Теоретические сведения

4.1.1. Идеальный ключевой преобразователь частоты

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 4.1. Источник гармонического напряжения V1 через трансформатор Т1 питает цепь из последовательно соединенных ключа J1 и сопротивления R1. При замкнутом ключе сигнал без какого-либо ослабления поступает на сопротивление. Коэффициент передачи цепи при этом равен единице. Если ключ разомкнут, то сигнал на сопротивлении отсутствует и коэффициент передачи цепи равен нулю. Пусть ключ замыкается на время с периодом . Тогда его коэффициент передачи будет иметь вид последовательности однополярных прямоугольных импульсов длительностью с периодом . Эту последовательность можно представить в виде разложения в ряд Фурье: . Пусть источник V1 генерирует гармонический сигнал вида , тогда напряжение на сопротивлении : .

В этом выражении первое слагаемое представляет составляющую входного сигнала, поступившую на нагрузку (сопротивление R1) при замыкании ключа, сигналы внутри фигурных скобок называются «комбинационными» составляющими n-порядка. Амплитуда этих составляющих зависит от отношения и значения . При преобразовании частоты обычно используются комбинационные составляющие первого порядка ( .

Для них максимальное значение получается при , при котором значение функции . Тогда их абсолютная амплитуда равна , а относительная (относительно амплитуды ) равна или ‒ 9.943 дБ. Эта величина называется потерями преобразования. Относительно большие потери объясняются тем, что часть мощности входного сигнала выделяется в нагрузке при замкнутом ключе. Величина потерь определяется постоянной составляющей разложения функции в ряд Фурье. Очевидно, что устранить это прохождение можно с помощью функции , не имеющей постоянной составляющей. Такая функция есть двуполярный меандр с максимумом, равным 1, и минимумом ‒1. Так как есть коэффициент передачи ключевой цепи, то приходим к выводу, что в течение половины периода Т коэффициент передачи должен быть положительным, в течение другой половины – отрицательным (что означает поворот фазы входного сигнала на 180°). При этом амплитуды всех нечетных комбинационных частот удваиваются (четные обращаются в ноль) и потери преобразования для комбинационных частот первого порядка будут равны или –3.9224 дБ. В таком преобразователе входной сигнал поступает в нагрузку все время, и вся его мощность преобразуется в мощность комбинационных составляющих. Другим достоинством ключевых схем является отсутствие в спектре выходного сигнала составляющих с частотой (опорной или гетеродинной частотой). Реализовать такую схему можно с помощью трансформатора с дифференциальной вторичной обмоткой ( в качестве фазовращающей це пи) и двух ключей, работающих по очереди, как показано на рис. 4.2. Такие преобразователи, в выходном спектре которых отсутствуют компоненты входного и опорного сигналов, называют двухбалансными.

4.1.2. Диодные преобразователи частоты

В качестве ключей могут использоваться полевые и биполярные транзисторы, но чаще всего используются диоды. В простейшем небалансном ПЧ используется всего один диод. Упрощенная схема такого устройства изображена на рис. 4.3. Здесь V1 – источник преобразуемого сигнала, V2 – источник опорного (гетеродинного) сигнала, Т1 и Т2 – разделительные трансформаторы, D1 – диод, R1 – сопротивление нагрузки. Диодный ключ открывается напряжением источника V2 (предполагается, что оно имеет вид двуполярного меандра), и преобразуемый сигнал проходит в нагрузку в течение половины периода меандра. Очевидно, что параметры этого преобразователя такие же, как у одноключевого. Однако у данного устройства есть один существенный недостаток: так как через диод и обмотки трансформатора течет ток, вызванный опорным сигналом, этот сигнал присутствует на нагрузке R1. Данный недостаток отсутствует в двухдиодном «однобалансном» преобразователе, (рис. 4.4). В этой схеме оба диода подключены к противоположным выводам дифференциальных обмоток трансформаторов Т1 и Т2. Они одновременно открываются положительным напряжением опорного генератора V2. Токи, вызванные этим напряжением, текут в половинках дифференциальной обмотки Т1 в противоположные стороны, уравновешивая друг друга.

Если параметры диодов одинаковы и обмотка симметрична, то на нагрузке напряжение опорного сигнала будет отсутствовать. Токи преобразуемого сигнала в половинках обмотки текут в одну и ту же сторону (ввиду противофазности сигналов на концах дифференциальной обмотки Т1) и суммируются. Существует другой вариант однобалансного ПЧ (рис. 4.5). Здесь диоды включены встречно и открываются опорным двуполярным напряжением поочередно (D1 открывается при положительном периоде опорного сигнала, D2 – при отрицательном). Токи сигнала протекают через первичную обмотку трансформатора Т2 по очереди в разных направлениях, что приводит к подавлению преобразуемого сигнала на нагрузке и уменьшает потери преобразования, так как сигнал проходит к нагрузке все время. Токи, вызванные опорным сигналом в первичной обмотке Т2, текут в одном и том же направлении, в результате чего сигнал всегда присутствует на нагрузке. Это существенный недостаток, так как данный сигнал достаточно велик. Указанный недостаток отсутствует в четырехдиодном двухбалансном преобразователе (рис. 4.6). По своим параметрам этот преобразователь полностью эквивалентен ключевому двухбалансному ПЧ, рассмотренному ранее. Подавление опорного сигнала обеспечивается теми же средствами, что и у преобразователя на рис. 4.4. Подавление преобразуемого сигнала обеспечивается инверсией (изменением знака с положительного на отрицательный) коэффициента передачи за счет диодов D3 и D4, которые открываются во время отрицательного перепада опорного напряжения. Следует отметить, что в схеме на рис. 4.6 четыре диода соединены в кольцо, поэтому ее часто называют «кольцевым ПЧ».