Смесители являются одним из основных блоков радиоприемников. Они позволяют переносить сигналы с одной частоты на другую. Конечно, хотелось бы, чтобы это происходило без искажения их амплитудных и частотных характеристик. . От характеристик первого смесителя супергетеродина зависит его динамический диапазон.
В качестве элементов смесителя используют те, у которых вольт-амперная характеристика (ВАХ) нелинейна или есть такой участок ВАХ. Раньше в качестве такого элемента использовали электронные лампы, а позже диоды и транзисторы.
У смесителя в супергетеродине обычно два входа и один выход:
Вход «Гетеродин» (LO, local oscillator) — для сигнала гетеродина, т.е. генератора с постоянной или переменной частотой. Этот сигнал должен превышать остальные по уровню примерно на порядок (на 10 дБ по мощности).
Вход «ВЧ» (RF, radio frequency) — частота, которую необходимо преобразовать.
Выход «ПЧ» (IF, intermediate frequency) — используется для подачи и получения сигналов низкой и высокой частот в зависимости от вида работы — преобразование с повышением или понижением частоты.
В идеальном перемножающем смесителе при подаче на входы спектрально чистых синусоидальных сигналов постоянных амплитуд на выходе формируется сигналы:
- с суммарной частотой входных сигналов (Fif = Flo + Frf);
- с разностной частотой входных сигналов (Fif = Flo − Frf или Fif =Frf − Flo).
В реальном смесителе из-за его нелинейности, а также из-за неидеально синусоидальных входных сигналов, помимо сигналов суммы и разности на выходе образуются сигналы с суммой и разностью всех частот, кратных частотам входных сигналов, также гармоники входных частот.
По конструкции смесители можно разделить на две большие группы:
- пассивные — не дают усиления сигнала, а , наоборот, вносят потери сигнала (потери преобразования). В них могут использоваться диоды или полевые транзисторы, работающие в режиме управляемых резисторов. Пассивные смесители обладают большим динамическим диапазоном, так как менее подвержены перегрузкам сильными сигналами.
- активные — содержат активные элементы и усиливают преобразуемый сигнал. Они реализуются на биполярных и полевых транзисторах.
По схемотехнике смесители делятся на:
- небалансные (несимметричные);
- одиночные балансные;
- двойные балансные;
Все эти схемы могут быть как активными, так и пассивными. Кроме того смесители можно классифицировать на работающие в непрерывном нелинейном режиме и ключевые.
Смесители на диодах являются пассивными. Вот схема простейшего на одном диоде.
Такой смеситель использовался, например, в генераторе АМ-спектра. Недостатком такого смесителя является не только очень богатый спектр выходного сигнала, но и проникновение на выход сигнала гетеродина, имеющего большую величину.
Гораздо лучшие параметры имеет балансный смеситель на двух диодах.
В этом смесителе составляющие токов с частотой гетеродина взаимно компенсируются, колебания и шумы гетеродина не попадают на выход смесителя. Балансный смеситель позволяет значительно также снизить и уровень сигнала гетеродина, просачивающуюся в предшествующий ему каскад (например, в антенну приемника), так как в первичной обмотке Tr1 токи гетеродина также взаимно компенсируются. Ослабление сигнала гетеродина на выходе смесителя составляет 30-40 дБ.
Еще большим подавлением сигнала гетеродина обладают двойные балансные кольцевые смесители.
В кольцевом балансном смесителе подавление сигнала гетеродина на выходе ПЧ обычно составляет 50–70 дБ. Даже без специального подбора диодов (но диоды одного типа) подавление будет не менее 50 дБ, т.е. около 300 раз. И это с 6-ю деталями и без особого налаживания (нужно подобрать напряжение гетеродина).
Очень важная характеристика смесителей - динамический диапазон (ДД). Динамический диапазон — это «рабочий коридор» смесителя - разница между самым слабым и самым сильным сигналом, с которыми устройство может работать без искажений и ошибок.
Нижний предел динамического диапазона (чувствительность) определяется шумами самого смесителя. Если сигнал слишком слабый, то он «тонет» в собственных шумах смесителя — как шёпот в шумной комнате. Чем ниже уровень шума, тем лучше смеситель улавливает слабые сигналы.
Верхний предел (устойчивость к перегрузке) зависит от того, насколько сильный сигнал смеситель может обработать без искажений. Верхний предел характеризуется двумя ключевыми точками:
Точка P1дБ (точка сжатия на 1 дБ). Это уровень входного сигнала, при котором смеситель начинает заметно искажать выходной сигнал — его усиление падает на 1 дБ от нормы. Это можно представить так: вы кричите в микрофон и в какой‑то момент звук начинает хрипеть. Вот этот момент и есть P1дБ. Чем выше P1дБ, тем лучше смеситель выдерживает мощные сигналы.
Точка IP3 (точка пересечения интермодуляционных искажений 3‑го порядка) показывает, насколько хорошо смеситель справляется с несколькими сильными сигналами одновременно. Когда на вход попадают два мощных сигнала, лежащих в полосе пропускания входного фильтра, смеситель может создавать паразитные частоты, которые искажают сигнал. Высокий IP3 означает, что смеситель почти не создаёт таких помех.
Конечно, это упрощенное описание, но для начала пойдет.
Сравним характеристики трех, описанных выше смесителей.
Думаю, что не будем экономить на диодах и выберем кольцевой диодный смеситель.
А почему не транзисторный балансный? Хотя транзисторные смесители и дают усиление сигнала, но имеют бОльшие собственные шумы. Ну и схема сложнее будет.
И транзисторы с одинаковыми параметрами подбирать нужно, а еще нужно добавить элемент балансировки.
Но вернемся к кольцевому балансному смесителю. Как я писал выше, его достоинство - простота при хороших характеристиках. Всего-то нужно ; диода и два ферритовых колечка, на которых наматываются ШПТЛ.
ШПТЛ - это широкополосный трансформатор на длинных линиях. В отличии от обычных трансформаторах. где энергия от одной обмотки к другой передается через магнитное поле сердечника, в ШПТЛ используются длинные линии передачи (свёрнутые в жгут проводники). В этом случае передача энергии идет через емкости между проводниками, а сердечник служит для того, чтобы:
- «собирать» электромагнитное поле вокруг проводников, повышая эффективность передачи энергии между линиями;
- уменьшать излучение энергии в пространство и взаимные помехи между близко расположенными компонентами;
- увеличивать индуктивность проводников без существенного роста ёмкости, что помогает согласовать импедансы (сопротивления);
- компенсировать паразитные эффекты, которые на высоких частотах могут сильно искажать сигнал.
Особой роли проницаемость сердечника не играет и может быть от 400 до 4000. Единственное условие - материал сердечника не должен проводить ток, иначе потери в нем будут очень большие. Из наших ферритов подходят марки НН, например 400НН, 1000НН, а вот НМ - не подходят. Из китайски подойдут зеленые колечки. А вот черные колечки, похожие на наши, часто оказываются проводящими - тут тестером проверять нужно.
Но о практике - в следующей статье.
Всем здоровья и успехов!