4.5 Схемотехника преобразователей частоты

4.5.1 Транзисторные схемы

Для преобразования частоты используют как полевые (ПТ), так и биполярные (БТ) транзисторы. Преобразование происходит вследствие изменения крутизны характеристики прямой передачи под действием напряжения гете­родина. Возможны различные варианты схем подачи напряжения сигнала и гетеродина на смесительные элементы.

На рис.4.8 – схемы преобразователей с отдельным гетеродином на ПТ и БТ. В первой схеме напряжение сигнала подано в цепь затвора, а напряжение гетеродина – в цепь истока. По сигналу получается схема с общим истоком (ОИ), а для гетеродина – схема с общим затвором (03). Во второй схеме на­пряжение сигнала подается в цепь базы, а напряжение гетероди­на – в цепь эмиттера. Этим достигается хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина.

Рис.4.8 – Схемы преобразователей частоты

Рис.4.9 – Схема на двух затворном ПТ

Лучшая развязка между сигнальной и гетеродинной цепями до­стигается в схеме на двух затворном ПТ – рис.4.9. Напряжения сигнала и гетеродина подаются на разные затворы. Преобразование частоты в этой схеме происходит за счет изменения крутизны сток-затворной характеристики по сигнальному затвору при изме­нении напряжения на гетеродинном затворе.

Хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина и высокая ус­тойчивость против самовозбуждения в широком диапазоне частот достигаются в каскодных смесителях. На рис. 4.10 – ва­риант схемы, в которой напряжения сигнала и гетеродина поданы на базы разных транзисторов.

Рис. 4.10 – Каскодная схема

По сигналу получается каскодная схема общий эмиттер – общая база (ОЭ–ОБ), обеспечивающая высокую устойчивость. Преобразование частоты происходит вследствие изменения крутизны характеристики второго транзистора.

Аналогично можно построить каскодный смеситель на ПТ.

Преобразовательный электронный прибор — транзистор можно использовать одновременно и для генерирования колебаний. В этом случае преоб­разователь называется генерирующим (автодинным).Но опти­мальные режимы для генерирования и для преобразования частоты неодинаковы. Стабильность частоты генерации получается низкой, поэтомуавтодинные ПЧ используются только в недоро­гих приемниках невысокого класса. В профессиональных РПрУ используются ПЧ с отдельным гетеродином.

Рис. 4.11 – К определению крутизны преобразования

Режим по постоянному току смесителей выбирают так, чтобы работать на нелинейном участке ВАХ прямой передачи и по воз­можности использовать участок с линейным изменением крутиз­ны этой характеристики – рис.4.11. Из графика на рис.4.11, а) следует, что ам­плитуда первой гармоники крутизны 0,5(g_21max –g_21min),aкрутизна преобразования по первой гармонике согласно (4.19)G_21пр= 0,50,25(g_21max –g_21min).

В режиме усиления можно использовать g₂₁ = g_21max, следовательно, крутизна в режиме преобразования меньше крутизны в режиме усиления.

Анализ ПЧ на БТ возможен с использованием экспоненциальной аппроксимации характеристик. Например, входная характеристика БТ в схеме ОБ i_Э = f (u_БЭ) хорошо аппроксимируется экспонентой

i_Э = i₀(– 1), (4.29)

где i₀иb– параметры экспоненты, определяются из реаль­ных характеристик транзистора.

Учитывая соотношение i_K = h_21б i_Эи выражение (4.29), определяем крутизну

g₂₁ =di_K/du_БЭ=h_21бdi_Э /du_БЭ=h_21бbi₀.(4.30)

Здесь u_БЭ=U_Б0 + U_Гcos_Гt; U_Б0 – исходное напряжение на базе в рабочей точке. Представим (7.30) рядом Фурье

g₂₁(t) = bI_K0[J₀(bU_Г) +J_k(bU_Г)cosk_Гt]. (4.31)

В этом выражении I_K0 = h_21бI_Э0=h_21б i₀– ток коллектора в рабочей точке;J₀(bU_Г) иJ_k(bU_Г)— модули функций Бесселя мни­мого аргумента первого рода нулевого иk-гопорядков. Из (4.31) находим среднее значение крутизны и крутизну преобразования:

bI_K0J₀(bU_Г);

G_21пр= 0,5 bI_K0J_k(bU_Г). (4.32) |

Входные и выходные сопротивления транзистором в режиме преобразования приблизительно в 1,5...2 раза больше, чем в ре­жиме усиления, а входные и выходные емкости в режиме усиле­ния и преобразования фактически одинаковы.

ПТ имеет квадратичную сток-затворную характеристику, этим обусловлена линейная зависимость крутизны этой характеристики g₂₁ отU_ЗИ– рис.4.11,б). Исходное смещение на затвореU_ЗИ0берут равным половине напряжения отсечкиU_ЗИ0= 0,5U_ОТСи амплитуду напря­жения гетеродинаU_ГравнойU_ЗИ0, чтобы полностью использовать линейный участок изменения крутизны и не заходить и область появления токов затвора. При этом амплитуда первой гармоники крутизны = 0,5 g_21max= , где — крутизна в рабочей точке. Крутизна преобразованияG_21пр= 0,5= 0,5. Как видно, крутизна преобразованияG_21прв 2 раза меньше крутизны в режиме усиления при том же напряжении смещения на за­твореU_ЗИ0.В рассмотренном режиме без отсечки амплитуды выс­ших гармоник крутизны (приk> 1) равны нулю, следова­тельно, будет только два побочных канала приема: зеркальный и прямого прохождения.

Для интегрального исполнения ПЧ часто используют баланс­ную (рис. 4.12) или двойную балансную схему – рис. 4.13.

4.5.2 Балансный преобразова­тельс применением дифференциальных каскадов (рис.4.12) выполняет функцию аналогового перемножителя на­пряжений сигналаu_Си гетеродина u_Г.

Рис. 4.12 – Балансная схема

Здесь используется метод переменной крутизны – на основе зависимости крутизны транзистора от тока эмиттера. Коллек­торное напряжение на смесительные транзисторы VT1 иVT2по­дается через среднюю точку катушки индуктивности выходного ре­зонансного контура, настроенного на промежуточную частоту. Токиi1иi2 транзисторовVT1 иVT2через выходной контур текут в противоположных направлениях (встречное включение), и выходное напряжение пропорционально их разности. Напряжение гетеродина на смесительные транзисторы подано че­рез транзисторVT3синфазно. Поэтому токиi1иi2 с частотой ге­теродина, его

гармоник и составляющие токов шумов гетеродина, имеющие в обоих транзисторах одинаковые фазы, взаимно ком­пенсируются и не создают напряжения в выходных цепях. Под действием напряжения гетеродина меняется крутизна характерис­тики каждого из транзисторов VT₁ иVT₂.

На базы транзисторов смесителя действуют противофазные напряжения сигнала – составляющие тока промежуточной частоты также противофазные. В выходном контуре используется встречное включение витков катушки индуктивности, поэтому противофазные составляющие токов промежуточной частоты в итоге складываются. В балансном преобразователе происходит компенсация четных гармоник преобразуемого сигнала. В частности компенсируются помехи с частотами полузеркальных каналов f_ПЗ = f_Г 0,5f_ПР. В схеме на рис. 12 не выполняется баланс по одному из входов – напряжение с частотой гетеродинаf_Гприсутствует на выходе. Этот недостаток можно устранить балансировкой по двум входам.