Меню

Смеситель тока с напряжением

Балансный смеситель

Автор — Анатолий Белых (UA1OJ)
164500, г. Северодвинск, а/я 27.
E-mail: ua1oj (at) atnet.ru

Публикации на других сайтах только с письменного разрешения автора.

Балансный смеситель

Создание современной аппаратуры для любительской радиосвязи — процесс творческий. Конструктор находится в состоянии постоянного поиска новых решений, позволяющих реализовать высокие требования, предъявляемые сложной электромагнитной обстановкой в эфире. При приеме слабых сигналов далеких корреспондентов среди огромного количества мощных помех от любительских, вещательных и коммерческих станций основным вопросом является реальная избирательность приемного тракта трансивера. В свою очередь реальная избирательность зависит от шумовых свойств радиоприемного устройства, линейности тракта приема и полосы пропускания. Для решения этого вопроса и создания аппаратуры, удовлетворяющей современным требованиям с высокой чувствительностью, избирательностью и большим динамическим диапазоном за последние несколько лет в радиолюбительской периодике было предложено не мало различных рекомендаций, основной мотив которых — «Все что можно изобрести — уже изобретено». Публиковались уже известные и типовые схемы узлов в различной их конфигурации. Очень часто в своих конструкциях авторы использовали канал полевого транзистора без подачи постоянного напряжения ‘сток-исток’ в качестве переменного резистора, управляемого напряжением на затворе. Этот принцип используется в различных ключах, аттенюаторах, регуляторах, пассивных смесителях.

На суд читателей популярного издания предлагается очередной, но не традиционный подход к этому вопросу, суть которого заключается в использовании полевого транзистора в цепи отрицательной обратной связи усилительного элемента в смесителе. Однажды, много лет назад в журнале «Радио» [№1/1984, стр. 23] в рубрике «QUA» промелькнула схема смесителя на двух полевых транзисторах КП313.

Эта схема не заслужено, обойдена вниманием радиолюбителей-конструкторов. Проведя ряд экспериментов на макете и в реальных конструкциях, удалось получить результаты, которые превзошли все ожидания. Каскады с использованием принципа, заложенной в этой коротенькой заметке, прекрасно работали в смесителях приемников прямого преобразования, SSB детекторах, балансных модуляторах. В дальнейшем схема претерпела изменения и дополнения и в одном из многих вариантов предлагается на рис. 1.

Рис.1 Балансный смеситель приёмного тракта.

Преимущества данного смесителя перед ранее опубликованными схемами на диодах и полевых транзисторах в пассивном режиме заключаются в низком уровне собственных шумов, высокой чувствительности и более высоком коэффициенте преобразования (до +12дБ против -7,8дБ у пассивных смесителей). Этот фактор позволяет обойтись без применения УВЧ в тракте приема и тем самым расширить динамический диапазон по интермодуляционным составляющим третьего порядка. Приведенный здесь смеситель обладает чувствительностью не хуже 0,5мкВ и динамическим диапазоном по интермодуляционным составляющим третьего порядка, при измерении с разносом частот 10кГц, не хуже 106дБ. Подавление прямого канала ‘вход-выход’ не хуже 46дБ. Этот параметр во многом зависит от подбора пар транзисторов и симметрирования согласующего контура. При качественном изготовлении и настройке достигается уровень -56…-60дБ. Избирательность по соседнему каналу зависит от характеристик кварцевого фильтра.

Данный смеситель изготовлен по балансной относительно сигнального входа схеме на двух биполярных СВЧ транзисторах КТ610А, в цепи отрицательной обратной связи по току, которых установлены два полевых транзистора КП307А. Для обеспечения оптимального режима работы на затворы этих транзисторов подается запирающее напряжение порядка -2,5V. Удвоенная частота гетеродина подается на вход делителя на 1/2 м/с КР1554ТМ2 (аналог м/с 74АС74). Применение этого триггера позволяет получить меандр, необходимый для ключевого режима полевых транзисторов, без использования дополнительного дифференциального усилителя. В коллекторную цепь транзисторов КТ610А включен контур, выполняющий функции симметрирования каскада и согласования сопротивлений смесителя и кварцевого фильтра. На выходе кварцевого фильтра также установлен контур, позволяющий наиболее оптимально согласовать фильтр с первым каскадом УПЧ. Следующим за кварцевым фильтром установлен прекрасно зарекомендовавший себя в различных конструкциях каскад усиления промежуточной частоты на малошумящем и дешевом двухзатворном полевом транзисторе КП327А. На второй затвор VT5 подается управляющее напряжение АРУ/РРУ.

В этом смесителе использованы резисторы МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25 Конденсаторы КМ-4, КМ-5 и КМ-6, контура диаметром 6мм от телевизора «Юность». Сердечники из латуни М4х10. Дроссели L1 и L4 ДМ-0,1 и могут быть заменены на любые с индуктивностью 20-100мкГн и ток до 50-100мА. Вместо транзисторов КП307А можно использовать любые из серий КП302 или КП303. Хорошие результаты получались с транзисторами КП302Б. Вместо КТ610А можно использовать КТ368А, но при этом заметно снижается динамический диапазон. Не эквивалентной заменой КП327А являются транзисторы КП306 и КП350. В кварцевом фильтре можно применить любые малогабаритные резонаторы на частоты 5-9 МГц. При выборе значения промежуточной частоты необходимо учитывать чистоту спектра с учетом комбинационных составляющих продуктов преобразования в основном канале приема. Автором использовался восьмирезонаторный фильтр Чебышева из кварцев РГ05 на частоту 8867,238кГц.

Эта статья рассчитана на подготовленного радиолюбителя-коротковолновика, умеющего пользоваться паяльником и измерительными приборами и способного испытать экспериментальную конструкцию в эфире. Если описанный здесь смеситель заинтересовал Вас и Вы готовы проверить все вышесказанное на практике, то автор может считать, что добился поставленной цели.

Источник

БАЛАНСНЫЕ СМЕСИТЕЛИ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, МОДУЛЯТОРЫ, ПЕРЕМНОЖИТЕЛИ В УСТРОЙСТВАХ НА МИКРОСХЕМАХ

Балансные смесители представляют собой устройства, предназначенные для выполнения операции сложения или вычитания частот двух или более сигналов.

Балансные смесители используют в радиоприемной/ради- опередающей технике для синтеза необходимой рабочей частоты или переноса сигнала из одной области частот в другую (выше или ниже по частоте). Если подать на входы такого устройства сигналы двух частот, то на выходе смесителя будут присутствовать, по меньшей мере, сигналы четырех частот: исходных, их суммы и их разности. Ненужные для последующей работы сигналы удаляют за счет использования фильтров.

Рис. 39.7. Эквивалентная схема микросхемы балансного модулятора МС1496

Микросхема балансного модуля- тора/демодулятора МС1496/МС1596 фирмы Philips Semiconductor, Motorola (рис. 39.1) предназначена для использования в качестве широкополосного смесителя, умножителя частоты, фазового или амплитудного детектора и т. д.

Близким ее отечественным аналогом, имеющим, однако, иную цоколевку и характеристики, является микросхема балансного модулятора 140МА1, К140МА1, КР140МА 7.

Микросхема МС1496 способна работать при напряжении питания

Рис. 39.2. Схема преобразователя частоты для супергетеродинного приемника

на микросхеме МС1496

до 30 В, потребляя ток до 10 мА. Рекомендуемое напряжение питания — 12 В. Предельная рабочая частота — 10 МГц, хотя микросхема сохраняет работоспособность и при работе на частотах до 300 МГц и выше.

Пример использования микросхемы МС1496 в качестве преобразователя частоты супергетеродина приведен на рис. 39.2.

Схема удвоителя частоты на микросхеме МС1496 представлена на рис. 39.3. При подаче на оба входа микросхемы перемножителя (балансного модулятора) сигнала синусоидальной формы она обеспечивает на

Рис. 39.3. Схема удвоителя частоты на микросхеме MCI 496

выходе сигнал синусоидальной формы удвоенной частоты. Индуктивность Ll=600 нГн, L2=10 нГн.

ные. 39.4. Электрическая схема микросхемы К174ПС1

Микросхемы К174ПС1 (UL1042N, S042, ТСА240, U5010A), рис. 39.4 и рис. 39.5, и их аналоги 174ПС1У КФ174ПС1

(иная цоколевка и корпуса) можно отнести к универсальным, пригодным для использования в радиоэлектронных конструкциях разнообразного назначения. Основное назначение этих микросхем — использование в качестве двойных балансных смесителях (преобразователях частоты) для радиоприемных устройств КВ и УКВ диапазонов (до частот порядка 200 МГц и выше) [39.1].

Крутизна преобразования микросхемы К174ПС1 —не менее

Рис. 39.5. Типовая схема включения КТ74ПС1

4,5 мА/Ву коэффициент шума — не свыше 8 дБ. Потребляемый ток — 2,5 мА при напряжении питания 9 В. Входное напряжение — не более 1 В.

Более современная модификация микросхемы — К174ПС4у имеющая аналогичную электрическую схему, цоколевку и области использования, способна работать до частот 1000 МГц. При номинальном напряжении питания 6(±10 %) В микросхема потребляет ток до 10 мАу имеет крутизну преобразования 6 мА/В на частоте 2,8 МГц и 5 мА/В на частоте 1000 МГц. Коэффициент шума на частотах 100 и 1000 МГц — не свыше 12 дБ и 14 дБу соответственно. Входные напряжения — не более 0,5 В.

может быть использован в тракте усилителя высокой или промежуточной частоты радиоприемника [39.1,

Рис. 39.6. Дифференциальный усилитель на микросхеме К7 74ПС7

имеет коэффициент передачи около 20 дБ, частота настройки в пределах 160 кГц — 230 МГц при переключении LI С1-контуров изменяется перестройкой конденсатора переменной емкости С1 [39.1]. Коэффициент передачи усилителя зависит от режима работы каскада на транзисторе VT1, что позволяет ввести в усилитель АРУ с глубиной регулировки до 40 дБ.

На рис. 39.8 показано применение микросхемы К174ПС1 в преобразователе частоты радиовещательного приемника [39.1]. Контур L1C1 настроен на промежуточную частоту, настройка гетеродина определяется контуром L2,C5—C10,VD1. При отсутствии варикапа элементы С9, CIO, Rl, R2 можно исключить и настраивать контур гетеродина конденсатором переменной емкости, включенным параллельно катушке индуктивности L2.

Читайте также:  Определите направление индукционного тока в кольце если оно отталкивается от магнита

Рис. 39.7. Схема резонансного усилителя на микросхеме К7 74ПС 7

Рис. 39.8. Схема преобразователя частоты радиовещательного приемника

Рис. 39.9. Входная часть связного супергетеродина с двойным преобразованием частоты на микросхемах К174ПС1

Радиоприемник (рис. 39.9) может принимать сигналы радиолюбительских радиостанций в диапазоне 14 МГц (или 21 МГц при замене контуров) [39.3]. Приемник состоит из входного предусилителя на транзисторе VT1 и двух смесителей с перестраиваемым (DA1) и кварцованным (DA2) гетеродинами. Выходной сигнал частотой 465 кГц через фильтр промежуточной частоты подают затем на AM/SSB-детектор и УНЧ (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. 39.10. Схема синхронного детектора декодеров цвета/ удвоитель частоты

Микросхему К174ПС1 можно использовать и для детектирования балансномодулированных сигналов в синхронных детекторах декодеров цвета телевизионных систем PAL и НТСЦ, рис. 39.10 [39.1]. На вход 1 подают сигнал цветовой поднесущей, а на вход 2 — сигнал с кварцевого генератора декодера.

Противофазные продетектирован- ные сигналы снимают с резисторов R1 и R2. На выходе такого детектора получается один из цветоразностных сигналов. Для другого сигнала нужен второй детектор.

Данное устройство может быть и удвоителем частоты, для чего необходимо объединить входы 1 и 2. Тогда с выходов можно снимать сигналы с

Рис. 39.11. Схема смесителя для УКВ-приемника

Смеситель УКВ– радиоприемника на микросхеме К174ПС1 (UL1042) с перестройкой контуров при помощи вариометров показан на рис. 39.11 [39.4].

Радиоприемник на фиксированную частоту приема, выделенную для устройств дистанционной охраны объектов (27,12 МГц), может быть изготовлен с использованием преобразователя частоты, рис. 39.12 [39.1,39.2]. Сигнал с выхода конвертора подается на УПЧ радиовещательного приемника.

Рис. 39.12. Схема конвертора-приемника радиоохранной сигнализации

Рис. 39.13. Схема входных цепей радиоприемника СВ-диапазона (27,12 МГц)

Простой приемник, входные цепи которого приведены на рис. 39.13, выполнен с использованием микросхемы К174ПС1 или К174ПС4 [39.5]. Контур L1C3 настроен на частоту 27,12 МГц, соответствующую СВ-диапазону. С выхода устройства снимается сигнал промежуточной частоты 465 кГц, который может быть усилен, проде- тектирован и подан на УНЧ. Катушки индуктивности L1 и L2 (в экране) намотаны на каркасе от контуров модулей цветности или декодеров PAL телевизоров 2-3-4-УСЦТ и имеют 6 и 2 витка провода ПЭВ 0,31 мм (или 0,2—0,5 мм). В качестве фильтра Z1 можно использовать пьезокерамический фильтр ФП1П1-61-01.

Радиоприемное устройство на 2-х метровый диапазон, точнее, его входную часть до УПЧ можно собрать по схеме, рис. 39.14 [39.4]. В качестве входного двухзатворного полевого транзистора VT1 можно использовать транзисторы BF960, KF907, КП350. Чувствительность конвертора (приемника) регулируют потенциометром R4.

Конвертер с кварцевой стабилизацией частоты гетеродина (рис. 39.15) имеет повышенную чувствительность и избирательность за счет использования двухкаскадного предусилителя на полевых транзисторах и промежуточного ВЧ-фильтра, настроенного на центральную частоту принимаемого диапазона длин волн [39.4].

Рис. 39.16. Схема и цоколевка двойного балансного смесителя SA612A

Рис. 39.14. Схема входных цепей FM-приемника на 144 МГц

Рис. 39.15. Схема ВЧ-каскада преобразования частоты радиоприемника

Обмотки трансформатора L2, L3 содержит 18 и 10 витков провода ПЭВ 0,25. Транзисторы VT1, VT2 — BF256, КПЗОЗ.

Двойной балансный частотный смеситель SA612A (Philips Semiconductors), аналоги NE602N, NE612 (рис. 39.16) предназначен для использования в приемопередающей аппаратуре, работающей в полосе частот до 500 МГц [39.6, 39.7]. Напряжение питания — 4,5—8 В при максимальном токе потребления 3 мА.

Предельная частота встроенного гетеродина —

200 МГц, входное и выходное сопротивление —

Рис. 39*17. Типовая схема 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 схема 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. Удвоитель частоты на микросхеме ΝΕ612

L2 — 0,5—1,3 мкГн; L3 — 5,5 мкГн·,

С использованием микросхемы ΝΕ612 может быть изготовлен несложный удвоитель частоты, рис. 39.21 [39.8]. 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. Схема синтезатора частот на основе микросхемы SA612А

Частотно-модулированный «аналоговый» синтезатор, представленный на рис. 39.22 [39.9], 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. Гетеродин с электронной перестройкой работает в диапазоне частот 3,0—3,3 МГц.

Катушка индуктивности 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 схемы приемного тракта на микросхеме SA612A

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

стабилизацией частоты, рис. 39.23 [39.10]. 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.

Источник

Записки программиста

Диодный кольцевой смеситель: теория и практика

19 августа 2020

Смеситель частот (frequency mixer) — это схема, выполняющая перемножение двух сигналов. Из школьного курса тригонометрии нам известно, что cos(α)×cos(β) = ½cos(α-β) + ½cos(α+β). Поэтому в сочетании с фильтрами смеситель позволяет двигать сигнал выше или ниже по частоте. Это называется гетеродинирование (heterodyning). На данном принципе работают все приемники прямого преобразования и супергетеродинные приемники. Сегодня мы спаяем собственный смеситель и рассмотрим несколько примеров его использования.

Теория

Схем смесителей существует сильно больше одной. Лучшим источником информации по теме смесителей, что мне удалось найти, является книга Solid State Design for the Radio Amateur, за авторством Wes Hayward, W7ZOI и Doug DeMaw, W1FB. Книга вышла более 40 лет назад, в 1977 году, и в наши дни найти ее может быть проблематично. Однако она доступна в электронном виде на archive.org. Желающих ознакомиться с разными схемами смесителей, понять их классификацию, слабые и сильные стороны, и так далее, я вынужден направить к этой книге. Это действительно большая тема.

Мы же сосредоточимся на одной схеме, которая часто используется на практике. Она называется двойной балансный диодный кольцевой смеситель (double balanced diode ring mixer) или просто диодный кольцевой смеситель (diode ring mixer). Название как бы намекает, что где-то в схеме должно быть кольцо из диодов:

Схема диодного кольцевого смесителя

Схема имеет два входа — гетеродин (local oscillator, LO) и ВЧ (radio frequency, RF), а также выход ПЧ (intermediate frequency, IF). Стоит сказать, что IF может быть использован как вход, а RF — как выход, но такой режим мы рассмотрим отдельно. Как же работает эта схема?

Когда ток течет из LO в смеситель, на вторичной обмотке левого трансформатора течет противофазный ток, через диоды D1 и D4. Через D2 и D3 ток не течет, их как будто вовсе нет в схеме. Таким образом, в правом трансформаторе верхняя половина вторичной обмотки оказывается как бы выключена. Ток может течь только через нижнюю половину. То есть, правый трансформатор работает просто как трансформатор 1:1 и сигнал течет с RF на IF без изменений.

Когда же ток течет в LO из смесителя, ситуация противоположная. Диоды D1 и D4 не участвуют в работе схемы, но ток течет через D2 и D3. В правом трансформаторе работает верхняя половина вторичной обмотки, и мы снова получаем трансформатор 1:1. Но обратите внимание на то, куда подключен IF и где у трансформатора точки. По сравнению с предыдущей ситуацией трансформатор получился перевернутым. То есть, фаза RF будет сдвинута на 180°, что эквивалентно умножению на -1.

Читайте также:  Допустимый длительный ток для кабелей при прокладке в трубе

Другими словами, мы умножаем RF на меандр с частотой, заданной LO. Меандр состоит из множества нечетных гармоник, основной из которых будет LO. На выходе смесителя также будут нежелательные сигналы, вызванные перемножением RF на третью, пятую и прочие гармоники LO, но их мы всегда можем отфильтровать. Вспомним, что диоды D1-D4 не являются идеальными. Ток через них является функцией от разности потенциалов на диоде. Плюс к этому, не бывает двух одинаковых диодов. Все это тоже вносит вклад в отличие выхода от идеальных ½cos(α-β) + ½cos(α+β).

Стоит отметить, что на выходе диодного кольцевого смесителя следует использовать не фильтры, а диплексеры. Фильтры вне своей полосы пропускания имеют высокий КСВ, а значит отражают нежелательный сигнал обратно в его источник. В случае со смесителем это ни к чему хорошему не приведет. В отличие от фильтров, диплексеры позволяют погасить нежелательный сигнал на эквиваленте нагрузки. Еще один нюанс заключается в том, что смесителю нужен достаточно высокий уровень LO, около 7 dBm.

Плюсом диодного кольцевого смесителя является широкополосность. В отличие от смесителей на активных компонентах, диодный кольцевой смеситель почти не вносит собственного шума в сигнал. Есть и другие преимущества. В частности, в схеме используются легко доступные и удобные в использовании компоненты, чего не скажешь о смесителях, использующих dual gate MOSFET’ы. Последние либо редки, либо относительно дороги, либо представляют собой очень маленькие компоненты для поверхностного монтажа.

Модель приведенной выше схемы для LTspice вы найдете в этом архиве. Заинтересованным читателям предлагается проверить, что она действительно работает так, как описано выше.

Практика

В моем исполнении диодный кольцевой смеситель получился таким:

Самодельный диодный кольцевой смеситель

Трансформаторы намотаны эмалированной проволокой 0.6 мм на ферритовых кольцах FT50-43 трифилярной обмоткой. У меня получилось 7 витков. Согласно Solid State Design for the Radio Amateur, порядка 10 витков на ферритовых кольцах с высокой магнитной проницаемостью (μ ≈ 800 для 43-ей смеси) должны хорошо работать для КВ. Для УКВ рекомендуются материалы с магнитной проницаемостью поменьше, например, 61-ая смесь с μ ≈ 125.

В качестве диодов были использованы диоды Шоттки 1N5818. Выбор диодов не принципиален. Подойдут даже обычные импульсные диоды, хотя диоды Шоттки предпочтительнее. Будет не лишним подобрать при помощи мультиметра четыре диода с одинаковым напряжением смещения (voltage drop). Впрочем, в своем смесителе я использовал случайные диоды.

Проверим смеситель при помощи анализатора спектра:

Проверка самодельного смесителя с помощью анализатора спектра

Генератором сигналов на LO был подан сигнал с частотой 14 МГц, а на RF — с частотой 3 МГц. Поэтому на выходе смесителя мы видим 14 − 3 = 11 МГц и 14 + 3 = 17 МГц. На скриншоте мы также видим сигнал меньшего уровня с частотой 14 МГц. Это сигнал утечки с LO. Мы также видим и другие нежелательные сигналы, но в данном случае их уровень невысок. Заметьте, что сигналы с маркерами 1 и 3 различаются на 1.5 dB. Возможно, такого перекоса не было, если бы я использовал подобранные диоды. Поигравшись с LO и RF можно найти и другие артефакты. В целом, смеситель адекватно работает на частотах до 30 МГц. Однако с ростом частоты падает уровень полезного сигнала и снижается изоляция между LO и IF.

Эксперимента ради подключим порт RF смесителя к КВ-антенне, на LO подадим 25 МГц, а IF подключим к RTL-SDR v3:

Смеситель в качестве апконвертера

Перед нами радиолюбительский диапазон 40 метров, только смещенный на 25 МГц выше. То есть, мы получили апконвертер. Очень простой, совсем без фильтрации, но все же вполне рабочий. Даунконвертер работает по тому же принципу. Этот прием можно использовать, если интересующий сигнал выходит за поддерживаемый интервал частот вашего приемника.

Выше было сказано, что IF может быть использован как вход, а RF — как выход. Давайте проверим. На LO подадим 7 МГц, а на IF подадим какой-нибудь НЧ сигнал порядка 2 кГц. RF подключим к осциллографу, не забыв о согласовании импеданса:

Выход двухполосного модулятора

Перед нами ни что иное, как двухполосная модуляция (double sideband, DSB). Вспомним, что DSB — это в сущности амплитудная модуляция с подавленной несущей, или в точности произведение несущей на НЧ сигнал. Не удивительно, что смеситель частот и DSB-модулятор представляют собой одну и ту же схему. Отфильтровав сигнал, мы можем получить либо нижнюю боковую (lower sideband, LSB), либо верхнюю боковую (upper sideband, USB).

Кроме того, в сочетании с аттенюаторами и делителями/сумматорами можно получить AM:

Амплитудная модуляция при помощи диодного кольцевого смесителя

Иллюстрация позаимствована из The ARRL Handbook. В сущности, здесь берется DSB и к нему с нужным уровнем добавляется несущая. Получается амплитудная модуляция. Проверено, работает.

Заключение

Сегодня мы разобрались, как работает ключевой компонент радиоприемников. Еще мы выяснили, как сделать апконвертер, даунконвертер и узнали новый способ получения амплитудной модуляции. Также теперь мы имеем почти все необходимое для генерации SSB сигнала. Немало открытий для схемы из двух трансформаторов и четырех диодов!

А доводилось ли вам делать смеситель частот? Если да, то по какой схеме вы его делали?

Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Смеситель частот на интегральной схеме SA612 и Самодельный апконвертер на 40 МГц. Вариант буфера для диодного кольцевого смесителя описан в статье про ВЧ усилители с обратной связью. Несколько доработанную схему смесителя вы найдете в посте Супергетеродинный приемник на диапазон 40 метров.

Источник



Особенности налаживания смесителей

Владислав Артеменко (UT5UDJ)
(КВ журнал 4,5-97)

Приемники и трансиверы прямого преобразования благодаря своей простоте, высокой чувствительности и селективности, хорошей надежности пользуются популярностью у радиолюбителей. Но далеко не всегда в аппарате, даже выполненном по хорошо отработанной схеме, реализуются заложенные в него изначально возможности и параметры.

В результате многолетней эксплуатации автором статьи этой группы связной аппаратуры выяснилось, что низкочастотные узлы (в основном усилители НЧ) сохраняют работоспособность при снижении напряжения питания до 2. 6 В (при номинальном 9. 12 В). При этом у них, как правило, уменьшается коэффициент усиления.

Основная причина неудовлетворительной работы приемников и трансиверов прямого преобразования — неоптимальный режим работы смесителя. Высокие параметры достигаются только при тщательном подборе гетеродинного высокочастотного напряжения на диодах смесителя. Оно должно быть в пределах 0,6. 0,75 В на кремниевых диодах и 0,15. 0,25 — на германиевых. При меньших напряжениях гетеродина уменьшается коэффициент передачи смесителя. Уменьшается он и при больших напряжениях, так как диоды оказываются открытыми почти все время. При этом возрастают шумы смесителя.

Стабильность частоты и амплитуды напряжения, подаваемого на смеситель с гетеродина (особенно на ВЧ любительских диапазонах), во многом зависит от стабильности питающего напряжения.

Практически во всех схемах, приводимых в литературе, отсутствует цепь регулировки гетеродинного напряжения на диодах смесителя. Рекомендуется подбирать конденсатор связи гетеродина со смесителем или изменять число витков катушки связи. Но этот процесс весьма трудоемкий и к тому же не дающий уверенности в том, что настройка аппарата произведена должным образом.

Недостаток этого способа еще и в том, что в процессе налаживания надо выключать приемник (трансивер) и перепаивать конденсатор или перематывать катушку. Но за это время любительская станция, по громкости приема которой ведется настройка, часто перестает работать, и поэтому нельзя узнать, растет или падает чувствительность налаживаемого аппарата. Целесообразнее проводить настройку по сигналам «слабой» станции во время стабильного прохождения радиоволн, т.е. когда не наблюдается заметных колебаний уровня принимаемого сигнала.

Из-за отсутствия необходимых измерительных приборов приемники и трансиверы прямого преобразования часто настраивают «на слух», что не лучшим образом отражается на их параметрах.

На рис. 1 показана схема вольтметра-пробника, доработанного в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2]. Он позволяет довольно точно измерить напряжение гетеродина непосредственно на диодах смесителя.

Рассмотрим простые способы настройки и доработки приемников и трансиверов прямого преобразования, которые позволяют устранить указанные выше конструктивные недостатки.

Прежде всего, при доработке следует ввести цепь стабилизации напряжения питания гетеродина. Схема стабилизатора показана на рис. 2. Стабилитрон VD1 выбирают с напряжением стабилизации в 1,5. 2 раза меньше номинального напряжения питания приемника (трансивера). Резистором R 1 устанавливают оптимальный ток через стабилитрон. Сопротивление резистора R1 должно быть таким, чтобы ток стабилизации стабилитрона VD1 не превышал максимально допустимого значения. Конденсатор С1 уменьшает «просачивание» шумов стабилитрона, в результате чего снижается шумовая модуляция напряжения гетеродина, уменьшается общий шум приемника.

Читайте также:  Что такое параметры постоянного тока

Изменять ВЧ напряжение на диодах смесителя удобно подстроечным безындукционным резистором, включенным параллельно или последовательно с катушкой связи (R1 соответственно на рис. 3 и 4).

В последнем случае можно использовать как трансформаторную (рис. 4,а) связь гетеродина со смесителем, так и автотрансформаторную (рис. 4,6). При более точной настройке напряжения гетеродина (например, при приеме сигналов слабослышимых станций «на слух») ВЧ вольтметр отключают.

Необходимо отметить, если применяются приведенные доработки, число витков катушек связи следует несколько увеличить, так как введение подстроечного резистора уменьшает выходное напряжение гетеродина. Особенно это относится к варианту, схема которого приведена на рис.3. В совокупности число витков катушки связи, сопротивление резистора R1 и емкость конденсатора С2 должны быть такими, чтобы напряжение на кремниевых диодах смесителя можно было регулировать в пределах от 0 до 1,2. 2 В, на германиевых — от 0 до 0,5. 1 В. В этом случае оптимальное напряжение достигается приблизительно при среднем положении движка резистора R1.

Регулировать выходное напряжение гетеродина можно, изменяя напряжение питания, как это, например, сделано в [З]. Однако это подходит только на частотах до 3. 4 МГц. На более высоких (выше 7 МГц) такая регулировка может привести к значительному уходу частоты гетеродина.

На рис. 5 приведена схема гетеродина с буферным узлом, в который введена цепь регулировки выходного напряжения. При повторении следует учесть, что эмиттерный повторитель не дает усиления по напряжению, и поэтому высокочастотное напряжение на катушке связи должно быть в два раза больше. чем требуется для нормальной работы смесителя.

В радиолюбительской практике наиболее широко используются диодные балансные смесители. Их основные достоинства — простота конструкции и настройки, отсутствие переключения по высокой частоте при переходе с приема на передачу. Балансные смесители на полевых и биполярных транзисторах применяются значительно реже.

В простых балансных смесителях на диодах напряжение гетеродина и некоторые побочные продукты преобразования на выходе могут подавляться на 35 дБ и более. Но такие результаты достигаются лишь в одном направлении: в том, в котором смеситель сбалансирован. В авторской конструкции трансивера [4] смеситель сбалансирован лишь в сторону усилителя мощности. Если используется двойной балансный смеситель [5], уменьшатся шумы, возрастет чувствительность, улучшится помехозащищенность.

Двойные балансные смесители сбалансированы по обоим входам (выходам). Они подавляют не только колебания гетеродина, но и преобразуемый сигнал, оставляя лишь продукты их смешения и обеспечивая тем самым чистоту спектра. Применение таких смесителей позволяет снизить требования к подчистному фильтру, включенному на выходе смесителя, и даже отказаться от него вовсе, присоединив выход смесителя непосредственно к усилителю ПЧ, на выходе которого должен находиться фильтр основной селекции (например, ЭМФ или кварцевый фильтр). На двойной смеситель можно подавать значительно больший по уровню сигнал при приеме, поскольку он резко ослабляет эффект прямого детектирования сигнала или помехи, т.е. не происходит детектирования без участии колебаний гетеродина, как это бывает в обычном амплитудном детекторе.

Наиболее часто в радиолюбительских конструкциях применяется двойной балансный смеситель, схема которого изображена на рис. 6. Его еще называют кольцевым, так как диоды в нем включены но кольцу.

Нередко этот смеситель рекомендуют дополнить элементами балансировки R 1, С 1, С2 (рис. 7). Причем резистор R1 должен быть безындукционным. Такая доработка улучшает параметры смесителя.

При работе на низкочастотных диапазонах высокочастотные трансформаторы наматывают, как правило, на ферритовые кольца типоразмера К7х4х2 с магнитной проницаемостью 600. 1000 тремя скрученными (3-4 скрутки на 1 см длины) между собой проводами ПЭЛШО 0,2. Приблизительно делают около 25 витков (до полного заполнения кольца). При установке трансформатора его обмотки фазируют согласно рис. 6 и 7.

Существуют два основных варианта включения двойного балансного смесителя в трансивер. В первом сигнал проходит как при приеме, так и при передаче в одном направлении от входа к выходу смесителей. Так, например, сделано в широкоизвестных трансиверах «Радио-76» [6] и «Радио-76М2» [7]. Многочисленные эксперименты, проведенные автором, выявили, что при гетеродинном напряжении, меньшем оптимального, значительно ухудшается чувствительность в режиме приема, а при большем — существенно уменьшается подавление несущей в режиме передачи (чувствительность при этом также падает, но это менее заметно на слух, чем в предыдущем случае). Качественная зависимость основных параметров трансиверов от уровня напряжения гетеродина, поступающего на смеситель, приведена на рис. 8 (кривая 1 — чувствительность при приеме, определяемая на слух, 2 -чувствительность, измеренная приборами, 3 — подавление несущей при передаче).

Во втором варианте сигнал в режиме приема подается на вход балансного смесителя, а при передаче — на выход. При таком включении используется принцип обратимости смесителя. Так построен ВЧ тракт трансивера, описанного в [8]. Налаживание смесителя и в этом случае сводится к установке оптимального гетеродинного напряжения и его тщательной балансировке. Следует особо отметить, что операция налаживания не зависит от принципа построения ВЧ тракта трансивера.

Теперь несколько практических рекомендаций по налаживанию ВЧ тракта трансивера.

В первую очередь нужно настроить смесители. Предварительно движки балансировочных резисторов в них устанавливают в среднее положение. Далее к антенному гнезду трансивера подключают ГСС и постепенно увеличивают гетеродинное напряжение на смесителях. Сигнал с ГСС подают с уровнем, превышающим чувствительность приемного тракта в несколько раз. Необходимо добиться приема сигнала. Вели генератора нет, операцию выполняют на слух, принимая сигнал радиолюбительской SSB радиостанции или генератора шума на маломощном стабилитроне.

Затем поочередно настраивают каждый из смесителей. Вначале подбирают оптимальное гетеродинное напряжение. Для этого его постепенно увеличивают и оценивают на слух: растет ли громкость приема сигнала ГСС, радиостанции или генератора шума. Как было замечено автором, по мере увеличения гетеродинного напряжения, подаваемого на смеситель, громкость приема на слух сначала растет, достигая максимума, а затем практически не меняется (рис. 8, кривая 1). Гетеродинное же напряжение следует установить таким, чтобы при небольшом его уменьшении громкость приема падала, а при его небольшом увеличении не возрастала. Практически это реализуется перемещением в небольших пределах движка резистора, управляющего уровнем выходного напряжения гетеродина. Если такой возможности в трансивере нет, то аппарат следует доработать.

Как правило, на выходе того или иного гетеродина включен эмиттерный повторитель. В этом случае доработка оказывается весьма простой: постоянный резистор в эмиттерной цепи транзистора заменяют безындукционным подстроечным резистором того же номинала, что и постоянный.

После оптимизации гетеродинного напряжения нужно еще раз более тщательно сбалансировать смесители. К входу или выходу (в зависимости от построения трансивера) подключают ВЧ милливольтметр или осциллограф и, перемещая движок резистора R1, а затем подстраивая конденсаторы С1 и С2 (см. рис. 7), добиваются минимума показаний. Если используются приборы с высоким входным сопротивлением, то к входу и выходу смесителя следует подключить близкие по сопротивлению (в пределах 50. 100 Ом) резисторы.

Предпочтение следует отдавать балансировке в сторону выхода передающего тракта. Различие в сбалансированности входа и выхода смесителя должно быть небольшим (единицы децибелл). Если же оно достигает 10 дБ и более, то это, как правило, следствие того, что гетеродинное напряжение, поданное на смеситель, значительно больше оптимального.

Для проверки и балансировки смесителей автором созданы простые приборы. На рис. 9, а показана схема усилителя ВЧ, к входу которого подключают смеситель, а к выходу подключают для грубой настройки высокочастотный вольтметр (рис. 9, б), для точной — ВЧ пробник (рис. 9, в). При этом устанавливать дополнительные резисторы сопротивлением 50. 100 Ом в смеситель не нужно.

Окончательно смесители настраивают после их установки в трансивер (его переводят в режим передачи). Предварительно аппарат должен быть налажен в режиме приема. Чтобы шумы микрофона не мешали при балансировке, вход микрофонного усилителя замыкают накоротко. Первым балансируют самый низкочастотный смеситель, а затем остальные по порядку прохождения через них сигнала в режиме передачи, добиваясь минимума показаний ВЧ на эквиваленте нагрузки (рис. 10), подключенному к усилителю мощности трансивера. После этого корректируют настройку остальных узлов. Эту процедуру целесообразно повторить два-три раза.

Источник