Умножители частоты. Теория.

К сожалению, часто нет возможности построить стабильный генератор на высокочастотные диапазоны. А вот стабильный генератор на частоту до 5 МГц построить не так трудно. А дальше его частоту можно удвоить, утроить и т.д. Так поступали еще в эпоху ламповой техники.

Примером может быть конструкция гетеродина лампового трансивера ДЛ-69, разработанного нашими знаменитыми радиолюбителями Яковом Семеновичем Лаповком (UA1FA) и Георгием Николаевичем Джунковским (UA1AB), описание которого было опубликовано в статье "Радиостанция первой категории" («Радио» № 5 - 1967). Вот часть схемы этой радиостанции - генератор плавного диапазона.

Рис. 1.

Генератор собран на пентоде 6Ж1П по схеме емкостной трехточки. Катушка и переключаемые диапазонные конденсаторы выделены красным пунктиром. Синим пунктиром выделен узел расстройки, зеленым - диапазонные контуры, включенные в анодную цепь лампы.

Рис. 3.

Как видим, на диапазонах 28, 21 и 7 МГц контуры в анодной цепи настроены на частоту второй гармоники, т.е. происходит удвоение частоты относительно сеточного контура. В результате частота сеточного контура меняется в два раза, а частота на выходе гетеродина - почти в три. Это способствует повышению стабильности частоты гетеродина.

За счет чего же происходит процесс удвоения частоты? За счет несинусоидальности колебаний. Ведь идеальный чистый синус содержит только основную гармонику сигнала, а вот при малейшем его искажении его уже можно представить как сумму гармоник. Об этом я писал в статье "Синус или меандр", а также статье "Рэд, ты не прав!".

Я решил посмотреть, а что подскажет модель в LTspice. Все получилось, как в жизни.

Рис. 3

Генератор вырабатывает синусоидальные колебания частотой 12 МГц и амплитудой 1,2 В. Контур в коллекторной цепи Q1 настроен на третью гармонику входной частоты - 36 МГц. Второй транзистор Q2 работает без смещения (потенциал базы равен 0) и контур в его коллекторной цепи настроен на частоту 72 МГц (т.е. каскад работает как удвоитель).

Посмотрим, за счет чего из сигнала выделяются высшие гармоники, амплитуда которых меньше, чем основной гармоники. Во первых - это контур в коллекторной цепи. Его сопротивление для переменного тока максимально на его резонансной частоте, а, значит, на этой частоте усиление каскада тоже максимально (на резонансной частоте сопротивление контура порядка килоОма, а на частотах, далеких от резонансной - порядка нескольких Ом).

Кроме того, конденсатор С6 в цепи ООС по переменному току имеет малую емкость. На частоте 12 МГц составит 132,6 Ом, на частоте 24 МГц - 66 Ом, а на частоте 36 МГц - около 42 Ом. А с уменьшением емкостного сопротивления С2, уменьшается глубина ООС и увеличивается усиление каскада.

А это усиление в первом приближении можно представить как отношение сопротивления коллекторного контура к суммарному сопротивлению переменному току в цепи эмиттера. На частотах вдали от резонанса сопротивление определяется в бОльшей степени индуктивным сопротивлением катушки. Давайте грубо оценим усиление каскада на частоте 12 МГц. Индуктивное сопротивление катушки L1 - около 60 Ом, общее сопротивление параллельно соединенных R2 и С6 - около 57 Ом. В итоге получаем усиление порядка 1.

А для частоты 36 МГц сопротивление контура будет порядка нескольких килоом, и тогда усиление будет порядка 100.

Часто умножение применяют и в кварцевых резонаторах. Если взять резонатор с частотой, написанной на корпусе, более 25 МГц, то этот кварц с высокой степенью вероятности будет гармониковый, т.е. его собственная частота ниже, чем обозначенная на корпусе. Но такие кварцы изготовлены так, что могут легко возбуждаться на нечетных кратных частотах (3-я, 5-я, 7-я гармоники).

Посмотрим характеристики кварцевых резонаторов, на корпусе которых написано 10,000000 и 36.000.

Рис. 4.

Этот кварц может работать на частотах 10 и 30 МГц (его активность на обоих частотах примерно одинакова), но обозначена частота основной гармоники.

Рис. 5.

А вот у кварца, на котором написано 36,000 активность на основной гармонике 12 Мгц существенно больше. чем на третьей, на которой он и должен работать.

Вот характеристика еще одного гармоникового кварца, на корпусе которого было написано 40,000.

Рис. 5.

А вот маленький кварц на частоту 22.000 не имел побочных резонансов.

Рис. 6.

Очень приятным открытием было то, что кварц на 28 МГц оказался не гармониковым.

Рис. 7.

Т.е., возбудив его на третьей гармонике сразу попадаем в ФМ диапазон.

В следующей статье - практика.

Всем здоровья и успехов!