Цепи с обратной связью. Нелинейные цепи. Усилительные устройства. Автоколебательные системы (12-15 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 15

               отклик нелинейных реактивных элементов, как и нелинейных резисторов, при воздействии на них напряжения, изменяющего­ся по гармоническому закону, представляет собой множество спек­тральных составляющих с частотами nω, кратными частоте ω вход­ного гармонического колебания;

               в отклике присутствуют спектральные составляющие с нечет­ными и четными частотами относительно частоты входного воз­действия, однако отсутствует постоянная составляющая, которая присутствовала в отклике нелинейного резистора;

               наивысшая частота спектральной составляющей отклика nω определяется максимальной степенью n полинома, аппроксими­рующего нелинейную емкость.

               При воздействии на нелинейную емкость гармонических коле­баний от нескольких источников напряжений спектральный со­став ее отклика ничем не отличается от спектрального состава нели­нейного резистора, однако в отличие от линейных емкостей и индуктивностей в цепи могут происходить энергетические процессы, связанные с перераспределением энергии между источниками.

                Таким образом, нелинейные реактивные элементы позволяют пре­образовывать спектр сигнала, что широко используется в парамет­рических устройствах для усиления слабых сигналов и других пре­образований спектров сигналов.

13.5. Преобразование частоты радиосигналов

              Под преобразованием частоты радиосигналов в радиотехничес­ких устройствах понимают перенос спектра сигнала по шкале ча­стот выше или ниже какой-то частоты. Это выполняется в целях размещения спектра сигнала в требуемой полосе частот для обес­печения качественной работы радиотехнических устройств. Под переносом спектра в данном случае понимается, с одной сторо­ны, дискретное изменение частоты сигнала в сторону ее увеличе­ния, а с другой стороны, размещение спектра сигнала в области определенной частоты независимо от того, что шкала частот сиг­нала выше или ниже этой определенной частоты.

               Первое перемещение спектра сигнала называется умножением частоты, а второе — преобразованием частоты. Рассмотрим это более подробно.

               На рис. 13.11 приведены схемы умножителей частоты. Умножи­тель частоты представляет собой усилитель радиочастоты, нагруз­кой которого служит резонансная цепь, например, параллельный (см. рис. 13.11, а) или последовательный (см. рис. 13.11, б) коле­бательные контуры. В умножителе частоты в качестве усилитель­ного элемента используются биполярные или полевые транзисто­ры, электровакуумные приборы и т.д. Все эти приборы представ­ляют собой нелинейный резистор, в отклике которого имеются множество спектральных составляющих с частотами, кратными частоте сигнала входного воздействия.

Рис.13.11. Схемы умножителей частоты с параллельным (а) и

последо­вательным (б) колебательными контурами

Таким образом, приложив между базой и эмиттером транзистора входное воздействие, представляющее собой, например, напряжение ивх =Umcos(ωt), изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω, получим ток коллек­тора как сумму гармонических составляющих с частотами nω, где n= 1,2, ... . Колебательный кон­тур, включенный в коллекторную цепь транзистора, настраивается  на требуемую частоту, соответствующую шкале частот nω, кратных частоте входного воздействия. На  этой частоте параллельный коле-бательный контур имеет наиболь­шее сопротивление R0 и, соответ­ственно, выделяет требуемую спект­ральную составляющую сигнала.

Рис.13.12. Выбор угла отсечки в умножителе частоты

              На рис. 13.12 показан выбор угла отсечки в умножителе частоты. Пусть проходная характеристика ik= f(uбэ)| uкэ =const биполярно­го транзистора (см. рис. 13.12) аппроксимируется полиномом чет­вертой степени:

                                                 ik=a0+a1u6э+ a2u6э2+ a3u6э3+ a4u6э4.                             (13.5)

              Подставляя входное воздействие в полином (13.5), получим выражение для тока коллектора транзистора:

              Таким образом, ток коллектора транзистора представляет со­бой сумму постоянной составляющей и четырех гармоник с час­тотами ω, 2ω, 3ω и 4ω, амплитуды которых соответственно равны

a1+ 0,75a3U3m,  0,5 a2U2m+0,5 a4U4m, 0,25 a3U3m и 0,125 a4U4m.

              Настроив резонансную частоту колебательного контура L1C2 (см. рис. 13.1 1, а), например, на частоту четвертой гармоники 4 ω тока коллектора транзистора, получим напряжение, падающее на контуре: uк =ik4R0 = 0,125 a4U4m Rо cos(4 ωt).

              Спектральные составляющие с частотами меньше 4 ω будут за­мыкаться через индуктивность на шину питания, а спектральные составляющие с частотами больше 4 ω замкнутся через емкость, ослабляясь на шину питания. За счет избирательных свойств коле­бательного контура в устройстве будет выделяться только спект­ральная составляющая с частотой 4 ω. При высокой добротности контура его напряжения, вызываемые действием всех остальных спектральных составляющих, кроме четвертой, будут малы, по­этому напряжение на выходе устройства будет изменяться по гар­моническому закону с частотой

4 ω0, где ω0 = ω — резонансная частота контура.

              Для более качественного умножения частоты необходимо соот­ветствующим образом выбрать рабочую точку транзистора. Так, при выделении первой гармоники угол отсечки должен быть равен 90°, второй — 60°, третьей 40° и т.д. При этих углах отсечки, которые определяются смещением транзистора на постоянном токе, амп­литуды соответствующих гармоник имеют максимальное значение. При уменьшении угла отсечки амплитуда сигнала входного воз­действия должна вырастать, т.е. Um2> Um1(см. рис. 13.12).

             В полиноме, аппроксимирующем проходную характеристику транзистора, значения коэффициентов ап уменьшаются с ростом n, поэтому амплитуды и мощности спектральных составляющих также уменьшаются. В связи с этим в реальных устройствах в одном каска­де умножение частоты осуществляется в 2...3 раза, но не более.