Недостатки двойных балансных диодных смесителей. Диодный смеситель Диодные смеситель кв диапазона их проверка

В диодном преобразователе на вход нелинейного элемента, в качестве которого выступает диод, одновременно подаются два сигнала — напряжение входного принимаемого сигнала и напряжение гетеродина. В общем случае на этот же диод может быть подано напряжение смещения E0, которое обеспечит необходимый уровень отсечки сигнала гетеродина. Один из вариантов принципиальной схемы диодного смесителя сигналов с возможностью задания тока смещения через смесительный диод, приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема диодного смесителя

При коротком замыкании на выходе схемы ток через диод будет полностью определяться его статической вольтамперной характеристикой:

Вольтамперная характеристика частотно-преобразующих диодов аппроксимируется функцией

где I 0 — ток насыщения обратно смещенного p-n-перехода диода;
r б — сопротивление базы диода;
g — коэффициент, равный у большинства диодов 20—40 В –1

Напряжение на входе диодного преобразователя определяется суммой входного сигнала, сигнала гетеродина и напряжения смещения.

Напряжение на входе диодного преобразователя, вольтамперная характеристика диода, и ток на его выходе приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Форма напряжения и тока гетеродина в диодном преобразователе частоты

Как видно из этого рисунка, ток на выходе будет в основном зависеть от напряжения гетеродина, поэтому в спектре выходного сигнала естественно будет присутствовать составляющая этого сигнала. Кроме того, ток в схеме зависит и от полезного сигнала, а это значит, что в спектре выходного сигнала будет присутствовать и эта компонента. Избавиться от лишних компонент спектра в выходном сигнале можно только при помощи полосового фильтра. Спектр тока на выходе диодного преобразователя и характеристика фильтра

Рисунок 3. Спектр сигнала на выходе диодного смесителя

Как видно из рисунка 2, форма тока, а, следовательно, и напряжения на выходе преобразователя не совпадают. Это означает, что на выходе преобразователя образуются гармоники сигнала гетеродина. Уровень гармоник сигнала гетеродина существенно зависит от угла отсечки синусоидального колебания, который в свою очередь зависит от напряжения смещения E см и от амплитуды напряжения гетеродина U mг.

В показано, что существуют уровни сигнала гетеродина, при которых отсутствуют продукты нелинейности второго и третьего порядка. Коэффициент преобразования диодного смесителя не может превышать значения . График зависимости значения коэффициента преобразования диодного смесителя от уровня сигнала гетеродина и сопротивления источника сигнала и нагрузки, приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Коэффициент преобразования диодного смесителя

Параметр R на этом графике соответствует последовательному соединению сопротивления источника радиосигнала и нагрузки диодного смесителя. Из рисунка 5.5 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 5. Коэффициент преобразования диодного смесителя на второй и третьей гармониках гетеродина.

Следует отметить, что форма колебания гетеродина оказывает существенное влияние на смесителя. В показано, что при ее приближении к прямоугольной, нелинейные искажения диодного смесителя значительно уменьшаются.

Литература:

Вместе со статьей "Диодный смеситель" читают:

Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные характеристики определяются множеством параметров...
http://сайт/WLL/ParSmes.php

Обычно операция умножения двух аналоговых сигналов осуществляется за счет вольтамперной характеристики нелинейного элемента...
http://сайт/WLL/Smes.php

Для того чтобы убрать из выходного сигнала напряжение гетеродина обычно применяют двухтактную схему, называемую балансным смесителем...
http://сайт/WLL/BalSmes.php

Уменьшить уровень радиосигнала на выходе преобразователя частоты позволяет схема кольцевого смесителя...
http://сайт/WLL/KolSmes.php

В ряде случаев в супергетеродинном приемнике очень трудно обеспечить удовлетворение требований по подавлению частоты зеркального канала и соседнего канала одновременно...
http://сайт/WLL/kvSmes.php

Кольцевой диодный смеситель по сравнению с транзисторным обладает тем преимуществом, что подавляет многие побочные продукты преобразования и практически полностью исключает прямое прохождение сигнала в цепи усилителя ПЧ и гетеродина.

Принципиальная схема

Сигнал на вход кольцевого смесителя (V2—V5) поступает через апериодический каскад на транзисторе V1. Напряжение гетеродина подводится к смесителю через симметричную катушку L1 связи с фильтром ПЧ L2C4, настроенным на частоту 465 кГц. Линейность преобразователя по сигнальному входу сохраняется до амплитуды, равной примерно 0,1 амплитуды напряжения гетеродина.

Оптимальное напряжение гетеродина (с учетом потерь на резисторах R3 — R5) — 150...400 мВ, допустимое напряжение сигнала — 10...30 мВ. Это накладывает ограничения на коэффициент усиления усилителя РЧ — он должен быть минимально необходимым для получения требуемой чувствительности приемника. Кроме того, усилитель РЧ должен быть охвачен эффективной АРУ.

Детали

Катушки L1 и L2 намотаны на унифицированном трехсекционном каркасе, помещенном в ферритовые (600НН) чашки врнєшним диаметром 8,6 мм. Под-строечник — типоразмера CC2,8 X 14 из феррита той же марки. Катушка L1 содержит 3X6 витков провода ПЭЛШО — 0,1 (намотана в два провода), катушка L2 — З X 24 витка провода ПЭВ-2 — 0,1.

Как уже мы рассматривали ранее для необходимо осуществить умножение входного сигнала на синусоидальное напряжение местного генератора (гетеродина). Устройства, умножающие два аналоговых сигнала, в радиоприемных и радиопередающих устройствах получили название смесители. Обычно операция умножения двух аналоговых сигналов осуществляется за счет вольтамперной характеристики нелинейного элемента. Пример вольтамперной характеристики нелинейного элемента приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 Умножение двух аналоговых сигналов за счет вольтамперной характеристики нелинейного элемента

В реальных схемах смесителей амплитуда сигнала местного генератора (гетеродина) многократно превышает амплитуду входного сигнала. Поэтому динамическое сопротивление (или коэффициент передачи) нелинейного элемента можно рассматривать как функцию от напряжения гетеродина. Коэффициент передачи нелинейного элемента определяется по формуле:

поэтому крутизну можно рассматривать как производную от вольтамперной характеристики нелинейного элемента. Тогда напряжение на выходе смесителя будет записано следующим образом:

Эта формула показывает, что описанное изменение режима работы нелинейного элемента под действием напряжения гетеродина эквивалентно умножению входного сигнала на это напряжение. Если вольтамперная характеристика будет представлять собой квадратичную зависимость тока от напряжения, то производная от нее будет являться линейной функцией, и в этом случае крутизна нелинейного элемента будет линейно зависеть от напряжения гетеродина, а значит, в смесителе не будут проявляться полезного сигнала.

Теперь определим коэффициент передачи смесителя (преобразователя частоты). Для этого воспользуемся зависимостью крутизны нелинейного элемента с квадратичной характеристикой от входного напряжения. График зависимости крутизны от входного напряжения для нелинейного элемента с квадратичной характеристикой приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. График зависимости крутизны от входного напряжения для нелинейного элемента с квадратичной характеристикой

К сожалению, кроме описанного полезного преобразования, на выходе нелинейного элемента будут присутствовать и дополнительные компоненты спектра. Прежде всего, это напряжение самого гетеродина и его гармоник. Ведь нелинейный элемент обладает и статическим коэффициентом передачи. То же самое можно сказать и по отношению к входному сигналу. В случае квадратичной характеристики нелинейного элемента на его выходе будет присутствовать напряжение первой и второй гармоник, как гетеродина, так и входного сигнала.

При обсуждении принципов работы мы уже обсуждали, что для переноса спектра полезного сигнала на промежуточную частоту используется формула:

Однако в рассматриваемой ситуации на нелинейном элементе присутствуют сигналы гармоник входного сигнала и гетеродина. Промежуточная частота может образовываться не только первыми гармониками, но и гармониками более высоких порядков. В результате данная формула видоизменяется к следующему виду:

В результате в приемнике образуются дополнительные побочные каналы приема. Где находятся эти каналы и механизм их возникновения иллюстрируется рисунком 2.

Рисунок 2. Механизм образования побочных каналов за счет продуктов нелинейности второго и третьего порядков

Наиболее близким побочным каналом является канал f с ", отстоящий на половину промежуточной частоты. Он образуется при перемножении его второй гармоники и второй гармоники гетеродина. Разность частот между ними точно соответствует промежуточной частоте. В результате преобразования сигнал этого канала проходит на выход фильтра промежуточной частоты без ослабления. Появление этого побочного канала оборачивается ужесточением требований к фильтру радиочастоты.

Для борьбы с этим побочным каналом приема применяются симметричные схемы смесителей, такие как и смесители. Кроме того, существенную роль играет уровень сигнала гетеродина. При увеличении уровня сигнала гетеродина уровень гармоник принимаемого сигнала уменьшается. Это связано с тем обстоятельством, что нелинейный элемент фактически переходит в ключевой режим работы.

Точно таким же образом образуется побочный канал за счет перемножения третьей гармоники побочного канала f с " и гетеродина. Обычно в смесителе уровень продуктов преобразования третьего порядка выше, чем уровень продуктов преобразования второго порядка, однако этот побочный канал приема отстоит от полезного сигнала дальше (на 2/3f пч), а, следовательно, его легче можно подавлять при помощи полосового фильтра преселектора.

При проектировании смесителя количество учитываемых гармоник сигнала и гетеродина зависит от вида вольтамперной характеристики нелинейного элемента и формы сигнала гетеродина. Наименьшим количеством гармоник, а, следовательно, и наименьшим количеством побочных каналов обладают смесители, построенные на нелинейных элементах с квадратичными вольтамперными характеристиками.

В последнее время широко стали применяться преобразователи частоты с прямоугольной формой напряжения гетеродина. Активные элементы смесителя (диоды или транзисторы) при этом работают практически в ключевом режиме. При этом как в открытом, так и в закрытом состоянии они представляют собой практически линейное сопротивление. В результате гармоники полезного сигнала практически не образуются. Нелинейные свойства активных элементов проявляются только при переключении режима работы и чем короче этот интервал - тем лучше. Как следствие - гармоникам гетеродина не с чем взаимодействовать

Для подавления нежелательных составляющих спектра применяются полосовые фильтры, настроенные на частоту рабочего канала. Кроме того, в некоторых схемах смесителей применяются различные методы компенсации напряжений и токов гетеродина и сигнала. Наибольшее распространение в супергетеродинных приемниках получили смесители на диодах и транзисторах. Начнем изучение работы преобразователей частоты с простейшей схемы - диодного смесителя

Литература:

Вместе со статьей "Принцип работы смесителя (преобразователя частоты)" читают:

В диодном преобразователе на вход нелинейного элемента, в качестве которого выступает диод, одновременно подаются два сигнала...
http://сайт/WLL/DiodSmes.php

может быть использован в тракте усилителя высокой или промежуточной частоты радиоприемника . Коэффициент передачи усилителя от режима работы каскада на транзисторе VT1, что позволяет ввести в АРУ с глубиной регулировки до 40 дБ.

Радиоприемник (рис. 39.9) может принимать сигналы радиолюбительских радиостанций в диапазоне 14 МГц (или 21 МГц при замене контуров) . состоит из входного предусилителя на транзисторе VT1 и двух смесителей с перестраиваемым (DA1) и кварцованным (DA2) гетеродинами. Выходной сигнал частотой 465 кГц через подают затем на AM/ и (на схеме не показано).

Катушки индуктивности радиоприемника выполнены на каркасах диаметром 6-7 мм с подстроечными сердечниками из феррита и содержат: L2, L4-L9 - по 18 витков провода диаметром 0,3-0,4 мм виток к витку; LI, L3, L10 - по 6 витков такого же провода, намотанных поверх соответствующих катушек; L11 - 80 витков провода диаметром 0,15 мм внавал. Катушки выполнены без экранов. При использовании экранов число витков следует увеличить на 30-40 %.

Рис. 39*17. Типовая включения микросхемы SA612А

Рис. 39.18. Варианты выполнения входных цепей балансного смесителя на микросхеме SA612A

Рис. 39.19. Варианты выполнения выходных цепей балансного смесителя на микросхеме SA612А,

Рис. 39.20. Варианты выполнения цепей гетеродина балансного смесителя на микросхеме SA612А

Типовая включения микросхемы показана на рис. 39.17. Варианты подключения входных, выходных цепей и цепей гетеродина - на рис. 39.18-39.20. Параметры катушек индуктивности, рис. 39.17: L1 - 0,2-0,283 мкГн;

Рис. 39.21. на микросхеме ΝΕ612

L2 - 0,5-1,3 мкГн; L3 - 5,5 мкГн·,

L4 - 1,5-44 мкГн.

С использованием микросхемы ΝΕ612 может быть изготовлен несложный , рис. 39.21 . Взаимосвязанные колебательные контуры L1C5, L2C6 должны быть настроены на частоту второй гармоники входного сигнала.

Для СВ-радиостанций, работающих по сетке частот, обычно используют цифровые синтезаторы. Учитывая, что при приеме сигналов используется автоподстройка на частоту канала, можно собрать простой аналоговый синтезатор частот, плавно перестраиваемых по диапазону.

Рис. 39.22. синтезатора частот на основе микросхемы SA612А

Частотно-модулированный «аналоговый» синтезатор, представленный на рис. 39.22 , выгодно отличается повышенной стабильностью частоты вырабатываемого сигнала, что обусловлено применением высокочастотного кварцевого резонатора на частоту 24 МГц. Плавная перестройка осуществляется в диапазоне частот 27,0-27,3 МГц. с электронной перестройкой работает в диапазоне частот 3,0-3,3 МГц.

L1 содержит 20 витков; L2 - 9; L3 - 2; L4 - 8; L5 - 3 (подбор); L6 35 витков провода ПЭВ-1 0,23 мм, намотка виток к витку. Катушки L2 и L3, как и L4 и L5 расположены на общих каркасах.

Рис. 39.23. Фрагмент приемного тракта на микросхеме SA612A

Радиоприемный тракт (до цепей ) на микросхеме SA612A выполнен с кварцевой

стабилизацией частоты, рис. 39.23 . Сигнал промежуточной частоты выделяется пьезокерамическим фильтром на 10,7 МГц. Входной контур L1C2 настроен на частоту 27,14 МГц.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

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

Качественный уровень смесителя	\(P_Г\)
очень низкий



очень высокий

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.