8.6. 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 , то гармоники тока порядков и более низких пройдут преимущественно через индуктивную ветвь, а гармоники порядков и более высоких — через емкостную ветвь контура. При достаточно высокой добротности напряжение на контуре от всех гармоник, за исключением очень мало. Поэтому напряжение на контуре близко к гармоническому с частотой .

Следует иметь в виду, что для полного использования мощности электронного прибора уменьшение угла отсечки должно осуществляться при поддержании амплитуды импульса неизменной. Для этого одновременно с изменением смещения нужно увеличивать амплитуду переменного напряжения на входе Е. На рис. 8.16 углу соответствует смещение углу — смещение амплитуды выбраны такими, что остается неизменной. Можно поэтому считать, что для умножителя частоты характерен режим работы с большими амплитудами входного напряжения.

Это обстоятельство наряду с уменьшением полезной мощности при повышении порядка умножения из-за убывания коэффициентов (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 гармоники определяется формулой (8.26).

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

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

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

Умножений 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 каекаде.

Умножение частоты широко используется 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 — частота свободных колебаний в контуре; Q — добротность.

Если к началу следующего импульса колебание, вызванное предыдущим импульсом, не успевает полностью затухнуть, необходимо учитывать наложение свободных колебаний. При расчете и проектировании умножителя частоты приходится учитывать деформацию импульсов тока, обусловленную нелинейностью внутренних сопротивлений усилительного прибора. Эта деформация проявляется в приборах полупроводникового типа.

Умножение частоты возможно также и с помощью реактивных нелинейных элементов, например варакторов. Этот вопрос рассматривается в § 8.15.