Схема смесителя на одном транзисторе

Схема смесителя на одном транзисторе

Балансные смесители работают на принципах сбалансированного ВЧ моста. Важным достоинством таких смесителей является хорошее подавление мешающих сигналов, в том числе и сигналов гетеродина. Существуют также схемы с двойной балансировкой, которые кроме подавления сигнала гетеродина подавляют и входной ВЧ сигнал. Если балансный смеситель выполнен на малошумящих элементах, то это еще больше увеличивает достоинства такого смесителя.

Особого внимания заслуживают смесители на полевых транзисторах, включенных как управляемые активные сопротивления. Схема балансного смесителя дана на рис. 1.

К достоинствам такого смесителя относится также очень малая мощность, потребляемая от гетеродина, поэтому гетеродин почти не нагружается, что очень важно для УКВ аппаратуры, в смысле стабильности частоты.

При малых напряжениях сток-исток, независимо от его полярности, канал полевого транзистора ведет себя как обычное активное сопротивление. Значение этого сопротивления можно изменять от нескольких МОм при запирающем напряжении на затворе до сотен Ом.

Таким образом, если подать гетеродинное напряжение на затвор, получится почти идеально подходящий для смесителей линейный элемент, управляемый только напряжением гетеродина (но не напряжением сигнала), что обеспечивает высокую помехоустойчивость и реальную селективность.

В схеме рис.1 транзисторы отпираются лишь попожительными полуволнами гетеродинного напряжения. Если в эти моменты мгновенное напряжение сигнала также положительно, на выходе смесителя выделится постоянное положительное напряжение.

При перемене фазы входного сигнала на обратную, к каналам транзисторов в моменты его отпирания будет приложено отрицательное напряжение, такое же напряжение будет и на выходе. Поскольку частоты ВЧ сигнала и гетеродина различны (на ПЧ) на выходе выделится сигнал ПЧ, поступающий через ФСС в УПЧ.

В схеме хорошо работают транзисторы КП301, КП302. КП303, КП305. Желательно выбрать тип транзистора с напряжением отсечки, близким к нулю. В противном случае правый по схеме вывод резистора R1 следует подключить к источнику смещения с напряжением, примерно равным напряжению отсечки.

Мощность входного ВЧ сигнала может достигать десятков милливатт. Шумы смесителя малы, поскольку через канал транзистора протекает лишь очень слабый ток сигнала. При этом полевые транзисторы шумят немногим больше обычного активного резисто ра с сопротивлением, равным усредненному сопротивлению канала.

Развязка входных и гетеродинных цепей определяется емкостью затвор-сток транзистора и является значительной в балансной схеме. Здесь паразитные емкости и симметричная катушка связи L2 образуют для гетеродинного напряжения сбалансированный мост. Катушки L2 и L3 могут быть намотаны непосредственно поверх обмоток соответствующих катушек УВЧ и УПЧ.

При этом каждая из этих катушек может иметь 3. 6 витков скрученных вместе двух изолированных проводов, затем начало одного провода этой катушки соединяется с концом провода второго. Это соединение образует точку. которая должна быть заземлена. Конец первого и начало Второго провода соединяются с соответствующими выводами транзисторов VT1 и VT2.

Более подробно создание катушек связи из скрученных вместе проводов будет рассмотрено далее.

В радиолюбительской литературе описана схема еще одного интересного смесителя. На рис. 2 приведена схема подобного смесителя, но предназначенного для выделения промежуточных частот.

Смеситель содержит два полевых транзистора, каналы которых соединены параллельно и включены в цепь сигнала На затворы транзисторов подано противофазное напряжение гетеродина С симметричной вторичной обмотки ВЧ трансформатора Т1.

Интересно то, что этот смеситель не требует симметрирующего ПЧ трансформатора, а частота гетеродина должна быть вдвое ниже обычной для этого диапазона.

Развязка входных и гетеродинных целей весьма значительна (более 60. 70 дБ), во-первых. благодаря тому, что паразитные емкости затвор-сток транзисторов включены в диагонали сбалансированного моста, и. во-вторых, за счет селективных свойств входного контура, настроенного на частоту, вдвое отличающуюся от частоты гетеродина.

В смесителе по схеме рис. 2 хорошо работают транзисторы КП301 или им подобные с ««правой»» характеристикой. Канал этих транзисторов начинает проводить при напряжении на затворе около 5 В. поэтому амплитуда гетеродинного напряжения на каждой из половин вторичной обмотки трансформатора Т1 должна достигать 6. 7 В.

Смеситель можно собрать и на полевых транзисторах с р-n переходом, например серии КП303. На средний вывод обмотки трансформатора в этом случае следует подать напряжение смещения около — 3 В. чтобы при отсутствии переменного напряжения гетеродина каналы транзисторов были заперты. Оптимальное напряжение гетеродина для транзисторов КП303 составляет 1.5. 2 В.

Практические испытания этого смеситепя в диапазоне 28 МГц в конструкции приемника прямого преобразования подтвердили его ожидаемые высокие параметры. Чувстеитель-ность приемника с этим смесителем достигала 0,25. 0.3 мкВ даже без УВЧ. Подавление внедиапазонных AM сигналов превосходило 70 дБ. такого же порядка было и ослабление гетеродинного напряжения на входе приемника.

Источник

Смесители на транзисторах

Смесители частоты на транзисторах предоставляют большие возможности по построению принципиальных схем в сравнении с диодными преобразователями частоты. Однако наилучшими характеристиками, так же как и в случае диодных смесителей частот, обладают кольцевые преобразователи частоты. Так как схема кольцевого смесителя частот получается соединением двух балансных преобразователей частоты, то сначала рассмотрим принципиальную схему транзисторного балансного смесителя. Его схема приведена на рисунке 1.

Вам понравится:  Расчет резистора для светодиода на переменном напряжении


Рисунок 1. Схема транзисторного балансного смесителя частоты

В схеме, приведенной на рисунке 1, токи частоты принимаемого сигнала, протекающие через транзисторы VT1 и VT3, создают на выходе синфазное напряжение, которое компенсируется на входе следующего каскада (или 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 схема двойного балансного транзисторного преобразователя частоты будет работать подобно умножителю сигналов. Схема транзисторного кольцевого смесителя частот (ячейка Гильберта) приведена на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема транзисторного кольцевого смесителя (ячейка Гильберта)

В данной схеме первый балансный смеситель собран на транзисторах VT1 … VT3, второй балансный смеситель собран на транзисторах VT4 … VT6. Для того, чтобы ток промежуточной частоты суммировался на нагрузке, 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 3.


Рисунок 3. 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.

Дата последнего обновления файла 29.04.2010

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. «Проектирование радиоприемных устройств» под ред. А.П. Сиверса — М.: «Высшая школа» 1976 стр. 304 — 309
  2. Палшков В.В. «Радиоприемные устройства» — М.: «Радио и связь» 1984 стр. 107 — 140
  3. «Радиоприемные устройства»под ред. Барулина Л.Г. — М.: «Радио и связь» 1984 стр. 251 — 265
  4. Мощные высокочастотные смесители
  5. Линеаризованный активный смеситель РЕКОМЕНДУЮ ПРОЧИТАТЬ!

Вместе со статьей «Смесители на транзисторах» читают:

Параметры смесителя Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные характеристики определяются множеством параметров.
https://digteh.ru/WLL/ParSmes.php

Принцип работы смесителя Обычно операция умножения двух аналоговых сигналов осуществляется за счет вольтамперной характеристики нелинейного элемента.
https://digteh.ru/WLL/Smes.php

Диодный смеситель В диодном преобразователе на вход нелинейного элемента, в качестве которого выступает диод, одновременно подаются два сигнала.
https://digteh.ru/WLL/DiodSmes.php

Балансные смесители Для того чтобы убрать из выходного сигнала напряжение гетеродина обычно применяют двухтактную схему, называемую балансным смесителем.
https://digteh.ru/WLL/BalSmes.php

Кольцевые смесители Уменьшить уровень радиосигнала на выходе преобразователя частоты позволяет схема кольцевого смесителя.
https://digteh.ru/WLL/KolSmes.php

Смесители с подавлением зеркального канала В ряде случаев в супергетеродинном приемнике очень трудно обеспечить удовлетворение требований по подавлению частоты зеркального канала и соседнего канала одновременно.
https://digteh.ru/WLL/kvSmes.php

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2022

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Вам понравится:  Чему равна емкость плоского воздушного конденсатора если площадь

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более и научно-методических работ, в том числе 15 монографий и 9 учебников и учебных пособий.

Источник

Схема смесителя на одном транзисторе

Предлагаются к рассмотрению и обсуждению варианты схем смесителей, выполненных на полевых транзисторах, используемых в режиме управляемого сопротивления (без источника питания). Подобные смесители обладают рядом достоинств, позволяющих значительно расширить динамический диапазон приемников, особенно гетеродинных (прямого преобразования).

При современной тяжелой помеховой обстановке в эфире важен большой динамический диапазон смесителя, позволяющий в значительной мере избавиться от перекрестных, интермодуляционных и тому подобных помех от мощных внеполосных сигналов, которые практически не ослабляются каскадами, установленными перед фильтром основной селекции.

Если в УРЧ еще можно принять ряд мер, увеличивающих его линейность, то смесители чаще всего выполняются на нелинейных элементах (диодах, транзисторах), которые по самому принципу работы многих смесителей, преобразующих частоту, должны быть нелинейными. По этой причине динамический диапазон смесителя обычно хуже, чем УРЧ.

Уже достаточно давно предложены и используются смесители на полевых транзисторах в режиме управляемого активного сопротивления, достоинства которых еще недостаточно оценены. Схема простейшего смесителя на одном полевом транзисторе показана на рис. 1.

Сигнал со входного контура подается на исток транзистора, а сигнал ПЧ или НЧ (в гетеродинном приемнике) снимается со стока. Источника питания не требуется. Напряжение гетеродина подается на затвор транзистора и управляет сопротивлением канала.

Известно, что при небольших напряжениях промежуток исток—сток (канал) полевого транзистора ведет себя как линейный резистор, независимо от полярности приложенного напряжения. В то же время сопротивление канала может изменяться в зависимости от напряжения затвор—исток, от десятков ом до многих мегом. Это и позволяет использовать полевой транзистор в смесителях как управляемый линейный элемент.

К основным достоинствам смесителя относятся высокая чувствительность, поскольку по каналу транзистора не проходит ни ток питания, ни ток гетеродина, а только слабый ток сигнала, при этом транзистор шумит не многим сильнее обычного резистора с тем же сопротивлением, и высокая линейность, поскольку при небольшом входном напряжении проводимость канала не зависит от него.

Кроме того, смеситель отличается малым проникновением сигнала гетеродина во входную цепь (только через небольшую емкость между затвором и каналом транзистора) и исключительно малой мощностью, требуемой от гетеродина, поскольку входное сопротивление по цепи затвора велико.

Подобный простейший смеситель обеспечивает чувствительность около 1 мкВ (без УРЧ) и динамический диапазон порядка 65 дБ. Повысить динамический диапазон можно следующими классическими способами: перейти к балансной схеме, обеспечить работу смесителя в ключевом режиме и согласовать смеситель с нагрузкой в широкой полосе частот. Балансные схемы смесителей на полевых транзисторах родились из аналогичных схем на диодах, причем канал транзистора подключается вместо диода, а полярность последнего соответствует синфазному или противофазному подключению затвора к гетеродину.

На рис. 2 показана схема балансного смесителя на двух полевых транзисторах. Сигнал подводится к истокам транзисторов синфазно, а гетеродинное напряжение к затворам — противофазно, что обеспечивает поочередное открывание транзисторов положительными полуволнами.

На стоках транзисторов сигналы ПЧ (НЧ) противофазны, что требует применения низкочастотного трансформатора Т2 (на всех схемах магнитопроводы трансформаторов ПЧ (НЧ) показаны сплошной линией, в отличие от ВЧ, где магнитопроводы показаны как магнитодиэлектрические).

Смеситель сбалансирован как по гетеродинному, так и по сигнальному входам. Первое означает, что гетеродинное напряжение не попадает на сигнальный вход, поскольку две паразитные емкости затвор—канал подключены к противофазным выводам вторичной обмотки трансформатора Т1.

Второе означает, что паразитные продукты преобразования, например, низкочастотные токи, возникшие из-за прямого детектирования входных сигналов, приложены к противофазным входам НЧ трансформатора и взаимно компенсируются.

Другой вариант схемы простого балансного смесителя представлен на рис. 3. Здесь сигнал подается на каналы транзисторов противофазно, а напряжение гетеродина на затворы — синфазно. По-прежнему смеситель сбалансирован по гетеродинному напряжению.

Менее очевидно, что смеситель сбалансирован и по прямому детектированию входных сигналов. Дело в том, что продукты прямого детектирования оказываются синфазными на стоках транзисторов (устройство действует как двухполупериодный выпрямитель) и компенсируются в НЧ трансформаторе Т2.

К недостаткам описанных простых балансных смесителей относится неполное подавление побочных продуктов преобразования, в частности, вторых гармоник входного и гетеродинного сигналов.

Наибольшую чистоту спектра обеспечивают двухбалансные смесители (аналоги кольцевых). Схема такого смесителя на четырех транзисторах дана на рис. 4. Смеситель требует трех симметрирующих трансформаторов, установленных на всех входах/выходах.

Здесь поочередно проводят каналы транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4, соединяя выводы симметричных обмоток трансформаторов Т1 и ТЗ то напрямую (проводят VT1 и VT2), то скрещенно (проводят VT3 и VT4).

Вам понравится:  Школьник решил измерить мощность выделяющуюся на резисторе

Этот смеситель дает прекрасные результаты в супергетеродинных приемниках, обеспечивая чуть ли не максимально достижимый в настоящее время динамический диапазон. Разумеется, необходимо принимать все меры по повышению симметричности трансформаторов и подбору транзисторов с одинаковыми характеристиками.

При использовании в гетеродинных приемниках смесители по схемам рис. 2—4 имеют крупный недостаток, связанный с наличием НЧ трансформатора, трудоемкого в изготовлении и подверженного различным наводкам, в том числе и сетевым с частотой 50 Гц. Не исключены и искажения, связанные с нелинейностью магнитных характеристик магнитопровода.

НЧ трансформатор отсутствует в смесителе по схеме рис. 5, где на два транзистора входной и гетеродинный сигналы подаются противофазно.

По сути, это транзисторный аналог двухдиодного балансного смесителя. Однако смеситель имеет недостатки, которые не сразу видны. Он не сбалансирован по гетеродинному входу. Противофазный сигнал гетеродина на затворах транзисторов просачивается через паразитные емкости на крайние выводы симметричной обмотки трансформатора Т1 и не компенсируется.

Кроме очевидного вреда, вызванного излучением сигнала гетеродина через антенну, а именно создания помех другим близкорасположенным приемникам, это чревато приемом собственного сигнала, но уже промодулированного фоном переменного тока и другими помехами. Путей решения проблемы, по крайней мере, два.

Первый состоит в добавлении нейтрализующих емкостей — конденсаторов С1 и С2, включенных перекрестно по отношению к паразитным емкостям транзисторов VT1 и VT2. Подстраивая их емкость, можно добиться значительного подавления сигнала гетеродина на входе. Это же полезно и при использовании смесителя в передающих трактах (ведь все описываемые пассивные смесители полностью обратимы), когда на НЧ вход подается звуковой сигнал, а с ВЧ входа снимается балансно про модулированный DSB сигнал.

Другой путь состоит в использовании транзисторного фазоинвертера вместо симметрирующего трансформатора Т1, см. рис . 6.

На истоке и стоке транзистора VT1 выделяются равные и противофазные напряжения сигнала, которые и подаются через разделительные конденсаторы С2 и СЗ на истоки транзисторов смесителя VT2 и VT3.

В гетеродинном приемнике конденсаторы должны иметь значительную емкость, поскольку через них проходят токи не только высокой, но и звуковой частоты. На месте VT1 можно использовать и биполярный транзистор, но у него хуже линейность и ниже входное сопротивление.

Смеситель отличается высоким подавлением сигнала гетеродина на входе, чему способствует и противофазное подключение транзисторов смесителя к трансформатору Т1, и фазоинверсный входной каскад. Но и это устройство имеет недостаток: выходные сопротивления по цепи истока и стока каскада на транзисторе VT1 разные (первое ниже) и фазоинвертер, вообще говоря, несимметричен.

В балансном смесителе, показанном на рис. 7, проникновение сигнала гетеродина во входную цепь уменьшается из-за того, что параллельно транзисторам VT1, VT3 с n-каналом подключены транзисторы VT2, VT4 с р-каналом, а напряжение гетеродина с симметричной обмотки трансформатора Т2 подано на транзисторы разноименной проводимости противофазно.

При этом на одной полуволне гетеродинного напряжения открываются транзисторы VT1 и VT2, а на другой — VT3 и VT4. Параллельное соединение каналов уменьшает сопротивление плеч смесителя в открытом состоянии, кроме того, улучшает линейность смесителя. Кстати, это давно используется в двунаправленных ключах КМОП логики.

Использовать в смесителях упомянутые ключи можно, но, к сожалению, в элементах КМОП логики противофазный сигнал управления (гетеродинный) для р-канального транзистора образуется из сигнала, приходящего на затвор n -канального транзистора с помощью инвертера.

Последний имеет довольно большое время задержки (порядка 50 не для МС серии К561), в результате чего появляется дополнительный фазовый сдвиг, ухудшающий работу смесителя на высоких частотах, в частности, не полностью устраняется прохождение гетеродинного сигнала на вход смесителя.

В заключение рассмотрим работу весьма интересного и простого смесителя, предложенного специально для гетеродинных приемников (рис. 8).

Он выполнен на двух одинаковых полевых транзисторах, каналы которых соединены параллельно, а на затворы поданы противофазные гетеродинные напряжения от симметричной обмотки трансформатора Т1.

Транзисторы должны быть закрыты при нулевом напряжении на затворе и открываться только на пиках гетеродинного напряжения. В результате смеситель открывается дважды за период гетеродинного напряжения, а частота гетеродина выбирается вдвое ниже частоты сигнала.

Это весьма выгодно, в частности, для УКВ приемников (требуется меньше ступеней умножения частоты) и вообще для всех гетеродинных приемников, так как «просочившийся» в антенную цепь сигнал гетеродина эффективно подавляется входным фильтром. Перспективно применение данного смесителя в синхронных гетеродинных УКВ приемниках, где крайне важно малое проникновение сигнала гетеродина во входные цепи.

Однако этот смеситель сбалансирован только по гетеродинному входу, но не по сигнальному. Поэтому возможно паразитное прямое детектирование мощных мешающих сигналов на нелинейности перехода исток—сток транзисторов.

Источник

Поделиться с друзьями
Радиолюбительские схемы
Adblock
detector