который совместно со вторичной обмоткой этого трансформатора образует колебательный контур, отличающийся тем, что введены последовательная цепь, состоящая из катушки индуктивности, полупроводникового диода и транзистора, при этом первый вывод катушки индуктивности подсоединен к колебательному контуру, ее второй вывод соединен с анодом полупроводникового диода, при этом его катод подключен к коллектору транзистора, а эмиттер соединен с общей точкой устройства, интегрирующая цепь, вход которой подключен к колебательному контуру, а ее выход соединен с базой транзистора, а также цепь смещения, состоящая из последовательно включенных источника напряжения смещения и резистора, подсоединенная к базе транзистора, при этом выходное напряжение интегрирующей цепи и напряжение источника смещения создают коммутирующее напряжение на базе транзистора, причем точка подключения входа интегрирующей цепи к колебательному контуру является выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве источника синхронизированных колебаний в радиоприемных, радиопередающих и электротехнических устройствах.

Известен делитель частоты, состоящий из трансформатора, содержащего первичную и вторичную обмотки, а также конденсатора [1]. Недостатками этого устройства являются низкая область рабочих частот и низкая технологичность. Это обусловлено тем, что трансформатор, на котором выполнено устройство, реализован на сердечнике из ферромагнитного материала с нелинейной зависимостью проницаемости от приложенного напряжения, частотные свойства которого с увеличением частоты резко ухудшаются, поскольку увеличиваются потери в нем, уменьшаются также магнитная проницаемость и нелинейность его характеристик. Поэтому устройство является низкочастотным. Кроме этого для конструктивного выполнения этого устройства используются сердечники из ферромагнитного материала специальной конструкции [1, с.5-8], что обуславливает и низкую его технологичность в процессе производства, а для возбуждения субгармоники, кроме этого, требуется либо электромагнит, либо постоянный магнит, создающие постоянное магнитное поле, что также ухудшает конструктивные и технологические характеристики устройства.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот в сторону высоких частот и повышение технологичности.

Это достигается тем, что в делитель частоты, содержащий трансформатор с первичной и вторичной обмотками и конденсатор, который совместно со вторичной обмоткой этого трансформатора образуют колебательный контур, введены последовательная цепь, состоящая из катушки индуктивности, полупроводникового диода и транзистора, при этом первый вывод катушки индуктивности подсоединен к колебательному контуру, ее второй вывод соединен с анодом полупроводникового диода, при этом его катод подключен к коллектору транзистора, а эмиттер соединен с общей точкой устройства, интегрирующая цепь, вход которой подключен к колебательному контуру, а выход соединен с базой транзистора, а также цепь смещения, состоящая из последовательно включенных источника напряжения смещения и резистора, подсоединенная к базе транзистора, причем точка подключения интегрирующей цепи к колебательному контуру является выходом устройства.

На фиг.1 приведена схема делителя частоты. Устройство содержит трансформатор 1 и конденсатор 2, который совместно со вторичной обмоткой 3 трансформатора 1 образуют колебательный контур, последовательную цепь, состоящую из катушки индуктивности 4, полупроводникового диода 5 и транзистора 6, при этом первый вывод катушки индуктивности 4 подсоединен к колебательному контуру, а ее второй вывод соединен с анодом полупроводникового диода 5, при этом катод полупроводникового диода 5 подключен к коллектору транзистора 6, а эмиттер соединен с общей точкой устройства, интегрирующую цепь 7, вход которой подключен к колебательному контуру, а выход соединен с базой транзистора 6, а также цепь смещения, состоящая из последовательно включенных источника напряжения смещения 8 и резистора 9, подсоединенная к базе транзистора 6, при этом выходное напряжение интегрирующей цепи 7 и источника напряжения смещения 8 создают коммутирующее напряжение на базе транзистора, причем точка подключения интегрирующей цепи 7 к колебательному контуру является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. При поступлении на его вход ВЧ-напряжения синусоидальной формы с частотой N , где N=2, 3... - коэффициент деления (номер субгармоники), происходит трансформация этого напряжения ВЧ-трансформатором 1 на вторичную обмотку 3. В результате на ее зажимах образуется синусоидальное напряжение u_L (фиг.2а) (Далее для удобства пояснения все временные диаграммы на фиг.2 приведены для N=2). Напряжение u_L приложено также и к конденсатору 2, подключенному параллельно вторичной обмотке 3, а также к последовательной цепи, состоящей из катушки индуктивности 4, полупроводникового диода 5 и транзистора 6, подключенной параллельно вторичной обмотке 3. Далее напряжение u_L через интегрирующую цепь 7, подключенную ко вторичной обмотке 3, преобразуется в выходное напряжение интегрирующей цепи (фиг.2а) и подается на базу транзистора 6. Одновременно на базу транзистора 6 через резистор 9 от источника напряжения смещения 8 подается напряжение смещения Е, которое, совместно с напряжением образует коммутирующее напряжение (фиг.2б) на базе этого транзистора.

На интервале времени 0...t₁ ¹ (E' - напряжение отсечки транзистора). Поэтому транзистор 6 заперт, и через катушку индуктивности 4 ток не протекает. Следовательно катушка индуктивности 4 к колебательному контуру не подключена. Следовательно, и эквивалентная индуктивность L _Э(t) (фиг.2в) колебательного контура равна индуктивности L₂ вторичной обмотки 3 трансформатора 1. На интервале времени t₁ ¹...t₂ ¹ Поэтому транзистор 6 открыт и через катушку индуктивности 4, полупроводниковый диод 5, коллектор-эмиттер транзистора 6 протекает коммутационный ток i_ком (фиг.2в), амплитуда и форма которого определяются соотношением

где L_ком - индуктивность катушки 4.

Таким образом, на интервале времени t ₁ ¹...t₂ ¹ напряжением происходит подключение катушки индуктивности 4 параллельно вторичной обмотке 3 трансформатора 1. В результате этого эквивалентная индуктивность L_Э(t) колебательного контура уменьшается и становится равной L_2K=L ₂·L_ком/(L₂ +L_ком)<L₂ (фиг.2в). Такое периодическое отключение и подключение катушки индуктивности 4 к колебательному контуру происходит и на других интервалах времени t₁ ²...t ₂ ² и т.д. (фиг.2в).

При настройке колебательного контура на выходную частоту , т.е. на частоту в два раза меньше частоты входного ВЧ-сигнала, за счет начального заряда на конденсаторе 2 или флуктуационных явлений через него начинает протекать ток i_С частоты (фиг.2г), который на интервале времени 0...t ₁ ¹ (фиг.2г) быстро нарастает. Увеличению тока i_С способствует и то, что за счет уменьшения индуктивности L_Э(t) колебательного контура на величину L_Э в моменты t₁ ¹, t₁ ² и т.д., когда ток i_С проходит через максимумы, в контур вносится электрическая энергия, равная изменению энергии магнитного поля катушки индуктивности W= L_Э·( I_c)², где L_Э - изменение индуктивности колебательного контура; I_c - изменение амплитуды тока. Поскольку по законам коммутации ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно, а на конденсаторе мгновенно не может измениться напряжение, то в моменты коммутации t₁ ¹, t₁ ² и т.д. происходит мгновенное изменение амплитуды тока i _С (фиг.2г). С другой стороны переход индуктивности L _Э(t) колебательного контура в исходное состояние происходит в моменты времени t₂ ¹ , t₂ ² и т.д., при которых мгновенные значения тока i_С=0, т.е. без внесения потерь в контур.

Следовательно, за счет периодического автоматического изменения эквивалентной индуктивности L_Э(t) колебательного контура в течение каждого периода ВЧ-колебаний частоты N в него вносится энергия, которая компенсирует потери в контуре, что и обеспечивает установление колебаний с коэффициентом деления N=2. Это колебание передается и на выход устройства.

Аналогичные рассуждения могут подтвердить и возможность реализации в этом устройстве режима деления частоты с N=3, N=4 и т.д. Для этого необходимо, при неизменной частоте входного сигнала, изменить резонансную частоту _р колебательного контура таким образом, чтобы эта частота приблизительно равнялась выходной частоте .

Для устойчивого возбуждения колебания требуемой субгармоники необходимо реализовать оптимальный режим работы устройства. Для этого необходимо использовать линейный режим работы трансформатора 1 и катушки индуктивности 4, что обеспечивает малые потери в них. Необходимо также, чтобы энергия, вносимая в контур, при изменении его индуктивности превышала потери в нем. Поэтому в колебательном контуре необходимо минимизировать конструктивные потери во вторичной обмотке 3 и катушке индуктивности 4. Для уменьшения этих потерь необходимо катушки индуктивности выбрать так, чтобы волновое сопротивление колебательного контура = L_Э было оптимальным, что соответствует его значению от нескольких десятков Ом до 1...2 кОм. В этом случае катушки индуктивности реализуются с максимальной конструктивной добротностью, составляющей от десятков до сотен единиц, что значительно больше значений, требуемых для возбуждения субгармоники.

Необходимо также обеспечить оптимальный режим коммутации при таких условиях: уменьшение индуктивности обеспечить при максимальном значении тока i_C, а переход в исходное состояние при i_C=0. В этом случае коммутационные потери минимальны. Это обеспечивается при выполнении условия Е=Е', т.е. напряжение смещения на базе транзистора 6 равняется напряжению отсечки транзистора. Для транзистора типа n-р-n (фиг.1) напряжение отсечки Е'=0.5...0.7 В (кремниевый транзистор) или 0.2...0.3 В (германиевый транзистор). Заданное напряжение смещения устанавливается источником напряжения смещения 8. На режим коммутации влияют также характеристики интегрирующей цепи 7, величина создаваемого фазового сдвига и значение амплитуды сигнала на ее выходе. Идеальный интегратор создает фазовый сдвиг _и=90°. Однако в реальной схеме это требование с высокой точностью реализовать нет необходимости, поскольку в моменты коммутации i_С меняется медленно. Поэтому в качестве интегрирующей цепи 7 можно использовать как простейшие RC и LR цепи, так и активные звенья. При этом должны выполняться условия Т_u>Т, где Т_u - постоянная времени интегрирующей цепи, Т - период входного ВЧ-сигнала.

Для устойчивости режима коммутации и уменьшения вносимых потерь в колебательный контур необходимо также, чтобы амплитуда сигнала на выходе интегрирующей цепи составляла 1...2 В. При таком напряжении транзистор 6 полностью открывается, его сопротивление становится минимальным и равным сопротивлению насыщения, а при малом сопротивлении насыщения в контур вносятся и небольшие потери. Малые потери вносят и интеграторы, выполненные на простейших RC и LR цепях, но для этого требуется достаточно большое напряжение на контуре, превышающем значение на порядок и более. При использования активных интеграторов требуемый уровень напряжения достигается при значительно меньших значениях напряжения на контуре и почти без его шунтирования.

Большое значение на работу делителя частоты оказывают параметры транзистора 6. Для обеспечения работоспособности устройства необходимо, чтобы в рабочем состоянии мгновенные значения токов и напряжений на электродах транзистора не превышали допустимые величины. Кроме этого транзистор 6 во многом определяет частотные характеристики устройства, поскольку другие элементы схемы по этому показателю не критичны. Для обеспечения работоспособности в области высоких частот необходимо выбрать транзистор 6 с высокой граничной частотой. Поскольку переключение транзистора происходит в режиме, когда через него ток не проходит i_ком=0 (фиг.2в), то коммутационные потери в транзисторе 6, обусловленные его паразитными емкостями и индуктивностями, практически не возникают даже на высоких частотах, составляющих несколько десятых долей граничной частоты транзистора. Что касается сопротивления насыщения транзистора, то оно практически не меняется вплоть до указанных значений частот и при правильном выборе транзистора (малое значение сопротивления насыщения) практически не влияет на работу устройства. Поэтому верхняя рабочая частота устройства составляет около 0,3f _Т, где f_Т - граничная частота транзистора, которая для современных транзисторов составляет от сотен МГц до единиц ГГц. В результате выполнения этих условий, которые реализуются на практике, потери минимальны и соизмеримы с конструктивными потерями в трансформаторе 1 и катушке индуктивности 4. Поэтому область рабочих частот заявляемого устройства, значительно превышает область рабочих частот известных устройств, выполненных на нелинейных катушках индуктивности.

Что касается технологических характеристик устройства, то они в основном определяются технологичностью катушек индуктивности. Поскольку в заявляемом устройстве используются катушки индуктивности, работающие в линейном режиме, то для их выполнения на относительно низких частотах не требуются сердечники специальной конструкции и ферромагнитные материалы с особыми свойствами, а на высоких частотах эти катушки вообще реализуются без магнитных сердечников. Отмеченное подтверждает высокие показатели технологичности заявляемого устройства.

Таким образом, заявляемое устройство имеет значительно более высокие области рабочих частот и более высокие технологические характеристики по сравнению с известными и отвечает требованию промышленной применимости.

Источники информации

1. Задерей Г.П. Многофункциональные магнитные элементы (многофункциональные электронно-магнитные трансформаторы). М.: Сов. радио, 1980. с.115-116, рис.108.