Помножувачі цього типу доцільно використовувати на частотах до декількох сотень мегагерц. На більш високих частотах помножувачі на транзисторах можна ефективно застосовувати в сполученні з ВПЧ. Велике поширення на практику одержав, наприклад, варіант, коли генератор і помножувачі на транзисторах використовуються в якості джерела потужного вхідного сигналу частоти 100-150 МГц для наступного варакторного помноження частоти.
Більш ефективним типом напівпровідникового помножувача частоти буде такий пристрій, у якому частина вхідної потужності не перетвориться в потужність постійного струму. Нелінійним елементом в помножувачах частоти може використовуватись або нелінійний опір, що не є уніполярним, або нелінійна реактивність. У якості останньої може успішно застосовуватися ємність замкненого р-n - переходу спеціальних напівпровідникових діодів. Помноження частоти на нелінійному опорі замкненого діоду неефективно, тому, що в області допустимих обернених напруг нелінійність опору переходу виражена слабко.
Можливість виділення гармонійних складових у нелінійно-ємнісних помножувачах (NС-типу) пов'язана з залежністю ємності від прикладеного до р-n - переходу напруги.
Насправді, якщо ємність є функцією напруги, то залежності заряду і струму від напруги
будуть нелінійними, що призведе до перекручування форми вхідного сигналу і появі гармонік основної частоти. Гармонійні складові можуть бути виділені за допомогою частотно-вибіркових ланцюгів (фільтрів). У цьому і полягає принцип помноження частоти на нелінійній ємності .
Оскільки на нелінійній реактивності без втрат і при однозначній залежності заряду від напруги потужність не розсіюється, сума потужностей на всіх частотах повинна бути ріва нулю, тобто
Цей висновок безпосередньо випливає з закону збереження енергії.
Отже, в помножувачі на нелінійній ємності при зроблених допущеннях теоретично може бути отриманий коефіцієнт передачі, рівний одиниці (уся потужність основної частоти перетвориться в потужність гармоніки). При цьому коефіцієнт передачі не буде залежати від номера гармоніки, рівня вхідної потужності і виду вольт-фарадної характеристики нелінійного елементу.
Помножувачі на нелінійному опорі напівпровідникових діодів застосовуються порівняно рідко і, як правило, при малих рівнях вхідної потужності. Крім того, помножувачі цього типу в приладах НВЧ потребують ретельного попереднього налагодження, а самі нелінійні опори не відрізняються високою стабільністю характеристик.
У транзисторно-параметричних помножувачах частоти (ТППЧ) використовується нелінійна ємність колекторного переходу транзисторів. При подачі вхідного сигналу прикладена до переходу колектор – база, напруга модулює ємність колекторного переходу, що викликає параметричну генерацію гармонік. Транзистор тут виконує одночасно дві функції: підсилювача потужності вхідного сигналу і варакторного помножувача на ємності переходу колектор - база. На відміну від помножувачів на транзисторах з відсічкою струму колектора в даному випадку гранична частота гармоніки, що виділяється, може істотно перевищувати граничну частоту транзистора.
Принципи побудови схем ТППЧ і методи їхнього аналізу мають багато загального з варакторними помножувачами частоти. На практиці знайшли застосування помножувачі цього типу на відносно потужних і малопотужних транзисторах. Останні, наприклад, можуть забезпечувати коливальну потужність гармоніки, що виділяється порядку 10 мВт на частотах до 1,5 ГГц, що дозволяє ефективно їх використовувати в якості простих, економічних і надійних гетеродинів приймачів дециметрового діапазону.
Ці методи є ефективними лише при помноженні в 2-4 рази, і для створення високоефективних генераторів у мм-діапазоні при помноженні від високостабільних кварцових генераторів потрібно занадто багато каскадів помноження.
У останні роки широке поширення одержали помножувачі частоти на діодах із накопиченням заряду (ДНЗ). У ДНЗ для генерації гармонік використовується режим із відмиканням переходу. При цьому інжектовані в позитивний півперіод напруги на діоді неосновні носії не встигають рекомбінувати (час їхнього життя tр перевищує півперіод сигналу). У результаті накопичення заряду неосновних носіїв при зміні полярності вхідної напруги протягом деякого часу (часу встановлення) перехід залишається практично провідний і обернений струм досягає значної величини. Потім наступає фаза відновлення оберненого опору tв і струм через діод різко зменшується. Таким чином, у ДНЗ залежність i(t) має яскраво виражену нелінійність і форма кривої струму виявляється насиченою гармонійними складовими основної частоти. Насиченість спектру струму гармоніками в ДНЗ збільшується при зменшенні часу відновлення. Саме такий режим найбільш цікавий з погляду використання у ВПЧ.
ДНЗ у порівнянні зі звичайними варакторами мають дві істотних переваги: 1) можливість роботи при значних рівнях вхідної потужності (від одиниць до декількох десятків ватів) із достатньо високою ефективністю; 2) однокаскадне генерування гармонік високого порядку з меншими втратами перетворення, чим у варакторів, до частот 10 ГГц і вище( fвх =200 МГц, n=10, Рвх=0,5 Вт, Рвих=0,06 Вт, h=0,12).
До помножувачів на ДНЗ безпосередньо відносяться помножувачі частоти на діодах з ефектом змикання переходу (ЕЗП-діоди).
Перспективним вбачається також метод радіоімпульсного помноження на ЛПД, у якому достатньо гострий імпульс струму, обумовлений подачею на ЛПД сигналу відносно низької частоти, стимулює самозбудження на високій частоті або посилення на від’ємному опорі лавино-пролітного діода виділеного високочастотного сигналу.
2. Розробка і розрахунок помножувача частоти на ЛПД
2.1. Принцип роботи ЛПД
Принцип роботи лавино-пролітного діода оснований на виникненні від’ємної провідності в діапазоні надвисоких частот, що обумовлено процесами лавинного помноження носіїв і їхнього прольоту через напівпровідникову структуру. Поява від’ємної провідності пов'язана з тимчасовим запізнюванням цих двох процесів, що призводять до фазового зсуву між струмом і напругою. "Лавинне запізнювання " з'являється за рахунок кінцевого часу наростання лавинного струму, а "пролітне запізнювання" -за рахунок кінцевого часу прольоту носіями області дрейфу. Провідність діода від’ємна на деякій частоті, коли сума цих часів дорівнює півперіоду сигналу низької частоти. Виникаюча за рахунок пролітних ефектів у напівпровідникових діодах від’ємна провідність уперше була отримана в 1954 році Шоклі, який вважав, що двоконтактні прилади через свою структурну простоту мають потенційні переваги в порівнянні з триконтактними - транзисторами.
В даний час лавино-пролітний діод є одним із самих потужних твердотільних джерел НВЧ-випромінювання. ЛПД можуть генерувати в неперервному режимі найбільшу потужність у міліметровому діапазоні хвиль. Проте необхідно відзначити складності, з якими зіштовхуються при роботі ЛПД у зовнішньому ланцюгу: високий рівень шуму; необхідність ретельного розрахунку ланцюгів (щоб уникнути розладу або навіть перегоряння діоду, оскільки велика реактивність і сильно залежить від амплітуди осциляцій). Родинним ЛПД приладом є також пролітний діод із захопленим об'ємним зарядом лавини. Робоча частота цього приладу набагато менше пролітної, але К.К.Д. значно вище, чим у ЛПД. У результаті теоретичних досліджень було встановлено, що при роботі в режимі великого сигналу лавинний процес починається в області високого поля, а потім швидко поширюється на весь зразок, у результаті чого останній заповнюється електронно-дірковою плазмою, що проводить, просторовий заряд якої знижує напругу на діоді до дуже малих величин. Тому, що плазма не може бути просто вилучена з приладу, тому цей режим роботи називається режимом із захопленим об'ємним зарядом лавини. Пролітні діоди застосовуються в імпульсних передавачах і в радарах із фазованими решітками.
Завантажити реферат