Практикум для начинающих.
1. Средневолновый приёмник прямого усиления переделываем в супергетеродин.2. Коротковолновый конвертер ретро.
После части 3, которая была посвящена факультативу и, возможно, увлекла кого-то на освоение УКВ диапазонов, я решил вовремя остановиться, потому как отъехав от цивилизации на расстояние более 150 километров могу полностью остаться без единой радиостанции в своём приёмнике, к примеру если он будет только с диапазонами УКВ, а поэтому радиоприёмник должен быть всеволновым, и следовательно освоение ДВ, СВ и КВ диапазонов продолжается. Теперь будем переделывать приёмник прямого усиления средневолнового диапазона во всеволновый супергетеродин.
Во второй части или тура выявлены все достоинства и недостатки приёмника прямого усиления.
Основной недостаток – это трудность получить высокую чувствительность. Нет, можно её получить на фиксированной частоте, но тогда придётся столкнуться с проблемой перестройки по диапазону. Приёмник будет работать неустойчиво, а может, кому и понравится настраиваться сразу тремя ручками, как в прошлом веке.
Вторым существенным недостатком является плохая избирательность по соседнему каналу. Даже если использовать множество перестраиваемых контуров, то в процессе перестройки по диапазону у них будет меняться полоса пропускания вследствие роста частоты при постоянной добротности контура. В начале диапазона полоса сузится, и спектр принимаемой радиостанции не поместится в ней, что приведёт к искажению сигнала. В конце диапазона полоса пропускания расширится, что приведёт к приёму сразу нескольких радиостанций на одной частоте настройки. Книжка автора Р. А.Свореня .«Шаг за шагом», об основах радиотехники, была единственная в школьной библиотеке, посвященная этой тематике в конце 60 годов, а для меня она была настольной, поскольку я забирал её на весь учебный год. Очень нравилось оформление в картинках. Следуя старым традициям, я тоже решил оживить описание рисунками художника Ленгрена. |
Рис. 1 Спектр радиосигнала, попав в узкую полосу приема, в начале диапазона, исказится. Музыкальные инструменты оркестра будут звучать неестественно. Надпись под картинкой 1: «Люблю только тебя, Амадей!», никто не услышит. В конце диапазона, при широкой полосе приёма можно услышать одновременно «выступление известного чревовещателя», (картинка 2) и «радиопередачу для детей» (картинка 3). |
Усилитель промежуточной частоты.
Попробую переделать приёмник прямого усиления в супергетеродин. Для этого понадобятся пьезокерамические фильтры на 455 кГц.
| Фото 1.Пьезокерамические фильтры. |
Устанавливаю фильтры, и приёмная часть превращается в усилитель промежуточной частоты, той частоты, которая указана на фильтре. Зразу замечаю, что уровень шума на выходе приёмника резко упал, так как высокочастотный тракт усиливает узкую полосу частот. Если фильтр имеет полосу
15 кГц, а их два, то общая полоса приёма будет в 1,4 раз меньше, и будет составлять
11 кГц. Всё, что вне этой полосы не усиливается, ни радиостанции, ни помехи, - фильтры всё подавляют, задавливают почти на 60 децибел.
Получился приёмник, который имеет одну единственную фиксированную настройку, при этом отличную фильтрацию от помех, полосу частот в которой может поместиться только одна принимаемая станция, причём её спектр не искажается. Да вот только незадача, на этой фиксированной частоте не работает ни одна радиостанция, оттого и названа частота промежуточной.
 |
| Рис. 2. Приёмник прямого усиленияпреобразую в супергетеродин. Т1,Т2 - УПЧ. |
Если теперь измерить чувствительность тракта, то, очевидно, она будет лучше, это вдохновило меня поставить ещё один каскад усиления.
Поставил, и чувствительность улучшилась, правда вместе с ней вырос общий коэффициент усиления и уже при незначительном уровне сигнала с генератора каскады промежуточной частоты перегрузились, и синусоида на выходе детектора сильно исказилась, а это значит, что все мощные или близкорасположенные радиостанции будут приниматься с искажениями. Мало того, что их уровень громкости будет очень высокий, они ещё будут похрипывать, именно так проявляются такого вида нелинейные искажения сигнала. Время подумать о системе АРУ, автоматической регулировке усиления.
| Фото.2. Нелинейные искажения сигнала,вследствии прегрузки тракта. |
 |
| Рис. 3. Схема АРУ на ключевом транзисторе. |
АРУ я решил выполнить на ключевом транзисторе, который будет открываться под воздействием выпрямленного сигнала принимаемой станции и своим маленьким внутренним сопротивлением в момент открытия, шунтировать часть схемы, уменьшая тем самым общее усиление тракта, не давая каскадам перегружаться.
Преобразователь частоты направит принимаемую радиостанцию в нужное русло, перебросит частоту приёма в тракт промежуточной частоты, где и произойдёт всё усиление принимаемого сигнала. Практически это уже видно невооружённым глазом, каскад промежуточной частоты имеет большое усиление и слабый уровень собственных шумов и принимаемых помех. Сам преобразователь состоит из смесителя и гетеродина.
Смеситель.
Самое простое решение сделать смеситель на биполярном транзисторе. Пусть это будет дополнительный каскад УПЧ, а уже в процессе настойки изменить его режим, превратив его, таким образом, в смеситель.
Схема смесителя на одном транзисторе сильно устарела, хотя и отличается своей простотой - это единственное её преимущество. В моде сейчас балансные смесители, уже само название говорит об их преимуществах, они являются составной часть всех микросхем, но сами микросхемы как отдельные смесители постепенно снимаются с производства, отдавая предпочтение многофункциональным микросхемам, способным целиком заменить весь приёмник, тем самым, ущемляя свободу творчества.
Только смеситель на полевом транзисторе может поспорить, а по некоторым параметрам вырваться вперёд, например, по коэффициенту шума. Сами схемы на полевых транзисторах мне чем-то напоминают лампы.
Схема смесителя на полевом транзисторе. |
| Рис. 4. Схема смесителя на полевом транзисторе. |
Несмотря на то, что приёмник выполняется на средние частоты, я решил рискнуть и попробовать использовать СВЧ полевой транзистор BF1212 в корпусе SOT343R.
Риск оправдан, смеситель работает, и чувствительность получилась в 2 раза лучше, чем на биполярном транзисторе. При указанных номиналах ток потребления составляет всего 3 мА, а не 30 мА, заявленных, правда за счёт этого теряется линейность, ничего страшного, компромисс не помешает, надо пробовать. Напряжение питания желательно держать в пределах 5 – 6 вольт.
Один взмах руки, и смеситель превращается в усилитель высокой частоты, где на частоте
1 МГц имеет усиление 20 дБ.
Усилитель высокой частоты на полевом транзисторе для средних и коротких волн.
 |
| Рис. 5. Усилитель ВЧ на полевом транзисторе. Схема отличается от рис. 3, отсутствием одного резистора. |
Гетеродин в супергетеродине.
 |
| Рис . 6. Схема преобразователя.Т1,Т2 - гетеродин.Т3 - смеситель на биполярном транзисторе. |
Точнее было бы сказать – гетеродин в преобразователе частоты. Всегда удивлялся, как можно получить на одном транзисторе и гетеродин и смеситель, и ведь делали так, если вспомнить все старые радиоприёмники, которые выпускались в нашей стране. Нет, у меня точно не получится обеспечить на одном транзисторе: подавление высших гармоник, постоянный уровень амплитуды при перестройке, высокую стабильность частоты. Хотя и отличается схема на одном транзисторе своей простотой, но важен конечный результат – простота настройки. Очень захотелось совместить гетеродин со смесителем на полевом транзисторе, последнему требуется большая амплитуда для лучшего преобразования, вот и пришлось в схеме использовать два транзистора, первый работает в режиме генерации частоты, а второй и буферный каскад, и фильтр, устраняющий высшие гармоники первого каскада, выдавая на выходе чистейшую синусоиду.
| Фото 4. Гетеродин.Обратная сторона. |
| Фото 3. Гетеродин. |
Сделал, подключил преобразователь к приёмнику и решил сразу проверить перестройку гетеродина и заодно померить чувствительность всего тракта. Так торопился, что не подключил входной контур (магнитную антенну, что на входе приёмника). Выставил конденсатор переменной ёмкости в минимальное положение (пластины выведены наружу), веду ручку измерительного генератора к отметке 1,5 МГц, что соответствует верхней границе средневолнового диапазона, настроился и померил чувствительность, 30 микровольт получилась. Хотел измерить чувствительность внизу диапазона, но отвлёкся и стал крутить ручку измерительного генератора вверх по частоте.
Бац! Ещё одна настройка на частоте 2,41 МГц, и точно такая же чувствительность. Получились сразу две настройки на средних и на коротких волнах одновременно.
Зеркальный канал приёма.
Теперь то я знаю, почему довольно внушительный приёмник «VEF -202» по два раза выдавал мне одни и те же радиостанции, когда я тщательным образом крутил его ручку настройки, и сказывалось это особенно на коротких волнах. И всё совпадает по классности, потому, как если приёмник второго класса - я имею две настройки на одну и ту же станцию, а в приёмнике первого класса, например «Ленинград 00…» будет одна единственная настройка на эту же радиостанцию. Чем выше классность (меньшая величина числа), тем сложнее приёмник, тем лучше его параметры, сильнее ощущается забота к потребителю, по крайней мере, его не считают идиотом, потому как он не слышит повторы в одном и том же диапазоне частот. А столкнулся я с помехой по зеркальному каналу приёма, которая рождается в преобразователе частоты, и помимо основного канала приёма с разницей в две промежуточные частоты (455+ 455 = 910 кГц) будет точно такой же канал приёма. Вся надежда на входной контур. Вверху диапазона СВ, он должен быть настроен на 1,5 МГц и подавить 2,41 МГц. Однако с ростом частоты полоса пропускания контура становиться больше и его селективные свойства становятся хуже. Получится супергетеродин самого низкого класса (цифра 4). Нужен вам такой приёмник? Мне не нужен! У Меня уже есть «VEF - 202» и «Меридиан» и все они второго класса, то есть повторы обеспечены.
Но если сделать остановку на приёмнике 4-го класса, то осталось самое сложное. Подключить магнитную антенну и добиться сопряжения настроек. В теории, это добиться постоянной величины, (равной промежуточной частоте), между частотой гетеродина и частотой максимальной амплитуды входного контура при перестройке по диапазону. Практически получить одинаковую чувствительность на краях и в середине диапазона.
Но это быстрее сделать, чем описать, как делать.В приёмник прямого усиления, выполненный на средние волны, добавляются два пьезокерамических фильтра, плата преобразователя частоты и ключевой каскад АРУ.
| Рис. 7 Супергетеродин 4-го класса. |
На что только не шли фирмы производители, чтобы избавиться от зеркальных каналов приёма. Конденсатор переменной ёмкости доходил до девяти секций! Пять секций перестраивало гетеродин и четыре секции перестраивало селективный усилитель высокой частоты. Если бы у меня был бы такой конденсатор! Наши отечественные приёмники, сделанные для людей больше трёх секций не имели, но это уже были радиоприёмники первого класса.
А здесь целых пять секций переменного конденсатора перестраивают только гетеродин и только для того, чтобы полностью были подавлены его высшие гармоники во всей полосе перестройки, потому как если этого не сделать, то помимо зеркального канала появятся еще и побочные каналы приёма.
Побочные каналы приёма.
Вот почему я побоялся сделать преобразователь на одном транзисторе, который был бы и смесителем и гетеродином. Хотя видел схемы радиоприёмников на одном транзисторе и даже назывались они супергетеродинами и, по отзывам неплохо работали.
Вообще для меня нет ничего удивительного, если я включу свою электробритву в радиотрансляционную сеть, то она превратиться в радиоприёмник. Попробуйте повторить такой опыт. А если один единственный германиевый диод, без катушек и резонаторов, подсоединю к высокоомному телефону, то услышу радиостанцию в УКВ диапазоне, и вовсе не потому, что у меня поехала крыша, просто вышка с передатчиком этой станции находится близко, всего в двух километров от меня.
Один единственный транзистор помимо основной гармоники, благодаря которой происходит преобразование и, рождая основной и зеркальный каналы приёма, имеет ещё вторую, третью и другие гармоники, которые тоже проходят через смеситель и каждая создаёт по два побочных канала приёма. |
| Рис.6. УВЧ с повышенной селективностью,Один из методов повышения классности.Необходим 3-х секционный блок конденсаторов. |
Без девяти секционного конденсатора переменной ёмкости здесь не обойтись.
Хотя во всеволновых профессиональных приёмниках эта проблема давно решена.
От чего заболели тем и лечат – применяют от двух до трёх преобразователей частоты.
Так во всеволновом связном РПУ фирмы «Эддистон» в зависимости от диапазонов применяют от 2-х до 3-х преобразований частоты.
РПУ фирмы «Редифон» имеет два преобразования (ПЧ1 38 МГц и ПЧ2 1,4 МГц)
РПУ фирмы «Маркони» до приёма 8 МГц имеет двойное преобразование, а выше этой частоты тройное преобразование. Измерительные приборы этой фирмы для меня были песней ещё лет 40 назад.
Конечно, мне не угнаться за этими фирмами, чтобы сделать себе идеальный приёмник. Но компромисс найти можно, например, выбрать не все, а несколько диапазонов. Сделать приёмник в стиле ретро, но с использованием современной элементной базы. Надо подумать. Еще есть время. Так хочется с наступлением сумерек, сидя в беседке медленно вращать ручку верньера и прислушиваться к отдалённым радиостанциям.Ретро коротковолновая приставка к приёмнику средних волн.
Этот пожелтевший листок я нашёл в старых документах. Его вырезал из газеты «Пионерская правда» мой отец в середине 60-х годов прошлого века, желая вместе со мной собрать коротковолновую приставку к средневолновому приёмнику «Сокол». Конвертер тогда так и не суждено было сделать, не смогли купить транзисторы именно этого номинала.
 |
| Рис. 8. Копия из газеты "Пионерская правда". |
Уже в то далёкое время простой приёмник супергетеродинного типа радиолюбители превращали в супергетеродин с двойным преобразованием частоты, тем самым смогли сделать приёмник всеволновым.
| Фото5 "Пожелтевший листок". |
Нет ничего хуже незавершённых дел! А поэтому я собрал приставку и стал прислонять её к разным приёмникам, имеющим магнитные антенны. В приёмниках сразу увеличивался уровень шума и в дополнении к нему, с трудом можно было принять 2 -3 новых радиостанции к тем, которые уже существовали в диапазоне средних волн. Но лучше всего конвертер принимал радиостанции УКВ диапазона, которые отличались сильными искажениями, проходя через узкополосный тракт приёмника, так как от всего спектра передаваемого сигнала (полоса передаваемого спектра сигнала ЧМ составляет 150 кГц), детектировалась только его десятая часть (полоса пропускания приёмника АМ сигнала около 10 кГц). Такое возможно благодаря побочным каналам приёма от 3 и 4-ых гармоник гетеродина, которые попадают в сгусток радиовещательных станций двух диапазонов УКВ (FM). Возможно, вне города такого явления не будет, а возможно, его не было раньше, так как не было такого количества радиостанций УКВ диапазонов.
Даже классический ретро приёмник «National Panasonic R-314», сделанный в Японии не лишен этого недостатка. В конце диапазона, в районе 22 МГц, он так же с искажениями начинает принимать радиостанции с ЧМ модуляцией.
Я сижу с внуком в песочнице, и мы вместе делаем куличик. Заполняем формочку песком. Делать такую работу ему намного сложнее. Он держит лопатку двумя руками, сопит от напряжения, старается, чтобы песок попал точно в цель, а я ленно помогаю ему, мне достаточно один раз взмахнуть лопаткой. Наконец куличик готов, на личике радость, торжество, но длится это недолго, и сделанный из песка пирог он тут же уничтожает лопаткой, затем процесс создания нового пирога повторяется снова и снова. Мне надо перенимать у него опыт. Советы маленьких человечков таят для меня много смысла, в рассказе «Точка на листе бумаге» - один взмах руки такого же малыша, спасает мне жизнь. Играя в песочнице, он хочет показать мне, как он совершенствуется в работе по изготовлению песочного кулича.
Я с новым порывом возвращаюсь к своему недоделанному приёмнику. Меняю в смесителе биполярный транзистор на полевой, добавляю резонансный усилитель на полевом транзисторе.
Наконец, разбираю УКВ приёмник третьего тура, его второй преобразователь и пьезокерамические фильтры на 10,7 МГц пойдут на изготовление приёмника с двойным преобразованием частоты для ДВ, СВ, и растянутых КВ диапазонов! Конструктор есть конструктор, чем не игра в кубики. Несмотря, на то, что первая ПЧ должна быть выше 30 МГц, чтобы легче было отсеяться от всех комбинационных частот, присущих супергетеродину, я решил идти последовательно и уже с готовыми блоками проверить хотя бы работу половины диапазонов всеволнового приёмника.
- Мой приёмник! Как захочу, так и сделаю!
Так говорил нам когда-то преподаватель курса «Приёмных устройств».
Итак, первая ПЧ 10,7 МГц, вторая 455 кГц, вполне доступные фильтры.
Выбираю диапазон 31м, и весь мир умещается у меня в грудном кармашке!
До идеального приёмника осталось несколько шагов.
Растянутые КВ диапазоны. Так классно всё получается!
dedclub.blogspot.ru
Результирующая неравномерность усиления преселектора определяется с учётом входной цепи. В приёмнике без УРЧ неравномерность коэффициента передачи преселектора в пределах заданного поддиапазона определяется только входной цепью.
Далее ведётся расчёт элементов цепей питания и стабилизации режима.
Расчёт ведётся для данных п. 3.1.2.
Задано: Диапазон частот f = 11,4…12,1 МГц; Qэ = 65; L = 3,67 мкГ.
Выбран транзистор КПЗОЗ (режим iс = 1 мА, Uси = 5 В).
Параметры транзистора в этом диапазоне (полагаем их неизменёнными в заданном поддиапазоне): g11 = 1,5 × 10-6 сим; С11 = 3,6 пФ; С12 = 1,5 пФ; g21 = S = 3 мА/В;
g22 = 33 × 10-6 сим; С22 = 1,65 пФ. После УРЧ стоит смеситель на полевом транзисторе со входным сопротивлением Rвх пр» 2RВхус.
1. Найдём коэффициент трансформации m со стороны выхода данного каскада из условия устойчивости:
Здесь
2. Резонансный коэффициент усиления на нижнем и верхнем конце поддиапазона
Несмотря на то, что в УРЧ на полевом транзисторе коэффициент усиления меньше, чем на биполярном, коэффициент передачи преселектора в целом будет практически таким же, вследствие полного включения контура ко входу активного элемента. Неравномерность усиления в пределах поддиапазона
3. Определим необходимую конструктивную добротность контуров преселектора. Из условия
получим
Qэ=69,5=1,07Qэ. Практически берут Qк=1,1Qэ. Здесь Rз - сопротивление резистора подачи исходного напряжения на затвор (взято Rз=500 кОм).
Далее определяются результирующие характеристики преселектора: коэффициент передачи и неравномерность усиления в пределах поддиапазона, неравномерность в полосе пропускания на нижнем конце поддиапазона, ослабление промежуточной частоты в преселекторе на частоте поддиапазона наиболее близкой к промежуточной.
Схема преобразователя частоты выбирается, исходя из типа и назначения приёмника, с учётом требований стоимости и стабильности работы [1, с, 181…и198]. Рассмотрим для иллюстрации расчёт смесителя на биполярном транзисторе при экспоненциальной аппроксимации характеристик переходов. Характеристика iэ=f(uбэ) хорошо аппроксимируется экспонентой
где а и i0э - параметры экспоненты. Они определяются из реальных характеристик (рис. 6):
Учитывая, что и пренебрегая изменениями a от Uбэ, найдём крутизну характеристики
, поэтому S разлагается в ряд Фурье по функциям Бесселя:
Здесь I0(×) и Ik(×) - модули функций Бесселя мнимого аргумента 1-го рода нулевого и к-того порядков (табличные функции). Отсюда крутизна преобразования, например, по первой гармонике будет равна
Высокочастотное значение крутизны преобразования
где fs - граничная частота транзистора по крутизне (частота, на которой S уменьшается в
раз).
Для практических расчётов входных сопротивлений и ёмкостей смесителя можно исполизовать приближённые соотношения:
RВХпр » (1,5…2)RВхус ; СВХпр» СВхус - на частоте сигнала.
RВЫХпр» (1,5…2)RВЫХус ; СВЫХпр» СВЫХус - на промежуточной частоте.
В качестве рабочего участка берут область наибольшего изменения тока на характеристике iэ=f(uэ) (рис.6). Этим определяется Еб и Uмг. При выбранном значении Е по входной характеристики iб=f(uбэ) определяется ток iбср. Полученные значения iэср и iбср являются исходными для расчёта режима смесителя по постоянному току, в частности, для расчёта резисторов R1,R2,R3 (рис.7) по методике [14, с, 379].
Задано: fс = 12,1 МГц; fпр = 465 кГц; n1 = 0,15;
Для выбранного транзистора fs = 10 МГц; RВЫХпр = 30 кОм; Ск = 10 пФ; и uкэ = 5 В.
Входное сопротивление следующего каскада УПЧ RВХ = 600 Ом. Смеситель работает на трёхзвенной ФСИ с волновым сопротивлением R = 20 кОм и k0 = 0,3 (коэффициент k0 определяется по графику [4, рис. 9.1; 6, рис. 6.7; 14, рис. 4.46]). Напряжение на контуре гетеродина uкг = 1,2 В.
vunivere.ru
Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся Вам сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.
Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.
Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры. Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, минули, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра! Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.
Транзисторы
Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки. Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).
Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).
Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же
Биполярный транзистор
Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.
Транзисторы
Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).
Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.
А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.
Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.
Транзистор закрыт
Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору. Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.
Транзистор открыт
Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если вооружиться знаниями авторов нашей компании. Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.
Не можешь написать работу сам? Доверь ее нашим авторам!
Полное сопровождение до защиты
Шпаргалки для экзамена в подарок!
Предоплата всего 25%
zaochnik.ru
Предлагаются к рассмотрению и обсуждению варианты схем смесителей, выполненных на полевых транзисторах, используемых в режиме управляемого сопротивления (без источника питания). Подобные смесители обладают рядом достоинств, позволяющих значительно расширить динамический диапазон приемников, особенно гетеродинных (прямого преобразования).
При современной тяжелой помеховой обстановке в эфире важен большой динамический диапазон смесителя, позволяющий в значительной мере избавиться от перекрестных, интермодуляционных и тому подобных помех от мощных внеполосных сигналов, которые практически не ослабляются каскадами, установленными перед фильтром основной селекции.
Если в УРЧ еще можно принять ряд мер, увеличивающих его линейность, то смесители чаще всего выполняются на нелинейных элементах (диодах, транзисторах), которые по самому принципу работы многих смесителей, преобразующих частоту, должны быть нелинейными. По этой причине динамический диапазон смесителя обычно хуже, чем УРЧ.
Рис.1.
Уже достаточно давно предложены и используются смесители на полевых транзисторах в режиме управляемого активного сопротивления, достоинства которых еще недостаточно оценены. Схема простейшего смесителя на одном полевом транзисторе показана на рис. 1.
Сигнал со входного контура подается на исток транзистора, а сигнал ПЧ или НЧ (в гетеродинном приемнике) снимается со стока. Источника питания не требуется. Напряжение гетеродина подается на затвор транзистора и управляет сопротивлением канала.
Известно, что при небольших напряжениях промежуток исток—сток (канал) полевого транзистора ведет себя как линейный резистор, независимо от полярности приложенного напряжения. В то же время сопротивление канала может изменяться в зависимости от напряжения затвор—исток, от десятков ом до многих мегом. Это и позволяет использовать полевой транзистор в смесителях как управляемый линейный элемент.
К основным достоинствам смесителя относятся высокая чувствительность, поскольку по каналу транзистора не проходит ни ток питания, ни ток гетеродина, а только слабый ток сигнала, при этом транзистор шумит не многим сильнее обычного резистора с тем же сопротивлением, и высокая линейность, поскольку при небольшом входном напряжении проводимость канала не зависит от него.
Кроме того, смеситель отличается малым проникновением сигнала гетеродина во входную цепь (только через небольшую емкость между затвором и каналом транзистора) и исключительно малой мощностью, требуемой от гетеродина, поскольку входное сопротивление по цепи затвора велико.
Подобный простейший смеситель обеспечивает чувствительность около 1 мкВ (без УРЧ) и динамический диапазон порядка 65 дБ. Повысить динамический диапазон можно следующими классическими способами: перейти к балансной схеме, обеспечить работу смесителя в ключевом режиме и согласовать смеситель с нагрузкой в широкой полосе частот. Балансные схемы смесителей на полевых транзисторах родились из аналогичных схем на диодах, причем канал транзистора подключается вместо диода, а полярность последнего соответствует синфазному или противофазному подключению затвора к гетеродину.
На рис. 2 показана схема балансного смесителя на двух полевых транзисторах. Сигнал подводится к истокам транзисторов синфазно, а гетеродинное напряжение к затворам — противофазно, что обеспечивает поочередное открывание транзисторов положительными полуволнами.
Рис.2.
На стоках транзисторов сигналы ПЧ (НЧ) противофазны, что требует применения низкочастотного трансформатора Т2 (на всех схемах магнитопроводы трансформаторов ПЧ (НЧ) показаны сплошной линией, в отличие от ВЧ, где магнитопроводы показаны как магнитодиэлектрические).
Смеситель сбалансирован как по гетеродинному, так и по сигнальному входам. Первое означает, что гетеродинное напряжение не попадает на сигнальный вход, поскольку две паразитные емкости затвор—канал подключены к противофазным выводам вторичной обмотки трансформатора Т1.
Второе означает, что паразитные продукты преобразования, например, низкочастотные токи, возникшие из-за прямого детектирования входных сигналов, приложены к противофазным входам НЧ трансформатора и взаимно компенсируются.
Рис.3.
Другой вариант схемы простого балансного смесителя представлен на рис. 3. Здесь сигнал подается на каналы транзисторов противофазно, а напряжение гетеродина на затворы — синфазно. По-прежнему смеситель сбалансирован по гетеродинному напряжению.
Менее очевидно, что смеситель сбалансирован и по прямому детектированию входных сигналов. Дело в том, что продукты прямого детектирования оказываются синфазными на стоках транзисторов (устройство действует как двухполупериодный выпрямитель) и компенсируются в НЧ трансформаторе Т2.
К недостаткам описанных простых балансных смесителей относится неполное подавление побочных продуктов преобразования, в частности, вторых гармоник входного и гетеродинного сигналов.
Рис.4.
Наибольшую чистоту спектра обеспечивают двухбалансные смесители (аналоги кольцевых). Схема такого смесителя на четырех транзисторах дана на рис. 4. Смеситель требует трех симметрирующих трансформаторов, установленных на всех входах/выходах.
Здесь поочередно проводят каналы транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4, соединяя выводы симметричных обмоток трансформаторов Т1 и ТЗ то напрямую (проводят VT1 и VT2), то скрещенно (проводят VT3 и VT4).
Этот смеситель дает прекрасные результаты в супергетеродинных приемниках, обеспечивая чуть ли не максимально достижимый в настоящее время динамический диапазон. Разумеется, необходимо принимать все меры по повышению симметричности трансформаторов и подбору транзисторов с одинаковыми характеристиками.
При использовании в гетеродинных приемниках смесители по схемам рис. 2—4 имеют крупный недостаток, связанный с наличием НЧ трансформатора, трудоемкого в изготовлении и подверженного различным наводкам, в том числе и сетевым с частотой 50 Гц. Не исключены и искажения, связанные с нелинейностью магнитных характеристик магнитопровода.
Рис.5.
НЧ трансформатор отсутствует в смесителе по схеме рис. 5, где на два транзистора входной и гетеродинный сигналы подаются противофазно.
По сути, это транзисторный аналог двухдиодного балансного смесителя. Однако смеситель имеет недостатки, которые не сразу видны. Он не сбалансирован по гетеродинному входу. Противофазный сигнал гетеродина на затворах транзисторов просачивается через паразитные емкости на крайние выводы симметричной обмотки трансформатора Т1 и не компенсируется.
Кроме очевидного вреда, вызванного излучением сигнала гетеродина через антенну, а именно создания помех другим близкорасположенным приемникам, это чревато приемом собственного сигнала, но уже промодулированного фоном переменного тока и другими помехами. Путей решения проблемы, по крайней мере, два.
Первый состоит в добавлении нейтрализующих емкостей — конденсаторов С1 и С2, включенных перекрестно по отношению к паразитным емкостям транзисторов VT1 и VT2. Подстраивая их емкость, можно добиться значительного подавления сигнала гетеродина на входе. Это же полезно и при использовании смесителя в передающих трактах (ведь все описываемые пассивные смесители полностью обратимы), когда на НЧ вход подается звуковой сигнал, а с ВЧ входа снимается балансно про модулированный DSB сигнал.
Рис.6.
Другой путь состоит в использовании транзисторного фазоинвертера вместо симметрирующего трансформатора Т1, см. рис
. 6.На истоке и стоке транзистора VT1 выделяются равные и противофазные напряжения сигнала, которые и подаются через разделительные конденсаторы С2 и СЗ на истоки транзисторов смесителя VT2 и VT3.
В гетеродинном приемнике конденсаторы должны иметь значительную емкость, поскольку через них проходят токи не только высокой, но и звуковой частоты. На месте VT1 можно использовать и биполярный транзистор, но у него хуже линейность и ниже входное сопротивление.
Смеситель отличается высоким подавлением сигнала гетеродина на входе, чему способствует и противофазное подключение транзисторов смесителя к трансформатору Т1, и фазоинверсный входной каскад. Но и это устройство имеет недостаток: выходные сопротивления по цепи истока и стока каскада на транзисторе VT1 разные (первое ниже) и фазоинвертер, вообще говоря, несимметричен.
Рис.7.
В балансном смесителе, показанном на рис. 7, проникновение сигнала гетеродина во входную цепь уменьшается из-за того, что параллельно транзисторам VT1, VT3 с n-каналом подключены транзисторы VT2, VT4 с р-каналом, а напряжение гетеродина с симметричной обмотки трансформатора Т2 подано на транзисторы разноименной проводимости противофазно.
При этом на одной полуволне гетеродинного напряжения открываются транзисторы VT1 и VT2, а на другой — VT3 и VT4. Параллельное соединение каналов уменьшает сопротивление плеч смесителя в открытом состоянии, кроме того, улучшает линейность смесителя. Кстати, это давно используется в двунаправленных ключах КМОП логики.
Использовать в смесителях упомянутые ключи можно, но, к сожалению, в элементах КМОП логики противофазный сигнал управления (гетеродинный) для р-канального транзистора образуется из сигнала, приходящего на затвор
n-канального транзистора с помощью инвертера.Последний имеет довольно большое время задержки (порядка 50 не для МС серии К561), в результате чего появляется дополнительный фазовый сдвиг, ухудшающий работу смесителя на высоких частотах, в частности, не полностью устраняется прохождение гетеродинного сигнала на вход смесителя.
В заключение рассмотрим работу весьма интересного и простого смесителя, предложенного специально для гетеродинных приемников (рис. 8).
Рис.8.
Он выполнен на двух одинаковых полевых транзисторах, каналы которых соединены параллельно, а на затворы поданы противофазные гетеродинные напряжения от симметричной обмотки трансформатора Т1.
Транзисторы должны быть закрыты при нулевом напряжении на затворе и открываться только на пиках гетеродинного напряжения. В результате смеситель открывается дважды за период гетеродинного напряжения, а частота гетеродина выбирается вдвое ниже частоты сигнала.
Это весьма выгодно, в частности, для УКВ приемников (требуется меньше ступеней умножения частоты) и вообще для всех гетеродинных приемников, так как "просочившийся" в антенную цепь сигнал гетеродина эффективно подавляется входным фильтром. Перспективно применение данного смесителя в синхронных гетеродинных УКВ приемниках, где крайне важно малое проникновение сигнала гетеродина во входные цепи.
Однако этот смеситель сбалансирован только по гетеродинному входу, но не по сигнальному. Поэтому возможно паразитное прямое детектирование мощных мешающих сигналов на нелинейности перехода исток—сток транзисторов.
М. Сыркин (UA3ATB)
qrx.narod.ru
274
ровании КБС дециметрового и сантиметрового диапазонов широкое применение нашли трансформаторы микрополосковой конструкции.
КБС с симметрирующими трансформаторами, показан на рис.17.12,г. Обе «обмотки» трансформатора изготовлены в виде печатных полосковых проводников, размещенных один над другим на противоположных сторонах подложки, симметрично подвешенной в металлическом корпусе. Для более качественного согласования у заземленного конца одной из «обмоток» полосковый проводник медленно или ступенчато расширяется, обеспечивая трансформацию несимметричной двухпроводной линии в симметричную. Данный трансформатор эквивалентный открытой двухпроводной линии, оба проводника которой имеют в любом сечении противоположные по знаку и одинаковые по амплитуде потенциалы относительно корпуса. Такой трансформатор можно рассматривать как микрополосковый вариант ТДЛ. Рабочая полоса частот трансформатора ограничена лишь качеством согласования перехода с МПЛ к симметричной линии и может достигать полосы от 1 до 20 ГГц, то есть больше 4 октав. Для создания КБС необходимо два таких согласующих трансформатора, к четырем плечам которых подключают диодный мост, расположенный в отверстии подложки. На рис.17.12,д показана электрическая схема данного устройства.
Уменьшить потери преобразования за счет восстановления энергии колебаний ЗЧ позволяет двойной кольцевой смеситель (ДКБС). Он состоит из двух КБС (рис.17.12,е) на которые сигнал подается синфазно, а колебания гетеродина – в квадратуре. Поэтому колебания ПЧ этих КБС также квадратурные и суммируются на выходе смесителя. Колебания ЗЧ благодаря удвоению фазы колебаний гетеродина противофазны и создают эффект короткого замыкания (узел напряжения) на сигнальном входе, а продукты вторичного преобразования синфазны с основными продуктами преобразования и увеличивают уровень мощности ПЧ на выходе. Колебания помехи ЗК вследствие инверсии (сдвига на π) фазы колебаний гетеродина противофазные продуктам преобразования суммируются в согласованной нагрузке. То есть принципы работы ДКБС подобны принципам работы ДБС, однако, ДКБС более широкополосный и имеет больший динамический диапазон.
Транзисторные смесители могут быть созданы как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В СВЧ диапазоне больше распространены полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ), они малошумящие и могут работать на частотах выше 10 ГГц.
По шумовым характеристикам транзисторные смесители несколько проигрывают преобразователям на д иодах, но при этом транзисторные смесители преобразуют сигнал с некоторым усилением (3–10дБ), что позволяет снизить требования к коэффициенту шума УПЧ. Выходная мощность у них приблизительно на порядок больше, и поэтому они имеют на10-20дБ более широкий динамический диапазон.
275
ωГ | PПЧ | ωПЧ | ωПЧ |
|
|
|
| ||
| ωС | ωС | ωГ | ωП |
ωС | ωГ | ωГ | ωС |
|
|
| |||
|
|
| ||
а | б | в | ωПЧ | г |
|
Рис.17.13. Транзисторные смесители:
а– с направленным ответвителем; б – с гетеродином в цепи истока;
в– балансная схема; г – на полевом тетроде
Упрощенные схемы наиболее распространенных на практике транзисторных смесителей показаны на рис.17.13. Недостатком схемы на рис.17.13,а является необходимость гетеродина с большим уровнем мощностииз-заослабления в направленном ответвителе, включенным для развязки цепей сигнала и гетеродина. В схеме, изображенной на рис.17.13,б, включение гетеродина в цепь общего истока приводит к образованию отрицательной обратной связи и ухудшениюkш смесителя.
В балансной схеме (рис.17.13,в) обеспечивается высокий уровень развязки цепей сигнала и гетеродина, однако выходные колебания ПЧ противофазны, их необходимо суммировать на ПЧ с помощью противофазного моста или синфазного кольцевого сумматора с фазовращателем на 180°, что приводить к сужению рабочей полосы смесителя.
Простейшим и наиболее широкополосным является смеситель на полевом двухзатворном тетроде (ДЗПТШ), в котором нет мостов и схем суммирования, что является важным фактором при создании интегральных микросхем. В основе работы смесителя на ДЗПТШ лежит нелинейная зависимость крутизны ВАХ тетрода по первому затвору от напряжения на втором. К первому затвору подводят принятый сигнал, ко второму – мощность гетеродина. Гетеродинный вход настраивают на максимальное согласование по уровню мощности, сигнальный – на минимум коэффициента шума. Коэффициент шума таких преобразователей на частотах1–2ГГц составляет3–6дБ [26].
Контрольные вопросы
1.Каково функциональное назначение смесителя?
2.В чем заключается процесс преобразования частоты?
3.Что такое гетеродин, и каково его функциональное назначение?
4.По каким основным признакам классифицируют смесители СВЧ?
5.Какой вид имеет эквивалентная схема смесительного диода?
6.Как образуется сигнал промежуточной частоты?
7.В чем заключается процесс обратного преобразования частоты?
8.Как возникает сигнал зеркальной частоты?
9.Какие смесители называют широкополосными, какие – узкополосны-
276
10.Что показывает и как определяют коэффициент преобразования смеси-
теля?
11.Чем обусловлены и как определяются потери преобразования?
12.Какой физический смысл имеет коэффициент шума смесителя?
13.Как определяется нормированный коэффициент шума?
14.Что характеризует и как определяется относительная шумовая температура преобразователя?
15.Какой физический смысл имеет коэффициент подавления сигнала зеркальной частоты?
16.Как определяется динамический диапазон смесителя?
17.Какие смесители называются однотактными или небалансными?
18.Каким образом можно усовершенствовать характеристики небалансных смесителей?
19.Что такое смесительная секция?
20.Какие технические требования необходимо выполнить при конструировании смесительной секции?
21.Как реализуются смесительные секции на основе волноводов?
22.Как реализуются микрополосковые смесительные секции?
23.Какими способами согласовывают смесительные диоды с микрополосковыми линиями?
24.Какие смесители называют балансными?
25.Каковы принципы работы балансных смесителей?
26.Какие преимущества имеют балансные смесители в сравнении с небалансными?
27.Каким образом уменьшается влияние шумов гетеродина на характеристики балансных смесителей?
28.Как реализуются балансные смесители в волноводном исполнении?
29.Как реализуются балансные смесители на микрополосковых линиях?
30.Какие смесители называются двойными балансными?
31.Каким образом осуществляется подавление сигнала зеркальной частоты в двойном балансном смесителе?
32.Какие смесители называются кольцевыми?
33.Как работает кольцевой смеситель?
34.Какую конструкцию имеют симметрирующие трансформаторы в СВЧ диапазоне?
35.Каковы принципы работы двойных кольцевых смесителей?
36.Какие особенности имеют транзисторные схемы смесителей СВЧ диа-
пазона?
studfiles.net
