Смеситель ключевой

Секреты преобразования частоты или как работает ключевой смеситель?

главная\р.л. конструкции\трансиверы\...

Секреты преобразования частоты или как работает ключевой смеситель?

(Примечание автора – это исправленный и переработанный вариант статьи, опубликованной на форуме CQHAM.RU по приемникам прямого преобразования в декабре 2005 года, подготовлен специально для публикации на СКР)

Введение.

Одним из наиболее важных элементов любого приемника является первый смеситель. Параметры этого устройства фактически определяют наиболее важные параметры приемника, такие как чувствительность и динамический диапазон (ДД). Все радиолюбители в последнее время стремятся к одному – получить чувствительность в долях микровольта и динамический диапазон за 110-120 дБ, что само по себе простыми техническими решениями получить практически невозможно. Приходится существенно усложнять конструкцию. А всегда ли это так необходимо? Можно прикинуть – например, сигнал шумов диапазона у Вас составляет 0,5 мкВ, сигнал помехи от соседнего передатчика по S-метру составляет 59+50дБ (15 мВ), то динамический диапазон сигналов на входе приемника составит 90дБ. Следовательно, при наличии в приемнике смесителя с таким ДД, вы сможете нормально работать в эфире на одном диапазоне с соседом. И не испытывать проблем при условии, что передатчик соседа хорошо отлажен и не сыплет помехами по всему диапазону (тут уже ничего не спасет, даже входной аттенюатор, использование которого расширяет ДД сверху). Другое дело работа в контестах и вечером на 40 метров. Там сигналы станций могут проходить с уровнем S9+60 дБ и даже больше. А это уже 50 мВ и более. Вот здесь уже потребуется приемник с ДД по интермодуляции 100 дБ и даже больше и обязательно входной аттенюатор. А это будет стоить денег, иногда и не малых. В остальных случаях и на ВЧ диапазонах надобность в таких значениях ДД, как правило, отсутствует. На мой взгляд, исходя из данного примера, следует выбирать тот или иной вариант приемника под свои потребности и финансовые возможности…

Классические схемы смесителей, работающие на синусоидальных сигналах гетеродина, в последнее время повсеместно заменяются импульсными смесителями, работающими с сигналами гетеродина, имеющими форму прямоугольных импульсов. Происходит так потому, что такие смесители позволяют получить более высокие параметры приемника. Однако материалы нашего форума на СКР, посвященного прямому преобразованию частоты показывают, что иногда радиолюбители-конструкторы таких смесителей получают посредственные параметры и сталкиваются с проблемой плохой работы смесителя. Почему же так происходит? Что такого особенного нужно знать в схемотехнике ключевого смесителя, чтобы не попасть в такую ситуацию? Прежде всего, нужно помнить о том, что при замыкании ключа происходит непосредственное подключение источника сигнала к нагрузке, со всеми вытекающими отсюда последствиями. А их немало…

В отношении таких смесителей наиболее важным параметром, наряду с внутренним сопротивлением открытого ключа, является форма сигнала гетеродина. Вокруг смесителей этого типа появилось много различных легенд и толкований принципов их работы. Так это или не так – цель данной статьи. Объяснять закономерности работы таких смесителей при помощи формул будет сложно для восприятия широкой аудиторией, т.к. многие радиолюбители не имеют достаточной математической подготовки. Поэтому решено было попытаться изложить материал по теории работы ключевых смесителей в популярном изложении на примере наглядной математической модели, в которой реакция схемы смесителя на изменение своих параметров наглядно отображается на экране осциллографа. Автор использовал широко доступную программу-симулятор Electronics Workbench 5.12, которая достаточно хорошо работает только с несложными математическими моделями. Такой подход требует большого графического материала, но с этим придется примириться. Преимущество в том, что многие читатели смогут сами повторить описанные математические эксперименты на своих компьютерах и получить более полную информацию о смесителях, чем та, которую автор смог вместить в рамки относительно небольшой статьи.

1. Описание модели ключевого смесителя.

Автор решил не мудрить с моделированием параметров диодов, транзисторов или микросхем, и остановился на ключе в чистом виде – электромагнитном реле, точнее на его математической модели. Частота переключения идеального реле ничем не ограничена, параметры сопротивления ключа в проводящем состоянии можно задавать от сотых долей Ома до сотен кОм. Емкость проходная отсутствует. Сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико. Важно также то, что сигнал гетеродина полностью развязан от исходного сигнала и не оказывает на него никакого влияния. Практически идеальный вариант ключа, для того, чтобы увидеть на практике как зависят результаты работы смесителя от величины сопротивления нагрузки и «запоминающей» емкости (более точно ее называть интегрирующей или фильтрующей, но не будем спорить о терминологии – можно назвать её и иначе, т.к. она необходима для выделения полезного сигнала работы смесителя), а так же внутреннего сопротивления замкнутого ключа и зависимости формы выходного сигнала от формы сигнала гетеродина.

Примененная автором математическая модель ключевого смесителя представлена на рис.1 и содержит всего 6 элементов. Источник сигнала представляет собой генератор синусоидальной частоты (ГСЧ) с выходным сопротивлением 50 Ом (на схеме его не видно, но оно задано в описании параметров). Установлена частота 500 кГц и амплитуда 1 вольт. Выбор данной частоты произволен и автором выбран исключительно потому, что часто встречается в радиолюбительской практике. Функции гетеродина возложены на функциональный генератор (ФГ), способный вырабатывать синусоидальные, треугольные и прямоугольные сигналы, с возможностью изменения их частоты и скважности. Для того чтобы увидеть на экране осциллографа НЧ сигнал, частота установлена 499 кГц. В этом случае мы должны увидеть после смесителя синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц. Функции смесителя выполняет идеальное реле, у которого сопротивление замкнутого ключа равно 50 Ом (на схеме его не видно, но оно задано в описании параметров ключа).

Сопротивление нагрузки выбрано также 50 Ом. Конденсатор нагрузки установлен 2мкФ и будет иметь несколько значений, но об этом ниже. Для наблюдения за работой смесителя используется осциллограф. Таким образом, данная модель представляет собой идеальный ключевой смеситель (ИКС) для приемника прямого преобразования (ППП).

Напряжение срабатывания реле установлено 1 В, а напряжение ФГ – 2 вольта, чтобы обеспечивалось надежное переключение реле.

Рис.1 Математическая модель смесителя ключевого типа для ППП.

На что хотелось бы обратить внимание читателей, так это на то, что происходит при замыкании ключа. Большая по величине емкость разряжена в исходном состоянии до нуля вольт. Замкнутый ключ испытывает бросок тока заряда емкости. Величина его определяется выходным сопротивлением ГСЧ, внутренним сопротивлением ключа и величиной выходного напряжения ГСЧ. В дальнейшем при размыкании ключа накопленный емкостью заряд отдается в нагрузку. Величина тока в нагрузке определяется величиной напряжения на емкости и величиной сопротивления нагрузки. В дальнейшем замыкание и размыкание ключа периодически подключает емкость к выходу ГСЧ, тем самым, закорачивая его на землю, поскольку для токов ВЧ реактивное сопротивление емкости очень мало, и фактически представляет собой короткое замыкание. Понятно, что при этом источник сигнала испытывает крайне неприятный режим своей работы, т.е. в какие-то моменты времени он работает в режиме холостого хода, когда ключ разомкнут, а в другие моменты работает в режиме короткого замыкания на выходе. Именно поэтому величина внутреннего сопротивления замкнутого ключа играет существенную роль в ключевых смесителях. Условием согласования по мощности является равенство сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Только в этом случае происходит передача максимально возможной мощности сигнала в нагрузку, поскольку они работают в согласованном по мощности режиме. Т.е. напрашивается вывод о том, что оптимальным является вариант, когда внутреннее сопротивление ключа равно сопротивлению источника сигнала. Если оно не равно, то следует принять необходимые меры – поставить дополнительные уравнивающие резисторы последовательно с малым сопротивлением ключа, или установить на входе ключа согласующий повышающий трансформатор, если сопротивление ключа выше сопротивления источника сигнала, или понижающий – в противоположном случае. Это значительно упрощенный вариант пояснения особенностей работы смесителя, т.к. надо учесть еще и влияние резистора нагрузки и прочих факторов. Но суть дела от этого принципиально не изменяется, поскольку Rн зашунтировано малым реактивным сопротивлением емкости и на ВЧ его влияние минимально. Одновременно хочется обратить внимание и на такой факт, что внутреннее сопротивление ключа и емкость образуют RC-фильтр НЧ (ФНЧ), предотвращая проникновение ВЧ сигналов в нагрузку – исходного ВЧ сигнала и ВЧ продуктов преобразования, в данном случае с частотой в 2 раза выше исходной. Типовая амплитудная характеристика ФНЧ этого типа за частотой среза -6 дБ/октаву. Ясно, что в такой схеме емкость должна иметь вполне определенное значение, чтобы получить частоту среза выше верхней частоты модуляции исходного сигнала, иначе полезный сигнал будет ослабляться и коэффициент преобразования смесителя окажется ниже максимально возможного. При расчете частоты среза ФНЧ следует обязательно учитывать величину сопротивления нагрузки. Приведенные намеренно упрощенные рассуждения показывают, что все приведенные на математической модели элементы взаимосвязаны и все вместе определяют достижимые параметры смесителей этого типа. В том, что это действительно так, нам и предстоит убедиться.

2. Проверка работоспособности модели.

Данная схема работоспособна и наглядно демонстрирует преобразование частоты 500кГц в частоту 1 кГц, что мы и видим на рис.2 .

Рис.2. Выходной сигнал смесителя частотой 1 кГц.

Зеленая синусоида – это сигнал, снимаемый с резистора нагрузки, а синяя полоса – это сигнал ФГ. Какие выводы можно сделать, глядя на осциллограмму? Сигнал действительно имеет форму синусоиды с частотой 1 кГц. Однако форма сигнала размыта из-за наличия шумов в сигнале. В данном случае - продуктов преобразования исходной частоты, т.к. других источников шумов в данной модели нет. При наличии параллельной емкости 2 мкФ величина этих помех довольно велика. Амплитуда сигнала от пика до пика равна примерно 1.65 вольта. Таким образом, коэффициент преобразования смесителя равен Кп =1,65/2=0,825 (- 1,67 дБ). Это вполне согласуется с данными классической теории преобразования. Эту величину следует назвать предельно достижимым коэффициентом преобразования смесителей ключевого типа. На практике реальная величина всегда будет меньше, но, по крайней мере, теперь ясно где находится теоретический предел для этой величины. Величина помехи на модели получилась примерно 180 мВ (см. рис. 3). Соотношение амплитуды сигнал/шум на выходе смесителя составляет примерно 9,18 или 19,2 дБ. Неплохо, но хотелось бы лучше. Вместе с тем, эта величина может быть названа типовой теоретической шумовой характеристикой смесителя при заданных исходных параметрах. При других значениях параметров эта величина может быть как меньше, так и больше. Нужно выяснить, при каких параметрах достигается улучшение.

Рис. 3. Форма сигнала помехи на конденсаторе С = 2мкФ.

Существует миф о том, что номинал этой емкости следует уменьшать. Так ли это? Сейчас проверим (рис. 4)… Осциллограмма показывает, что амплитуда помехи выросла до 296 мВ при сохранении амплитуды полезного сигнала. Сигнал/шум = 14,66 дБ.

Рис. 4. Форма сигнала помехи на конденсаторе С= 1 мкФ.

Наверное, комментарии в данном случае излишни…

Причина в том, что интегрирующая цепочка, образованная сопротивлением ключа и емкостью, при уменьшении величины емкости увеличивает частоту среза в связи с уменьшением постоянной времени. Т.е. фильтрующие свойства ФНЧ ухудшились, что мы и наблюдаем на экране осциллографа.

Проверим, что будет, если емкость конденсатора увеличить (рис. 5) .

Рис. 5. Форма сигнала помехи на конденсаторе С = 3 мкФ.

Хорошо видно, что при сохранении амплитуды полезного сигнала величина помехи снизилась до величины 82 мВ. Соотношение сигнал/шум = 26,07 дБ.

Таким образом, не подтверждается, что целесообразно уменьшать величину этой емкости. Поскольку наглядно видно, что с увеличением емкости помеха ослабляется, т.е. емкость не только запоминает уровень сигнала по мощности, но и фильтрует помехи преобразования, очищая полезный сигнал от них. Классическая теория утверждает, что именно так и происходит. При этом сама емкость совместно с сопротивлением ключа смесителя образует RC-фильтр нижних частот (ФНЧ) и предотвращает проникновение входного сигнала и продуктов преобразования на вход УНЧ приемника прямого преобразования.

Исходя из этого, становится ясно, что при известном сопротивлении ключа эта емкость должна иметь такую величину, чтобы получился ФНЧ с частотой среза, равной верхней полезной частоте, т.е. в случае SSB необходимо иметь 3кГц. Формула известна, и при сопротивлении ключа 50 Ом необходимо применять емкость порядка 1,06 мкФ, а при частоте среза 1 кГц – 3,18 мкФ. Что фактически мы и видим на приведенных выше осциллограммах (при других сопротивлениях ключа емкости будут иметь другой номинал). Главный вывод математической модели - в идеальном случае мы не можем получить смеситель с Кп > 0,825 и соотношение сигнал/шум лучше 27 дБ. Поскольку данный однотактный смеситель идеальный, то его динамический диапазон неограничен и для всего ППП будет определяться ДД первого каскада УНЧ. Об этом следует также помнить в реальных конструкциях, иначе не получите ожидаемого результата. Можно ли еще каким-нибудь способом уменьшить сигнал помехи, попадающий на вход первого каскада УНЧ? Да, есть еще один вариант – применить диплексер, который не просто отфильтрует помеху, но и поглотит её. Тем самым улучшит соотношение сигнал/шум и общую динамику сигнала на входе УНЧ. Но об этом ниже…

2. Зависимость от сопротивления нагрузки.

Попробуем увеличить нагрузку в 10 раз, т.е. 500 Ом (см. рис. 6 и 7). При этом амплитуда полезного сигнала практически не изменилась, т.е. Кп остался прежним. Это вполне объяснимо, т.к. на величину полезного сигнала в первую очередь влияет согласованность внутренних сопротивлений ГСЧ и ключа. Однако амплитуда помехи возросла с 82 до 145 мВ, т.е. почти на 5 дБ. Причем на осциллограмме видно, что амплитуда помехи возрастает именно вблизи точки перехода полезного сигнала через ноль. Данный результат показывает, что не следует стремиться к увеличению сопротивления нагрузки ключевого смесителя, т.к. это может привести к ухудшению параметра отношения сигнал/шум смесителя. Выигрыш в предполагавшемся увеличении Кп смесителя тоже не оправдался. Делайте из этого эксперимента правильные выводы! Уменьшение нагрузки до 25 Ом приводит к незначительному снижению амплитуды сигнала на 0,1 В и возрастанию сигнала помехи до 134 мВ. Практически это подтверждает требование классической науки о необходимости обязательного согласования сопротивлений смесителя по входу и по выходу. Любое рассогласование приводит к ухудшению максимально достижимых параметров смесителя по Кп и отношению С/Ш на выходе ключевого смесителя. В данном случае привязка должна осуществляться по сопротивлению источника сигнала, прямому сопротивлению ключа и нагрузки смесителя.

Рис. 6. Выходной сигнал при R=500 Ом.

На осциллограмме рис.6 видно, что практически она не отличается от вида сигнала на рис.2., что собственно и должно быть на практике. Что происходит с амплитудой помехи показано на следующей осциллограмме рис.7. Обычно в этом месте задают вопрос - так ли уж необходимо всегда выполнять схемотехнику смесителей только в 50-омном исполнении? По данным нашей модели получается, что привязку по сопротивлениям следует сначала выполнить исходя из имеющейся величины сопротивления замкнутого ключа. Каждый ключевой элемент – диод, транзистор или микросхема имеет вполне определенную величину сопротивления в проводящем состоянии. Ее и следует брать за основу при определении схемотехники смесителя. Применение пассивных трансформирующих цепей (с учетом потерь в них) позволяет применить и другие значения. Например, диодные ключевые смесители могут иметь входное сопротивление в разных режимах от 100 Ом до 1 кОм. Следовательно, чтобы получить хороший результат, нужно трансформировать входное сопротивление источника сигнала 50 Ом в соответствующее входное сопротивление смесителя. Сделать это можно, применив резонансный контур с индуктивной или емкостной связью (узкополосный вариант) или широкополосный трансформатор на ферритовом кольце. При этом желательно сначала вычислить или фактически измерить, какое именно входное сопротивление имеет Ваш смеситель, чтобы сильно не ошибиться в конструкции того или другого способа согласования. Широкополосность не всегда является лучшим решением, т.к. в большинстве случаев с ростом частоты входное сопротивление смесителя уменьшается из-за влияния паразитных емкостей.

Рис.7. Сигнал помехи при R=500 Ом и С=3,18 мкФ.

3. Зависимость параметров смесителя от сопротивления ключа.

Существует интуитивное предположение о том, что чем меньше сопротивление ключа – тем лучше работает смеситель. Поэтому все стремятся достать ключевые микросхемы с сопротивлением канала менее 10 Ом. Однако при этом забывают, что мультиплексор в данном случае (в качестве смесителя) отнюдь не линейное устройство, а скорее наоборот – нелинейное. Моделирование смесителя с сопротивлением канала 5 Ом нисколько не улучшает параметры, наоборот ухудшает их. Амплитуда выходного сигнала упала до 1,5 В, т.е. Кп = 0,75, а сигнал помехи увеличился до 128 мВ. Таким образом, зависимость оказалась прямо противоположной той, которая ожидалась. Что бы это значило? Вероятно фильтрация, получаемая за счет RC фильтра, образованного сопротивлением канала ключа и емкостью нагрузки, стала менее эффективной. Ведь частота среза фильтра выросла в 5 раз. При снижении сопротивления ключа происходит также ослабление развязки нагрузки от источника сигнала. Если ранее источник сигнала нагружался по ВЧ на сопротивление канала ключа, что также равно 50 Ом, то теперь этого не происходит. Фактически общее сопротивление замкнутой цепи для входного тока стало равным не 100 Ом, как было ранее, а 55 Ом. Следует учитывать и тот факт, что при замыкании ключа к выходу источника сигнала подключается довольно большая емкость конденсатора, которая сильно шунтирует выходные цепи источника сигнала. В реальных схемах там могут стоять контура, которые данная емкость будет сильно шунтировать. Поэтому нужно будет обязательно принимать меры к развязке низкоомного входа смесителя от ДПФ. Такую функцию обычно возлагают либо на усилитель с высоким ДД не ниже чем ДД смесителя, и небольшим коэффициентом усиления, либо на истоковый повторитель (какой вариант предпочтительнее выбирается самим конструктором). Снизить влияние низкоомного ключа можно также путем включения на его входе резистора, величина которого и будет определять входное сопротивление смесителя во ВЧ, а заодно и участвовать в процессе фильтрации продуктов преобразования. Можно увидеть влияние смесителя на источник сигнала, если подключить осциллограф к входу смесителя. То, что я там увидел совсем не похоже на идеальную синусоиду, которую выдает ГСЧ без смесителя. Там присутствует очень сложное по форме колебание, которое сформировалось в смесителе в результате преобразования частот. Обращаю Ваше внимание – НА ВХОДЕ СМЕСИТЕЛЯ! Это и есть результат неприятного свойства всех пассивных смесителей – двунаправленность. Активные смесители этим практически не страдают, т.к. у них выход существенно развязан от входа большим внутренним сопротивлением активного элемента. Поэтому оставим пока этот вопрос открытым. Нужно всегда помнить о том, что результирующий сигнал работы смесителя попадает не только в нагрузку, но и возвращается обратно в источник сигнала через замкнутый ключ. Увеличение сопротивления канала ключа, на удивление, не приводит к снижению Кп, но также ухудшает отношение С/Ш. В научных экспериментах в таких случаях обычно утверждают, что раз мало Ом – это плохо и много Ом – тоже плохо, значит, существует некое оптимальное значение, типа «золотая середина», которое следует использовать на практике. Почему наиболее часто применяется 50 или 75 Ом, мы обсуждать не будем. Ясно одно – для ключевых смесителей очень важно соблюдать равенство входного сопротивления смесителя сопротивлению источника сигнала. К чему приводит несоблюдение этого правила, мы только что показали на простой модели смесителя.

Рис.8. Сигнал помехи при Rключа=5 Ом и С=3,18 мкФ и Rн = 50 Ом.

Остается еще один чрезвычайно важный момент, ограничивающий достижимый ДД ключевого смесителя. Речь идет о собственной линейности амплитудной характеристики полупроводникового канала ключа. На моей модели его не смоделируешь. У меня ключ абсолютно линейный, чего на практике не бывает. Реальные ключи имеют вполне конкретные величины токов и напряжений, при которых величина сопротивления ключа остается постоянной, а затем начинается увеличение или уменьшение этой величины. Здесь мы также должны учитывать естественный разброс параметров ключей даже выращенных на одном кристалле. Есть очень простой путь улучшить линейность и уменьшить разброс параметров каналов ключей – установить последовательно с каналом ключа дополнительные резисторы. При этом общее сопротивление ключа возрастет и обязательно потребуется применить согласование любого типа по входу и по выходу под полученное новое значение параметра ключа. Потери при этом несколько возрастут, но их легко скомпенсировать увеличением усиления НЧ тракта. Но линейность повысится!

4. Зависимость от скважности сигнала гетеродина.

Существует миф о том, что укорочение длительности импульса гетеродина приводит к росту параметров ключевого смесителя. Вариантов ключевых смесителей много. У нас в данном случае испытывается смеситель, работающий на основной частоте. Но существуют и другие, работающие на гармониках частоты гетеродина, в частности, при частоте гетеродина в 2 раза меньшей, чем частота сигнала. О них позже.

Формулы показывают, что этого быть не должно. Такой же результат показывает и наша модель (см. рис.9). Укорочение длительности импульса в 2 раза (duty cicle = 25%, скважность равна 4)

Рис.9. Выходной сигнал при скважности импульса 4.

Рис.10. Входные сигналы при скважности 4 (импульс короче полупериода сигнала).

приводит к снижению Кп с 0,825 до 0,46 (-6,7 дБ), что очень хорошо видно на осциллограмме рис. 9. Да и форма сигнала остается «загрязненной» продуктами преобразования. Чтобы понять, почему так происходит достаточно взглянуть на форму нормального меандра вместе с формой входного сигнала, а затем проделать то же самое с укороченными импульсами. Классическая теория утверждает, что для ППП оптимальным является случай, когда длительность импульса гетеродина близка к длительности полупериода входного сигнала. Т.е. работает одна полуволна сигнала. На время второй полуволны ключ должен быть закрыт, иначе емкость разрядится и не сможет запомнить уровень мощности принимаемого сигнала. Об этом забывают, когда гетеродины начинают работать на половинной частоте сигнала. Меандр половинной частоты имеет длительность импульса, равную (точнее очень близкую) длительности периода входного сигнала, а не его половины (как должно быть). Поэтому с переходом на пониженные частоты гетеродинов нужно принимать меры к тому, чтобы восстановить это оптимальное соотношение длительностей. Как только это условие выполняется, происходит «взрыв» роста чувствительности смесителя. Некоторые радиолюбители, увидев такой эффект, поспешили его запатентовать и назвать «Тайлое детектор» или как-нибудь еще (не суть важно). Некоторые пошли еще дальше и стали утверждать, что дальнейшее укорочение импульсов приводит к еще большему улучшению параметров ключевого смесителя. Так ли это? Скорее всего, не так. Причина в том, что емкость получает максимальную энергию при длительности именно в полпериода (фактически интегрирует сигнал). Укорочение импульса будет сокращать энергию сигнала, поступающую на емкость, т.е. должно привести к падению Кп. В этом легко убедиться на данной простой модели, что и предлагается сделать самим читателям самостоятельно.

5. Зачем нужен диплексер после смесителя?

Вопрос этот хорошо изучен теоретически и практически. Встречаются они в основном только в профессиональной аппаратуре. В первую очередь там, где используются диодные смесители. Радиолюбители в погоне за упрощением конструкции диплексерами обычно пренебрегают или используют самый примитивный их вариант – параллельно выходу смесителя подключают RC-цепочки, задача которых – выровнять величину нагрузки смесителя для ВЧ продуктов. Это несколько лучше, чем ничего, но это всего только полумера. Диплексеры специально придуманы были для пассивных смесителей, т.к. именно они обладают неприятным свойством двунаправленности. Это означает, что продукты преобразования и сигналы в смесителе свободно распространяются в обе стороны – от входа к нагрузке и от нагрузки к входу смесителя (и далее в антенну через ДПФ). Диплексеры бывают и на входе пассивных смесителей, особенно высокоуровневых. Там у них похожая задача – поглотить продукты преобразования за пределами рабочей частоты. В приемниках необходимо прежде всего развязать полезные НЧ сигналы смесителя от ВЧ продуктов преобразования, которые способны повлиять на искажение полезного сигнала во входных каскадах УНЧ. Сделать это можно простым поглощением этих продуктов на отдельном резисторе. Для этого достаточно поставить на выходе смесителя НЧ Г-образный фильтр для полезного сигнала и ВЧ Г-образный фильтр для продуктов преобразования со своим сопротивлением нагрузки в каждом из них – это и есть диплексер, устройство разделения нагрузки на два канала – высоко- и низкочастотный, схема которого и выходные сигналы представлена на рис.11.

Рис.11. Модель ИКС с диплексером в нагрузке.

Схема диплексера взята из Интернета с одного из американских сайтов, посвященных разработке ППП, и предлагалась для установки после диодных кольцевых смесителей, о чем неоднократно говорилось на нашем форуме, но на практике в последних разработках ППП наших активистов применения не нашло. Обе индуктивности имеют по 10мГн, одна из которых в модели поставлена переменной для проведения экспериментов. Схему можно и упростить выбросив первую индуктивность и оставив только RC-цепочку на входе. Можно, но только следует принять меры к снижению паразитных индуктивностей. Наилучшим решением здесь будет применение СМД технологии. При использовании обычных компонентов их выводы должны быть укорочены до минимально возможной длины.

На рис. 11 зеленым цветом представлен полезный сигнал, очищенный НЧ фильтром диплексера, а синим цветом представлен тот же сигнал на входе диплексера. Невооруженным взглядом видно, как существенно очистился полезный сигнал от имеющихся помех. Измерения показывают, что величина помехи может уменьшиться примерно в 10 раз, т.е. на -20 дБ. По-моему, это неплохой результат, который вполне заслуживает применения в реальных наших конструкциях.

Известно множество различных схем диплексеров для применения как в ППП, так и в обычных супергетеродинах. Не все они одинаково эффективны и на самом деле не так просты, как кажется на первый взгляд. Они часто встречаются в профессиональной аппаратуре, но в радиолюбительских разработках они почти не встречаются, и совершенно напрасно. Как именно нужно строить «правильные» диплексеры – выходит за рамки этой статьи и требует отдельного обсуждения. Этот вопрос можно посмотреть в многочисленных материалах по Интернету. Однако у меня сложилось убеждение в том, что отсутствие применения диплексеров в ключевых смесителях отчасти связано с тем, что в самом смесителе все-таки содержится простой ФНЧ, о котором мы говорили выше. Более того, в ППП помеха в смесителе имеет частоту, значительно превышающую полезную НЧ частоту сигнала, и существенно ослабляется по сравнению с тем, что мы имеем в обычных типовых балансных схемах с применением синусоидальной формы гетеродина. У них спектр преобразования значительно «грязнее», чем у ключевых смесителей, за счет наличия четных гармоник. Это факт, который также является преимуществом ключевых смесителей, у которых четные гармоники в преобразовании практически отсутствуют.

6. ИКС на гармониках.

Выше мы уже показали, что ключевой смеситель может работать на гармониках частоты гетеродина. Преимущества такого варианта обсуждались на форуме, осталось только уточнить кое-какие детали. Как и следует ожидать, при работе на 2-й гармонике гетеродина (частота гетеродина в два раза ниже принимаемой частоты) со скважностью 4 импульсного сигнала гетеродина Кп смесителя в этом случае ниже и составляет примерно 0,34 и сигнал помехи имеет уровень тоже выше. При этом отношение С/Ш составляет примерно13-14 дБ. Сравните с теми же параметрами, приведенными выше для основной гармоники, и выводы сделайте сами. В этом случае диплексер просто крайне необходим для существенного улучшения соотношения сигнал/шум на выходе смесителя.

Существует заблуждение, что смеситель может хорошо работать только не меандровых сигналах гетеродина. Это не так. Скважность можно сделать и 10 и 20, но при этом важно выполнить одно главное условие – длительность импульса должна быть близкой к половине периода преобразуемого сигнала. Смеситель будет работать по одной простой причине – частота гетеродина в любом случае остается в десятки раз выше верхней частоты полезного НЧ сигнала, сколько бы ее не прореживали. А это непременное условие для нормальной работы смесителя. Но параметры ключевого смесителя всегда будут хуже максимально теоретически достижимых. К достоинствам ИКС следует отнести тот факт, что он фактически не преобразует на четных гармониках гетеродина, потому что их в меандре нет. ИКС может вполне прилично работать на нечетных гармониках гетеродина с ослаблением приема по мере роста номера гармоники. Это справедливо если исходная форма сигнала гетеродина является меандром. При укорочении длительности импульса происходит обогащение спектра сигнала гетеродина четными гармониками, на которых становится возможным преобразование сигнала, т.е. появляется множество паразитных каналов приема. О применении таких смесителей на передачу лучше забыть – они не пригодны из-за сильного загрязнения сигнала продуктами преобразования, избавиться от которых очень и очень сложно. Проще сделать классический балансный смеситель активного типа и получить прекрасный чистый выходной SSB-сигнал приличной мощности, снизив тем самым количество последующих высоко линейных каскадов усиления по мощности. А это тоже важно, т.к. упрощает конструкцию передающего тракта в целом.

7. Основные выводы.

Приведенные результаты упрощенной математической модели ИКС показывают, что для достижения максимальных параметров смесителей необходимо при их разработке для ППП учитывать следующие моменты:
наиболее эффективным в ИКС является применение гетеродинов все-таки на основной частоте сигнала при форме сигнала в виде меандра. При этом можно достигнуть наиболее высокой чувствительности и лучшего соотношения сигнал/шум на выходе смесителя.
учитывая двунаправленность ИКС, для развязки по входу и устранения проникновения помех преобразования в антенну приемника, желательно применять истоковые (или эмиттерные) повторители, или применять усилители с высоким динамическим диапазоном, превышающим динамический диапазон смесителя.
улучшить существенно соотношение сигнал/шум на выходе смесителя ППП (и динамический диапазон соответственно) можно путем применения даже простейших диплексеров. Это особенно важно для диодных смесителей с синусоидальной формой гетеродина. ИКС могут применяться и без диплексера, но его применение позволяет дополнительно улучшить С/Ш снизу, т.е. дополнительно расширить ДД приемника.
применение гармониковых гетеродинов для ИКС не дает выигрыша в чувствительности и требует принятия специальных мер для установления длительности импульсов, примерно равными длительности полволны принимаемого сигнала, а также подавления более высокого уровня помех преобразования в смесителе.
скважность гетеродинных импульсов может меняться в широких пределах при условии выполнения главного требования – длительность импульса гетеродина должна быть привязана к длительности полуволны принимаемого сигнала. При этом получаются наилучшие результаты преобразования. Однако параметры такого смесителя будут хуже, чем у ИКС на основной гармонике.

Заключение.

Автор в данной статье не преследовал никакой иной цели, кроме как в популярном виде изложить некоторые принципиальные особенности теории работы смесителей ключевого типа. И тем самым дать возможность многочисленным радиолюбителям-конструкторам избежать явных ошибок. Удалось ли это мне, или нет, - судить моим читателям. Популяризатором быть крайне сложно и далеко не у всех получается… Если мне это не удалось, то прошу меня извинить. С удовольствием приму конструктивную критику. Понимаю, что кому-то что-то будет не до конца понятно. Я сразу оговорился, что использовал сильно упрощенную модель и старался не выходить за ее рамки. Много на самом деле просто осталось, что называется, «за кадром». Нельзя объять необъятное, хотя можно к этому стремиться всю жизнь… На самом деле модели могут быть более сложными и результаты будут несколько иными и более точными в части конкретных величин – коэффициента преобразования и отношения сигнал/шум. Но суть дела они не изменят, поскольку математический аппарат анализа таких цепей останется прежним.

На самом деле ничего принципиально нового в данной статье нет. Да и принятая автором форма изложения материала тоже не является чем-то новым. Возможно, новыми для читателя покажутся некоторые выводы в статье, полученные автором, которые на первый взгляд противоречат интуитивным предположениям некоторых радиолюбителей о тех или иных свойствах ключевых смесителей. В частности это касается оптимизации длительности импульсов гетеродина. Это верно только отчасти, т.к. целый ряд результатов в этом направлении ранее был получен и другими радиолюбителями, только применялся для конкретной конструкции смесителей и не рассматривался в таком контексте. Все это известно на основании классической теории радиоцепей и результатов практических разработок как наших, так и зарубежных радиолюбителей. В конце статьи обычно принято давать перечень использованной литературы. Я этого не делаю потому, что использовал только материалы, опубликованные в Интернете, и нисколько не претендую на свое авторство тех идей, которые явным или неявным образом попали в эту статью. В основе лежат материалы, с которыми можно ознакомиться на форуме СКР , а также целого ряда других форумов и радиолюбительских сайтов не только СНГ, но и многих других стран, посвященных технике прямого преобразования. Поводом для написания статьи послужило также множество других материалов, количество файлов которых на моем компьютере перевалило за 300 наименований, перечислять их все, скорее всего, никому не нужно. Возможно в статье не все в полном порядке с общепринятой терминологией, принятой для публикации в строгих научных изданиях такого рода. Но ведь это не строго научная статья, а всего лишь попытка популярного изложения общеизвестных теоретических принципов. Поэтому прошу простить мне некоторую вольность в изложении и не судить меня строго.

В итоге хочу выразить свою признательность В.Т. Полякову и всем другим истинным приверженцам техники прямого преобразования, а также всем моим коллегам по форуму, прежние и новые работы которых вдохновили меня и сделали убежденным приверженцем техники прямого преобразования. Уверен, что очень скоро с применением новейших компьютерных технологий техника прямого преобразования станет в один ряд с традиционной супергетеродинной технологией и даже в чем-то превзойдет ее. Первые ласточки, в смысле реальные конструкции, в этом направлении уже есть. Правда, пока все это очень дорого и большинству наших радиолюбителей недоступно. Зато простых конструкций ППП, с прекрасными параметрами и доступных для массового повторения, авторами которых являются мои коллеги по форуму, становится все больше. Это очевидный факт, который радует всех нас, любителей техники прямого преобразования!

Валерий Лифарь (RW3DKB)г.Королёв, январь 2006 года

Глас народа 23.12.2009 02:14 Статья полезна коренным раскрытием сути смесителя впринципе. Что ... -- Sergey22.04.2008 23:56 А я поддеожеваю автора так как этот вопрос меня долго мучал а он ... -- ivan21903.03.2006 19:10 Статья действительно полезная, как первый шаг к пониманию процесс... -- RV6AFC10.02.2006 02:55 С таким же успехом можно описать и смоделировать «лом» который с ... -- US7AW04.02.2006 23:11 Спасибо всем, кто откликнулся! По причине отсутствия интернета в ... -- RW3DKB31.01.2006 19:53 По поводу Кп=1,65/2=0,825 Попробуйте увеличить скважность, скаже... -- UB20031.01.2006 15:25 По поводу согласования. Для ключевых смесителей существует вполне... -- Петр31.01.2006 01:07 Господа! До сего момента существовала лишь одна основополагающая ... -- резюме30.01.2006 18:38 1. То, что автор называет шумом, на самом деле никакой не шум (сл... -- dmj30.01.2006 00:02 Валерий, все изложенное, в шутку или в серьез?... -- km6z29.01.2006 23:54 использование Workbench как симулятора нелинейного элемента в сме... -- n0qr

housea.ru

Ключевой смеситель на микросхеме ADG774

главная\р.л. конструкции\трансиверы\...

Ключевой смеситель на микросхеме ADG774

Первый смеситель любого трансивера весьма ответственный узел. От его параметров зависят свойства всего приемопередающего тракта. Но, как же динамический диапазон? На самом деле всем нам знакомый смеситель, в зависимости от его использования, называется разными именами: —фазовый детектор“, —балансный модулятор“ или просто —пермножитель сигналов“.

При упрощенном подходе хорошо всем знакомый балансный смеситель на диодах, фактически, представляет собой коммутатор симметричных выходов входного трансформатора Тр1 на симметричные входы выходного трансформатора Тр2. Коммутация происходит под воздействием и с частотой сигнала гетеродина, который подается на средние точки трансформаторов Тр1 и Тр2 через трансформатор Тр3. В зависимости от полярности сигнала гетеродина попеременно открываются то горизонтальные диоды D1, D2, передавая сигнал со входа на выход смесителя без изменения фазы, то диагональные - D3, D4, которые переключают фазу сигнала на противоположную. Управляющие токи гетеродина протекают по полуобмоткам входного и выходного трансформаторов в противофазе и магнитные поля в сердечниках этих трансформаторов, вызванные данными токами, взаимоуничтожаются. Однако, из за неидеальной симметричности схемы и разброса параметров элементов, взаимокомпенсация происходит не полностью. В результате на входе и выходе такого смесителя мы всегда имеем неподавленный сигнал с частотой гетеродина. Такой смеситель имеет еще один недостаток. При уменьшении амплитуды входного сигнала из за разницы сопротивлений плечей коммутации, наступает момент когда работает только одно из них, с меньшим сопротивлением. Причем подбор диодов тут уже малоэффективен. Можно подобрать диоды с идентичными характеристиками для определенного уровня сигнала, но при минимальном сигнале от этого подбора толку не будет характеристики диодов все равно будут разными. Возникает эффект прямого детектирования. Смеситель при таком уровне сигнала на входе перестает выполнять свои функции. Этот эффект в основном ограничивает динамический диапазон смесителя —с низу“, для малых сигналов. Максимальная же амплитуда сигнала, которую допустимо подавать на вход смесителя, зависит от амплитуды напряжения гетеродина и свойств применяемых диодов. Когда токи через диоды, вызванные проходящим сигналом, приближаются и, тем более, превосходят и компенсируют токи сигнала гетеродина, смеситель так же перестает выполнять свои функции. Наступает его блокировка. Это верхний предел динамического диапазона смесителя. Надо сказать, что амплитуда напряжения на любом открытом диоде не может быть более 1,5 Вольт. Поэтому в смесителях используется только начальный, нелинейный участок АЧХ диодов. Для увеличения допустимой максимальной амплитуды на входе смесителя применяется последовательное включение нескольких диодов в каждом плече высокоуровневые смесители. Однако это ограничивает динамический диапазон —снизу“ по уже упомянутым причинам. Получается своеобразный —Тришкин кафтан“, казалось бы безвыходная ситуация. Но, для инженерной мысли нет неразрешимых задач! Представим себе, что в качестве переключателей вместо диодов мы поставили обыкновенное электромагнитное реле с соответствующим числом групп контактов и их соединением. Такой смеситель схемно очень похож на традиционный, но принципиально отличается от него тем, что сигнал управления не проходит по коммутируемым цепям. Смеситель на реле всем хорош, -почти отсутствует проникновение управляющего сигнала от обмотки в коммутируемые цепи, мизерное сопротивление замкнутых контактов по сравнению с открытыми диодами. Но, скорость переключения никуда не годится. Вот если бы нашелся такой радиоэлемент, который соединял бы в себе все достоинства реле с быстродействием, предположим, в сотню мегагерц, да еще и без —дребезга“ контактов! Это позволило бы создать —идеальный“ смеситель. Такой элемент ЕСТЬ! Это микросхема ADG774 фирмы ANALOG DEVICES.

В схеме смесителя используется только два из четырех переключателей. Остальные не задействованы и их выводы никуда не подсоединяются. Параметры микросхемы повергают в изумление отечественных специалистов ранее занимавшихся разработкой подобных микросхем. Им, к сожалению, так и не удалось, и никогда теперь уже не удастся, получить такие результаты. Вот они…

Электронные контакты в замкнутом положении способны пропускать через себя без затухания сигналы с частотой более 400 МГц.
Проходное сопротивление замкнутых контактов не более 2,2 Ом
Разомкнутые контакты ослабляют прохождение сигнала с частотой 10 МГц на величину не менее 65 дБ.
На той же частоте проникновение сигнала с одной группы контактов в другую происходит с ослаблением не менее 70 дБ.
При прохождении сигнала через контакты, искажения сигнала увеличиваются не более, чем на 0,3%
Контакты могут переключаться с частотой более 100 МГц
Управляющий сигнал однополярный (вход IN) и может иметь TTL или CMOS логические уровни.
При уровне логической единицы на входе EN, все контакты микросхемы размыкаются.
Напряжение питания однополярное, от +2 до +7 Вольт.

Данная микросхема не предназначена для применения специально в смесителях. Однако, смеситель собранный с ее использованием показал просто удивительные результаты. Судите сами. Какой смеситель, имея —внизу“ потери меньше на 4 6 дБ, чем двойной кольцевой смеситель на диодах Шотки, способен —вверху“, при больших уровнях входного сигнала, давать на своем выходе мощность 90 мВт без искажений!

На схеме смеситель двух высокочастотных сигналов. Сигнала гетеродина и входного сигнала. Смеситель реверсивный. Сигнал свободно может поступать на выход, а сниматься со входа. На вход F гет. подается прямоугольный сигнал от синтезатора. Так как амплитуда этого сигнала равна всего 1,8 Вольта, что не гарантирует надежной работы микросхемы, применяется —подставка“ по постоянному току -с резисторного делителя 4,7К и 1,8К на вывод 1 микросхемы подается постоянное смещение. Резистор 300 Ом определяет входное сопротивление схемы по входу гетеродина. Величина этого резистора может быть изменена в широких пределах. Если смеситель конструктивно расположен на некотором расстоянии от синтезатора, то сигнал гетеродина лучьше подавать по коаксиальному кабелю. При этом номинал нагрузочного резистора должен совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля. Если вход смесителя непосредственно соединен с антенным разъемом или с антенным фильтром, расчитанным на определенное сопротивление нагрузки, то для обеспечения хорошего КСВ по входу смесителя, желательно поставить нагрузочный резистор (на схеме обозначен пунктиром) величина которого равна выходному сопротивлению подключенных цепей. Этот резистор можно не ставить, если сигнал на вход смесителя подается через LC резонансный контур, который трансформирует сопротивление источника сигнала во входное сопротивление смесителя, которое в свою очередь, в данном случае будет определяться сопротивлением схемы, подключеной к выходу смесителя. LC контур на входе позволяет уменьшить потери входного сигнала, но делает схему узкополосной. Трансформаноры Тр1 и Тр2 широкополосные, с коэффициентом трансформации 1:1. Выпоненны по классической схеме, известной под названием ШПТЛ с коменсирующей обмоткой. Тр1 симметрирующий, а Тр2 десимметрирующий. Трансформаторы идентичны по конструкции. В качестве сердечника используется ферритовое кольцо с внешним диаметром 8 15 мм и магнитной проницаемостью 400 2000. Обмотка состоит из 4 8 витков в три скрученных провода. Шаг скрутки - 2 3 мм. Провод диаметром 0,1 0,3 мм. Острые грани колец стачиваются наждачным камнем. Перед намоткой кольца обматываются изоляционной лентой в один слой. Резисторный делитель 2,7К и 1,0К задает напряжение смещения на ключи. Напряжение выбрано из расчета получения максимальной линейности характеристик каждой группы контактов.

На схеме показан смеситель, выполняющий функции балансного модулятора. Вместо входного трансформатора здесь используется счетверенный операционный усилитель AD8534.

Размер корпуса микросхемы 9х4 мм Однополярное напряжение питания от +2 до +7 Вольт.

Каждый из четырех операционных усилителей этой микросхемы способен отдавать со своего выхода ток в нагрузку до +/- 250 мА.
Собственное потребление тока от источника питания 3 мА
Частотный диапазон до 3 МГц.
Отсутствует явление переворота фазы выходного сигнала при максимальной амплитуде.
Максимальный размах входного напряжения (двойная амплитуда), равен напряжению питания.
Максимальный размах выходного напряжения (двойная амплитуда), так же равен напряжению питания.

Эти свойства называются —Rail-to-Rail“ по входу и выходу, что буквально означает —От рельсы до рельсы“. Кто занимался операционными усилителями, тот знает, что такие свойства могут присниться только во сне!

В схеме балансного модулятора отсутствует регулировка подавления несущей. Это объясняется тем, что сигнала гетеродина проникает в управляемые цепи с ослаблением более 120 дБ. Этот параметр даже не нормируется производителем микросхемы ADG774. Он получен в результате собственных измерений. Уровень несущей в смесителе зависит только от разбаланса постоянных составляющих на его противофазных входах. В схеме смесителя высокочастотных сигналов, с трансформатором на входе, этот разбаланс отсутствует. Так, как обмотки трансформатора для постоянной составляющей являются коротким замыканием. Реальное подавление несущей в этой схеме составляет более 100 дБ. То есть несущая фактически отсутствует.

Смеситель является ключевым. Многие думают, что ключевой смеситель отличается от —гладкого“ только тем, что на ключевой подается прямоугольный сигнал гетеродина, а на —гладкий“ синусоидальный. Еще существует мнение, что ключевые смесители дают больше —грязи“ на своем выходе. Причем, имеется ввиду область частот вблизи спектра полезного сигнала. Это мнение неверно! Вблизи полезного спектра оба смесителя совершенно идентичны, конечно при условии, что они —правильно“ сконструированы и на них подается —чистый“ сигнал гетеродина. Разницу в форме и в спектре сигналов на выходах обычного и ключевого балансных смесителей можно понять из рисунка.

Разница, конечно, есть! В —гладком“ смесителе, как и положено все гладко. Существуют только продукты с суммарной и разностной частотой сигнала гетеродина и входного сигнала. В ключевом смесителе вблизи полезного спектра первых гармоник преобразования, все так же, как и в —гладком“. Четные гармоники подавлены, а нечетные идут с уменьшением амплитуды. Гармоническими продуктами преобразования в ключевом смесителе можно пренебречь. Они, как правило, далеко отстоят от полезных сигналов и легко фильтруются даже несложными фильтрами.

Сергей Макаркин RX3AKT

Глас народа 13.01.2020 19:45 привет ... -- rv6ap15.09.2010 12:43 У меня использовалась ADG736 .Так что лучше нет ключа на свете ч... -- микс15.09.2010 12:32 Пробовал. Но выход всеголиш 0,3в неискаженных. Иудивляться нечему... -- микс14.09.2010 09:47 Если схему сделать без ошибок как у уважаемого Сергея то все прав... -- микс06.01.2009 04:20 Не исключено, что этот "жёсткий" смеситель будет иметь паразитные... -- Alex13.12.2007 18:10 Преобразовав схему в ТПП по фазовому методу можно получить интере... -- 02.10.2007 17:19 ua4acx: а Вы бы почитали datasheet на analog.com, там и увидите о... -- внимательный...28.12.2006 23:13 Господин Макаркин, каким образом работает ваш смеситель? Или вы ... -- ua4acx04.06.2006 23:57 Hello Did you made this modulator and czeck it. The amplifier f... -- SP7EWL03.01.2006 15:28 Добрый день! У меня есть один вопрос - влияет ли качество сигнал... -- Петр01.01.2006 02:46 Все эти смесителей на переключателях туфта. Выигрыш в малом сопро... -- US7AW28.12.2005 18:50 похоже, что намного лучше...... -- RU3BT27.12.2005 20:23 так что же это получается, это серьёзный конкурент отечественной ... -- Danil UR3VCD...24.12.2005 11:13 А ещё из этой микрухи выйдет отличный переключатель приём - пере... -- Дмитрий RV4CD...20.12.2005 11:35 Каким образом в схеме балансного модулятора получаются противофаз... -- Yuri17.12.2005 23:25 Ссылка на описание ADG774A на сайте разработчика: -- Владимир, DL7PG...

housea.ru

Смеситель на микросхеме ADG774 - Самодельные - Трансиверы, узлы и блоки - Каталог статей и схем

В связи с возобновившимся интересом к смесителям С.Макаркина (RX3AKT) на микросхеме ADG774 администрация СМР решила опубликовать вторую часть материала, предшествовавшего новой работе конструктора, описанной в статье "Новая схема реверсивного смесителя на микросхеме ADG774 от С.Макаркина (RX3AKT)" (по которой, собственно, и возникают вопросы у радиолюбителей). Возможно, эта публикация позволит снять некоторые вопросы к автору.

Для сохранения логической последовательности некоторые абзацы в ней повторяются.

Итак,микросхема ADG774 фирмы ANALOG DEVICES.

Рис.1

В схеме смесителя используется только два из четырех переключателей. Остальные не задействованы и их выводы никуда не подсоединяются. Вот параметры микросхемы:

Электронные контакты в замкнутом положении способны пропускать через себя без затухания сигналы с частотой более 400 МГц.
Проходное сопротивление замкнутых контактов не более 2,2 Ом
Разомкнутые контакты ослабляют прохождение сигнала с частотой 10 МГц на величину не менее 65 дБ.
На той же частоте проникновение сигнала с одной группы контактов в другую происходит с ослаблением не менее 70 дБ.
При прохождении сигнала через контакты, искажения сигнала увеличиваются не более, чем на 0,3%
Контакты могут переключаться с частотой более 100 МГц
Управляющий сигнал однополярный (вход IN) и может иметь TTL или CMOS логические уровни.
При уровне логической единицы на входе EN, все контакты микросхемы размыкаются.
Напряжение питания однополярное, от +2 до +7 Вольт.

Данная микросхема не предназначена для применения специально в смесителях. Однако, смеситель собранный с ее использованием показал просто удивительные результаты. Судите сами. Какой смеситель, имея "внизу" потери меньше на 4 - 6 дБ, чем двойной кольцевой смеситель на диодах Шотки, способен "вверху", при больших уровнях входного сигнала, давать на своем выходе мощность 90 мВт без искажений!

Рис.2

На схеме смеситель двух высокочастотных сигналов. Сигнала гетеродина и входного сигнала. Смеситель реверсивный. Сигнал свободно может поступать на выход, а сниматься со входа. На вход F гет. подается прямоугольный сигнал от синтезатора. Так как амплитуда этого сигнала равна всего 1,8 Вольта, что не гарантирует надежной работы микросхемы, применяется "подставка" по постоянному току - с резисторного делителя 4,7К и 1,8К на вывод 1 микросхемы подается постоянное смещение. Резистор 300 Ом определяет входное сопротивление схемы по входу гетеродина. Величина этого резистора может быть изменена в широких пределах. Если смеситель конструктивно расположен на некотором расстоянии от синтезатора, то сигнал гетеродина лучше подавать по коаксиальному кабелю. При этом номинал нагрузочного резистора должен совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля. Если вход смесителя непосредственно соединен с антенным разъемом или с антенным фильтром, рассчитанным на определенное сопротивление нагрузки, то для обеспечения хорошего КСВ по входу смесителя, желательно поставить нагрузочный резистор (на схеме обозначен пунктиром) величина которого равна выходному сопротивлению подключенных цепей. Этот резистор можно не ставить, если сигнал на вход смесителя подается через LC резонансный контур, который трансформирует сопротивление источника сигнала во входное сопротивление смесителя, которое в свою очередь, в данном случае будет определяться сопротивлением схемы, подключенной к выходу смесителя. LC контур на входе позволяет уменьшить потери входного сигнала, но делает схему узкополосной. Трансформаторы Тр1 и Тр2 широкополосные, с коэффициентом трансформации 1:1. Выполнены по классической схеме, известной под названием ШПТЛ с компенсирующей обмоткой. Тр1 симметрирующий, а Тр2 десимметрирующий. Трансформаторы идентичны по конструкции. В качестве сердечника используется ферритовое кольцо с внешним диаметром 8 - 15 мм и магнитной проницаемостью 400 2000. Обмотка состоит из 4 8 витков в три скрученных провода. Шаг скрутки - 2 - 3 мм. Провод диаметром 0,1 - 0,3 мм. Острые грани колец стачиваются наждачным камнем. Перед намоткой кольца обматываются изоляционной лентой в один слой. Резисторный делитель 2,7К и 1,0К задает напряжение смещения на ключи. Напряжение выбрано из расчета получения максимальной линейности характеристик каждой группы контактов.

Рис.3

Рис.4

Размер корпуса микросхемы 9х4 мм Однополярное напряжение питания от +2 до +7 Вольт.

Каждый из четырех операционных усилителей этой микросхемы способен отдавать со своего выхода ток в нагрузку до +/- 250 мА.
Собственное потребление тока от источника питания 3 мА
Частотный диапазон до 3 МГц.
Отсутствует явление переворота фазы выходного сигнала при максимальной амплитуде.
Максимальный размах входного напряжения (двойная амплитуда), равен напряжению питания.
Максимальный размах выходного напряжения (двойная амплитуда), так же равен напряжению питания.

Эти свойства называются "Rail-to-Rail" по входу и выходу, что буквально означает "От рельсы до рельсы". Кто занимался операционными усилителями, тот знает, что такие свойства могут присниться только во сне!

В схеме балансного модулятора отсутствует регулировка подавления несущей. Это объясняется тем, что сигнала гетеродина проникает в управляемые цепи с ослаблением более 120 дБ. Этот параметр даже не нормируется производителем микросхемы ADG774. Он получен в результате собственных измерений. Уровень несущей в смесителе зависит только от дисбаланса постоянных составляющих на его противофазных входах. В схеме смесителя высокочастотных сигналов, с трансформатором на входе, этот дисбаланс отсутствует. Так, как обмотки трансформатора для постоянной составляющей являются коротким замыканием. Реальное подавление несущей в этой схеме составляет более 100 дБ. То есть несущая фактически отсутствует.

Смеситель является ключевым. Многие думают, что ключевой смеситель отличается от "гладкого" только тем, что на ключевой подается прямоугольный сигнал гетеродина, а на "гладкий" - синусоидальный. Еще существует мнение, что ключевые смесители дают больше "грязи" на своем выходе. Причем, имеется ввиду область частот вблизи спектра полезного сигнала. Это мнение неверно! Вблизи полезного спектра оба смесителя совершенно идентичны, конечно при условии, что они "правильно" сконструированы и на них подается "чистый" сигнал гетеродина. Разницу в форме и в спектре сигналов на выходах обычного и ключевого балансных смесителей можно понять из рисунка.

Рис.5

Разница, конечно, есть! В "гладком" смесителе, как и положено все гладко. Существуют только продукты с суммарной и разностной частотой сигнала гетеродина и входного сигнала. В ключевом смесителе вблизи полезного спектра первых гармоник преобразования, все так же, как и в "гладком". Четные гармоники подавлены, а нечетные идут с уменьшением амплитуды. Гармоническими продуктами преобразования в ключевом смесителе можно пренебречь. Они, как правило, далеко отстоят от полезных сигналов и легко фильтруются даже несложными фильтрами.

Сергей Макаркин, RX3AKT

smham.ucoz.ru

Ключевые смесители на микросхемах | Сайт радиолюбителей

На этот раз - схемотехника смесителей на электронных ключах и несколько практических схем. Допустим что-то подобное уже было, но не даром говорят: "повторение - мать учения". Откуда узнают молодые радиолюбители о принципе работы смесителя. если старые журналы - на помойке, а новая литература - только о компьютерах? Тем временем схемотехника смесителей непрерывно совершенствуется. Разработчики стремятся получить смеситель с идеальными параметрами: большим динамическим диапазоном. простой, экономичный, технологичный, и широкополосный. Таким, возможно, будет смеситель собранный на сверхскоростных ключах, управляемых быстродействующими КМОП цифровыми микросхемами.

У радиолюбителей не уменьшается интерес к схемотехнике смесителей. Современная элементная база позволяет конструировать необычные смесители с удивительными свойствами. Но сначала немного теории и терминологии. В радиолюбительской среде бытует разделение смесителей на ключевые и "гладкие" - по виду сигнала гетеродина, прямоугольному или синусоидальному. Также говорят о пассивных и активных смесителях - пассивные смесители в отличие от активных не усиливают преобразуемый сигнал.

По принципу действия, обобщенно, все смесители являются коммутаторами фазы входного сигнала с частотой сигнала гетеродина. В качестве коммутирующих элементов обычно используются диоды, транзисторы или электронные ключи. Причем, активными, естественно, могут быть смесители только на транзисторах. Хотя нс все транзисторные смесители являются активными. Например, смеситель, вызвавший большой читательский интерес и рассмотренный в RD №1-97 на стр.11, не является активным.

В принципе работы смесителя легко разобраться, рассматривая схему классического диодного кольцевого балансного смесителя, рис.1.

Рис 1 Кольцевой балансный смеситель на диодах

Напряжение гетеродина Uгет. в момент, когда его полярность в точке А относительно точки В положительна, открывает пару диодов VD1 и VD4. В случае появления сигнала, он проходит от входа к выходу смесителя именно через эти диоды. Так продолжается до тех пор, пока напряжение гетеродина не сменит знак на противоположный. При этом диоды VD1, VD4 закрываются, а диоды VD2, VD3 открываются. Через эти диоды проходит тот же самый сигнал, что и в первом случае, только его фаза на выходе смесителя меняется на обратную - начинают работать противоположные выводы вторичной обмотки трансформатора Т2. Токи гетеродина в симметричных обмотках трансформаторов Т1 и Т2 в любой момент времени направлены в противоположные стороны и взаимоуничтожаются. Конечно, без специальных мер, достичь приемлемой компенсации этих токов трудно, и на выходе смесителя появляется остаток сигнала с частотой гетеродина (несущая). Для балансировки смесителя в разрыв одной из симметричных обмоток трансформаторов включается переменный резистор. Но глубокого подавления несущей и в этом случае достичь трудно - здесь сказываются разбросы технологических сопротивлений диодов, асимметрия обмоток трансформаторов, монтажные емкости и другие факторы.

Теперь представим, что диоды мы заменили на электронные ключи - коммутаторы, по своим свойствам близкие к обычным контактам реле, но с гораздо большим быстродействием, рис.2.

Рис 2 Кольцевой балансный смеситель на ключах

В этом случае цепи управления и цепи прохождения сигнала разделены, что в значительной мере снижает их взаимное проникновение. Но это еще далеко не все получаемые преимущества. Современные электронные коммутаторы ( например МАХ361 фирмы MAXIM) имеют сопротивление в открытом состоянии менее 2 Ом и скорость переключения около 100 наносекунд. К тому же, свои параметры каждый из четырех ключей, находящихся в корпусе микросхемы, сохраняет в диапазоне изменения коммутируемого напряжения в пределах +/-20 В. Это значит, что открытый ключ совершенно не вносит нелинейные искажения в проходящий через него сигнал.

Электронные ключи управляются сигналами с цифровыми уровнями, подаваемыми на выводы "Ф1" и "Ф2" в противофазе от микросхемы формирователя сигнала гетеродина. Схема формирователя приведена на рис.3.

Рис 3 Формирователь сигнала управления ключами

Входное сопротивление определяется величиной резисторов R1, R2, а амплитуда подаваемого на вход сигнала гетеродина приблизительно равна 0,5 В. Ослабление сквозного проникновения управляющего сигнала в коммутируемые цепи по техническим условиям на микросхемы серии 1561 превышает величину (-130 дБ), что позволяет в смесителе, собранном на таких ключах, без особого труда добиться подавления несущей практически до 100 дБ!

Мною были испытаны еще несколько схем смесителей, которые использовались в качестве формирователей DSB сигнала и как смесители - переносчики на рабочую частоту при работе на низкочастотных KB диапазонах - от 160 до 40 метров. В самой простой схеме применяется всего один ключ. На рис.4 показана схема этого смесителя. Он используется в качестве DSB-формирователя.

Рис.4 Смеситель на одном ключе

Микрофонным усилителем служит любой операционный усилитель. Исходный сигнал на него подается с злектретного конденсаторного микрофона. Вход ключа соединен непосредственно с выходом "операционника", а цепи R1, R2, С1 автоматически поддерживают балансировку смесителя. Резонансные свойства подключенного электромеханического фильтра восстанавливают горизонтальную симметричность выходного сигнала. Достоинством данной схемы является ее простота, а так же то, что сигналом управления служит однополярный сигнал с частотой гетеродина. При использовании миниатюрного пьезокерамического ЭМФ типа ФЭМ4-031 -500-3,1В-2 конденсатор С2 можно исключить, а резисторы Rl и R2 - подобрать для согласования смесителя с входным сопротивлением фильтра, которое в этом случае будет около 5 кОм.

Следующий балансный модулятор, рис.5 хорошо работает на частотах до 12 МГц, но в отличие от предыдущего смесителя, этот так же требует парафазного управления.

Рис 5 Балансный смеситель на двух ключах

В качестве трансформатора Т1 используется согласующий НЧ трансформатор от приемника, а тем у кого аллергия на трансформаторы, можно порекомендовать схему Рис.6.

Рис 6 Микрофонный усилитель с парафазным выходом

При частоте гетеродина 500 кГц подавление несущей в этой схеме было 94 дБ. Эта же схема с успехом применялась в качестве второго смесителя - переносчика на диапазон, а также в качестве демодулятора или SSB детектора, Рис.7.

Рис 7 Второй смеситель-демодулятор

На основе этих узлов мною был собран и эксплуатируется уже несколько лет малогабаритный НЧ компрессор, позволивший мне забыть что такое перекачка выходных каскадов передатчиков. Его упрощенная схема показана на Рис.8.

Рис.8 ВЧ-компрессор с ключевыми смесителями

Идея .этого устройства известна давно, но, судя по публикациям, до сих пор находит отклики у радиолюбителей в виде той или иной технической реализации. Принцип работы состоит в ограничении сформированного SSB сигнала с последующей фильтрацией его на дополнительном ЭМФ. Предлагаемая схемотехника смесителей позволила получить более линейный сигнал. Так, при степени ограничения около 15 дБ корреспонденты в эфире не замечали появления заметных искажений, обычно сопутствующих компрессии, но отмечали прирост уровня сигнала на 1,5 балла.

Линейность тракта обусловлена отсутствием искажений в смесителях. За счет сравнительно большего уровня сигналов и малых токов в целях схемы, нет необходимости в экранировке отдельных ее частей, и упомянутое подавление несущей достигается при совершенно произвольном монтаже. Компрессор имеет три выхода, что облегчает эксперименты с ним. На первый выход подастся линейный нс компрессированныи сигнал с микрофонного усилителя. На второй - низкочастотный компрессированыи сигнал. А на третий выход - SSB компрессированый сигнал.

Все устройство умещается в корпусе ручного микрофона от портативного трансивера. Ток потребления от источника 12 В составляет около 15 мА. Одно время я использовал этот "микрофон" в качестве формирователя для однодиапазонной передающей приставки к приемнику с одним преобразованием. Добавил только второй смеситель, рис.7, двухтактный драйвер, схема которого приведена в R-D №1-97 на стр.15, и усилитель мощности (R-D №2-97, стр.3). Получилась малогабаритная, но мощная "вещь для дачи". В перспективе предполагается поэкспериментировать с ключами в смесителях трансиверных приставок к более сложным приемникам, а так же к трансиверам прямого преобразования.

На рис.9 приведена схема еще одного смесителя. Он использовался у меня как первый смеситель для передатчика с набором фильтров "Кварц 35" и хорош тем, что не требует вывода средней точки трансформатора.

Рис.9 Смеситель на ключах с простым трансформатором

Хочу еще раз отметить, что приведенные выше схемы испытывались мною только в трактах формирования сигнала передатчиков для низкочастотных любительских диапазонов. Использование ключей на верхних KB диапазонах затруднено отсутствием у меня информации о более быстродействующих микросхемах. Я буду благодарен радиолюбителям, предоставившим такую информацию.

Что касается применения данной схемотехники в приемниках, то это тема для дальнейших экспериментов По моему мнению, вполне возможно применение таких смесителей, например, в качестве SSB детекторов. А скоростные ключи могут быть использованы и в первых смесителях приемников. Представляю какой у них будет динамический диапазон, когда они способны коммутировать без искажений двадцати вольтовый сигнал!

(Радио - Дизайн N 1-98, c.38-42)

www.radiosait.ru

Вариант применения ключевого смесителя 74НС4053 - Самодельные - Приемники, узлы и блоки. - Каталог статей и схем

Тема применение схем балансного смесителя на быстродействующих ключах микросхемы 74НС4053 на СМР отражена достаточно полно. Ранее приводились схемы, в которых задействованы два ключа (Г.Брагин, RZ4HK,«Ключевой балансный детектор RZ4HK») и три ключа (В.Лифарь, RW3DBK, «Ключевой демодулятор параллельного типа»). Однако оказывается, в радиолюбительских источниках имеется вариант схемы на одном ключе. Именно о ней В.Лифарь в своей статье «Наш форум» писал:«…Смеситель Рода Грина на 74НС4053 – именно с этой заметки началась активная трансформация нашего форума из воспоминаний в начало разработки современного российского ТПП с высокими параметрами».

Ниже мы приводим пример схемы балансного смесителя на одном ключе мультиплексора 74НС4053, опубликованной в «Electronics World + Wireless World», 1999, №1, c.59.

Эта схема предложена радиолюбителем Родом Грином. Быстродействующий ключ работает в балансной схеме смесителя и коммутируется меандром (рис.1). Указано, что схему целесообразно применять в супергетеродинах с низкой ПЧ или в конструкциях прямого преобразования. При этом обеспечивается очень высокий динамический диапазон (132 дБ) и низкий уровень шумов (12 дБ).

Для согласования входного сопротивления смесителя с выходным каскадом ПЧ применен трансформатор VТ1, который создает противофазные напряжения на резисторах R1 и R2. Ключ мультиплексора IC1 74НС4053 коммутируется с частотой гетеродина, преобразует сигнал, и на его выходе создается напряжение ПЧ. Для управление ключом используется формирователь прямоугольных сигналов из частоты опорного генератора (на схеме не показаны), которые подаются на мультиплексор. Далее преобразованный сигнал усиливается ОУ на IC2, общее усиление которого задается R5. ФНЧ R1,R2,C1 ограничивает побочные продукты преобразования, не пропуская их на вход IC2, a R3 изолирует С1 от виртуальной земли на инвертирующем входе IC2.

И снова мнение В.Лифаря, 19.03.2005 на форуме «SSB трансивер Полякова на 160 метров»:

«В отношении схемы Рода Грина (Rod Green) могу сказать следующее. Цифра ДД 132 дБ сама по себе ни о чем не говорит, и вот почему. Во-первых, неизвестно по какой методике проводились измерения, таких существует несколько, какой применялся разнос частот и т.д. и т.п. Сама по себе схема ничем принципиально не отличается от известных смесителей на полевых транзисторных микросборках, следовательно, параметры у них должны быть сопоставимы по величине. Не известен также диапазон рабочих частот микросхемы, а он должен быть весьма высоким... Скорее всего в НЧ радиолюбительских диапазонах она будет работать хорошо, т.к. схемы на одном кристалле имеют очень близкие параметры, и в подборе скорее всего не нуждаются. В исходном варианте схема Грина пригодна для ППП и ТПП, т.к. в одном корпусе должно быть 4 таких переключателя - можно собрать 2 и 4-х фазные смесители для SSB. Будет ли она хорошо работать на ВЧ диапазонах сказать трудно, нужно экспериментировать... Если это действительно так, ну что же, прекрасно.

Но опять нужно иметь в виду - конструктив должен быть отработан идеально симметрично, на входе должны стоять не простые трансформаторы, как показано на схеме Грина, а обязательно симметрирующие. Иначе вы получите те же 70-80 дБ вместо 90-100 реально достижимых... Возможно, придется подвешивать дополнительные триммеры для улучшения балансировки, судить об этом сложно…

Хочу отметить еще один интересный вариант смесителя с ДД 130 дБ, который был опубликован, по-моему, в одном из номеров сборника «Радиодизайн». Назывался он типа "...Н-образный смеситель..." * Если коротко, то там был описан смеситель ключевого типа на полевой микросборке по типу балансного мостового, внешнее очертание схемы которого напоминает букву Н ("ейч"). В отличие от схемы Грина там приводится методика измерений и полученные характеристики, поэтому доверие к той статье больше, чем к «Гриновской»...

*Упоминаемая В.Лифарем статья в сборнике «Радиодизайн» – очевидно одна из нескольких о смесителях Н-типа, собранных в нашем архиве. Скорее всего, это материал-дайджест «Смеситель с большим динамическим диапазоном» в РД №1, 1997 г., или более современная статья Г.Брагина, RZ4HK «Первый смеситель приемника на 74НС4053» в РД №22.

smham.ucoz.ru