Балансный смеситель на диодах прайс лист. Балансные смесители. 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 .

Даррен Конвей

Мощные высокочастотные смесители

Подавляющее большинство радиоприёмников выполнено по супергетеродинной схеме, где для получения промежуточной частоты входные высокочастотные сигналы смешиваются с сигналом встроенного или внешнего гетеродина. Как правило, для оптимального преобразования сигналов на требуемую выходную промежуточную частоту используются два преобразования, а значит, и два смесителя.

Одним из ключевых моментов при проектировании приёмников является правильный выбор этих смесителей, в особенности, для первого преобразования. За последние сорок лет схемотехника СВЧ смесителей развивалась эволюционно, но, наряду с усовершенствованием схем, основные принципы и методы остались в значительной степени неизменными.

Целью данной статьи является обзор ряда реализаций высокочастотных смесителей и обсуждение параметров его отдельных представителей.

Наше обсуждение будет ограничено смесителями для УКВ диапазона, так как изделия для этого диапазона являются наиболее доступными. Представленные в статье материалы подтолкнут разработчиков обратиться к соответствующим спецификациям и рекомендациям, поскольку они содержат значительный объём дополнительной информации, предоставить которую здесь не представляется возможным.

Хотя наш обзор будет ограничен метровым диапазоном, основные принципы работы смесителей и их характеристики одинаковы для любых частот. Цель состоит в том, чтобы обеспечить разработчиков информацией, позволяющей сделать правильный выбор смесителя для конкретного приложения.

Зачем они нужны?

Главным предназначением смесителей является перемножение двух сигналов, один из которых имеет входную частоту, другой - частоту гетеродина, с целью получения на выходе продукта с промежуточной частотой (ПЧ).

В идеальном случае, на выходе смесителя присутствовали бы только желаемые частоты со значениями (F RF + F LO) и (F RF – F LO), где F RF - частота принимаемого сигнала, F LO - частота гетеродина. Разумеется, идеальных устройств в природе не существует.

Распространённые схемы

Имеются три типа смесителей, которые могут быть пассивными или активными. Основные схемы пассивных смесителей представлены на рис. 1, 2 и 3. В активных смесителях диоды заменяются полевыми (FET) или МОП (MOSFET) транзисторами.

Небалансный смеситель на одном диоде, показанный на рис. 1, не имеет никакой развязки между двумя входами и выходом. Такие смесители используются довольно редко, так как недостаточная развязка между входом гетеродина и входом сигнала оборачивается нежелательным излучением антенной сигналов с частотой, кратной частоте гетеродина. В худшем случае, эти сигналы могут выйти за рамки требований электромагнитной совместимости, но даже если они лежат в допустимых пределах, то всё ещё остаются нежелательными.

Однако, подобно небалансному смесителю на одном диоде, развязка между входом сигнала и выходом ПЧ здесь отсутствует. При реализации смесителя на дискретных компонентах простой балансный смеситель предлагает разумный компромисс между превосходными характеристиками двойного балансного и простотого небалансного смесителей.

Идеальный двойной балансный смеситель предлагает бесконечно большую развязку между всеми тремя выводами смесителя. На выходе при этом будут присутствовать сигналы промежуточной частоты (± mF RF ± nF LO), а сигналы с частотами F RF и F LO будут полностью подавлены.

Рис. 3. Идеальный пассивный двойной балансный смеситель обеспечивает полную развязку между всеми тремя выводами - теоретически

В реальных устройствах входной и гетеродинный сигналы на выходе ПЧ будут подавлены не более чем на 50 дБ. Наличие готовых к применению, выполненных в одном корпусе, двойных балансных смесителей зачастую перевешивает использование простых балансных или небалансных смесителей. В большинстве приложений использование двойного балансного смесителя, изображенного на рис. 3, обеспечивает наилучшие характеристики системы.

Что означает “хороший” смеситель?

Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные качества определяются множеством характеристик. Ниже приводится список главных технических требований, предъявляемых к смесителям, в порядке убывания их важности.

Диапазон рабочих частот. Смесители, как правило, применяются в приёмниках, работающих, начиная с очень низких частот до десятков гигагерц. Типичные серийно выпускаемые смесители имеют максимальную рабочую частоту от 100 МГц до 2,5 ГГц. Диапазон рабочих частот является фундаментальной спецификацией проекта, которая в значительной степени определяет конечный выбор типа смесителя.

Динамический диапазон . Это одна из наиболее важных техниче-ских характеристик смесителя. Значительный рост числа используемых передатчиков и наличие других источников помех означает, что современные радиоприёмники, как правило, работают в жёсткой помеховой обстановке.

Даже в случае, когда полезный сигнал имеет очень малый уровень, например, в спутниковых системах связи, от приёмника требуется, чтобы он сохранял работоспособность и характеристики в присутствии сильных мешающих сигналов.

Нижний предел динамического диапазона смесителя определяется его коэффициентом шума, в то время как верхний предел определяется уровнями компрессии коэффи-циента передачи, интермодуляционных составляющих и теплового разрушения.

Коэффициент шума. Как правило, смесители имеют коэффициент шума в пределах от 6 до 20 дБ. Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от конфигурации схемы и типов применяемых в ней элементов. Общепринято, но вовсе не обязательно, перед первым смесителем включать малошумящий усилитель для снижения коэффициента шума приёмника в целом.

Коэффициент передачи. Доступность готовых усилителей, перекрывающих различные участки частотного диапазона, снимает требование наличия у смесителя какого-либо усиления. Более того, избыточное усиление смесителя может отрицательно сказаться на динамическом диапазоне приёмника в целом.

В большинстве случаев, наличие больших вносимых потерь преобразования смесителя также нежела-тельно, особенно при применении пассивных смесителей. Активные сме-сители обеспечивают коэффициент передачи в диапазоне от -1 до +17 дБ, в то время как пассивные смесители имеют типовое значение потерь преобразования от 5,5 до 8,5 дБ.

Гетеродинный сигнал. Идеальный смеситель был бы нечувствителен ни к уровню гетеродинного сигнала, ни к уровням содержащихся в нём кратных гармоник, но в реальном случае параметры гетеродина должны соответствовать параметрам смесителя.

Пассивные двойные балансные диодные смесители требуют уровень гетеродина от +7 до +23 дБм. Активные смесители требуют уровень гетеродина в пределах от -20 до +30 дБм, в зависимости от применяемого типа. Отсюда следует, что разработка гетеродинного генератора самым тесным образом связана с отобранным типом смесителя.

Согласование импедансов. Все три порта смесителя должны быть согласованы с соответствующим трактом. В активных смесителях в результате рассогласования обычно снижается коэффициент усиления.

Простота. Важной характеристикой любой схемы является простота разработки и реализации. Достаточно сложные системы трудно как разрабатывать, так и изготавливать. Применение меньшего числа компонентов снижает стоимость системы, увеличивает надёжность, облегчает техническое обслуживание и требует меньшего количества запасных частей.

Чрезмерно сложный проект приводит к значительному удорожанию оборудования, поэтому разработчики должны стремиться к получению максимальных характеристик при минимуме используемых компонентов.

Интегральные смесители

Так как активные или пассивные двойные балансные смесители предлагают лучшие характеристики и имеют законченное исполнение в одном корпусе, они всё чаще применяются в различных системах, вытесняя небалансные и простые балансные схемы. При этом предполагается, что требование обеспечения высоких динамических характеристик смесителя является превалирующим. В приложениях, где требуется малая потребляемая мощность или иные специальные функции, наилучшим образом могут подойти смесители со схемой, отличной от приведенных ниже двойных балансных смесителей.

AD831. Микросхема AD831 является типичным примером современного активного двойного балансного смесителя на биполярных транзисторах. Смеситель конструктивно размещён в корпусе PLCC, включает буферный усилитель с 50-Ом входом и выходом (рис. 4). Коэффициент усиления буферного усилителя может изменяться за счёт установки соответствующих резисторов в цепь обратной связи. Буфер конфигурируется как преобразователь симметричного сигнала в несимметричный без использования трансформаторов.

Рис. 4. Микросхема AD831 - типичный пример активного двойного балансного смесителя на биполярных транзисторах

Объединение буферного усилителя и смесителя в одном корпусе позволяет применять эту микросхему во входных преобразующих каскадах. В большинстве приёмников сразу за первым смесителем следует фильтр нижних частот и буферный усилитель, а уже затем сигнал поступает на полосовые фильтры промежуточной частоты.

В микросхеме AD831 установка двух дополнительных конденсаторов позволяет реализовать между выходами смесителя и входами буферного усилителя фильтр нижних частот первого порядка. Устанавливая коэффициент усиления буферного усилителя с помощью двух внешних резисторов, можно компенсировать потери, вносимые последующими полосовыми фильтрами.

Если от буферного усилителя требуется максимальный коэффициент передачи, то резисторы обратной связи не ставятся. Чрезмерное усиление сужает полосу пропускания усилителя и отражает шум обратно в смеситель.

Правильно соединённые микросхема и пассивные компоненты могут без труда совмещать функции смесителя, фильтра и буфера в очень маленьком пространстве без использования громоздких подстраиваемых компонентов.

Микросхема AD831 предназначена для работы с входными и гетеродинными сигналами с частотой до 400 МГц, однако, на верхних частотах требуется более подробное рассмотрение параметров. В основном, все рабочие характеристики плоские до частоты 100 МГц. Выше этого значения некоторые кривые улучшаются, в то время как другие ухудшаются.

Характеристики на частоте 200 МГц особенно неоднозначны. Если приложение требует очень хорошей развязки между портами, то частот вблизи этого значения нужно избегать. Развязка гетеродин–сигнал падает с 72 дБ на частоте 100 МГц до минимального значения 45 дБ на частоте 200 МГц, что является ещё достаточно хорошей величиной. Верхняя граница динамического диапазона достигает максимума на частоте 250 МГц, где точка пересечения третьего порядка (IP3) составляет +23 дБм, а уровень сигнала, при котором происходит компрессия усиления на -1 дБ, составляет +11 дБм (рис. 5). Здесь наглядно видно, насколько изменчивы могут быть важные рабочие характеристики. Описанное свойство не является специфическим недостатком именно микросхемы AD831, так как все типы смесителей, и активные, и пассивные демонстрируют характеристики, изменяющиеся в широких пределах.

Рис. 5. Зависимость перекрестных искажений микросхемы AD831 от частоты

Устройство AD831 может использоваться как с однополярным, так и с двуполярным питанием. Регулируе-мое смещение позволяет пользователю управлять потребляемой мощностью. Для обеспечения максимальной динамики (точки IP3) микросхеме требуется ток покоя около 100 мА. При наличии жёстких требований на ток потребления, он может быть снижен до 45 мА.

Коэффициент шума для несимметричного выхода напряжения составляет 20 дБ. Для разработчиков приёмников это означает, что для обеспечения приемлемого коэффициента шума всей системы на входе перед смесителем обязательно должен стоять малошумящий усилитель.

Обобщая всё вышесказанное, отметим, что микросхема AD831 подходит для большинства приложений, где требуется смеситель на частоту до 300 МГц. Характеристики устройства достаточно хороши до частоты 100 МГц, но далее они начинают меняться, особенно на частоте 200 МГц. Коэффициент шума 20 дБ делает это устройство непригодным для применения в системах, где требуется высокая чувствительность.

Возможность получения высококачественного смесителя, ФНЧ и буферного усилителя на очень маленьком пространстве платы, без применения больших подстраиваемых элементов, делает микросхему AD831 удобной для применения во многих приложениях.

SL6440. Микросхема SL6440 представляет собой двойной балансный смеситель на биполярных транзисторах, впервые выпущенный компанией Plessey в 1980 году. Несмотря на почтенный возраст, микросхема всё ещё остаётся полезным устройством с хорошей производительностью.

Полоса пропускания микросхемы по уровню -3 дБ простирается до частоты 150 МГц, однако, для практической реализации это слишком оптимистичное утверждение. Уровень на выходе промежуточной частоты остаётся постоянным до частоты 50 МГц, после чего наклон определяется напряжением питания.

При типовом напряжении питания +6 В завал амплитудно-частотной характеристики на 1 дБ происходит на частоте 80 МГц, в то время как при напряжении питания +12 В он происходит только на частоте 100 МГц. Таким образом, можно смело сказать, что данная микросхема подходит для приложений, работающих на частотах до 90 МГц.

Микросхема SL6440 изготавливается в пластмассовом корпусе типа DIP с 16 выводами (рис. 6). Она имеет два входа и два выхода для работы с симметричными сигналами, но может быть сконфигурирована для обработки несимметричных сигналов. Устройство также имеет вывод управления током потребления, который может быть полезен при работе с батарейным питанием.

Рис. 6. Разработанная в 1980 году, микросхема SL6440 все еще находит применение. Главный ее недостаток - наличие большого чила внешних элементов

С помощью этого вывода можно осуществить функцию “интеллектуального” управления током потребления. При отсутствии сигнала ток должен быть минимальным, при появлении сигнала ток питания увеличивается для обеспечения оптимальных параметров смесителя. Такой режим работы легко совмещается с устройством бесшумной настройки приёмника.

Заметим, что ток потребления большинства активных смесителей может регулироваться различными способами, и это не является характерной особенностью только микросхемы SL6440. Общей тенденцией для любых смесителей, как пассивных, так и активных, является то, что уровень интермодуляционных искажений снижается при увеличении напряжения и тока питания.

Подобно большинству активных смесителей, данная микросхема для обеспечения наилучших параметров потребляет значительный ток. Устройство требует двух положительных напряжений питания. Через вывод VСС1 осуществляется питание смесителя, а через вывод VCC2 - питание буферного усилителя гетеродина.

Типовое значение тока потребления микросхемы SL6440 составляет от 30 до 60 мА, в зависимости от требуемого режима ток может быть снижен или увеличен, причём при его увеличении необходимо использовать внешний теплоотвод. Ток покоя, потребляемый смесителем, определяется величиной напряжения на выводе VCC2 и током IP через вывод 11. Максимальная рассеиваемая мощность устройства составляет 1200 мВт.

Для максимального подавления интермодуляционных составляющих управляющий ток IP должен лежать в пределах 10–12,5 мА, что соответствует суммарному току потребления около 40 мА. Точка компрессии передачи по уровню -1 дБ при этом составляет +7 дБм. Этот уровень может быть увеличен до значения +15 дБм за счет увеличения тока IP до 30 мА, причём суммарный ток потребления составит 77 мА. При снижении тока управления IP ниже 5 мА наблюдается уменьшение уровня полезного выходного сигнала промежуточной частоты.

Коэффициент передачи смесителя определяется конфигурацией входа и выхода, а также током управления. Для резистивных несимметричных входов и выходов потери преобразования составляют 1 дБ. Использование симметричных входов с настроенными трансформаторами позволяет достичь коэффициента передачи смесителя около +4 дБ.

Использование настроенных трансформаторов на входе и выходе смесителя обеспечивает некоторый прирост коэффициента передачи и фильтрацию без потери в характеристиках. Это связано с тем, что симметричные входы и выходы равномерно распределяют токи внутри микросхемы SL6440. В любом случае коэффициент передачи смесителя зависит от управляющего тока IP и импеданса нагрузки. Чрезмерное усиление увеличивает риск перехода выходных транзисторов смесителя в режим насыщения, а значит - этого надо избегать.

Заметим, что информации, приведённой в технической документации на микросхему, явно недостаточно. Здесь приводится только несколько таблиц, графиков и немного текста, описывающих рабочие характеристики и процедуру проектирования. Не приводится никакой информации о внутренних узлах устройства, а также частотных зависимостей импедансов входов и выходов, поэтому для разработки цепей согласования необходимо проводить пробное включение и измерения. Обобщая всё вышесказанное, следует сказать, что, несмотря на солидный возраст, микросхема SL6440 обеспечивает достаточно хорошие параметры на частотах до 90 МГц. Для получения оптимальных характеристик необходимо использовать настроенные входные и выходные цепи. Даже в типовой схеме включения микросхема SL6440 требует наличия около дюжины пассивных элементов вокруг себя, а поэтому занимает относительно большую площадь на печатной плате. Коэффициент шума микросхемы составляет 11 дБ, что также хорошо для данного типа смесителей.

Смесители на полевых (JFET) и МОП (MOSFET) транзисторах

Смесители на полевых (JFET) транзисторах. Такие смесители имеют значительный потенциал для обеспечения очень высоких динамических характеристик. Значения коэффициента передачи здесь вы-ше, а уровни интермодуляционных искажений ниже, чем у типичных пассивных смесителей. Полевые транзисторы имеют квадратичную вольт-амперную характеристику, что значительно снижает уровни интермодуляционных составляющих третьего порядка. И, подобно пассивным смесителям, смесители на полевых транзисторах имеют высокий уровень мощности, при котором происходит их тепловое разрушение. Главное неудобство применения таких смесителей заключается в том, что на настоящий момент не выпускаются готовые законченные сме-сительные модули, объединяющие внутри транзисторы и согласующие трансформаторы. Кроме того, здесь требуется гетеродинный сигнал большой мощности.

В отличие от двойных балансных диодных смесителей, смесители на полевых транзисторах изготавливаются из дискретных элементов. Поэтому даже серийно выпускаемые коммерческие приёмники, например, ICOM R9000, используют простой балансный JFET смеситель, построенный из дискретных компонентов.

Невозможность изготовления законченных двойных балансных смесителей в одном корпусе является главным неудобством смесителей на полевых транзисторах. Здесь требуется применение намотанных вручную симметрирующих трансформаторов согласующего типа, что значительно затрудняет серийный выпуск и приводит к удорожанию изделия.

Если от смесителя требуются оптимальные параметры, используемые в нём трансформаторы должны осуществлять согласование схемы с очень высокой точностью, и поэтому хорошие результаты возможно получить, только комбинируя правильные технические и конструктивные решения с тщательной регулировкой.

Оптимальные значения коэффициентов шума и передачи смесителя реализуются в разных рабочих точках, поэтому токи смещения, уровень гетеродинного сигнала и согласующие трансформаторы должны быть подобраны таким образом, чтобы полевые транзисторы гарантированно работали в квадратичной области своей вольтамперной характеристики, тем самым минимизируя искажения. Минимально достижимый коэффициент шума в таких смесителях 8 дБ.

Для получения оптимальных характеристик двойного балансного смесителя на полевых транзисторах, последние должны быть идеально согласованы, что достаточно трудно при использовании дискретных полевых транзисторов из-за естественного разброса параметров.

На практике максимальное соответствие характеристик полевых транзисторов может быть достигнуто, если они установлены в одном корпусе и выполнены на одной кремниевой подложке. Такие устройства для смесителей производит компания Siliconix, например, пары (U430) и четверки (U350) полевых транзисторов в одном корпусе.

Для простых балансных смесителей требования на идентичность характеристик менее жёсткие - разброс параметров может достигать 10%.

И всё же, несмотря на некоторые проблемы построения, смесители на полевых транзисторах имеют весьма хорошие динамические характеристики. В общем случае, они аналогичны таковым у диодных смесителей, с той разницей, что обеспечивают положительный коэффициент передачи.

Главными неудобствами являются необходимость мощного гетеродинного сигнала и тщательный подбор элементов. Тем, кто желает ближе познакомиться с JFET смесителями, можно порекомендовать литературу и , где подробно описаны основные параметры и принципы практического построения смесителя, изображенного на рис. 7.

Рис. 7. Двойной балансный смеситель на полевых транзисторах

Смесители на МОП транзисторах. Для работы с мощными сигналами вместо полевых транзисторов лучше использовать монолитные сборки из четырех МОП транзисторов с двойной диффузией (DMOS) или набор мощных высокочастотных полевых транзисторов с МОП структурой (MOSFET). Хорошие результаты могут быть получены при применении монолитных устройств Calogic SD8901 и Siliconix SD5000. При использовании MOSFET транзисторов в двойных балансных смесителях без приложения напряжения стока потери преобразования получаются около 7 дБ. При приложении напряжения к стокам транзисторов максимальная передача смесителя может составить +17 дБ.

Одна из особенностей МОП транзисторов заключается в том, что различные типы этих устройств не требуют строго заданного напряжения на затворе. Это означает, что для обеспечения требуемой точки компрессии для смесителей на МОП транзисторах необходима мощность ге-теродина, много меньшая по сравнению с эквивалентным диодным смесителем. То есть для работы мощного MOSFET смесителя не потребуется разработка мощного источника гетеродинного сигнала.

Одновременно с тем, что смесители на МОП транзисторах показывают превосходные динамические характеристики, они сохраняют все проблемы, присущие смесителям на простых полевых транзисторах: наличие прецизионных согласующих трансформаторов и большого числа вспомогательных элементов, занимающих значительную площадь на печатной плате. Такой смеситель был бы незаменим в системах, где приёмник физически располагается вблизи мощного передатчика. Как правило, смесители на МОП транзисторах используются в высококачественных приёмниках средневолнового (MF) и коротковолнового (HF) диапазонов.

Двойной балансный диодный смеситель

Двойной балансный диодный смеситель, безусловно, изделие архаичное, но всё ещё находящее применение в современных радиоприёмных системах. Способность противостоять мощным входным сигналам, низкие стоимость, масса и габаритные размеры готовых монолитных диодных смесителей гарантируют неизменный интерес к ним.

Если наличие отрицательного коэффициента передачи смесителя не критично для данного приложения, то все остальные характеристики сравнимы с другими типами смесителей. Одним из наиболее широко используемых является смеситель SBL-1 производства компании Mini-Circuits. Он дешев, компактен и доступен. Mini-Circuits, а также некоторые другие компании производят широкий диапазон пассивных смесителей, подходящих для большинства разрабатываемых систем.

Аналогично другим описанным выше смесителям, характеристики диодного двойного балансного смесителя зависят от большого числа различных факторов, таких как диапазон рабочих частот, мощность гетеродина, согласование и температура. Типовая зависимость развязки между входом гетеродина и входом сигнала от частоты и уровня гетеродинного сигнала представлена на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость развязки между входом гетеродина и входом сигнала от частоты уровня гетеродинного сигнала диодного смесителя SBL-1 производства компании MINI-CIRCUITS

Для получения минимальных потерь преобразования диодного двойного балансного смесителя необхо-димо тщательно согласовать его выход промежуточной частоты. Фильтр ПЧ должен иметь входной импеданс 50 Ом в широком диапазоне частот, а не только в полосе пропускания. Результатом плохого согласования могут стать повышенные потери преобразования, а также генерация нежелательных гармоник. В дополнение к правильному согласованию, фильтр промежуточной частоты должен подавлять все продукты преобразования смесителя кроме требуемой частоты. Все тонкости разработки фильтра ПЧ для пассивного диодного смесителя являются темой для будущей статьи.

Диодные смесители требуют высокого уровня сигнала гетеродина, что составляет не менее +7 дБм. Некоторые очень мощные пассивные смесители требуют мощности гетеродинного сигнала до +23 дБм. Зависимость между мощностью гетеродина и значением точки компрессии коэффициента передачи по уровню -1 дБ для различных диодных смесителей компании Mini-Circuits показана на рис. 9.

Построение мощных генераторов с требуемой чистотой спектра - задача непростая, особенно, когда разрабатывается портативная аппаратура с батарейным питанием, где доступные напряжение и ток питания относительно низки.

Некоторые серийно выпускаемые смесители имеют встроенный усилитель или на входе гетеродинного сигнала, или на выходе ПЧ. В некоторых ситуациях это может значительно облегчить проектирование. Мощность гетеродинного сигнала и чистота его спектра непосредственно влияют на характеристики и исполнение смесительного каскада, а значит - на всю систему радиоприёмного устройства.

Одним из главных преимуществ пассивных диодных двойных балансных смесителей является отсутствие потребления, однако оно компенсируется необходимостью генерации мощного гетеродинного сигнала и компенсации потерь преобразования.

Хотя сами диодные смесители имеют очень компактное конструктивное исполнение, наличие мощного источника гетеродинного сигнала и схемы согласования с фильтром ПЧ требует существенной площади на плате проектируемого устройства. Однако, если широкий динамический диапазон и низкий уровень шумов являются первостепенными требованиями, диодный двойной балансный смеситель остается наилучшим техническим решением.

Заключение

Выбор смесителя для разрабатываемого приёмника определяется многими факторами. Информация, представленная в таблице, была получена из различных источников. Представленные здесь значения были измерены для конкретных устройств, работающих в типичных условиях, и в большинстве случаев они будут отличаться от тех, что приводятся в технической документации на эти устройства.

Подобно большинству инженерных задач, в основе правильного выбора смесителя для определённого приложения лежит компромисс. В природе не существует какого-либо одного смесителя, идеально подходящего для абсолютно всех задач, и поэтому разработчик должен определить, какие характеристики наиболее важны для его проекта. Таким образом, правильный выбор смесителя - не что иное, как вопрос определения наиболее важных характеристик и их соответствия определённому типу смесителя.

Литература

1. Get the most from mixers, Mini-Circuits.
2. Yousif, AM and Gardiner, JG, Distortion effects in a switching-diode modulator with tuned terminations. Proc IEE, Vol. 119, No 2, Feb. 1972.
3. Oxner, E, FETs work well in active balanced mixers, Siliconix Inc, EDN, 5 Jan. 1973.
4. Oxner, E, Active double-balanced mixers made easy with junction FETs, Siliconix, Inc, EDN, 5 July 1995.
5. Kanazawa, K, et al, A GaAs Double-Balanced Dual-Gate FET Mixer IC for UHF Receiver Front-End Applications, IEE Trans on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-33, No 12, Dec. 1985.
6. Hikita, M, and Akagi, T, Single Balanced Mixer for SAW Front-End Module used in 800MHz Cellular Radio, Electronics Letters, 22 Oct. 1992, Vol. 28, No 22.

ELECTRONICS WORLD, июнь 1998 г.
Перевод Ю. Потапова

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.

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.

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

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.

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.

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

В случае практической реализации схем небалансных диодных смесителей необходимо производить развязку трактов сигнала гетеродина и входного РЧ сигнала, выполняемую обычно при помощи ВЧ трансформаторов, направленных ответвителей или диплексеров (рис. 5).

Рис. 5. Схема небалансного диодного смесителя

В большинстве диодных смесителей используются несмещенные диоды, однако, при подаче на диод прямого напряжения смещения для получения небольшого тока Iд , можно уменьшить потери преобразования смесителя . Это особенно желательно при использовании гетеродина с малым уровнем сигнала. Диод смещается для того, чтобы установить статическую рабочую точку, расположенную близко к области максимальной нелинейности на рабочей характеристике, для нахождения на квадратичном участке характеристики диода при низком уровне сигнала гетеродина.

Достоинства небалансных смесителей:

• могут работать в очень широком диапазоне частот
• схемотехническая простота

Недостатки небалансных смесителей:

• в них не обеспечивается приемлемой развязки между портами
• мощность полезного выходного сигнала зависит от уровней как входного, так и опорного гетеродинного сигналов

Рис. 6. Балансный смеситель с гибридным трансформатором

В балансном диодном смесителе (Single-balanced Diode Mixer, SBM ) используется два диода. Сигналы от гетеродина и источника РЧ складываются в противофазе, при этом происходит уменьшение уровня нежелательных компонент сигнала на выходе ПЧ смесителя и их подавление. Уровень подавления зависит от амплитудной и фазовой симметрии трансформатора, обеспечивающего симметричность сигналов и согласование между двумя диодами. В качественных смесителях, выполненных на дискретных элементах, возможно подавление на 20-30 дБ. Одним из других преимуществ балансных смесителей является подавление четных побочных составляющих и подавление амплитудных (АМ) шумов гетеродина. В ранних моделях СВЧ приемников АМ шумы были серьезной проблемой, так как сигналы гетеродинов были очень зашумлены. Однако в современных РЧ блоках устройств ССПО в качестве гетеродинов используются синтезаторы частот, и фазовые шумы опорных сигналов представляют более серьезную проблему, чем АМ шумы.

Рис. 7. Двойной балансный смеситель

В двойных балансных диодных смесителях (Double-balanced Diode Mixers, DBM ), зачастую называемых кольцевыми , обычно используются 4 диода, соединенных кольцом или звездой с балансными входами гетеродина и РЧ сигнала. Все выводы смесителя фактически изолированы друг от друга. При выполнении диодных колец внутри ИС, удается достичь очень хорошего их согласования и симметрии, так как диоды изготавливаются из одного и того же материала, на одной подложке, имеют одинаковые параметры. Такие структуры являются сбалансированными и по гетеродинному и по РЧ входам.

Преимущества двойных балансных диодных смесителей:

• повышенная линейность, больший динамический диапазон устройства;
• сигналы РЧ и гетеродина на выходе подавляются;
• на выходе смесителя подавляются комбинационные продукты сигналов гетеродина и РЧ четных порядков;
• хорошая взаимная изоляция портов смесителя.

Недостатки двойных балансных диодных смесителей:

• использование двух симметрирующих РЧ трансформаторов, являющихся технологически сложными элементами, и в силу этого затруднена реализация таких структур смесителей в интегральных структурах;
• реальный диапазон рабочих частот ограничен достигаемой технологической симметричностью РЧ трансформаторов;
• необходимость использования мощного сигнала гетеродина;
• необходимо применять полупроводниковые компоненты с идентичными характеристиками.

Сдвоенный двойной балансный смеситель (Double Doubly Balanced Mixer, DDBM ) или строенный смеситель (Triple Balanced Mixer, TBM ) является совокупностью двух кольцевых балансных смесителей. На рис. 9 показана принципиальная схема такого смесителя. Главное преимущество схемы – повышенная линейность, т.к. применение двух диодных колец и дополнительных РЧ трансформаторов позволяет расширить динамический диапазон устройства примерно на 3 дБ и увеличить, минимум на 6 дБ, развязку между входными портами гетеродина и РЧ сигнала.

Рис. 9. Принципиальная схема двойного балансного смесителя

Главный недостаток данного смесителя - увеличенная сложность, т.к. используется 3 симметрирующих трансформатора и 8 диодов. Кроме этого, необходимо увеличить мощность сигнала гетеродина на 3 дБ, по сравнению с кольцевым балансным диодным смесителем. Альтернативной реализацией смесителей с высокой линейностью является выполнение их на полевых транзисторах, описанное далее. При этом может обеспечиваться даже большая линейность, чем в диодных смесителях, при использовании более простой схемы устройства.

На практике такая сложная трансформаторов система не используется, так как более практичным решением является объединение кольцевых балансных смесителей при помощи гибридных комбайнеров и разветвителей.

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