704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_
.pdf
Параметр R=1/ на этом графике соответствует последовательному соединению сопротивления источника радиосигнала и нагрузки диодного смесителя. Из рисунка 2.58 можно определить, что
1.Коэффициент преобразования диодного смесителя увеличивается при увеличении амплитуды сигнала гетеродина. Сопротивление источника сигнала и нагрузки при этом должны быть уменьшены.
2.Увеличение тока смещения диода смесителя приводит к уменьшению требуемых сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Коэффициент передачи смесителя при этом остается постоянным.
Рисунок 2.58. Коэффициент преобразования диодного смесителя на второй и третьей гармониках гетеродина
Следует отметить, что форма колебания гетеродина оказывает существенное влияние на нелинейные искажения смесителя. В [2] показано, что при приближении формы колебания к прямоугольной, нелинейные искажения диодного смесителя значительно уменьшаются.
Балансный смеситель
У диодного преобразователя частоты на выходе присутствуют не только продукты преобразования, но и сигнал гетеродина (см. рисунок 2.56). В спектре сигнала на выходе идеального умножителя аналоговых сигналов, этой компоненты не должно быть. Как это было показано в предыдущей главе, данное колебание ослабляется при помощи полосового фильтра. Однако, т. к. уровень сигнала гетеродина обычно многократно превышает уровень полезного сигнала, то требования к этому фильтру могут оказаться невыполнимыми. Для того чтобы ослабить колебание гетеродина в спектре выходного сигнала, можно применить симметричную схему, называемую балансным смесителем. Принципиальная схема диодного балансного смесителя приведена на рисунке 2.59.
111
|
VD1 |
|
UC |
Iг |
Выход |
|
|
|
|
Rн |
|
VD2 |
Iг |
|
|
|
+ |
|
|
–Eсм |
|
UГ |
Рисунок 2.59. Схема диодного балансного смесителя
В этой схеме токи, вызванные гетеродином (Iг), текут по обмоткам входного и выходного трансформатора в противоположных направлениях, поэтому они вычитаются во вторичной обмотке выходного трансформатора. В результате выходной ток нагрузки, вызванный напряжением гетеродина, значительно уменьшается. Точно таким же образом ток гетеродина компенсируется и во входной цепи смесителя. К сожалению, полностью скомпенсировать ток гетеродина на выходе балансного смесителя не удается из-за неточности амплитуды колебания гетеродина в каждом из плеч диодного смесителя. Кроме того, эти токи немного отличаются по фазе, тем не менее ослабление его уровня на 40 дБ позволяет значительно улучшить характеристики преобразователя частоты и приблизить их к характеристикам идеального умножителя сигналов.
На рисунке 2.60 приведено семейство графиков, позволяющих оценить глубину подавления сигнала гетеродина в зависимости от разбалансировки плеч балансного смесителя по амплитуде и фазе.
Рисунок 2.60. Семейство зависимостей подавления сигнала гетеродина от разбалансировки плеч балансного смесителя по амплитуде и фазе
112
Спектр сигнала на выходе диодного балансного смесителя приведен на рисунке 2.61.
iд 
fпр=fг–fс fс fг 2fс fг+fс 2fг 3fс fг+2fс 3fг f
Рисунок 2.61. Спектр сигнала на выходе диодного балансного смесителя
В схеме диодного балансного преобразователя частоты, приведенной на рисунке 2.58, присутствуют два трансформатора с отводом от средней точки. Такие трансформаторы трудно изготавливать конструктивно, поэтому в ряде случаев применяется схема балансного преобразователя частоты, в котором на выходе применяется обычный трансформатор, который просто приводит вы-
ходное |
сопротивление преобразователя частоты к стандартному значению |
50 Ом. |
Подобная схема балансного смесителя частоты приведена на рисун- |
ке 2.62. |
|
|
VD1 |
|
Выход |
UГ |
Iг |
|
|
|
Rн |
|
Iг |
|
VD2 |
|
UC |
Рисунок 2.62. Схема диодного балансного смесителя
содним трансформатором с отводом
Вданной схеме ток гетеродина замыкается в кольце балансного смесителя
ипрактически не ответвляется в цепь нагрузки. По входу и выходу данная схема несимметрична, а трансформаторы позволяют приводить стандартные сопротивления источника сигнала и нагрузки (равные 50 Ом) к сопротивлению диодного преобразователя, при котором достигается максимальный коэффициент передачи.
113
В настоящее время смесители чаще всего выполняются в виде готовых интегральных микросхем. Такое решение позволяет обойтись минимумом внешних навесных элементов. Наилучшие качественные параметры микросхемы получаются при использовании поликоровой подложки, на которой монтируются бескорпусные элементы или элементы, предназначенные для поверхностного монтажа (smd-элементы). На рисунке 2.63 приведена увеличенная фотография микросхемы-смесителя с удаленной крышкой.
Рисунок 2.63. Конструктивное исполнение балансного смесителя
Кольцевой смеситель
На выходе балансного смесителя подавлено напряжение гетеродина, но присутствует напряжение принимаемого рабочего сигнала. Как это обсуждалось при рассмотрении принципов работы супергетеродинного приемника, на выходе идеального умножителя этих компонентов не должно быть в принципе. Уменьшить уровень радиосигнала на выходе преобразователя частоты позволяет схема кольцевого смесителя. Эту схему часто называют двойным балансным смесителем. Принципиальная схема диодного кольцевого смесителя приведена на рисунке 2.64.
|
VD1 |
Ic |
|
|
|
|
|
|
|
UC |
VD2 |
|
Ic |
Выход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
|
VD3 |
|
|
|
|
VD4 |
Ic |
|
|
|
+ |
Ic |
|
|
|
–Eсм |
|
UГ |
|
Рисунок 2.64. Схема диодного кольцевого смесителя
114
Подавление входного сигнала на выходе кольцевого смесителя производится за счет вычитания токов балансного смесителя, собранного на диодах VD1, VD4 и токов балансного смесителя, собранного на диодах VD2, VD3.
Спектр сигнала на выходе кольцевого балансного смесителя приведен на рисунке 2.65.
iд 
fпр=fг–fс |
fс |
fг |
2fс fг+fс 2fг |
3fс fг+2fс 3fг |
f |
Рисунок 2.65. Спектр сигнала на выходе кольцевого диодного смесителя
На выходе схемы кольцевого смесителя подавляется не только сигнал, присутствующий на входе преобразователя частоты, но и все компоненты, формируемые нечетными степенями полинома аппроксимации крутизны нелинейных элементов, примененных в смесителе. Процесс подавления входного сигнала на выходе кольцевого смесителя иллюстрируется рисунком 2.66.
Рисунок 2.66. Временная диаграмма напряжения на выходе кольцевого смесителя
Для простоты понимания на этом рисунке рассмотрена ситуация, когда частоты принимаемого сигнала и гетеродина равны. Временная диаграмма на выходе смесителя при этом напоминает временную диаграмму выпрямленного сигнала. В результате четные полуволны принимаемого сигнала подавляют нечетные. В спектре выходного сигнала присутствуют компоненты:
. (2.45)
Если при этом вольтамперная характеристика нелинейного элемента будет аппроксимироваться квадратичной функцией (полином второго порядка), как это происходит в полевых транзисторах, то мы получим преобразователь, максимально приближенный к идеальному умножителю.
115
Смесители на транзисторах
Смесители на транзисторах предоставляют бỏльшие возможности по построению принципиальных схем в сравнении с диодными преобразователями частоты, однако наилучшими характеристиками, так же как и в случае диодных смесителей, обладают кольцевые преобразователи частоты. Так как схема кольцевого преобразователя получается соединением двух балансных преобразователей частоты, то сначала рассмотрим принципиальную схему транзисторного балансного смесителя. Его схема приведена на рисунке 2.67.
|
C3 |
|
|
R3 |
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
C5 |
C1 |
|
C4 |
|
|
|
|
|
||
|
|
R2 |
|
VT3 |
|
|
|
VT1 |
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вход гет. |
|
|
|
|
C2 |
|
|
|
|
Вход РЧ |
|
|
|
VT2 |
|
|
|
|
+Uп
Выход ПЧ
Рисунок 2.67. Схема транзисторного балансного смесителя
В схеме, приведенной на рисунке 2.67, токи частоты принимаемого сигнала, протекающие через транзисторы VT1 и VT3, создают на выходе синфазное напряжение. Так как напряжение принимаемой частоты на коллекторах VT1 и VT3 равно, то оно компенсируется на дифференциальном входе следующего каскада (или симметричном входе полосового фильтра промежуточной частоты). Сигнал гетеродина в этой схеме беспрепятственно проходит на выход преобразователя, но компенсируется при этом на коллекторе транзистора VT2, поэтому значительно ослабляется на входе радиочастоты данного преобразователя.
Для подавления сигнала гетеродина на выходе преобразователя частоты применяется второй балансный смеситель. Если на его входы сигнал гетеродина будет подаваться в противофазе по отношению к первому балансному смесителю, то при параллельном соединении выходов балансных смесителей, сигнал гетеродина в выходном спектре преобразователя будет подавлен. В результате описанных действий схема двойного балансного транзисторного преобразователя частоты будет работать подобно аналоговому умножителю сигналов. Схема транзисторного кольцевого смесителя приведена на рисунке 2.68.
116
|
C3 |
|
|
R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Uп |
|
|
R1 |
|
C5 |
|
|
C1 |
|
C4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Выход ПЧ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
VT3 |
|
VT6 |
|
|
|
VT1 |
VT4 |
||
T1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Вход гет. |
|
|
|
|
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
|
|
|
Вход РЧ |
|
|
|
VT2 |
|
VT5 |
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2.68. Схема транзисторного кольцевого смесителя
В данной схеме первый балансный смеситель собран на транзисторах VT1 … VT3, второй балансный смеситель собран на транзисторах VT4 … VT6. Так как напряжение гетеродина на базы VT1 и VT4 (а также базы транзисторов VT3 и VT6) подаются в противофазе, то напряжение гетеродина на выходе данного смесителя компенсируется. Для того чтобы ток промежуточной частоты при этом суммировался, напряжение на входы радиочастоты балансных преобразователей подается в противофазе.
Тем не менее, отличие вольтамперной характеристики транзисторов от квадратичного закона приводит к нелинейным искажениям принимаемого сигнала, поэтому в ряде случаев транзисторы в кольцевом смесителе применяются в ключевом режиме работы. При таком режиме работы транзистора он находится либо в закрытом состоянии, либо в открытом. В любом из этих режимов транзистор можно считать омическим сопротивлением.
То, что в ключевом режиме работы транзистора, форма сигнала гетеродина становится прямоугольной, должно быть учтено при выборе частот гетеродинов и полосы частот сигнала, поступающего на вход подобного преобразователя частоты. Схема кольцевого транзисторного смесителя, работающего в ключевом режиме, приведена на рисунке 2.69.
117
C1 |
R3 |
|
|
|
|
|
+Uп |
|
|
C5 |
|
|
|
C4 |
|
|
Выход ПЧ |
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
D1 |
|
|
|
|
|
VT1 |
VT3 |
VT4 |
VT6 |
|
|
|
||
D SET |
Q |
|
|
|
Вход гет. |
|
|
|
|
CLR |
Q |
|
|
|
T1
Вход РЧ |
VT2 |
VT5 |
|
|
Рисунок 2.69. Схема кольцевого смесителя, работающего в ключевом режиме
Так как колебание гетеродина формируется цифровой схемой, то возможно получить напряжение только с двумя уровнями. Как это уже обсуждалось выше, такая форма гетеродинного напряжения позволяет реализовать высоколинейные преобразователи частоты.
В схеме кольцевого смесителя важно, чтобы скважность сигнала гетеродина была равна 2, поэтому в микросхему включен счетный триггер D1, обеспечивающий на своем выходе меандр с очень высокой точностью. Одновременно этот триггер понижает частоту сигнала гетеродина в два раза. Данное обстоятельство следует учитывать при проектировании радиоприемного устройства.
Так как данная схема является стандартной, то к настоящему времени производится достаточно большой ассортимент интегральных микросхем смесителей, работающих по данному принципу. Применение интегральной технологии позволяет обеспечить идентичность параметров транзисторов кольцевого смесителя и тем самым подавление сигналов гетеродина и сигнала в выходной цепи. Задача разработчика радиоприемного устройства в большинстве случаев сводится к выбору микросхемы с заданными параметрами. В качестве примера подобного смесителя можно привести микросхему AD8344.
Смесители с подавлением зеркального канала
В ряде случаев в приемнике очень трудно обеспечить удовлетворение требований по подавлению частоты зеркального канала и соседнего канала одновременно. В этом случае дополнительное подавление зеркального канала в смесителе может быть выходом из положения. Для того чтобы понять, как работает
118
смеситель с подавлением зеркального канала, вспомним ряд тригонометрических выражений:
cos( ) cos cos sin sin |
(2.46) |
|
cos( ) cos cos sin sin
Данные тригонометрические выражения позволяют выделять промежуточную частоту только от одного из каналов (выше или ниже частоты гетеродина). Однако для реализации такого преобразователя частоты потребуется две кольцевых схемы смесителей (транзисторных или диодных). Кроме того, на гетеродинные входы смесителя сигнал требуется подавать со сдвигом по фазе на 90 . Иными словами гетеродин должен обеспечивать на своем выходе сигналы
и cos t одновременно.
Этот сдвиг фаз можно обеспечить при помощи фазовращателя, выполненного на LC элемента, но в настоящее время чаще применяется поворот фазы при помощи элементов цифровой техники. Учитывая, что на смеситель выгодно подавать прямоугольное напряжение, сдвиг фаз может быть обеспечен подачей напряжения гетеродина на вход счетных триггеров в противофазе. Тогда один триггер будет переключаться по нарастающему фронту входного сигнала, а другой – по спадающему. Упрощенная схема генератора прямоугольных колебаний, сдвинутых друг относительно друга на 90 , приведена на рисун-
ке 2.70.
В этой схеме напряжение гетеродина поступает на входы синхронизации триггеров в противофазе. Поэтому сигналы на выходе этих триггеров будут задержаны друг относительно друга на время, равное половине периода входного колебания. Учитывая, что на триггерах собраны схемы делителей частоты на два, это время будет соответствовать сдвигу выходных колебаний друг относительно друга на четверть периода. Сдвиг периодического на четверть периода соответствует фазовому сдвигу на 90 .
|
D1 |
|
|
D SET |
Q |
|
|
К смесителю sin |
|
T1 |
Q |
Вход гет. |
CLR |
|
|
|
|
|
D2 |
|
|
D SET |
Q |
|
|
К смесителю cos |
|
CLR |
Q |
Рисунок 2.70. Схема формирования сигналов, сдвинутых по фазе на 90
119
Временные диаграммы входного сигнала гетеродина и сигналов, вырабатывающихся на выходе триггеров D1 и D2, в схеме формирования квадратурных колебаний, приведенной на рисунке 2.69, изображены на рисунке 2.71.
Uг
cos
sin
Рисунок 2.71. Временные диаграммы входного сигнала гетеродина и сдвинутых по фазе на 45 выходных сигналов
Как видно из данного рисунка, на выходе схемы из входного сигнала гетеродина формируется два прямоугольных сигнала, задержанных друг относительно друга на четверть периода. Эта задержка соответствует сдвигу фаз на
90 .
Микросхемы смесителей, реализованные по описанному принципу, выпускаются рядом фирм, производящих интегральные микросхемы для радиоэлектронной промышленности. В качестве примера можно привести такие микро-
схемы, как RF2713 и RF2483 фирмы RF Micro Devices, ADL5385 фирмы Analog Devices, JCIQ-176D фирмы Mini-Circuits. В качестве примера на рисунке 2.72
приведена структурная схема микросхемы ADL5385 фирмы Analog Devices.
Рисунок 2.72. Схема квадратурного смесителя ADL5385
120