Mnożnik częstotliwości
W elektronice mnożnik częstotliwości jest obwodem elektronicznym , który generuje sygnał wyjściowy, a częstotliwość wyjściowa jest harmoniczną (wielokrotnością) częstotliwości wejściowej. Mnożniki częstotliwości składają się z nieliniowego obwodu, który zniekształca sygnał wejściowy iw konsekwencji generuje harmoniczne sygnału wejściowego. Kolejny filtr pasmowoprzepustowy wybiera żądaną częstotliwość harmonicznych i usuwa z wyjścia niepożądane harmoniczne podstawowe i inne.
Mnożniki częstotliwości są często używane w syntezatorach częstotliwości i obwodach komunikacyjnych . Bardziej ekonomiczne może być opracowanie sygnału o niższej częstotliwości z mniejszą mocą i tańszymi urządzeniami, a następnie użycie łańcucha mnożnika częstotliwości do wygenerowania częstotliwości wyjściowej w zakresie mikrofal lub fal milimetrowych . Niektóre schematy modulacji, takie jak modulacja częstotliwości , przetrwają zniekształcenia nieliniowe bez złego efektu (ale schematy takie jak modulacja amplitudy nie).
Mnożenie częstotliwości jest również stosowane w optyce nieliniowej . Nieliniowe zniekształcenie w kryształach można wykorzystać do generowania harmonicznych światła laserowego.
Teoria
Czysta fala sinusoidalna ma jedną częstotliwość f
Jeśli fala sinusoidalna zostanie przyłożona do obwodu liniowego , takiego jak wzmacniacz bez zniekształceń , wyjście nadal będzie falą sinusoidalną (ale może uzyskać przesunięcie fazowe). Jeśli jednak fala sinusoidalna zostanie przyłożona do obwodu nieliniowego , powstałe zniekształcenie tworzy harmoniczne ; składowe częstotliwości w całkowitych wielokrotnościach nf częstotliwości podstawowej f . Zniekształcony sygnał można opisać szeregiem Fouriera w f .
Niezerowe c k reprezentują wygenerowane harmoniczne. Współczynniki Fouriera są podane przez całkowanie po okresie podstawowym T :
Tak więc mnożnik częstotliwości można zbudować z nieliniowego elementu elektronicznego, który generuje szereg harmonicznych, a następnie filtr pasmowoprzepustowy , który przepuszcza jedną z harmonicznych do wyjścia i blokuje inne.
Z punktu widzenia wydajności konwersji obwód nieliniowy powinien maksymalizować współczynnik dla pożądanej harmonicznej i minimalizować pozostałe. W związku z tym funkcja transkrypcji jest często specjalnie wybierana. Łatwym wyborem jest użycie funkcji parzystej do generowania parzystych harmonicznych lub funkcji nieparzystej do nieparzystych harmonicznych. Zobacz Funkcje parzyste i nieparzyste#Harmoniczne . Na przykład prostownik pełnookresowy jest dobry do wykonania podwajacza. Aby uzyskać mnożnik razy 3, oryginalny sygnał może zostać wprowadzony do wzmacniacza, który jest przesterowany, aby wytworzyć falę prawie prostokątną. Ten sygnał jest wysoki w harmonicznych trzeciego rzędu i może być filtrowany w celu uzyskania pożądanego wyniku x3.
Mnożniki YIG często chcą wybrać dowolną harmoniczną, więc używają stanu zniekształcenia obwodu, który przekształca wejściową falę sinusoidalną w przybliżony ciąg impulsów . Idealny (ale niepraktyczny) ciąg impulsów generuje nieskończoną liczbę (słabych) harmonicznych. W praktyce ciąg impulsów generowany przez obwód monostabilny będzie miał wiele użytecznych harmonicznych. Mnożniki YIG wykorzystujące diody odzyskiwania stopniowego mogą na przykład przyjmować częstotliwość wejściową od 1 do 2 GHz i wytwarzać dane wyjściowe do 18 GHz. Czasami obwód mnożnika częstotliwości dostosuje szerokość impulsów, aby poprawić wydajność konwersji dla określonej harmonicznej.
Obwody
Dioda
Obwody obcinające. Podwajacz pełnofalowego mostka.
Wzmacniacz i mnożnik klasy C
Efektywne generowanie mocy staje się ważniejsze przy wysokich poziomach mocy. Liniowe wzmacniacze klasy A mają co najwyżej 25-procentową sprawność. Wzmacniacze przeciwsobne klasy B mają co najwyżej 50-procentową sprawność. Podstawowy problem polega na tym, że element wzmacniający rozprasza moc. Wzmacniacze przełączające klasy C są nieliniowe, ale mogą mieć sprawność lepszą niż 50 procent, ponieważ idealny przełącznik nie rozprasza żadnej mocy.
Sprytna konstrukcja może wykorzystywać nieliniowy wzmacniacz klasy C zarówno do wzmocnienia, jak i jako mnożnik częstotliwości.
Dioda powrotu do stanu wyjściowego
Generowanie dużej liczby użytecznych harmonicznych wymaga szybkiego urządzenia nieliniowego.
Generatory mikrofalowe mogą wykorzystywać generator impulsów z diodą odzyskiwania stopniowego, po którym następuje przestrajalny filtr YIG . Filtr YIG ma kulę z granatu itru-żelaza , która jest dostrojona za pomocą pola magnetycznego. Generator impulsów diody powrotu do stanu wyjściowego jest sterowany subharmoniczną o żądanej częstotliwości wyjściowej. Następnie elektromagnes dostraja filtr YIG, aby wybrać żądaną harmoniczną.
Dioda waraktora
Waraktory obciążone rezystancyjnie . Waraktory regeneracyjne. Penfielda.
Mnożniki częstotliwości mają wiele wspólnego z mikserami częstotliwości , a niektóre z tych samych nieliniowych urządzeń są używane zarówno w przypadku tranzystorów pracujących w klasie C, jak i diod . W obwodach nadawczych wiele urządzeń wzmacniających ( lampy próżniowe lub tranzystory) działa nieliniowo i tworzy harmoniczne, więc stopień wzmacniacza można uczynić mnożnikiem, dostrajając obwód strojony na wyjściu do wielokrotności częstotliwości wejściowej. Zwykle moc ( wzmocnienie ).
Poprzednie zastosowania
Mnożniki częstotliwości wykorzystują obwody dostrojone do harmonicznej częstotliwości wejściowej. Można dodać elementy nieliniowe, takie jak diody, aby poprawić wytwarzanie częstotliwości harmonicznych. Ponieważ moc w harmonicznych spada szybko, zwykle mnożnik częstotliwości jest dostrajany tylko do niewielkiej wielokrotności (dwa, trzy lub pięć razy) częstotliwości wejściowej. Zwykle wzmacniacze są wstawiane w łańcuch mnożników częstotliwości, aby zapewnić odpowiedni poziom sygnału na częstotliwości końcowej.
Ponieważ obwody strojone mają ograniczoną szerokość pasma, jeśli częstotliwość podstawowa ulegnie znacznej zmianie (mniej więcej o więcej niż jeden procent), może być konieczna regulacja stopni mnożnika; może to zająć dużo czasu, jeśli jest wiele etapów.
Mikroelektromechaniczny (MEMS) podwajacz częstotliwości
Mikromechaniczny rezonator wspornikowy napędzany polem elektrycznym jest jedną z najbardziej podstawowych i szeroko badanych struktur w MEMS , który może zapewnić wysoką Q i wąską funkcję filtrowania pasmowoprzepustowego. Nieodłączna nieliniowość kwadratowa funkcji przenoszenia napięcia do siły przetwornika pojemnościowego rezonatora wspornikowego może być wykorzystana do realizacji efektu podwojenia częstotliwości. Ze względu na niski współczynnik strat (lub równoważnie wysoki Q) oferowany przez urządzenia MEMS, można oczekiwać lepszej wydajności obwodów w przypadku częstotliwości mikromechanicznej dwukrotnie większej niż w przypadku urządzeń półprzewodnikowych wykorzystywanych do tego samego zadania.
Mnożniki częstotliwości oparte na grafenie
grafenu zostały również wykorzystane do podwojenia częstotliwości z ponad 90% wydajnością konwersji.
W rzeczywistości wszystkie tranzystory ambipolarne mogą być używane do projektowania obwodów mnożnika częstotliwości. Grafen może pracować w dużym zakresie częstotliwości ze względu na swoje unikalne właściwości.
Pętle synchronizacji fazowej z dzielnikami częstotliwości
Pętla synchronizacji fazowej (PLL) wykorzystuje częstotliwość odniesienia do generowania wielokrotności tej częstotliwości. Oscylator sterowany napięciem (VCO) jest początkowo dostrajany z grubsza do zakresu pożądanej wielokrotności częstotliwości. Sygnał z VCO jest dzielony za pomocą dzielników częstotliwości przez mnożnik. Podzielony sygnał i częstotliwość odniesienia są podawane do komparatora fazy. Na wyjściu komparatora faz jest napięcie proporcjonalne do różnicy faz. Po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy i przekształceniu do odpowiedniego zakresu napięcia, napięcie to jest podawane do VCO w celu regulacji częstotliwości. Ta regulacja zwiększa częstotliwość, gdy faza sygnału VCO jest opóźniona w stosunku do sygnału odniesienia i zmniejsza częstotliwość, gdy opóźnienie maleje (lub zwiększa się wyprzedzenie). VCO ustabilizuje się na pożądanej wielokrotności częstotliwości. Ten typ PLL jest rodzajem syntezator częstotliwości .
Syntezator ułamkowy-N
W niektórych PLL częstotliwość odniesienia może być również podzielona przez całkowitą wielokrotność przed wprowadzeniem do komparatora fazy. Pozwala to na syntezę częstotliwości, które są N/M razy częstotliwość odniesienia.
Można to osiągnąć w inny sposób, okresowo zmieniając wartość całkowitą dzielnika częstotliwości liczba całkowita-N , co w efekcie daje mnożnik zawierający zarówno liczbę całkowitą, jak i część ułamkową. Taki mnożnik nazywany jest syntezatorem ułamkowego N od nazwy jego składnika ułamkowego. [ nieudana weryfikacja ] Syntezatory typu fractional-N zapewniają skuteczny sposób osiągania precyzyjnej rozdzielczości częstotliwościowej przy niższych wartościach N, umożliwiając tworzenie architektur pętli z dziesiątkami tysięcy razy mniejszymi szumami fazowymi niż konstrukcje alternatywne z niższymi częstotliwościami odniesienia i wyższymi wartościami całkowitymi N. Pozwalają również na szybszy czas ustalania ze względu na wyższe częstotliwości odniesienia, umożliwiając szersze pasma zamkniętej i otwartej pętli. [ potrzebne źródło ]
Syntezator Delta Sigma
Syntezator delta sigma dodaje randomizację do programowalnego dzielnika częstotliwości N syntezatora ułamkowego N. Odbywa się to w celu zmniejszenia wstęg bocznych utworzonych przez okresowe zmiany dzielnika częstotliwości całkowitoliczbowego-N .
Referencje PLL
- Egan, William F. 2000. Synteza częstotliwości przez blokadę fazową , wyd. 2, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4
- Ułamkowy syntezator częstotliwości N z kompensacją modulacji Patent USA 4,686,488, Attenborough, C. (1987, 11 sierpnia)
- Programowalny syntezator częstotliwości ułamkowej N, patent USA 5,224,132, Bar-Giora Goldberg, (1993, 29 czerwca)