Функциональная схема смесителя. Мощные высокочастотные смесители

Любое радиоприемное устройство содержит преобразователи сигнала из ВЧ в ПЧ и ПЧ в НЧ (промежуточных частот может быть несколько). В ППП такой преобразователь один, из ВЧ сразу в НЧ. Называются они смесителями и располагаются сразу после антенны и ДПФ, или дальше – после УВЧ, УПЧ, «соединяя», таким образом, основные узлы приемника с ГПД, ОГ. Поэтому параметры всего приемника во многом зависят от эффективности и качества преобразования сигналов. При этом существует два основных типа смесителей – пассивные и активные. Первые имеют коэффициент передачи меньше 1, а вторые обеспечивают усиление сигнала больше единицы, однако для сохранения динамического диапазона усиление не делается большим, обычно не более 10 раз по напряжению.

Любой смеситель, особенно самый первый, кроме коэффициента передачи должен иметь и малый уровень шума (для повышения чувствительности). Не менее важным показателем так же является способность подавления мощных внеполосных сигналов, из-за которого может возникать прямое детектирование и «забитие» основного сигнала.

Смесители активного типа в данной статье не будут рассматриваться, т.к. это отдельная самостоятельная тема. Статья посвящена смесителям пассивным, выполненным на пассивных элементах - полупроводниковых диодах, как наиболее широко применяющимся в различных радиолюбительских конструкциях. Также широко распространились схемы пассивных смесителей на полевых, в том числе мощных, транзисторах, работающих в ключевых режимах, а также схемы смесителей на электронных коммутаторах различного типа мультиплексорах/демультиплексорах). Однако, это тоже тема для отдельной статьи.

Прежде всего, балансные смесители разного типа, представляют собой симметричные схемы, в которых смешиваются два сигнала (входной ВЧ и гетеродинный). В схемах радиоприемников широко применяют двойные балансные смесители. Они балансные не только по отношению к колебаниям гетеродина, но и к входному сигналу. Этот тип смесителей ослабляет на выходе сигналы и гетеродина, и входные сигналы. Естественно, на выходе получается и меньший уровень побочных продуктов преобразования по сравнению с обычными балансными смесителями.

На частотах КВ радиолюбительских диапазонов (до 30 МГц) достаточно хорошими преобразовательными свойствами обладают и обычные высокочастотные кремниевые диоды, например типа КД503, КД509, КД514, КД521, КД522 и германиевые типа ГД508.

В двойных балансных смесителях желательно использовать диоды Шоттки (например, типа КД922). Достаточно распространенная ошибка - считать кремниевые диоды КД514 - диодами Шоттки. Это не диоды Шоттки, но по некоторым характеристикам достаточно близкие к ним. Иногда в старой справочной литературе встречается эта ошибка, т.к. по технологии диод с контактом МЕТАЛ-ПОЛУПРОВОДНИК раньше именовался диодом со структурой Шоттки (по автору этой технологии). Технология его производства нечто среднее между обычным диодом с p-n переходом и диодом с барьером Шоттки. По физике (не по технологии!) у кремниевых диодов Шоттки прямое напряжение заметно меньше чем у обычных кремниевых диодов (по любой другой технологии). Кроме того, большое отношение обратного сопротивления к прямому и незначительная емкость при нулевом смещении. Диоды Шоттки имеют очень малое время переключения, что расширяет частотный диапазон их применения (до нескольких сотен ГГц).

Применение кремниевых, импульсных, эпитаксиально-планарных, быстродействующих, с малым временем восстановления диодов КД514 (именно так правильно их называть!) в быстродействующих переключателях, к которым можно отнести и кольцевые диодные смесители увеличивает чувствительность за счет уменьшения коэффициента шума и, таким образом, можно увеличить усиление тракта ПЧ (а в итоге и чувствительность). Иногда на практике установка КД514 ощутимо, на слух, даёт эффект, без подбора диодов, чего нельзя сказать о КД503 и других типах диодах.

Величина потерь в диодном смесителе, как правило, составляет 6-10 дБ. Это немного, но большинство конструкторов хотят иметь меньшие потери. Напрашивается вывод о необходимости применения в схеме приемника активного смесителя. Но динамический диапазон (ДД) приемника с пассивным смесителем зачастую бывает больше, чем у приемника с активным смесителем. Кроме того, ДД нужен тогда, когда радиоприемник предназначается для работы с мощными соседними радиостанциями, или в условиях радиолюбительских контестов, когда в общей свалке эфира слабые по уровню станции соседствуют с мощными соседями. В обычных условиях такое почти не встречается. Таким образом, величина динамического диапазона приемника не должна особенно нас беспокоить .

Если смеситель является первым каскадом приемника, а так бывает достаточно часто, то от качества смесителя практически зависят все основные характеристики приемника. Важным является уровень собственного шума смесителя. Чем он меньше, тем выше становится достижимая чувствительность приемника. Из сказанного выше становится понятно, что среди диодов предпочтение следует отдавать тем, у которых самое малое прямое внутреннее сопротивление p-n перехода. Чем оно меньше, тем меньше шумов генерируется в диоде при одном и том же токе через диод. Следует иметь в виду, что каскад, следующий за смесителем, также должен иметь низкий коэффициент шума. Это очень важно для реализации преимуществ пассивного смесителя.

На рис.1 показаны схемы простого балансного смесителя и кольцевого (двойного балансного) смесителя, выполненных на диодах.

В этих смесителях использованы симметрирующие трансформаторы T1 и Т2, намотанные на кольцевых ферритовых сердечниках скруткой из трех проводов.

Для достижения максимальной чувствительности при настройке смесителя нужно подбирать напряжение гетеродина. Недостаточное напряжение уменьшает коэффициент передачи и повышает входное сопротивление, а излишнее - увеличивает шум самого смесителя. В обоих случаях чувствительность падает. Оптимальное напряжение лежит в пределах от долей вольта до 1-1,5 В (амплитудное значение) и зависит от типа диода.

В смесителях с включенными встречно-параллельно диодами (ВПД) напряжение подводится одновременно через катушку связи - сигнал от входного контура и напряжение гетеродина (рис. 2).

Напряжение гетеродина значительно больше, чем напряжение сигнала. Для нормальной работы такого смесителя на кремниевых диодах напряжение гетеродина должно составлять 0,6-0,7 В (амплитудное значение). Один из диодов открывается на пиках положительных полуволн сигнала гетеродина, а другой - на пиках отрицательных. В результате сопротивление параллельно включенных диодов уменьшается дважды за период гетеродинного напряжения. Отсюда такие достоинства этого смесителя, как отсутствие постоянного тока (смеситель не детектирует ни сигнал, ни напряжение гетеродина). А частота гетеродина выбирается вдвое ниже частоты сигнала, что позволяет улучшить стабильность частоты и значительно уменьшить наводки гетеродина на входные цепи смесителя, т.к. излучение его сигнала получается на 30-60 дБ ниже (в два раза ниже сигнала по частоте), чем с обычными смесителями.

В смесителе на ВПД лучше всего использовать кремниевые диоды с пороговым напряжением около 0,5 В - они дают несколько большую помехоустойчивость, чем германиевые. В любом случае требуется подбор оптимального напряжения гетеродина по максимуму коэффициента передачи. В целом все типы диодных смесителей требуют тщательного подбора напряжения ГПД для получения наилучших параметров смесителя.

Для получения большей информации о работе смесителей рекомендуем также обратиться к работам В. Т. Полякова, Г.Тяпичева, ссылки на которые указаны в конце статьи .

Обобщая вышеизложенное, следует заметить, что в приведенных схемах смесителей на диодах требуется (кроме правильного выбора типа диода) как симметричность (одинаковые характеристики) самих диодов, или их плеч (в кольцевых схемах), так и симметричность конструкции. Таким образом, для нормальной работы диодов в схемах смесителей можно говорить о необходимости их правильного подбора и установки на монтажной плате (о конструктиве монтажа смесителей на диодах будет сказано в конце статьи).

Без подбора диодов трудно обеспечить требуемую симметрию моста, особенно в тех схемах, где никаких симметрирующих элементов не предусмотрено, как в схемах на рис.1 и 2. Требуемая симметрия гетеродинного напряжения достигается тем, что катушка связи (или широкополосные трансформаторы) наматывается одновременно двумя другими скрученными проводами и размещается на ферритовом кольце строго симметрично. Несоблюдение этого простого правила приводит к тому, что некоторые радиолюбители устанавливая современные типы диодов не подбирают их при первичной отладке конструкции смесителя, считая что ассиметрия остальных самодельных элементов сводит выигрыш от их подбора к нулю. Естественно, причины ассиметрии могут быть связаны не только с самими трансформаторами, поэтому однозначно рекомендовать бросаться их переделывать не следует.

Выбирая диоды для смесителя по справочным материалам, следует заметить, что их емкости должны быть одинаковы (и как можно меньше) при одном напряжении. Желательно подобрать минимальным и время переключения (восстановления). В.Т.Поляков, RA3AAE в своих работах указывает, что предпочтение следует отдавать диодам с меньшей емкостью (не более 1...3 пФ) и наименьшим временем восстановления обратного сопротивления (не более 10...30 нc). Эти данные можно найти в справочниках. При работе на УКВ требования возрастают еще более.

Во многих случаях оптимальным выбором может оказаться применение готовых диодных микросборок с подобранными характеристиками. Например, часто рекомендуемых КДС523А, Б, или подобранных в сборку диодов (КДС523ВР). Однако, в целом ряде случаев, необходимо обязательно проверить эти сборки хотя бы самым простым способом, поскольку допустимый разброс в них может достигать 10% и это может негативно сказаться на работе смесителей и потребует добавления в схему смесителя балансировочных резисторов и/или емкостей, что в целом ни к чему, поскольку увеличивает потери в смесителе. А это всегда нежелательно.

Получивший в последнее время широкое распространение подбор диодов по прямому сопротивлению представляется не столь актуальным, поскольку неидеальный трансформатор (как уже указывалось выше) всё равно внесет разбаланс в плечи моста. Конечно, если есть уверенность в полной симметричности обмоток и их равенстве полных (комплексных) сопротивлений, тогда с помощью обычного цифрового мультиметра (в режиме «прозвонки») можно отбраковать диоды с большими отклонениями прямых сопротивлений. Есть и вторая причина, даже более существенная. Речь идет о том, что равенство прямых сопротивлений говорит только о том, что при одинаковой амплитуде гетеродина через диод будет течь одинаковый ток. Но это для больших напряжений от ГПД важно, а вот для входных сигналов, амплитуда которых много меньше и лежит на уровне микровольт наиболее важным является одинаковость ВАХ диодов именно в области малых напряжений, т.е. в самом начале ВАХ, а не в области больших напряжений.

К сожалению, отечественные диоды даже из одной партии, не говоря уже о просто однотипных, имеют очень большой разброс параметров, поэтому простой подбор по сопротивлению (прямому напряжению) в одной точке ВАХ малоэффективен. Пояснение, почему такой подбор не эффективен, сделано на рисунке ниже. В самом деле, разброс ВАХ диодов может быть достаточно велик, но по случайному стечению обстоятельств именно в точке измерения внутреннее сопротивление диодов окажется одинаковым с достаточно большой точностью. На самом деле такое возможно достаточно часто. Однако это только видимость идентичности ВАХ диодов. Большей точностью обладает подбор по 2 точкам. Но и такой подбор тоже - только проверка совпадения статических характеристик, а не динамических.

Поэтому часто рекомендуют применять импортные - те же 1N4148 (аналог КД522). Они имеют существенно меньший разброс, что гарантирует хорошую работу смесителя даже без подбора. Хотя произвести подбор в одной точке ВАХ цифровым мультиметром (в режиме прозвонки) очень просто. При этом следует заметить, что в эту схему для подбора (и в другие тоже!) диоды надо подключать зажимами типа "крокодил" или им подобными, но ни в коем случае не пайкой. Даже после подключения зажимами надо выдержать некоторую паузу - нагрев диодов от рук изменяет результаты измерений (не говоря уже о пайке). А им надо прийти к комнатной температуре…

По «прямому напряжению» подобрать диоды можно, собрав простейшую схему: от стабильного источника напряжением не менее 10 В через резистор задают прямой ток через диод (например, 1 мА). И измеряют падение напряжения любым вольтметром с высоким входным сопротивлением (ламповым, типа ВК7-9, или любым цифровым, что лучше). Подбирают диоды, у которых наиболее близкие значения измеренного напряжения. Можно проверять две точки, например, задавая токи 1 мА и 0,1 мА.

Распространена методика, рекомендуемая для подбора диодов кольцевого балансного смесителя и описанная Б.Степановым, RU3AX . По ней сравнивают вольт-амперные характеристики диодов в прямом направлении. Поскольку полупроводниковый диод - это нелинейный элемент, непосредственное измерение омметром его прямого сопротивления не позволяет производить такое сопоставление. Делать это надо в нескольких (минимум двух) точках вольт-амперной характеристики диода, измеряя падение напряжения на диоде при фиксированных значениях прямого тока. Схема простейшего устройства, позволяющего производить подбор диодов, приведена на рисунке.

Для подбора диодов точные значения стабилизированного тока не существенны - все диоды будут сравниваться при одних и тех же значениях тока. Необходимо лишь, чтобы эти значения различались примерно в десять раз… Подробности сборки и работы этого устройства приведены .

Смеситель на Si8901 с большим динамическим диапазоном
Повышает устойчивость к интермодуляции на КВ и УКВ, при пониженной мощности гетеродина

Ed Oxner, KB6QJ
(Из Ham Radio, March 1988, pp. 10…14)

Динамический диапазон радиоаппарата теснейшим образом связан с тем, насколько подавляются в его смесителе продукты интермодуляции, насколько хорошо смеситель справляется с большими уровнями сигналов и насколько мал уровень собственных шумов смесителя. Факт наличия усиления или потерь в смесителе является второстепенным, по отношению к выигрышу в величине динамического диапазона. На практике усиление при преобразовании, просто, перекладывает проблемы, связанные с динамическим диапазоном на последующие усилительные каскады. До сего времени, смесители, обеспечивающие более или менее достаточный динамический диапазон, требуют большого уровня напряжения гетеродина, как показано на сравнительном графике (Рис. 1).

Рис. 1. Сравнительный анализ двойных балансных смесителей

Популярный кольцевой двойной балансный диодный смеситель, показанный на Рис. 2, часто, в силу необходимой мощности гетеродина, приводит к компрессии входного сигнала, по крайней мере, на 6 дБ.

Рис. 2. Кольцевой диодный двойной балансный смеситель

Двойной балансный смеситель Si8901 фирмы Siliconix (Рис. 3) представляет собой монолитный кольцевой демодулятор, состоящий из четырёх полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET), особенно подходит для работы в смесителях на КВ и УКВ диапазонах, где работая в режиме переключения (“цифровой” смеситель), он обеспечивает точку пересечения по составляющим интермодуляции третьего порядка до +37 дБм, при компрессии в 2 дБ и уменьшении чувствительности - в +30 дБм. Всё это – при мощности гетеродина всего лишь +17 дБм (50 мВт). Дополнительный выигрыш от малой мощности гетеродина в комбинации с высокой изоляцией сигнального и гетеродинного портов друг от друга - в двойном балансном смесителе: сигнал гетеродина меньше пролазит в сигнальные цепи. ИМС Si8901 выпускается в герметичном корпусе ТО-99, пригодна к применению в военной промышленности, также выпускается и в корпусе SO-14 для поверхностного монтажа, применима в радиолюбительских конструкциях везде, где требование большого динамического диапазона является желательным.

Рис. 3. Прототип коммутационного двойного балансного смесителя

Теория эффективности преобразования

В отличие от кольцевого диодного смесителя, коммутирующий смеситель базируется на переключающих свойствах четырёх полевых транзисторов, работающих в качестве смесителя. По сути дела, смеситель представляет собой пару ключей, реверсирующих фазу сигнала по закону, определяемому частотой гетеродина. В идеальном случае, при этом, ожидается отсутствие шумов. Поскольку полевые транзисторы (ПТ) в открытом состоянии имеют конечную величину сопротивления, эффективность преобразования выражается как потери. Эти потери заключаются в двух взаимосвязанных факторах: во-первых, сопротивлении сток-исток в открытом состоянии, относительно как к импедансу сигнальной, так и ПЧ цепей, во-вторых, в преобразовании сигнала на нежелаемые частоты.

Действие сопротивления сток-исток ПТ – rDS в открытом состоянии на импедансы сигнальной и ПЧ цепей (Rg и RL, соответственно), могут быть выведены из анализа эквивалентной схемы (Рис. 4), если принять форму напряжения гетеродина строго прямоугольной. Выражение 4/π² является мощностной функцией ряда Фурье в представлении идеализированных прямоугольных колебаний.

Рис. 4. Эквивалентная схема коммутационного смесителя(r on – сопротивление открытого канала ПТ, r off - закрытого)

Потери преобразования идеального смесителя с закороченными портами зеркального канала и суммарной частот (частота сигнала RF + частота гетеродина LO) могут быть выражены в сопротивлении сток - исток ПТ – rDS, Rg и RL следующим образом:

Если мы примем rDS = 0, а порты зеркального канала и суммарной ПЧ нагрузим резисторами, то минимально достижимые потери уменьшатся до:

После вычисления, получаем: Lc = -3,92 дБ. В практическом смысле нам необходимо добавить 3,92 дБ к результатам, полученным в уравнении (1) или на Рис. 5, чтобы получить реальные потери при преобразовании.

Рис. 5. Вносимые потери как функция от rDS, RL и Rg

Уравнение 1, предназначенное для расчёта при различных соотношениях Rg, RL и rDS (в проводящем состоянии) проиллюстрировано на Рис. 5 и показывает, насколько серьёзно влияет сопротивление открытых каналов полевых транзисторов на потери при преобразовании.

Интермодуляционные искажения

Несимметричный, одно-балансный и двух-балансный смесители различаются по их способности избирательно вырезать компоненты частоты помехи, как это обозначено в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение модуляционных продуктов в одно-
и двух-балансных смесителях (до шестого порядка)

(Примечание к Таблице1: Как видно из таблицы, в одно-балансном смесителе присутствуют гармоники входного сигнала, поскольку этот тип смесителя балансируется только по напряжению гетеродина – UA9LAQ)

В большинстве применений смесителей, наиболее “страшными” продуктами интермодуляции (IMD) являются те, которые относятся к нечётным порядкам, а именно, к третьему (IMD3). Хотя диодный балансный смеситель представляет собой одно-балансный его тип, наиболее значимые интермодуляционные искажения в нём возникают при отклонении формы напряжения гетеродина от прямоугольной. Это явление можно обнаружить при пристальном изучении Рис. 6, который показывает влияние синусоидального напряжения гетеродина на изменение переходных характеристик.

Рис. 6. Действие синусоидальной формы сигнала гетеродина на линейность выходного сигнала ПЧ

Поскольку оптимальная по IMD работа требует, чтобы переключатели коммутационного смесителя работали в 50% цикле (это означает: полностью включены или полностью выключены на одинаковые промежутки времени), то необходимо напряжение смещения.

Walker [ 1 ] вывел формулу, показывающую предсказанное уменьшение уровня продуктов интермодуляции третьего порядка при подаче двухтонального сигнала, как функции времени нарастания и спада напряжения гетеродина:

Где: Vc – напряжение гетеродина (размах от пика до пика); Vs – пиковое напряжение сигнала; tr - время нарастания и спада напряжения гетеродина Vc; ω LO = 2πf LO, где f LO - частота гетеродина.

Уравнение (3) показывает, что при уменьшении Rg (которое в свою очередь уменьшает амплитуду напряжения Vs), уменьшается уровень интермодуляционных искажений, то же происходит и при повышении напряжения гетеродина Vc. Наконец, если мы можем обеспечить идеальную прямоугольную форму сигнала гетеродина, то мы получим отличный смеситель! Дополнительно, мы видим, что инжекция с “низкой” стороны более эффективна, чем с “высокой”. (Речь идёт, видимо, об низкоимпедансной инжекции напряжения гетеродина – UA9LAQ).

Дальнейшим подтверждением преимущества прямоугольной формы напряжения гетеродина, перед синусоидальной, является недостаток последней: в случае приближения полуволны, с интервалом в полупериод, к пересечению с нулевой отметкой, полевые транзисторы, по сути дела, теряют смещение, и серьёзная перегрузка по напряжению сигнала значительно усугубляет интермодуляцию. Воздействие на смещение затвора ПТ при синусоидальном управлении ясно видно на Рис. 6,7.

Рис. 7. Квадратичные характеристики, показывающие действие ключующего напряжения на возникновение искажений в режиме большого сигнала.

Таблица 2

Сравнение переменного напряжения на затворе ПТ относительно мощности гетеродина между нерезонансным и резонансным контуром с нагруженной добротностью = 14 (частота 150 МГц)

Строим смеситель

Базируясь на знаниях, полученных из анализа уравнения (3): низкое сопротивление источника, Rg и высокое напряжение гетеродина, Vc – являются идеальными условиями для смесителя. ИМС Si8901, используемая как смесительные ключи даёт в открытом состоянии сопротивление канала примерно 23 Ом при открывающем потенциале на затворе 15 В. При использовании популярного выходного трансформатора ПЧ 4: 1 для предусилителя со входным импедансом 50 Ом (RL / rDS ≈ 8), Рис. 5 предлагает наибольшую эффективность преобразования при Rg = 92 Ом. Это противоречит уравнению (3), которое показывает, что минимум интермодуляционных искажений соответствует минимально возможной величине Vs. Этот результат достигнут снижением Rg. Теперь становится ясно, что требуется выход из создавшегося положения. Либо мы отыскиваем условия для получения низких потерь при преобразовании и получаем, вместе с этим, низкий уровень шумов, либо обречены на генерацию повышенного уровня интермодуляционных искажений. К счастью, при большей отдаче от смесителя, динамический диапазон увеличивается из-за того, что несогласованный сигнальный порт имеет меньшее влияние на соотношение сигнал/шум, чем согласованный сигнальный порт на интермодуляционные искажения.

Устанавливаем величину ключующего напряжения

При использовании широкополосного трансформатора для передающих линий промышленного изготовления, характеристика диодного кольцевого балансного смесителя требует применения мощного гетеродина, для получения требуемого ключующего напряжения, чтобы удовлетворить условиям уравнения (3). Смесители на ПТ более ранних конструкций, для получения большого динамического диапазона, требовали ватты мощности гетеродина! [ 2 ]. Одним из очевидных средств получения большого напряжения ключевания является резонансный метод. Напряжение, получаемое на резонансном контуре, а, значит, и на затворах ПТ может быть высчитано как:

Где Р – мощность гетеродина, подводимая к резонансному контуру; Q – нагруженная добротность резонансного контура; Х – реактивное сопротивление затвора ПТ.

Поскольку ёмкость затвора ПТ зависит от приложенного напряжения, реактивное сопротивление зависит от приложенного напряжения возбуждения. Если всё оставить как есть, то это сильно уменьшит динамический диапазон смесителя по интермодуляции. Однако эта зависимость реактивного сопротивления от напряжения возбуждения может быть минимизирована комбинацией смещения на затвор и питания. Как мы видели из Рис. 6, напряжение смещения помогает получить необходимый 50% рабочий цикл, для получения оптимального уровня интермодуляции.

Таблица 2 и Рис. 8 дают интересное сравнение между резонансным питанием цепей затворов ПТ с нагруженной добротностью контура равной 14 и промышленным (широкополосным) питанием с использованием трансформатора с 50 на 200 Ом (100-0-100) 4: 1. Полный вид высоковольтного напряжения раскачки затвора можно увидеть на Рис. 9, который демонстрирует расчётную по уравнению (3) и измеренную величину интермодуляционных искажений.

Рис. 8. Влияние нагруженной добротности контура на напряжение на затворах ПТ (ключующее напряжение) в зависимости от мощности гетеродина

Разрабатываем смеситель

Достижение низкого импеданса источника малого сигнала может быть легко осуществлено применением широкополосного трансформатора 1: 1 Т1 – 1Т фирмы Mini-Circuits. Подобным же образом и по ПЧ хорошо себя зарекомендовал трансформатор Т4-1 (4: 1). Принципиальным отличием является осуществление резонансного питания затворов ПТ, которое подразумевает необходимость хорошего знания, как самой микросхемы, так и её действующей ёмкостной нагрузки. В технических данных на микросхему указано её типовое значение равное 4,4 пФ. Для осуществления хорошей изоляции между портами смесителя, критичной является симметрия схемы и монтажа. Если резонансный контур питается от несимметричного выхода гетеродина (коаксиальный кабель), то симметрию может обеспечить симметрирующий трансформатор (см. полную схему смесителя на Рис. 3).

Рис. 9. Действие величины ключующего напряжения на уровень интермодуляционных искажений

Работа коммутационного смесителя Si8901

Последующие испытания были проведены в диапазоне частот 2…30 МГц:

• эффективность преобразования (потери)
• двухтоновые испытания, определение точки пересечения по продуктам интермодуляции третьего порядка
• уровень компрессии
• уровень снижения чувствительности (запирание, десенситация)
• коэффициент шума

Потери при преобразовании и получаемая точка пересечения нанесены на Рис. 10, как функция мощности “раскачки” смесителя от гетеродина.

Рис. 10. Точка пересечения и потери при преобразовании

Компрессия (сжатие динамического диапазона) в 2 дБ и уровни десенситации противодействуют друг другу, чего следует ожидать, основываясь на величине мощности раскачки смесителя от гетеродина в +17 дБм, напомним, что эффективная работа смесителя зависит от величины напряжения на затворах ПТ, а не от возбуждения затвора, выраженного как мощность. Оба параметра были измерены при уровнях + 30 дБм. Уровень однополосного шума составил 7,95 дБм.

Если разработчик смесителей последует концепции, изложенной в этой статье, ИМС Si8901 фирмы Siliconix позволит получить самый высокий динамический диапазон по отношению ко всем имеющимся современным смесителям. Достижение высокого управляющего напряжения резонансным методом, отнюдь не означает, что смеситель узкополосен. Перестройку контура можно осуществить многими из известных способов, например, электронным способом с помощью варикапов. Подразумевается, что резонансный контур может быть выходным для электронно-управляемой симметричной схемы гетеродина.

Литература:

1. H.P. Walker, “Sources of Intermodulation in Diode-Ring Mixers”, Radio and Electronic Engineer, Vol. 46, No. 5, May 1967, pp. 247…255.
2. R.P. Rafuse, ”Symmetric MOSFET Mixers of High Dynamic Range”, Digest of Technical Papers, 1968 International Solid-State Circuits Conference, p. 122…123.

Следует отметить, что преобразователи на полевых транзисторах с изолированными затворами, размещёнными на одной подложке, весьма эффективны. Примером может служить популярный ныне смеситель на ИМС К590КН8А. Вот работает ли он, так как нужно, на 150 МГц – вопрос? Думаю, что переведённая статья поможет конструкторам грамотно подойти к конструированию таких важных узлов приёмопередающей аппаратуры, каким является смеситель. – UA9LAQ.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ)[email protected]
г. Тюмень декабрь, 2004 г

К устройствам преобразования частоты относятся любые схемы, в которых частота сигнала на выходе не равна его входной частоте. Такие устройства для изменения частоты сигнала используют разнообразные нелинейные элементы. Очень часто в качестве этих элементов выступают полупроводниковые диоды различных типов. Использование диодов особенно популярно в малосигнальных цепях, где предъявляются высокие требования к шумовым параметрам и параметрам чувствительности преобразователей. К диодным преобразователям частоты в первую очередь относятся смесители, также разнообразные умножители и делители частот, некоторые виды автодинных преобразователей. Наибольшее распространение получили смесители и умножители частот, которые и рассматриваются далее.

Смесители - это устройства преобразования частоты, которые, имея на входе два сигнала, формируют на выходе сигнал с частотой, строго зависящей (обычно равной сумме или разности) от частот входных сигналов.

Работа смесителя основана на взаимной модуляции двух колебаний на нелинейном (преобразующем) элементе. Если характеристика прямой передачи нелинейного элемента квадратична (описывается уравнением \(I = b U^2\)), то при подаче на нелинейный элемент двух колебаний с частотами \(\omega_1\), \(\omega_2\) и амплитудами \(U_1\), \(U_2\) ток через него будет равен:

\(b {\left(U_1 \sin{\left(\omega_1 t \right)} + U_2 \sin{ \left(\omega_2 t \right) } \right)}^2 = \cfrac{b}{2} \left(U_1^2 + U_2^2 \right) - \cfrac{b U_1^2}{2} \cos{ \left(2 \omega_1 t \right)} - \)

\(- \cfrac{b U_2^2}{2} \cos{ \left(2 \omega_2 t \right)} + b U_1 U_2 \cos{ \left(\left(\omega_1 - \omega_2 \right) t \right) } - b U_1 U_2 \cos{ \left(\left(\omega_1 + \omega_2 \right) t \right)}\).

Т.е. в токе нелинейного элемента будут присутствовать колебания т.н. комбинационных частот : \(\omega_1 – \omega_2\) и \(\omega_1 + \omega_2\). Одно из колебаний комбинационной частоты является полезным и может быть выделено на селективной нагрузке смесителя. Все остальные присутствующие в выходном сигнале составляющие являются мешающими.

В качестве нелинейного элемента смесителя могут выступать: полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы в некоторых схемах включения, комбинированные схемы.

Смесители на полупроводниковых диодах характеризуются невысоким уровнем шумов, высокой надежностью, невысоким входным сопротивлением для напряжения гетеродина, низким коэффициентом передачи напряжения (0,3...0,5) и мощности (0,1...0,3), могут работать на более высоких частотах, чем смесители на транзисторах. В диодных смесителях желательно использовать высокочастотные кремниевые диоды, обладающие большим отношением обратного и прямого сопротивлений и малой емкостью перехода (например, КД503), а еще лучше диоды с барьером Шоттки , характеризующиеся малым уровнем шумов (например, типа КД419), могут также применяться и обращенные диоды . Для использования в диапазоне СВЧ предназначены специальные смесительные диоды . Для смесителей, в которых должны использоваться несколько диодов с максимально близкими параметрами, выпускаются определенным образом подобранные пары и четверки диодов, а также диодные сборки .

Простейшая схема смесителя на одном диоде приведена на рис. 3.6-21.

Рис. 3.6-21. Схема простейшего смесителя на одном диоде

Нелинейные свойства полупроводникового диода не могут быть выражены простой квадратичной зависимостью, как это было показано выше. В общем случае, аппроксимируя ВАХ диода рядом Тейлора, получим следующую зависимость:

\(I_д = I_0 + aU_д + bU_д^2 + c U_д^3 + ... \)

Учитывая, что к диоду прикладывается сумма напряжений сигнала и гетеродина \(U_д(t) = U_г(t) + U_с(t) = U_г \sin{(\omega t)} + U_с \sin{(\omega t)}\) , после подстановки получим следующее выражение для тока диода:

\(I_д = I_0 + a U_с \sin{\left(\omega_с t \right)} + a U_г \sin{\left(\omega_г t \right)} - \cfrac{b U_с^2}{2} \cos{\left(2 \omega_с t \right)} - \)

\(- \cfrac{b U_г^2}{2} \cos{\left(2 \omega_г t \right)} + b U_с U_г \cos{\left(\left(\omega_г - \omega_с \right) t \right)} - b U_с U_г \cos{\left(\left(\omega_с + \omega_г \right) t \right)} + ... \).

Видно, что в нагрузке смесителя будут присутствовать составляющие с частотой входного сигнала и сигнала гетеродина, а также многочисленные гармоники и сигналы комбинационных частот (к ним относятся все сигналы с частотами: \(m \omega_с \pm n \omega_г\), где \(m\) и \(n = 0, 1, 2, 3, ...\)). Среди них особенно вредны составляющие с частотами сигнала и гетеродина и их гармоники.

Рис. 3.6-22. Схемы балансных смесителей с синфазной (а) и противофазной (б) подачей напряжения гетеродина

Рис. 3.6-23. Схема кольцевого балансного смесителя

Балансный смеситель (рис. 3.6-22а) содержит два диода, которые включены так, что их токи протекают в первичной обмотке выходного трансформатора во встречных направлениях. При этом синфазные составляющие магнитного потока взаимно компенсируются, а противофазные - складываются. Напряжение гетеродина подается на диоды синфазно, а напряжение сигнала - противофазно. Т.е., к первому смесительному диоду прикладывается сумма напряжений сигнала и гетеродина \(U_{д1}(t) = U_г (t) + U_с(t)\) , а ко второму - их разность \(U_{д2} (t) = U_г (t) – U_с (t)\). Результирующий ток в первичной обмотке выходного трансформатора:

\(I_\Sigma = I_{д1} - I_{д2} \approx 2 a U_с \sin{\left(\omega_с t \right)} + 2b U_с U_г \cos{\left(\left(\omega_г - \omega_с \right) t \right)} - \)

\(-2b U_с U_г \cos{\left(\left(\omega_с + \omega_г \right) t \right)} + ... \).

Из представленной формулы видно, что составляющие токов с частотой гетеродина взаимно компенсируются и шумы гетеродина не попадают на выход смесителя. Проведя аналогичные вычисления для токов во входном трансформаторе можно увидеть, что балансный смеситель позволяет значительно снизить и мощность гетеродина, просачивающуюся в предшествующий ему каскад (например, в антенну приемника).

Схема смесителя на рис. 3.6-22(б) принципиально не отличается от схемы на рис. 3.6‑22(а). Разница состоит лишь в том, что напряжение гетеродина подается на диоды в противофазе, а напряжение сигнала в фазе. Однако из-за встречного включения диодов в этой схеме сохраняются те же фазовые соотношения и те же свойства, что и в балансном смесителе по схеме рис. 3.6-22(а). Выходной согласующий трансформатор \(Тр2\) может быть заменен на обычный ВЧ дроссель (включается между выходом и землей) с реактивным сопротивлением на промежуточной частоте, равным требуемому выходному сопротивлению смесителя, а в простейших низкокачественных схемах и на обычный резистор. Дополнительной особенностью данной схемы является равнозначность (функциональная идентичность) входа сигнала \(U_с\) и выхода \(U_{ПЧ}\), которые могут свободно меняться местами, при этом режим работы смесителя остается неизменным.

Двойной (или кольцевой ) балансный смеситель (рис. 3.6-23) обладает дополнительным преимуществом - высокой избирательностью по каналу прямого прохождения. В этом легко убедиться, найдя результирующий ток первичной обмотки выходного трансформатора, аналогично тому, как это делалось для обычного балансного смесителя:

\(I_\Sigma \approx 4b U_с U_г \cos{\left(\left(\omega_г - \omega_с \right) t \right)} + ... \).

Здесь, в отличие от балансного смесителя, отсутствует составляющая с частотой сигнала. Таким образом, благодаря симметрии используемых в схеме трансформаторов и диодов обеспечивается внутренняя взаимная развязка входов сигнала, гетеродина и выхода смесителя.

Кроме схемы построения, смесители принято классифицировать по уровню мощности сигнала гетеродина, подводимого к смесителю. Принята следующая классификация:

Таб. 3.6-1. Классификация смесителей

С увеличением мощности гетеродина несколько изменяется режим работы диодов смесителя. Для смесителей очень низкого и низкого уровня (часто называются “смесителями стандартного уровня мощности”) характерен т.н. квадратичный режим , а для смесителей среднего, высокого и очень высокого уровня - переключательный режим . Работа в квадратичном режиме характеризуется меньшим уровнем побочных продуктов преобразования на выходе и сравнительно малым коэффициентом передачи смесителя, работа в переключательном режиме - более низким уровнем шумов и более широким спектром побочных продуктов.

Квадратичный режим применяется в смесителях бытовых радиоприемников, простейших измерительных приборов и т.п. Оптимальное напряжение гетеродина для работы в квадратичном режиме равно 0,1...0,3 В (для кольцевого смесителя без входного трансформатора несколько больше). В этом режиме линейное преобразование сохраняется до амплитуд сигнала, равных 0,1 амплитуды напряжения гетеродина. На рис. 3.6-24...3.6-26 представлено несколько схем простых диодных смесителей для бытовых радиоприемников.

В высококачественной аппаратуре и широкополосных трактах применяются только смесители среднего, высокого и очень высокого уровней. Эти смесители имеют схемы аналогичные уже рассмотренным. Вместо резонансных контуров на входах и выходах в них обычно применяются широкополосные трансформаторы на ферритовых кольцах. Для оптимизации параметров смесителя и получения максимального коэффициента передачи предпринимаются специальные меры по согласованию входов смесителя с выходами каскада предварительного усиления и гетеродина, а также на выходе смесителя. Практически стандартным стало использование в таких смесителях диодов с барьером Шоттки , которые обеспечивают увеличенный динамический диапазон смесителя и имеют низкий уровень собственных шумов.

Рис. 3.6-24. Простейший балансный смеситель для бытового радиоприемника

Рис. 3.6-25. Балансный смеситель для бытового радиоприемника (вариант 2)

Рис. 3.6-26. Кольцевой балансный сместитель для бытового радиоприемника

На рис. 3.6-27 приведены балансная и кольцевая балансная схемы смесителей для сигналов среднего уровня мощности и их сравнительные характеристики. Представленные смесители работают на частотах 30...300 Мгц, при применении соответствующих диодов и некотором изменении намоточных данных трансформаторов они могут использоваться и на других частотах.

Рис. 3.6-27. Балансный и кольцевой балансный смесители среднего уровня мощности и их параметры

Смесители высокого уровня мощности отличаются от описанного выше кольцевого балансного смесителя среднего уровня только тем, что каждое плечо смесительного кольца образовано не одним, а двумя последовательно включенными диодами Шоттки , что показано на рис. 3.6-28.

Рис. 3.6-28. Схема кольцевого балансного смесителя для сигналов высокого уровня мощности

В смесителях очень высокого уровня мощности каждый диод в кольце включается последовательно с цепью из параллельно соединенных резистора и конденсатора (рис. 3.6-29). Емкость конденсатора выбирается из такого расчета, чтобы его реактивное сопротивление на самой низкой частоте рабочего диапазона было \(\le 50 {Ом}\). На рис. 3.6-30 изображена еще одна схема смесителя для сигналов сверхвысокого уровня мощности. Она обладает расширенным динамическим диапазоном. Высокая эффективность достигается за счет параллельного включения двух смесительных колец и использования модифицированного симметрирующего трансформатора. Номинал конденсаторов в этой схеме выбирают таким образом, чтобы их реактивное сопротивление на минимальной рабочей частоте равнялось 25 Ом.

Рис. 3.6-29. Схема кольцевого балансного смесителя для сигналов сверхвысокого уровня мощности

Рис. 3.6-30. Схема кольцевого балансного смесителя с увеличенным динамическим диапазоном для сигналов сверхвысокого уровня мощности

Существуют и еще более сложные схемы диодных смесителей, рассчитанные на работу с сигналами сверхвысокого уровня мощности. Примером может служить т.н. “дуальный смеситель ”, который строится на базе двух ветвей из кольцевых балансных смесителей и цепей фазового согласования.

В общем случае, при конструировании широкополосных диодных смесителей необходимо придерживаться следующего ряда правил:

• сигнал ПЧ должен сниматься с того же трансформатора, на который подается принимаемый сигнал, сигнал гетеродина подается на другой трансформатор смесителя (это важно для предотвращения проникновения сигнала гетеродина в тракт ПЧ);
• следует обеспечить по возможности наиболее полное электрическое согласование (фазовый и амплитудный баланс) используемых диодов и трансформаторов, для этого необходимы: подбор экземпляров диодов с одинаковыми параметрами (существуют специальные диоды подобранные в пары и четверки в процессе производства), а также идентичность конструктивного исполнения обмоток трансформаторов;
• особое внимание следует уделить согласованию импеданса на выходе ПЧ, к которому подключается специальный фильтр-диплексер, используемый в качестве нагрузки смесителя и обеспечивающий отфильтровывание ненужной зеркальной компоненты;
• сигнал гетеродина должен подаваться на смеситель после усиления в линейном широкополосном усилителе мощности;
• при монтаже трансформаторы и элементы квадрантов нужно располагать строго симметрично и соединять одинаковыми проводниками минимальной длины.

Все описанные выше смесители предназначены для получения сигналов ПЧ с частотой равной сумме или разности частоты исходного ВЧ сигнала и сигнала гетеродина. Как было показано выше, на выходе смесителя присутствуют составляющие и с другими комбинационными частотами, однако их амплитуды слишком малы, что делает совершенно не эффективным преобразование на такие частоты. Данное ограничение, как правило, не мешает строить и качественные схемы любой сложности и вполне компенсируется высокими характеристиками описанных выше балансных и кольцевых балансных смесителей.

Тем не менее, существует достаточно узкая группа устройств, где возможность преобразования по другому закону может оказаться полезной. Примером могут служить широко распространенные в любительской связной технике приемники прямого преобразования . Простота и дешевизна конструкции, высокие чувствительность и избирательность делают их очень удобными для использования в данной сфере. В таких приемниках качественный смеситель является важнейшим узлом схемы и его характеристики определяют все основные характеристики приемника в целом. Конечно, применение кольцевого балансного смесителя (например, по схеме рис. 3.6-29) наверняка позволяет достичь весьма высоких показателей, однако его точная балансировка в широком диапазоне частот в любительских условиях довольно затруднительна из-за влияния многих, часто не поддающихся учету факторов (качества ВЧ трансформаторов и экранировки, собственных емкостей компонентов и т.п.). Плохо настроенный смеситель значительно ухудшает параметры приемника - в антенну просачивается сигнал гетеродина, а сигналы мощных станций подвергаются прямому детектированию в смесителе. Решение данной проблемы состоит в применении специального вида смесителей, в которых производится преобразование не на суммарную или разностную частоту, а на одну из комбинационных частот более высокого порядка.

Для построения подобных смесителей необходимо использовать нелинейные элементы с вольт-амперной характеристикой, отличной от характеристики обычных смесительных диодов (как было показано выше, эта характеристика близка к квадратичной). Оказалось, что такому условию в полной мере соответствует пара однотипных кремниевых диодов, включенных встречно-параллельно (рис. 3.6-31). Вольт-амперная характеристика этой пары может быть приближенно описана уравнением кубической параболы:

\(I_д = aU_д + bU_д^3 \).

Рис. 3.6-31. Встречно-параллельное включение диодов и вольт-амперная характеристика такого узла

Если провести математический анализ работы рассматриваемого нелинейного элемента (такой же, какой был сделан в начале данного раздела для одиночного диода) при подаче на него двух сигналов с частотами \(\omega_г\) и \(\omega_с\), то окажется, что в результирующем токе будут преобладать составляющие с комбинационными частотами равными \(2 \omega_г \pm \omega_с\) .

Таким образом, смеситель, построенный на встречно-параллельной диодной паре , при применении в приемнике прямого преобразования будет требовать частоту сигнала гетеродина в два раза меньшую, чем частота входного сигнала. При этом сигнал гетеродина, просачивающийся во входные цепи, будет значительно ослабляться входным контуром (контур настроен на частоту сигнала, а не на частоту гетеродина). Вввиду симметричности характеристики нелинейного элемента эффект прямого детектирования мощных сигналов также полностью устраняется (при условии идентичности применяемых диодов).

Примеры двух схем простейших смесителей, построенных по рассмотренному принципу, приведены на рис. 3.6-32, 3.6-33. Наладка таких смесителей предельно проста и сводится к подбору близких по характеристикам диодов и согласованию входного и выходного импедансов. При необходимости достижения лучших параметров (для представленных схем характерны некоторая потеря мощности в цепи связи с гетеродином и наличие довольно большого числа комбинационных составляющих на выходе) могут быть использованы все те же решения, которые были рассмотрены для обычных диодных смесителей. Например, в схеме на рис. 3.6‑34 применено включение по балансной схеме.

Рис. 3.6-32. Простейший смеситель на встречно-параллельной диодной паре (вариант 1)

Рис. 3.6-33. Простейший смеситель на встречно-параллельной диодной паре (вариант 2)

Рис. 3.6-34. Балансный смеситель на встречно-параллельных диодных парах

В заключение необходимо отметить, что область применения смесителей на элементах с “кубической” характеристикой не ограничивается приемниками прямого преобразования. Они могут использоваться в модуляторах передатчиков, в супергетеродинных приемниках с высокой частотой входного сигнала и т.п.