Ключевые смесители для радиоприёмников и трансиверов

Простые диодные смесители, а также смесители на ключевых ИМС с минимальным количеством моточных изделий. Схемы, принцип рабо­ты, описания

Данная страница представляет собой компиляцию из двух статей В. Т. Полякова, посвящённых схемотехнике ключевых смесителей на диодах или иных компонентах, включая транзисторы и специализированные ИМС. Такие смесители находят всё более широкое применение как в аппаратуре прямого преобразования, SDR технике, так в преобразователях частоты для широкого спектра устройств современной радиотехники. Итак, приступим:

Ключевой смеситель гетеродинного приемника

Написать эту статью меня побудила дискуссия, развернувшаяся на форуме cqham.ru и связанная с обнаружением высоких селективных свойств УРЧ, нагруженного на ключевой четырехфазный смеситель. Меня пригласили на форум, чтобы дать пояснения, что я и сделал.
Вкратце они сводились к тому, что явление это давно известно, относится оно не к УРЧ, а к смесителю, и объясняется обратным преобразованием сигнала с НЧ (ПЧ) на высокую частоту. При этом смеситель со стороны входа проявляет свойства узкополосного синхронного фильтра.

Проведём элементарный анализ процессов в ключевом смесителе.
Сначала рассмотрим простейший однофазный ключевой смеситель (рис. 1), работающий от источника сигнала с напряжением Um cos wt.

Рис.1                                                                                 Рис.2

Пусть ключ S1 замкнут в течение положительной полуволны сигнала, а в течение отрицательной – разомкнут (рис. 2). Ток от источника, проходящий через ключ, легко найти:
Iкл = (Um cos wt – Uo)/Ri, –p/2 < wt < p/2. (1)

Только в самом начале процесса, когда конденсатор С1 фильтра (ФНЧ) еще не заряжен, и Uo = 0, ток имеет форму синусоидальных полуволн, затем конденсатор накапливает заряд, появляется синхронно выпрямленное напряжение Uo, и в установившемся режиме ток через ключ приобретает характер разнополярных импульсов – вначале конденсатор разряжается через ключ, резистор Ri и генератор, затем заряжается на вершине полуволны генератора, в конце снова разряжается!
Одновременно идет и равномерная разрядка постоянным током через нагрузку R1. В установившемся режиме интеграл от суммы токов заряда и разряда по времени должен обратиться в нуль – это означает, что переходные процессы закончились, и конденсатор перестал накапливать или расходовать заряд. Вычисление интегралов позволило найти постоянное напряжение на выходе смесителя Uo:

Uo = (2/p) Um R1/(2Ri + R1). (2)

В случае двухфазного (балансного) смесителя (рис. 3) на отрицательных полупериодах сигнала замыкается второй ключ S2, и на нагрузке R2 выделяется такое же, но отрицательное напряжение – Uo. Форма тока, потребляемого от источника, и проходящего через Ri, становится еще интереснее (рис. 4). Однако, это всего лишь разность синусоидального и прямоугольного токов, см. ф-лу (1). Резкие броски тока означают генерацию гармоник сигнала с частотами 3w, 5w, 7w… и т. д. Четных гармоник нет, поскольку кривая в некотором роде симметрична относительно горизонтальной оси (каждая полуволна – зеркальное отражение предыдущей).

Рис.3                                                                                 Рис.4

Привычнее выглядит форма напряжения сигнала в точке А на входе ключей. Она прямоугольная (верхний график на рис. 4) и содержит основную частоту и бесконечный ряд нечетных гармоник с амплитудами, обратно пропорциональными их номеру.

Как согласовывать такой смеситель? Резкие броски тока обусловлены наличием фильтрующих конденсаторов С1 и С2 (рис. 3), напряжение на которых из-за большой емкости, не успевает заметно измениться за полпериода ВЧ. Броски тока через ключи нам совсем не нужны, более того, очень вредны – они бесполезно нагружают ключи, повышают их шум и приводят к бесполезным тратам энергии сигнала. Из ф-лы (1) следует, что ток через ключ особенно велик при малом Ri. Следовательно, смеситель нельзя подключать к источнику напряжения с малым Ri. Недопустимо также перекрытие во времени замкнутого состояния двух ключей – это приведет к замыканию конденсаторов С1 и С2 через малое сопротивление двух ключей и к огромным броскам тока, поскольку напряжения на конденсаторах – разные.
Итак, приходим к выводу, что ключевой смеситель надо питать от источника, у которого высокое Ri. Но при этом падает коэффициент передачи по напряжению Ku = Uo/Um, в соответствии с ф-лой (2). Это верно, но лишь в случае, когда Ri – реальное активное сопротивление. Но даже если и так, мы можем увеличивать и сопротивление нагрузок R1 и R2, чтобы предотвратить падение Ku. Значит, и нагрузка смесителя (входное сопротивление УНЧ) должна быть высокоомной. А о согласовании придется забыть – входное сопротивление смесителя очень сильно изменяется в зависимости от частоты.
Не стоит использовать такой смеситель без УРЧ! Дело в том, что даже если "просачивание" сигнала гетеродина на вход мало или подавлено полностью, то при воздействии на вход смесителя мощного сигнала, близкого к частоте гетеродина, будет генерироваться почти такая же по мощности зеркальная помеха, и излучаться антенной! Гармоники fc, предполагается, подавлены входным контуром или фильтром, но разница между fc и fз равна 2Df, она меньше 6 кГц, и входной фильтр подавить эту помеху не может. Конечно, переизлучение зеркальной помехи антенной невелико и может помешать лишь ближайшим cоседям, но тем не менее…

Данный эффект формирования зеркальной помехи пропадает в многофазных смесителях: трех- четырех- и многофазных системах, работающих подобно настоящему синхронному фильтру (рис. 7). Но и в них также есть обратная реакция, состоящая в преобразовании частоты сигнала в НЧ, а затем в обратном преобразовании с НЧ на ВЧ – ведь ключевой смеситель обратим, и имеет, как мы договорились, весьма малые потери. Глубина подавления зеркальной помехи зависит от точности подбора фаз управляющих сигналов, а также их идентичности, поскольку подавляется она фазовым методом.

Рис.8                                                                                 Рис.9

По входу (в точке А) смеситель является узкополосным синхронным фильтром, и его АЧХ соответствует резонансной кривой одиночного колебательного контура (рис. 8) с очень высокой эквивалентной добротностью:
Qэкв = f г/ 2Fc. (4)

В многофазном ключевом смесителе входной ток задан резистором Ri – внутренним сопротивлением источника, и он не зависит от частоты, а АЧХ на рис. 8 относится лишь к напряжению на входе ключей, по сути, это АЧХ входного сопротивления смесителя. Оно максимально, и равно R1/n (где n – число фаз смесителя) на частоте коммутации, но уменьшается при отклонении частоты сигнала от частоты гетеродина, и стремится к нулю при больших расстройках. Дополнительные пики АЧХ есть на гармониках частоты коммутации.

Более того, гармоники сигнала генерируются и самим ключевым смесителем! Посмотрим форму напряжения сигнала в точке А (рис. 9) при синхронном режиме, когда fc = fг. На верхнем графике показана синусоидальная форма входного напряжения, и такую же форму будет иметь ток, втекающий в ключи при большом Ri. На следующих четырех графиках показаны гетеродинные импульсы, соответствующие открытому состоянию ключей S1…S4. Для наглядности фаза коммутации немного сдвинута относительно фазы сигнала. Каждый из конденсаторов С1…С4 будет заряжаться пропорционально знаку и средней величине отрезка тока за время открытого состояния соответствующего ключа. Нижний график соответствует форме напряжения на входе ключей, т. е. в точке А. Как видим, она весьма далека от синусоидальной формы, и состоит из отрезков прямоугольников длительностью в четверть периода. Это связано с невозможностью заметного изменения напряжения на конденсаторах большой емкости С1…С4 за короткий период ВЧ сигнала.

Напряжение UA содержит основную гармонику с частотой fc и высшие гармоники fc. В связи с этим кажется сомнительной целесообразность подключения входа смесителя к одиночному параллельному входному контуру. Ведь этот контур содержит конденсатор, замыкающий ток высших гармоник, а нам этот ток совсем не нужен и даже вреден! Кроме того, работа самого контура, если на нем принудительно установить напряжение с формой, как на нижнем графике рис. 9, будет в значительной степени нарушена. Следовательно, сопротивление Ri необходимо, либо в виде реального резистора, либо внутреннего сопротивления источника – УРЧ.
Можно ли обойтись вообще без УРЧ, учитывая, что чувствительность приемника со входа смесителя получается довольно высокой (на частоте 29 МГц ее удалось довести до 0,3…0,4 мкВ)? Это не очень хорошо, т. к. при непосредственном соединении входного контура со входом ключевого смесителя ключи сильно исказят форму напряжения на контуре, нарушат его работу и вызовут большие токи высших гармоник сигнала.

Продолжение темы:
Ключевой диодный смеситель гетеродинного приемника

US5QBR, неутомимый экспериментатор, не оставлял мысли получить от диодных смесителей максимально возможные параметры, сравнимые с аналогичными, достигаемыми на гораздо более дорогих и не всегда доступных ключевых ИМС с полевыми транзисторами. Испытанный им, и показавший неплохие результаты ключевой смеситель на двух диодах, о котором он сообщил в форуме CQHAM.RU, навел RA3AAE на мысль сделать смеситель более симметричным, чтобы сигнал гетеродина не "пролезал" на вход. Для этого понадобилась еще пара диодов. Обе пары подключены к прямому и инверсному выходам логической МС, формирующей меандр гетеродинного сигнала (рис.1).

Рис.1

Гетеродин работает на основной частоте, равной частоте сигнала. Когда диоды открыты, на них оказывается примерно половина напряжения питания, и полуволна сигнала проходит к ФНЧ и далее к УНЧ. Когда диоды закрыты, следующая полуволна сигнала не проходит, но на входе УНЧ сохраняется половина напряжения питания, которую "запомнили" конденсаторы ФНЧ. Неинвертирующий вход ОУ, следовательно, можно подключить без разделительного конденсатора. Все емкости на схеме даны в микрофарадах.

Можно сделать и полностью балансный смеситель, если еще один такой же, на четырех диодах, подключить к тому же входу, но гетеродин подать в противофазе от той же МС. Выход второго четырехдиодного смесителя следует подать на инвертирующий вход ОУ. US5QBR, проводя испытания смесителя, сделал сразу именно такой вариант (рис. 2).

Рис.2

Сигнал от антенны поступает на двухконтурный неперестраиваемый входной полосовой фильтр L1L2C1C2C3 и далее на УРЧ, выполненный на полевом транзисторе КП303Е. Собственно, для повышения чувствительности приемника УРЧ не нужен, в диапазоне 7 МГц она и так достаточна. УРЧ лишь улучшает работу входного полосового фильтра благодаря своему высокому входному сопротивлению и обеспечивает практически полную "развязку" антенны от проникновения в нее гетеродинного сигнала. Главная же цель применения УРЧ состояла в проверке реальной динамики ключевого диодного смесителя. Если от УРЧ отказаться, то точку соединения конденсаторов С8 и С9 следует подключить к отводу катушки полосового фильтра L2. Положение отвода подбирают до получения максимальной чувствительности при достаточной селективности входного фильтра; оно некритично. ВЧ трансформатор Т1 в этом случае не нужен.

ГПД собран на D-триггере. Использовано его свойство «инвертора» от входа S до выхода /Q. А если у нас есть инвертор, легко построить и генератор! Частотозадающая цепь, т. е. контур ГПД, образован элементами L3C15C16CV1. Последний элемент, КПЕ, служит для настройки. Рабочий диапазон генератора 14...14,25 Мгц. После деления частоты вторым триггером ИМС 74НС74 получаем нужную частоту для смесителя, т. е. 7...7,125 Мгц. Форма сигнала – меандр.

Смеситель состоит из двух четырехдиодных ключей (как на рис. 1), управляемых противофазно. Кроме прочего, это обеспечивает и одинаковую нагрузку на триггер при обоих полупериодах гетеродинного сигнала. На выходах ключей установлены фильтрующие конденсаторы значительной емкости С12 и С13, срезающие ВЧ компоненты и оставляющие лишь звуковые частоты ниже 3 кГц. Ключи смесителя нагружены на дифференциальные входы ОУ NE5532, служащего предварительным УНЧ. С его выхода НЧ сигнал поступает далее на основной ФНЧ приемника. Усиление ОУ выбирают резисторами R6 и R7, оно примерно равно их номиналу в килоомах.

Данная входная часть гетеродинного приемника использовалась в качестве экспериментального образца у US5QBR и показала прекрасные результаты. Несмотря на большую антенну (луч длиной около 40 м), развивающую значительное напряжение помех на входе приемника, наблюдалось полное отсутствие прямого детектирования мощных АМ станций, работающих на частотах 7,1...7,3 МГц, т. е. совсем рядом с любительским диапазоном. Отмечено также отсутствие фона 50 Гц, высокая чувствительность и низкий уровень собственного шума приемника.

ВЧ напряжение от ГПД измеренное на соединенных вместе выводах конденсаторов С8, С9, практически отсутствовало. Его не удалось зафиксировать осциллографом С1-107. В течение нескольких дней данный смеситель проверялся в разное время суток при работе в диапазоне 7 Мгц. По субъективной оценке, ключевой диодный смеситель работает не хуже, чем ключевые смесители построенные на базе цифровых ИМС 74HC4066, 74HC4053, 74HC4052.

Для желающих повторить конструкцию, приводим данные катушек L1, L2 и L3 для диапазона 7 Мгц. Они имеют по 14 витков провода ПЭВ-2 0,35 на каркасе диаметром 7,5 мм с подстроечником СЦР-1. Отвод у катушки L1 сделан от 2...3 витков снизу. Трансформатор Т1 намотан на кольце К10х6х4 из феррита 1000НН или 1500 НН двумя слегка скрученными проводками ПЭЛШО 0,12. Число витков 10...15.

При правильном монтаже устройство начинает работать сразу. Подстраивают только входной полосовой фильтр по максимальной громкости приема станций диапазона 7 Мгц. Контур ГПД настраивают на перекрытие частот 14-14,25 Мгц известными способами.

Литература:
1. В. Т. Поляков, RA3AAE. Ключевой смеситель гетеродинного приемника. www.cqham.ru
2. В. Т. Поляков, RA3AAE. Ключевой диодный смеситель гетеродинного приемника. www.cqham.ru