Вопрос 12. Балансные транзисторные и диодные преобразователи частоты

Операция преобразования сводится к осуществлению 2 процессов:

1) перемножение 2х переменных напряжений (принимаемого и от гетеродина)

2) выделение с помощью Ф колебаний комбинационной частоты, принятой за ПЧ

Перемножение осуществляется подачей колебаний в цепь, коэффициент передачи которой периодически меняется с f гетеродина.

Несмотря на требование линейности для осуществления преобразования в ПР-ле имеются нелинейные элементы (VT, VD). C целью упрощения и удешевления конструкции, но с ухудшением качества, иногда функции гетеродина и СМ совмещают.

Транзисторные преобразователи частоты

Позволяют не только осуществить преобразование, но и одновременно усиливать принимаемые сигналы, что позволяет сократить количество усил. элемемнтов в РПУ.

При проектировании преобразователя и выборе режима работы УЭ желательно выполнение требований:

- получение макс коэффициента усиления;

- линейнось по отношению к принимаемому сигналу;

- мин. уровень собств. шумов;

- мин. уровень побочн. продуктов преобразования;

- мин напряжение и мощность Г;

- мин. связь между настраиваемыми цепями.

Для преобразования частоты используют как ПТ, так и БТ. В них преобразование происходит из-за изменения крутизны хар-ки прямой передачи под действием напряжения Г.

Возможны различные варианты схем подачи напряжения на смеситеьные элементы:

Сигналы подаются на базу. Транзистор работает в нелинейном режиме и осуществляет перемножение f_С и f_Г.

Недостаток: мощный сигнал Г воздействует на входную часть схемы – на УРЧ, в результате – паразитное излучение. Для устранения этого недостатка сигналы подают на разные входы:

Такое построение позволяет ↓ просачивание сигнала на вход, но полностью его не устраняет, поскольку транзистор большую часть периода открыт.

Лучшими характеристиками обладают 2затворные ПТ и каскодные схемы включения (лучшая развязка).

Двухзатворная схема:

В этой схеме преобразование частоты происходит потому, что при изменении напряжения на гетеродинном затворе изменяется крутизна сток-затвор. хар-ки по сигнал. затвору.

Каскодная схема:

Схема обладает хорошей развязкой цепей сигнала и Г, а также высокой устойчив. против самовозбуждения в широком диапазоне частот. По сигналу – схема каскодная ОЭ-ОБ, обеспечивает высокую устойчивость. Преобразование частоты происходит из-за изменения крутизны хар-ки 2 VT. Аналогичные схемы могут быть построены О.И. – О.Б. О.И. – О.З.

Преобразователи СВЧ диапазона

В диапазоне СВЧ появляется многократное отражение сигнала от вых. к вх. → многократное преобразование сигнала.

В диапазоне СВЧ БТ используют до частот 4…6 ГГц, на более ВЧ лучшие показатели имеют ПТШ (ПТ с затвором Шотки).

Смеситель СВЧ на БТ:

U_С совместно с Uг подаётся через направл. ответвитель (НО) на VT. Контур L1,C2 настроен на f_ПР и устраняет ОС по току этой частоты, а L2,C4,C5 настраивается на ПЧ (в С4 входит ещё и С_КОЛ VT).

Недостатки: 1) потери в НО (Uг д.б. достаточно ↑); 2) просачивание напряжения с fг в предыдущие каскады; 3) на ВЧ не обеспечивается подавление отражений.

Преобразователь на основе ПТ:

l₁=λ_С/4 – КЗ линия (блокирующая);

l₂=λ_С/4 – обеспеч. ↓отражений;

l₃=λ_Г/4 – обеспеч. КЗ на f_Г.

Недостатки те же, что у схемы выше, но их можно устранить, используя двузатворные ПТШ:

l₁,l_З1=λ_С/4 и l₂,l_З2=λ_Г/4 – исключ. отражений;

l₃=λ_Г/4 – (разомкнут.) подавл. на f_Г.

Контур на выходе настроен на f_ПЧ.

«+» обеспечивается развязка между U_г и U_с (не требуется НО).

Особенностью преобразователей СВЧ является многократное перемножение исходного и отраженного с вых. на вх. сигналов, для устранения этого недостатка на вход преобразователя включают линии, которые поглощают эти комбинационные составляющие.

Для подавления в вых. спектре сигнала составляющих с f_С и f_Г применяют противофазные мостовые устройства (ПМУ) и квадратурные мостовые устр-ва (КМУ), которые по сути являются фазовращателями (в 1 случае поворот фазы на 180⁰, во 2 - на 90⁰). Применяя Фв совместно с преобразователями f можно добиться подавления f_С и f_Г на выходе.

В тех случаях, когда к преобразователю предъявляются повышенные требования, применяются ферритовые вентили и циркуляторы:

Балансные транзисторные преобразователи частоты.

В вых. спектре преобразованного сигнала помимо f_ПЧ присутствует f_Г. U_Г имеет значительный уровень по сравнению с U_ПЧ и U_С → его фильтрация усложняется → для значительного подавления U_Г применяют балансные ПЧ. Такие ПЧ строятся на основе диф. каскадов.

Напряжение Uг подается на эмиттеры VT, направление тока на VT синфазное → на вых. контуре происходит их компенсация (вых. напряжение равно их разности), и в спектре ПЧ составляющие с f_Г подавлены, а степень симметричности зависит от плеч диф. каскада.

Под действием напряжения гетеродина меняется крутизна хар-ки каждого из смесительных VT.

Напряж. с f_С поступает на базы транзисторы смесителя в противофазе → составляющие тока ПЧ также противофазны. Эти составляющие в вых. контуре складываются → частота сигнала в спектре ПЧ присутствует (удвоенная).

Коллекторное напряжение на смесительные транзисторы поступает через среднюю точку катушки индуктивности выходного резонансного контура, настроенного на промежуточную частоту.

В балансном преобразователе, как и в балансном усилителе, происходит компенсация четных гармоник преобразуемого сигнала. В частности в балансном преобразователе происходит компенсация помех с частотами полу зеркальных каналов fпз=fг+0,5fпч.

Балансная схема является аналогом перемножителя напряжений, построенным по методу переменной крутизны, т.е. на основе зависимости крутизны транзистора от тока эмиттера. Такая схема не балансна по одному из напряжений, 1 из них проходит на выход.

Если требования к преобразователю более жесткие, т.е. при большом количестве помех, то применяется двойная балансная схема:

Смеситель построен на основе 3 диф. транзисторных пар.

U_С подано на транзисторные пары VT1, VT2 и VT3, VT4, крутизны характеристик которых меняются под действием U_Г с помощью тр-ров VT5 и VT6. На VT каждой пары U_С подается противофазно, а U_Г – синфазно на оба VT каждой пары, но противофазно для разных пар. Подавляется fс.

В рассмотренных балансных ПЧ не подавляются f_ЗК.

Диодные преобразователи частоты.

Благодаря сравнительно малым собств. шумам и способности работать на ОВЧ при простой конструкции диодные преобразователи получили распространение в СВЧ диапазоне. Они имеют применение и в КВ диапазоне при ↑требованиях к динамическому диапазону. На СВЧ их следует рассматривать как эл. эквиваленты, т.к. в реальных конструкциях СВЧ резонанс. цепи выполняются. в виде отрезков полосковых (микрополосковых) или коаксиальных линий и волноводов.

Испоьзуют 2 варианта схем включения:

(а) – напряжение (мощность) от Г подается на тот же колеб. контур, на который подается и сигнал в том случае, когда частота fг, отличающаяся от частоты fс на величину fпч, оказывается в ПП вх. контура.

Если ослабление колебаний Г во вх. контуре слишком велико, то источники напряжения Г и сигнала можно соединить в цепи диода последовательно (б).

Эквивалентная схема диода:

В общем случае содержит активную проводимость g и емкость C p-n перехода, индуктивность Ls и сопротивление Rs соедин. проводников и емкость держателя Сд. У диодов, предназначенных для преобразованияия f в диапазонах ДМ и СМ волн, Ls и Rs очень малы. Их можно не учитывать, полагая С диода = сумме С p-n–перехода и Сд.

Для диодного ПЧ Uc и Uпч малы по сравнению с Uг (различия ↑, чем у VT ПЧ), т.к. для преобразования f Uг должно быть большим, чтобы изменение тока захватывало значительный нелинейный участок хар-ки диода.

- Основное усиление осущ. на ПЧ → Uc и Uпч малы. При малых уровнях преобраз. сигнала и ПЧ нелинейность диода не проявляется.

- При наличии модулирующего Uг диод для сигнала действует как лин. цепь с перемен. параметрами → эквив. цепь можно представить в виде (рис.б). Желательно, чтобы эта линейность сохр. и при больших вх. сигналах. (рис.а) – диод имеет резистивную и емк. составляющую, причем обе составляюие зависят от величины приложенного перемен. напряж.

- В большинстве случаев f_C и f_Г значительно различаются → резонанс. цепи практич. не влияют на эти частоты. Поскольку Uг гарм-ое, то g и C изменяются в соответ. с периодом напряж.

- В общем случае g и C можно представить р. Фурье, кот. будет иметь вид:

Ток в диоде можно выразить как:

i=ug+dq/dt, где q-заряд, u=u_С+u_ПР.

q=C∙u → i=ug + С∙du/dt + u∙dC/dt;

Диодные ПЧ применяются в 2 режимах работы:

₁₎ U_Г изменяется преимущественно в полож. области и лишь на небольш. часть периода заходит в область обрат. смещения. В таких ПЧ примен. диоды с малой С→преобладает резист. проводимость, а изменение С малы и слабо влияют на преобр-ие. Такой ПЧ назыв. резистивным (УКВ).

2) U_Г изменяется преимущественно в обратном смещении → применяются диоды с ↑С (варакторы, варикапы)→преобладает С, резистивные изменения преобладают слабо. Преобр-ль назыв. емкостным (СВЧ).

Диодный балансный смеситель

Напряжение подается на сред. точки трансформатора. При обр. полярности диоды заперты. Uг действует на диоды с одинак. фазой, а Uс ч/з Тр1- с противоположной. Токи ПЧ в цепях диодов противофазны. В обмотке Тр2 токи встречны и Uвых определяется их суммарным действием. Токи в половинах обмоток Тр1 и Тр2 противоположны и компенсируются, поэтому Uг и шумы не проникают во вх. и вых. цепи.

Одноконтактное включение фильтра:

U_C и U_Г действуют в диагоналях моста, образованного половинами вторичн. обмотки Тр1 и диодами. Токи, создаваемые Uг, замыкаются ч/з диоды, не ответвляясь в диагональную цепь, в кот. включены вх. и вых. контуры.

Кольцевая схема:

Реализуется баланс по сигналу и по гетеродинному колебанию. Они содержат меньше гармоник вх. сигналов и комбинационных частот в вых. спектре, более широкий динам. диап., большая мощность.