4.1.6 Преобразователи частоты. Классификация, режимы работы, функциональные схемы. Сравнительный анализ выходного спектра ПЧ.

Данный материал изложен в [1, стр. 34…35; 5, стр.207…226; 7, стр.155…175].

В АСП с ЧРК почти исключительно применяется амплитудная модуляция с использованием для передачи преобразованных сигналов только одной боковой полосы частот без несущей. В этом случае можно говорить о переносе спектра исходного сигнала, выполняемом специальными устройствами- преобразователями частоты (ПЧ).

Преобразователем частоты называется устройство, осуществляющее трансформацию (перенос) спектра частот исходного сигнала из одной области частот в другую без изменения соотношения между составляющими спектра.

ПЧ состоит (рис. 4.37) из преобразовательного элемента (ПЭ), генератора сигнала несущей частоты (гетеродина) и электрического фильтра [5].

 

         

 

Рис. 4.37 Структурная схема преобразователя частоты

Иногда гетеродин рассматривается как отдельное устройство, не входящее в состав ПЧ.

В качестве ПЭ используется двух- или четырехполюсник, параметры которого- входное и выходное сопротивления, коэффициент передачи – меняются при изменении напряжения гетеродина Uн. Нелинейность (параметричность) ПЭ достигается за счет включения в него элементов с нелинейной вольт-амперной (диоды, транзисторы) или вольт-фарадной (варикапы) характеристикой. При подаче на ПЭ напряжения полезного сигнала Uс(t) с частотой Fс и гетеродина (накачки) Uн(t) с частотой fн в выходной цепи ПЭ образуются комбинационные продукты с частотами |к fн ± n Fс|, где к = 1,2,…, n = 1,2,…, из которых фильтр выделяет колебание требуемой частоты. При к = 1 говорят о преобразовании на основной гармонике генератора, при к > 1 – на высших гармониках.

ПЧ широко применяются в составе систем многоканальной, радиорелейной и спутниковой связи, в телевизионных и факсимильных АСП, измерительных устройствах и т.д. В связи ПЧ исторически называют модуляторами, т.к. процесс преобразования частоты можно интерпретировать как фильтрацию ВБП (НБП) амплитудно-модулированного сигнала.

ПЧ классифицируются по ряду признаков.

1.     По виду входного сигнала различают индивидуальные и групповые ПЧ.

2.     По характеру сопротивления ПЭ – резистивные и реактивные (как правило, емкостные) ПЧ.

3.     По типу ПЭ выделяют пассивные (диодные) и активные (транзисторные) ПЧ.

4.     По способу включения ПЭ существуют однотактные, двухтактные (балансные), кольцевые (двойные балансные) ПЧ.

5.     По исполнению ПЭ различают дискретные и интегральные ПЧ.

При оценке качества функционирования ПЧ пользуются общепринятыми характеристиками и параметрами, которые в применении к ПЧ нуждаются в уточнении.

Рабочее затухание ПЧ характеризует потерю мощности (напряжения) преобразуемого сигнала и определяется по формуле:

А_пр.м = 10 lg Р₁/Р₃;   А_пр.н = 20 lg U₁/U₃ = А_пр.м - 10 lg R_вх/R_н,

где Р₃ и U₃ – мощность и действующее напряжение преобразованного сигнала на частоте   f_н +  F_с или  f_н  - F_с (т.е. в сечении 3 -3 рис.4.37); Р₁ и U₁ – то же  для входного сигнала на частоте F_с (сечение 1-1), R_вх – входное сопротивление ПЧ на частоте F_с (сечение 1-1), R_н – сопротивление нагрузки, подключаемой к ПЧ со стороны зажимов 3 – 3. Поскольку из двух боковых полос используется только одна, для любого пассивного ПЧ Р₃ < 0,5 Р₁, то А_пр.м > 3 дБ.

Коэффициент передачи по мощности К_пр.м и напряжению К_пр.н определяются как

К_пр.м = Р₃/Р₁;   К_пр.н = U₃/ U₁.

Частотной характеристикой затухания ПЧ является зависимость его рабочего затухания от частоты преобразуемого сигнала F_с.

Амплитудной характеристикой ПЧ принято называть зависимость его рабочего затухания от уровня сигнала на его входе.

Считается, что ПЧ не вносит нелинейных искажений в преобразуемый сигнал, если на его выходе имеют место только суммарные и разностные комбинационные колебания второго порядка (НБП и ВБП), обусловленные взаимодействием исходного сигнала с колебаниями несущей частоты (гетеродина). Данные комбинационные колебания являются основными (полезными) продуктами преобразования. Остальные колебания считаются побочными (паразитными); наличие паразитных колебаний обуславливает нелинейные искажения ПЧ. Количественно нелинейные искажения ПЧ могут быть оценены с помощью затухания нелинейности по тому или иному комбинационному паразитному колебанию. Обычно для оценки нелинейных искажений ПЧ ограничиваются определением затухания нелинейности по комбинационному колебанию четвертого порядка с частотой f_н ±  3F_с, т.е.

А_н = 10 lg (Р _{fн ± Fс} /Р _{fн ± 3Fс}),

где Р – мощность данного комбинационного колебания, выделяемая в нагрузке ПЧ.

К ПЧ предъявляется ряд специфических требований. Основные из них могут быть сформулированы следующим образом:

- мощность основных продуктов преобразования, выделяемая в нагрузке, должна быть по возможности больше, что достигается при минимальном рабочем затухании ПЧ;

- амплитуды основных продуктов ПЧ не должны существенно меняться при изменении амплитуды сигнала гетеродина (несущей частоты) или под действием внешних факторов;

- на выходе ПЧ количество побочных продуктов преобразования должно быть минимальным, а их амплитуды должны быть значительно меньше амплитуд основных колебаний;

- схема ПЧ должна обеспечивать существенное подавление сигнала несущей частоты и канала прямого прохождения.

Основным условием, определяющим режим работы нелинейных элементов ПЧ, является значительное превышение амплитудой сигнала несущей частоты амплитуд преобразуемого сигнала (малая глубина модуляции). Известно, что чем меньше глубина модуляции, тем меньше мощность побочных продуктов преобразования (меньше нелинейные искажения ПЧ).

Подавление побочных продуктов преобразования и равномерность частотной характеристики определяются параметрами фильтра и схемным построением ПЧ, а рабочее затухание и линейность амплитудной характеристики зависят от схемы ПЧ, вида нелинейного элемента и напряжения гетеродина.

Для обеспечения малых нелинейных искажений целесообразно напряжение сигнала и гетеродина выбирать в пределах

U_с ≤ 0,03,…,0,1 В;    U_н ≥ 1,0,…,3,0 В, т.е.    U_с << U_н.

При таких условиях ПЧ для сигнала U_с является квазилинейным устройством, а для генератора – существенно нелинейным.

Следуя квазилинейной теории преобразования частоты [5], можно условно объединить ПЭ и генератор в одно устройство (см. рис. 4.37), у которого вход – сечение 1 – 1, а выход – сечение 2 – 2. Данное устройство для сигнала может считаться линейным четырехполюсником.

Особенностью такого четырехполюсника является то, что его параметры (например, Yij), а также входное и выходное сопротивления (проводимости) и коэффициент передачи – периодические функции от напряжения гетеродина, а следовательно, функции времени. В частности,

                                ,                                          (4.1)

где U₁,U₂ – напряжения в соответствующих сечениях рис. 4.37.

Обозначая U_с(t) = U_сmcos(ω_сt+φ_с) и U_пр(t) = U_прmcos(ω_прt+φ_пр), где ω = 2πf и    ω_пр =  ω_н  +   ω_с, применим  (4.1) для анализа вариантов построения основных схем ПЧ.

Наиболее простым является однотактный пассивный (диодный) преобразователь частоты (рис. 4.38,а).

 

     

 

Рис. 4.38 Однотактный пассивный ПЧ

Для него

 (4.2)                      

Форма сигнала U₂(t) может быть определена на основании электромеханического аналога (рис.4.38,б), где диод выполняет роль ключа Кл, коммутирующего прохождение сигнала с частотой генератора (рис.4.38, в,г).

Как следует из (4.2), при подаче входного сигнала с амплитудой U_1m и частотой F_с в сечении 2 – 2 ПЧ будут компоненты с частотами  F_с и if_н ± F_с. Если учесть все гармоники частоты гетеродина, то полный спектр сигнала в сечении 2-2 S₂ будет иметь вид, показанный на рис.4.38, д.

Очевидно, что для однотактного пассивного ПЧ характерна большая «засоренность» спектра выходного сигнала побочными продуктами, избавиться от которых с помощью фильтра очень трудно. Особенно это касается подавления мощного компонента несущей частоты и ее гармоник.

Вследствие этого часто используют балансные (двухтактные) схемы ПЧ, в которых удается схемным путем существенно подавить (ослабить) гармоники гетеродина.

В последовательном пассивном (диодном) балансном ПЧ (рис. 4.39) при симметрии полуобмоток трансформаторов Т1,Т2 и диодов VD1,VD2 в выходной обмотке Т2 напряжение генератора наводиться не будет, т.к. магнитные потоки, вызванные противонаправленными токами i₁ , i₂, взаимно компенсируются. Следовательно, на вход фильтра гармоники генератора (частоты кf_н, к = 1,2,…) не поступают, что позволяет существенно упростить требования к фильтру.

 

  

 

Рис.4.39 Последовательный пассивный балансный ПЧ

 

Форма сигнала U₂(t) в такой схеме ПЧ может быть качественно определена с помощью электромеханического аналога, где диодные ключи Кл1 и Кл2 (рис.4.39,б) работают в фазе. При анализе спектра балансный ПЧ может быть представлен как два  однотактных (ОПЧ, см. рис. 4.39,в), где  U₁'(t) = - U₁''(t) (за счет Т1), а выходные сигналы объединяются (вычитаются) за счет Т2. Полагая, что коэффициенты передачи ОПЧ1 и ОПЧ2 равны и синфазно изменяются во времени, получим

                        (4.3)

Сравнивая (4.2) и (4.3), можно утверждать, что спектр на выходе балансного ПЧ совпадает с малосигнальным спектром однотактного ПЧ (рис.4.39,г). Крестиком отмечены подавленные гармоники несущей.

Параллельный балансный пассивный (диодный) ПЧ, варианты построения которого показаны на рис.4.40, позволяет устранить один дифференциальный трансформатор (на рис.4.40,а это Т1), а мостовой диодный балансный ПЧ (рис.4.41) позволяет вообще исключить трансформаторы со средней точкой.

 

             

 

Рис.4.40 Параллельный пассивный балансный ПЧ

 

 

               

 

Рис.4.41 Мостовой пассивный балансный ПЧ

 

В поперечно-мостовой схеме (рис. 4.41,а) сигнал генератора не поступает на выходную обмотку Т2 из-за применения уравновешенного моста, диагонали которого развязаны, т.е. напряжение в диагонали ab от генератора U_н(t) равно нулю. Аналогично, равно нулю в диагонали cd напряжение от источника сигнала U_с. Подобное свойство, справедливое и для предыдущих вариантов балансных ПЧ, позволяет питать несколько преобразователей частоты от одного общего генератора.

Варианты ПЧ, показанные на рис.4.40,в и 4.41,в работают по принципу последовательного ключа (рис.4.38,б). Электромеханическим аналогом схем на   рис. 4.40, а,б и 4.41,а является схема на рис. 4.41,б, где диодный ключ Кл не разрывает, как ранее, цепь прохождения сигнала от сечения 1 – 1 к 2 – 2, а шунтирует ее. Результат от этого не меняется, поэтому и форма сигнала U₂(t), и малосигнальный спектр S₂(f) в данных схемах такие же, как в последовательном балансном ПЧ (рис.4.39,г).

Наиболее совершенной является схема двойного балансного (кольцевого) ПЧ, показанная на рис.4.42,а.

                       

Рис.4.42 Кольцевой  пассивный ПЧ

 

Ее упрощенный электромеханический аналог показан на рис.4.42,б, а работа ключей (диодов) во времени – на рис. 4.42,в,г. Исходя из модели и учитывая, что ключи Кл3 и Кл4 (VD3, VD4) осуществляют коммутацию полярности сигнала U₁(t), можно прийти к форме сигнала U₂(t) в данной схеме (рис.4.42,д).

Малосигнальный спектр S₂(f) кольцевого ПЧ проше всего определить, представив его структурную схему в виде двух балансных ПЧ (БПЧ) – рис.4.43,а. Подаваемые на них напряжения генераторов U_н1 и U_н2 отличаются сдвигом фаз на 180°, что вызывает поочередное открывание пар диодов VD1,VD2 и VD3,VD4. Схема вычитания отражает факт изменения полярности сигнала ключами Кл3 и Кл4 (VD3, VD4).

В результате

      (4.4)

Если допустить, что параметры обоих БПЧ идентичны, т.е. К_1i = К_2i,                  i = 1,2,…, то из (4.4) получим

                                                            (4.5)

 

            

Рис.4.43 Спектр на выходе кольцевого ПЧ

 

Из (4.5) следует, что спектр сигнала в сечении 2 – 2 содержит только комбинации сигнальной частоты F_с с нечетными гармониками несущей, остальные побочные продукты, в том числе канал прямого прохождения, подавляются за счет балансности схемы ПЧ. Следует отметить, что по сравнению с рассмотренными выше ПЧ, на выходе схемы кольцевого преобразователя напряжение основного продукта на частоте f_н ± F_с больше в 2 раза (на 6 дБ).

 

Симметрирование диодных балансных ПЧ

Преимущества балансной и кольцевой схем ПЧ реализуются только при тщательном подборе пар диодов и симметрировании трансформаторов Т1 и Т2.

С этой целью практические схемы балансных и кольцевых ПЧ дополняются элементами балансировки (рис.4.44). Для компенсации ЭДС, наводимой  в выходной обмотке напряжением генератора U_н(t), необходимо, чтобы были равны токи, протекающие в полуобмотках, которые в свою очередь должны иметь одинаковое количество витков. Токи зависят от величины сопротивлений диодов, следовательно, необходима идентичность сопротивлений диодов в прямом (R_пр) и обратном (R_обр) направлении. Из-за неидеальности технологии изготовления всегда имеется производственный разброс параметров диодов. Поэтому при изготовлении аппаратуры прежних поколений производили подбор пар и четверок идентичных диодов.

Рис.4.44 Симметрирование балансных ПЧ

Кроме того, для уменьшения относительного неравенства прямых сопротивлений R_пр диодов последовательно с ними включают добавочное сопротивление R₁ (см. рис.4.44,а), а для выравнивания таким же образом обратных сопротивлений R_обр  диоды шунтируются резисторами R₂ . Величины сопротивлений R₁ и R₂  выбираются из условий

                                           R₁ > R_пр  ;  R₂ < R_обр.

В настоящее время данные методы хотя и применяются, но считаются устаревшими, а в ПЧ чаще используют интегральные микросхемы (ИМС), являющиеся сборками из необходимого числа диодов. Идентичность параметров диодов в сборке обеспечивается за счет единого технологического цикла, а их компактное расположение обеспечивает одинаковое изменение параметров в процессе эксплуатации.

Регулировку токов производят также путем включения различных элементов в выходной (или входной) трансформатор. Так, между полуобмотками включают переменный резистор, обеспечивающий регулировку токов (рис.4.44, б). Если они неодинаковы из-за межвитковых емкостей, то полуобмотки шунтируют емкостями большой величины, чтобы уменьшить относительное неравенство суммарных емкостей. Еще одним способом симметрирования является введение искусственной средней точки трансформатора. В схеме на рис 4.44,в ток от генератора  в обмотку не пойдет при равенстве напряжений U₂' и U₂'' на потенциометре R_п. Однако в данном случае полезный сигнал шунтируется этим потенциометром, что приводит к росту затухания ПЧ. В схеме на рис.4.44,г этот недостаток может быть ослаблен, если используется низкочастотный полезный сигнал (f_с << f_н), для которого емкости представляют очень большие сопротивления. Действенным  методом симметрирования трансформаторов является применение бифилярной намотки, когда двойным проводом наматывают сразу две полуобмотки, а правильное их включение обеспечивается соответствующим соединением концов проводов.

В целом, анализ предельных параметров диодных ПЧ позволяет отметить следующее [5]. Затухание однотактного диодного ПЧ даже в идеальном случае не ниже 10 дБ, т.е. преобразование частоты в таком ПЧ всегда сопряжено с затуханием полезного сигнала. Такое же затухание имеют и все балансные ПЧ. В идеальном диодном кольцевом ПЧ, с учетом сказанного выше, затухание не может быть менее 4 дБ.

В реальных условиях полупроводниковые диоды вызывают дополнительные потери мощности (0,6…1,0 дБ), каждый трансформатор Т1, Т2 вносит затухание порядка 0,5…0,7 дБ, полосовой фильтр в полосе пропускания  имеет затухание передачи 1,5…2,5 дБ. Кроме того, для устранения амплитудно-частотных искажений и лучшего согласования ПЧ с внешними цепями (фильтром и источником сигнала) их подключают через согласующие резистивные ослабители, имеющие затухание 5…7 дБ. В результате общее затухание однотактных и балансных диодных (пассивных) ПЧ составляет 20…30 дБ, а кольцевых  - 15…20 дБ.

 

 Активные преобразователи частоты

Существенные недостатки пассивных ПЧ, рассмотренные выше, обусловили в настоящее время широкое использование активных (транзисторных) преобразователей.

Они позволяют обеспечить усиление преобразуемого сигнала (А_пр < 0); в них проще достигается согласование с внешними цепями и балансировка, т.к. есть возможность варьировать режим работы каждого транзистора. Принцип работы транзисторных ПЧ практически не отличается от работы диодных. Некоторые различия связаны с обеспечением режима работы транзистора по постоянному и переменному току, а также возможностью подачи напряжений сигнала и гетеродина на различные электроды транзистора.

На рис.4.45 приведена схема однотактного активного ПЧ, где сигнал через трансформатор Т1 подается на базу транзистора VT, а несущая (гетеродин) – через Т3 на эмиттер. Напряжение комбинационных продуктов снимается с выходной обмотки Т2 и фильтруется (ЭФ). Спектр сигнала в сечении 2 – 2 такого ПЧ совпадает по составу со спектром однотактного пассивного ПЧ (см. рис.4.38,д). Его расчет может вестись по формуле (4.2), при этом зависимость К(t) из (4.1) за счет выбора рабочей точки и амплитуды напряжения гетеродина (рис.4.46,а) может принимать любую форму из приведенных на рис. 4.46,б.

Если обозначить τ_н – длительность интервала «пропускания» сигнала на выход ПЧ, а (Т_н - τ_н) – «непропускания» (Т_н=1/f_н), то для зависимости 1 на рис.4.46,б        

               

 

Рис.4.45 Однотактный активный (транзисторный) ПЧ

                          

                   

 

Рис.4.46 К анализу спектра однотактного активного ПЧ

 

имеем  τ_н =Т_н/2 , при этом ПЧ работает в ключевом режиме и К(t) приобретает форму прямоугольных импульсов частоты f_н. Для кривых 2…4 на рис.4.46,б функция К(t) имеет форму косинусоидальных импульсов.

Необходимость подавления мощных гармоник генератора на выходе ПЧ вызвала создание балансных (рис.4.47) и двойных балансных (кольцевых) активных ПЧ (рис.4.48).

 

 

 

           

 

Рис.4.47 Активный балансный ПЧ

 

 

         

 

Рис.4.48 Активный кольцевой ПЧ

 

Режим работы данных ПЧ по постоянному току и балансировка обеспечиваются элементами R₁…R₄ и С₁…С₃. Малосигнальный спектр определяется выражениями (4.3)…(4.5), а его состав аналогичен показанным на рис.4.39,г и 4.43,б.

Трансформаторы со средней точкой , используемые в схемах на рис.4.47,4.48 ухудшают массогабаритные характеристики балансных ПЧ, а также снижают их надежность. Поэтому в последних разработках используют балансные ПЧ, где роль трансформатора выполняет дифференциальная пара (рис.4.49,а). Можно показать, что в такой схеме напряжения U_с' и U_с'' на коллекторах транзисторов VТ₁ и VТ₂ равны по величине и противофазны так же, как, например, напряжения U₁' и U₁'' в схеме последовательного балансного ПЧ на рис.4.39,а. Упрощенный вариант двойного балансного ПЧ, собранного на основе трех дифференциальных пар, показан на рис.4.49,б.

                   

 

Рис.4.49 Активный кольцевой ПЧ

 

Здесь дифференциальная пара VТ₅ и VТ₆ выполняет роль дифференциального трансформатора Т1 в схеме на рис. 4.48, дифференциальные пары  VТ₁, VТ₂ и VТ₃,VТ₄, коллекторы которых соединены перекрестно, выполняют функции нелинейных элементов VТ₁… VТ₄ на рис.4.48 и одновременно дифференциальных трансформаторов Т3 и Т2. Наличие элементов, определяющих режим работы транзисторов по постоянному току, существенно усложняет схему на рис.4.49,б. Тем не менее, она вполне доступна для интегрального исполнения. На основе данной схемы разработаны и серийно выпускаются ИМС К526ПС1, К140МА1 и другие, получившие название аналоговых перемножителей.

Необходимо отметить, что в качестве индивидуальных ПЧ в АСП с ЧРК нашли применение диодные мостовые преобразователи как наиболее дешевые и не требующие дифференциальных трансформаторов. При этом требуемое подавление гармоник гетеродина дополнительно обеспечивается высокоизбирательными канальными полосовыми фильтрами. В аппаратуре группового преобразования используются в основном кольцевые диодные и балансные транзисторные преобразователи частоты.