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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Литература:

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

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

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 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.

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

По схемному построению микроэлектронные смесители обычно делят на три типа: смеситель на одном диоде, так называемый одно-тактный смеситель. (ОС); балансный смеситель (БС) и двойной балансный смеситель (ДБС). Более сложные по функциональному назначению смесители рассматривать не будем.

Рис. 4.2. Схема смесителя: а - на одном диоде; б - балансного; в - ДБС по мостовой схеме; г - ДБС по схеме «звезда»

Схемы и показаны на рис. 4.2 . Конструктивно вывод ПЧ сигнала для схемы кольцевого типа выполнен с помощью конфигурации, названной и представляет собой комбинацию гибридного соединения и «четырехдиодной звезды» . Преимуществом схемы «звезда» (рис. 4.2, г) перед кольцевой (рис. 4.2, в) является наличие центрального узла (соединение четырех диодов), с помощью которого осуществляется непосредственное соединение с цепью ПЧ. Все три типа смесителей в значительно большей степени различаются по характеру спектра выходного сигнала, чем по электрической конфигурации их цепей. При преобразовании частоты возникают комбинационные составляющие, частоты которых лежат в полосе пропускания выходных фильтров смесителей, настроенных на ПЧ. На рис. 4.3 построена номограмма для определения возможных комбинаций гармоник сигнала и гетеродина

В табл. 6 приведены комбинационные частоты на выходе БС и Следует помнить, что подавление идет с использованием фазового принципа, поэтому его величина сильно зависит от балансности смесителей и правильного согласования диодов. В табл. 7 приведены параметры различных смесителей .

Рис. 4.3. Номограмма для определения возможных комбинаций гармоник в полосе полезной ПЧ

ДБС имеет следующие преимущества: уменьшение плотности гармоник входных сигналов и комбинационных частот в выходном спектрег увеличение динамического диапазона и максимально допустимой мощности; снижение требований к напряжению пробоя диода; исключение или ограничение требований к фильтрам благодаря развязке между всеми парами полюсов. Однако ДБС имеют и недостатки: например, возрастание требуемой мощности гетеродина на по сравнению с БС при отсутствии смещения; неудобное расположение диодов. Несмотря на эти недостатки, ДБС широко применяют. Рассмотрим характеристики ДБС .

Ширина полосы смесителя по схеме «звезда» в СВЧ диапазоне равна примерно двум октавам, но она обычно ограничена коротко-замыкающими четвертьволновыми шлейфами до октавы. На основе этой схемы изготовлены смесители с шириной полосы в октаву и развязкой между любыми парами полюсов не менее 20 дБ в диапазоне частот до и не менее 17 дБ в диапазоне На рис. 4.4. показаны основные характеристики смесителей в полосе частот от 1 до Комбинационные частоты в таком смесителе можно подразделить на два типа: сигналы с фиксированным и

(кликните для просмотра скана)

зависимым уровнями. Сигналы первого типа получаются при смешении гармоник гетеродина и входного сигнала: . Амплитуды этих сигналов остаются фиксированными относительно боковых частот первого порядка и на графиках зависимости выходной мощности от входной имеют тот же наклон, что и последние (рис. 4.5, а). Гармоники входного сигнала, смешиваясь с сигналом гетеродина или его гармониками, создают сигналы комбинационных частот с зависимыми уровнями, имеющими частоты Амплитуды этих сигналов по отношению к боковым частотам первого порядка зависят от уровня сигнала гетеродина. На графиках зависимости выходной мощности от входной имеют наклон, равный порядку гармоники входного сигнала Наиболее интересными из них являются частоты, кратные ПЧ, так как при широкой полосе входных частот они могут в нее попасть, например частоты где (рис. 4.5, б).

Как отмечалось, подавление в выходном спектре гармоник входных сигналов и сигналов на комбинационных частотах является одной из важнейших характеристик смесителя. Поэтому для обеспечения заданной величины подавления следует правильно выбирать схему смесителя, нагрузки на его полюсах, а также режим смещения постоянным током 185, 191. Хотя, с теоретической точки зрения, ДБС и обладают преимуществом, на практике при реализации смесителей в виде интегральных схем БС имеют лучшие характеристики, в частности, меньший коэффициент шума и КСВ. Это связано с трудностью реализации ДБС в интегральном исполнении, поэтому БС широко распространены в микроисполнении.

Рис. 4.4. Зависимость потерь коэффициента шума и развязки по схеме «звезда»

Рис. 4.5. Амплитуды сигналов комбинационных частот: а - с фиксированным относительно составляющей - соуровнем; с зависимым уровнем

Рассмотрим величины подавления комбинационных составляющих в БС для оценки эффективности их применения, когда требуется подавлять комбинационные составляющие частотного спектра. Выражения для подавления в частном случае, когда частота комбинационного сигнала где , приведены

в работе . Более общие выражения для расчета величины подавления комбинационных составляющих с частотой для БС получены в работе . На рис. 4.6, а показана эквивалентная схема в которой напряжения комбинационной частоты на выходах смесительных диодов (до схемы сложения); и - напряжения полезной ПЧ в тех же самых точках схемы; напряжения сигнала на входах первого и второго диодов; суммарные напряжения комбинационной частоты и полезной ПЧ на входе схемы сложения. Запишем формулу, связывающую величину подавления комбинационных составляющих в БС с величиной подавления этих же составляющих в ОС:

где - подавление в диоде данного смесителя; М - отношение коэффициента передачи по напряжению первого диода для выходной полезной промежуточной частоты к такому же коэффициенту второго диола; - отношение коэффициентов передачи для выходной комбинационной частоты;

Рис. 4.6. Эквивалентная схема балансного смесителя (а) и структурная схема фазового подавления зеркального канала (б)

Углы между векторами выходных напряжений

где - изменение фазы напряжения гетеродина (сигнала), вносимое нагруженным ответвителем ; изменение фазы напряжения от выхода ответвителя до входа диода; угол, учитывающий полярность включения диода. Величина подавления комбинаций только за счет балансности для следующих коэффициентов: характерных для реальных смесителей, составляет 13,4 дБ.

При проектировании смесителей необходимо учитывать способ полезного использования зеркальной частоты. Потери преобразования и коэффициент шума можно минимизировать правильным выбором реактивной нагрузки на суммарной и зеркальной частотах. Однако зачастую это очень трудно осуществить, особенно если зеркальная и сигнальная частоты близки. Существуют два способа решения этой задачи: использование частотно-избирательных цепей и использование фазовых соотношений между сигналами. Схема, собранная на основе первого способа, может работать в узкой полосе частот. Кроме того, если разность между зеркальной частотой и частотой

сигнала мала, то требуются очень высокодобротные фильтры с малыми потерями, которые трудно изготовить в интегральном исполнении. Известны примеры реализации таких схем, которые позволили получить потери преобразования вплоть до 3,5 дБ .

Следует отметить, что в смесителе существуют два сигнала на зеркальной частоте: сигнал, поступающий на вход смесителя с антенны, и сигнал, образующийся в смесителе за счет преобразования входного сигнала. Если по сигнальному входу на диод поступает внешний сигнал с частотой то, взаимодействуя с колебаниями гетеродина, образуется сигнал промежуточной частоты

Фаза этой не коррелирована с фазой полезного сигнала хотя по частоте ничем не отличается от полезного сигнала и является помехой, от которой нельзя избавиться без применения специальных мер.

Рассмотрим фазовые методы подавления зеркальной частоты, которые наиболее приемлемы для микроэлектронного исполнения смесителей. На рис. 4.6, б представлена структурная схема смесителя с подавлением зеркального сигнала, поступающего на вход смесителей . В схеме использованы два балансных смесителя, на которые сигнал подается через гибридное соединение 1, а сигнал гетеродина поступает через синфазный делитель мощности 2 без сдвига фаз. При этом на выходах смесителей достигаются такие фазовые соотношения между сигналами ПЧ, преобразованными от входных сигналов на зеркальной и несущей частотах, что при сложении на выходном гибридном соединении 3 имеем на одном выходном плече только сигнал ПЧ, полученный за счет преобразования сигнала несущгй, а на другом - сигнал зеркальной частоты, который поглощается согласованной нагрузкой. Опытный образец в полосе частот имеет коэффициент шума 10 дБ (включая коэффициент шума дБ) при мощности гетеродина и постоянном прямом смещении на диодах 0,1 В . Развязка между полюсами сигнала и гетеродина составляет более 16 дБ, а величина подавления сигнала по зеркальному каналу -20-25 дБ.

Интерес представляет схема малошумящего смесителя (МШС) с фазовым подавлением зеркального канала приема и с возвращением энергии зеркальной частоты возникающей в смесителе . Если требуется значительное подавление зеркальной частоты более 30 дБ, то используют смеситель с двойным преобразованием частоты, т.е. два последовательно включенных смесителя: первый «переносит» сигнал на высокую (первую) промежуточную частоту, на которой легко фильтрами подавлять зеркальную частоту, а затем второй смеситель преобразует высокую промежуточную частоту в низкую ПЧ, на которой идет дальнейшая обработка сигнала.