Мощные высокочастотные смесители. Балансный смеситель Кольцевой диодный смеситель

Двойной балансный смеситель SA612A

Активный двойной балансный частотный смеситель группы SA612A (фирмы Philips Semiconductors) рассчитан на использование в радиоприемных устройствах, работающих в частотной полосе до 500 МГц. Кроме собственно смесителя, микросхема содержит встроенный гетеродин и цепи стабилизации напряжения.

Основа смесителя - балансный (дифференциальный) усилитель, обеспечивающий на выходе сигнал, пропорциональный лишь разности сигналов на входах и не зависящий ни от их абсолютных значений, ни от колебаний напряжения питания, ни от изменения температуры окружающей среды .

Прибор оформлен в пластмассовом корпусе двух конструктивных вариантов: DIP8 (SA612AN) - для традиционного монтажа (рис. 1); S08 (SA612AD) - для поверхностного (рис. 2).

Структурная схема балансного смесителя SA612А представлена на рис. 3. Цоколевка прибора: выводы 1 и 2 - дифференциальный вход балансного усилителя; вывод 3 - общий, минусовый вывод питания; выводы 4 и 5 - дифференциальный выход смесителя; выводы 6 и 7 - выводы для подключения внешних цепей гетеродина: вывод 8 - плюсовой вывод питания.

Как видно из схемы, устройство имеет два балансных входа и выхода (отсюда и характеристика - двойной). Такая структура дает широкие возможности в построении входных и выходных цепей смесителя (см. ниже). В частности, применение балансной схемы смесителя позволяет избавиться от побочных продуктов преобразования в выходном сигнале .

Основные технические характеристики при Токр. ср = 25 °С и напряжении питания 6 В

Напряжение питания, В......4,5...8
Потребляемый ток, мА, максимальное значение......3
типовое значение......2,4
Максимальная частота входного сигнала, МГц......500
Максимальная частота встроенного гетеродина, МГц......200
Коэффициент шума, дБ (типовое значение), при частоте входного сигнала 45 МГц......5
Коэффициент преобразования, дБ, при частоте входного сигнала 45 МГц минимальное значение......14
типовое значение......17
Точка пересечения по интермодуляции третьего порядка IIРЗ*. дБм (типовое значение), при мощности входного сигнала -45 дБм.....-13
Входное сопротивление балансных входов, кОм (минимальное значение)......1,5
Выходное сопротивление, кОм (типовое значение)......1,5
Входная емкость, пФ......3
Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С. -40...+85

* Так называют условную точку пересечения на графике прямой, характеризующей мощность интермодуляционных искажений третьего порядка, с продолжением линейной динамической характеристики смесителя . Этот параметр позволяет оценить динамический диапазон смесителя по интермодуляции третьего порядка.

Указанные высокочастотные параметры смесителя сняты на испытательном стенде, схема которого показана на рис. 4. Ее фактически можно рассматривать как типовую схему включения.

В зависимости от конкретного применения микросхемы входной сигнал может быть подан по-разному. На рис. 5, а и б представлены резонансные варианты входной цепи, а на рис. 5,в - широкополосный (в этом случае неиспользуемый вывод должен быть "заземлен" по переменному току конденсатором емкостью 0,001...0,1 мкФ в зависимости от рабочей частоты).

Выходные сигналы смесителя (на выводах 4 и 5) имеют противоположные фазы. Нагрузка может быть включена как между фазами (рис. 6,а), так и однофазно (рис. 6,б). Неиспользуемый вывод фирма-изготовитель допускает оставлять свободным; тем не менее лучше его тоже "заземлять" по переменному току через конденсатор.

В качестве частотозадающего элемента встроенного гетеродина можно применять либо LC-контур (рис. 7,а), либо кварцевый резонатор (рис. 7,6), работающий на основной частоте или на гармониках. В паре с гармониковым резонатором необходимо использовать дополнительный LC-контур, настроенный на частоту соответствующей гармоники (L1C2C3, рис. 7,в). Номиналы внешних элементов определяют из тех же соображений, что и для обычного гетеродина на биполярном транзисторе. Вывод 6 микросхемы соединен с базой внутреннего транзистора (VT1 на рис. 7,а).

Смеситель может работать и с внешним гетеродином (рис. 7,г). Амплитуда входного напряжения на выводе 6 смесителя должна быть в пределах 200...300 мВ.

При необходимости сигнал местного гетеродина через конденсатор связи С5 (рис. 7,а) небольшой емкости можно подать на внешнюю усилительную ступень. Амплитуда колебаний гетеродина будет больше, если вывод 7 смесителя зашунтировать резистором (R1) сопротивлением 1...10 кОм.

На рис. 8 и 9 показаны температурные зависимости коэффициента шума Kш смесителя при различных значениях напряжения питания и входной мощности, соответствующей "точке пересечения по интермодуляционным искажениям третьего порядка" Рвх. из соответственно, а на рис. 10 - зависимость того же параметра Рвх. из от напряжения питания.

Литература

Головин О. В., Кубицкий А. А. Электронные усилители. - М.: Радио исвяэь, 1983, с. 87.
Поляков В. Т. О реальной селективности KB приемников. - Радио, 1981, № 3, с. 18-21; №4, с. 21,22.
Рэд Э. Т. Схемотехника радиоприемников. - М.: Мир, 1989, с. 8.
SA612A. Double-balanced mixer and oscillator Data sheet. -

На выходе балансного смесителя подавлено напряжение гетеродина, но присутствует напряжение принимаемого рабочего сигнала. Как это обсуждалось при рассмотрении принципов работы , на выходе идеального умножителя этих компонентов не должно быть в принципе. Уменьшить уровень радиосигнала на выходе преобразователя частоты позволяет схема кольцевого смесителя (преобразователя частоты). Эту схему часто называют двойным балансным смесителем. диодного кольцевого смесителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема диодного кольцевого смесителя (преобразователя частоты)

Подавление входного сигнала на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты) производится за счет вычитания токов балансного смесителя, собранного на диодах VD1, VD4 и токов балансного смесителя, собранного на диодах VD2, VD3.

Спектр сигнала на выходе кольцевого балансного смесителя (преобразователя частоты) приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Спектр сигнала на выходе кольцевого балансного смесителя (преобразователя частоты)

Обратите внимание, что спектр сигнала на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты) уже похож на спектр идеального умножителя. Недостаточно подавленные компоненты спектра выходного сигнала должны быть подавлены полосовыми фильтрами на входе и выходе смесителя.

На выходе схемы кольцевого смесителя (преобразователя частоты) подавляется не только сигнал, присутствующий на входе преобразователя частоты, но и все компоненты, формируемые нечетными степенями полинома аппроксимации крутизны нелинейных элементов, примененных в смесителе. Процесс подавления входного сигнала на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты) иллюстрируется рисунком 3.

Рисунок 3. Временная диаграмма напряжения на выходе кольцевого смесителя (преобразователя частоты)

На этом рисунке рассмотрена ситуация, когда частоты принимаемого сигнала и гетеродина равны. Временная диаграмма выходного тока напоминает временную диаграмму выпрямленного сигнала. В результате четные полуволны принимаемого сигнала подавляют нечетные. Это приводит к тому, что все нечетные гармоники спектра выходного сигнала подавляются. В спектре выходного сигнала в основном присутствуют компоненты четных гармоник:

(1)

Если при этом вольтамперная характеристика нелинейного элемента будет аппроксимироваться квадратичной функцией (полином второго порядка), то мы получим преобразователь, максимально приближенный к идеальному умножителю. Приближение формы вольтамперной характеристики смесительных диодов к квадратичному полиному удается получить соответствующим подбором объемного сопротивления полупроводника.

В настоящее время кольцевые диодные смесители (преобразователи частоты) выполняются в виде готовых интегральных микросхем. При этом входное и выходное сопротивление выполняется равным 50 Ом. Входное сопротивление входа гетеродина тоже делается равным 50 Ом. Интегральное исполнение кольцевого смесителя (преобразователи частоты) позволяет добиться высокой степени симметричности плечей смесителя, что позволяет получить достаточно хорошие характеристики подавления сигналов гетеродина в цепях радио и промежуточной частоты. В качестве примера подобных кольцевых смесителей (преобразователей частоты) можно привести смесители, выпускающиеся фирмой Mini-Circuits. Параметры некоторых из них приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры кольцевых смесителей (преобразоватей частоты)

Тип смесителя	Уровень гетеродина (дБм)	Точка одно- децибельной компрессии (дБм)	IP3 (дБм)	Диапазон частот гетеродина и радиочастоты (МГц)	Диапазон частот промежу- точной частоты (МГц)	Потери преобра- зования (дБ)	Развязка между входами радио- частоты и гетеродина (дБ)	Развязка между входами промежу- точной частоты и гетеродина (дБ)
ADE-1L	+3	0	+16	2...500	0...500	8.0	68...30	55...25
ADE-3L	+3	+3	+10	0.2-400	0...400	9.0	58...28	55...20
MBA-10L	+3	0	+9	800...1000	0...200	9.5	20	15
MBA-15L	+4	0	+10	1200...2400	0...600	8.5	27	20
MBA-25L	+4	0	+10	2000...3000	0...600	8.6	28	15
MBA-35L	+4	0	+9	3000...4000	0...700	8.5	26	17

Габариты данных смесителей выполняются достаточно малыми, пригодными для поверхностного монтажа. На рисунках 4 и 5 приведены фотографии этих микросхем.

Рисунок 4. Внешний вид и размеры смесителей ADE

Рисунок 5. Внешний вид и размеры смесителей MBA

Так как входные и выходные сопротивления выбранных смесителей равны 50 Ом, то схема включения данных узлов радиоприемника достаточно проста. Она приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема включения смесителя частоты на ИМС ADE-1L

При построении современных систем производственной или сотовой радиосвязи следует иметь в виду, что в этих системах связи применяются достаточно высокие частоты. Поэтому при реализации высокочастотных узлов радиоаппаратуры, в том числе и смесителей частоты, следует особое внимание уделять их конструктивным особенностям. Например, все линии связи должны выполняться в виде микрополосковых линий, а отдельные узлы приемников и передатчиков экранироваться от электромагнитных излучений. На рисунке 7 приведена конструкция микрополосковой линии, в которой сигнальный проводник проходит над заземляющей поверхностью печатной платы.

Рисунок 7. Конструктивное исполнение микрополосковой линии с заданным волновым сопротивлением

На данном рисунке W — это ширина сигнального проводника; T — толщина напыления меди; H — толщина диэлектрика печатной платы, обладающего электрической проницаемостью ε . Следует отметить, что для конкретной печатной платы все параметры фиксированы за исключением ширины сигнального проводника. Волновое сопротивление микрополосковой линии можно найти по эмпирической формуле:

(2)

В данной формуле значения H делится на W и T, в результате чего получается безразмерный коэффициент. Поэтому данные значения могут подставляться как в миллиметрах, так и в дюймах. Например, при применении стеклотекстолита FR-4 толщиной 0,5 мм и , равной 4,0, для реализации волнового сопротивления 50 Ом линию передачи необходимо выполнить полоской с шириной 0,5 мм. Толщина покрытия меди при этом должна быть равной 0,04 мм. Для реализации волнового сопротивления 75 Ом при тех же условиях ширина проводника должна быть равной 0,2 мм. Более точные вычисления можно выполнить при помощи калькулятора волнового сопротивления, приведенного на сайте .

Пример конструктивного исполнения смесителя на ИМС ADE-1L приведен на рисунке 8.

Рисунок 8. Пример конструктивного исполнения смесителя частот на ИМС ADE-1L

На рисунке четко прослеживается строгое выдерживание ширины проводников, подводящих входные сигналы. Видно как конструктивно удалены резкие изменения направления для того, чтобы избежать отражения от неоднородности полосковой линии.

Дата последнего обновления файла 10.10.2018

Литература:

Вместе со статьей "Кольцевые смесители" 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

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

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

При конструировании приемников со смесителями на диодах следует принимать во внимание, что сигнал ПЧ получается по уровню меньше входного сигнала на величину потерь в смесителе (на 6-10 дБ). Однако смесители на диодах зачастую смогут обеспечить наименьший уровень шумов. Поэтому к выбору схемы смесителя следует походить с большой осторожностью.

Известно, что параметры радиоприемника во многом зависят от смесителя. Смеситель должен обладать высоким коэффициент передачи, малым уровнем шума (для повышения реальной чувствительности) и хорошо подавлять мешающие AM сигналы, т.е. не детектировать их (для повышения помехоустойчивости).

Этим критериям соответствуют широко известные смесители, сделанные по балансным и кольцевым схемам, которые не детектируют ни напряжение сигнала, ни напряжение гетеродина.

Рис.3
На рис. 1 показана схема простого балансного смесителя, а на рис. 2 показана схема кольцевого смесителя. Обе схемы выполнены на диодах 8 обоих смесителях (рис. 1 и рис. 2) использованы симметрирующие трансформаторы Тр1 и Тр2. намотанные на кольцевых ферритовых сердечниках жгутом, сложенным из трех проводов, скрученных вместе. На рис. 3 показана конструкция такого трансформатора.

Концы проводов в начале жгута помечены как к1 , к2 и к3. Обмотка, состоящая из провода 1, служит для входа сигнала, конец провода 2 соединяется с началом провода 3 - это соединение является средней точкой вторичной обмотки трансформатора и либо соединяется с землей, либо от этой точки берется сигнал для подачи его на УПЧ.

Трансформатор наматывается на кольце из высокочастотного феррита. Диаметр кольца может быть 4... 10 мм, магнитная проницаемость 20...1000. При этом, чем выше частота используемого сигнала, тем меньшей должна быть магнитная проницаемость феррита. Кольца с большой магнитной проницаемости применяются для НЧ диапазонов.

Рис.2
На ВЧ диапазонах достаточно 5... 15 витков. В большинстве случаев первичную обмотку можно настроить в резонанс, подключив параллельно ей конденсатор емкостью 40...500 пФ (подбирается при настройке). Число витков первичной обмотки зависит от сопротивления цепей, подключенных к смесителю.

Зачастую вместо первичной обмотки трансформатора используется контурная катушка последнего каскада УВЧ или гетеродина, на которую, поверх существующей обмотки, наматывается жгутик из двух скрученных вместе проводов, которые соединяются между собой также, как и вторичная обмотка трансформатора Тр1 или Тр2. Витки, намотанные жгутиком, должны располагаться возле заземленного конца контурной катушки.

Для достижения максимальной чувствительности. при настройке смесителя нужно подобрать напряжение гетеродина. Недостаточное напряжение уменьшает коэффициент передачи, 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).

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

Рисунок 1. Схема диодного смесителя

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

Вольтамперная характеристика частотно-преобразующих диодов аппроксимируется функцией

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

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

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

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

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

Рисунок 3. Спектр сигнала на выходе диодного смесителя

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

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

Рисунок 4. Коэффициент преобразования диодного смесителя

Параметр R на этом графике соответствует последовательному соединению сопротивления источника радиосигнала и нагрузки диодного смесителя. Из рисунка 5.5 можно определить, что

1. Коэффициент преобразования диодного смесителя увеличивается при увеличении амплитуды сигнала гетеродина. Сопротивление источника сигнала и нагрузки при этом должны быть уменьшены.

2. Увеличение тока смещения диода смесителя приводит к уменьшению требуемых сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Коэффициент передачи смесителя при этом остается постоянным.

Рисунок 5. Коэффициент преобразования диодного смесителя на второй и третьей гармониках гетеродина.

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

Литература:

Вместе со статьей "Диодный смеситель" читают:

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

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

Принципиальная схема

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

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

Детали

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