17.3. Преобразователи частоты

Устройство, переносящее спектр радиосигнала из области низких в область более высоких частот или, наоборот, из более высоких в область более низких частот, называют преобразователем час­тоты. Спектр преобразованного сигнала S_п(jω) со спектром вход­ного сигнала S₁(jω) связан соотношением

, или .

Преобразование происходит в нелинейном элементе при «сме­шивании» сигнала со вспомогательным гармоническим колебанием. Нелинейный элемент в преобразователе частоты называют смеси­телем, генератор вспомогательного сигнала — гетеродином. Пре­образованный, выходной, сигнал промежуточной частоты выде­ляется узкополосным фильтром. Фильтр также подавляет побочные продукты преобразования частоты — высшие гармоники сигнала и вспомогательного колебания, а также колебания с мешающими комбинационными частотами.

Наименьшее количество побочных продуктов преобразования получается в преобразователе частоты с перемножителем напря­жения. Действительно, если на входы перемножителя подаются колебания

то выходное колебание состоит из двух составляющих:

Одна из них с промежуточной частотой ω_п1 = |ω_с − ω_г| либо ω_п2 = ω_с + ω_г выделяется фильтром, а другая подавляется. Коэффициент передачи преобразователя

зависит от параметра перемножителя А, а также от напряжения гетеродина.

Схема преобразователя частоты на интегральном перемножи­теле напряжений показана на рис. 17.8. Выходной контур в за­висимости от требуемой промежуточной частоты настраивают на частоту |ω_с — ω_г| либо на частоту ω_с + ω_г.

Перемножители напряжений работают в ограниченном частот­ном диапазоне; кроме того, их производство сравнительно сложно, поэтому в различных радиотехнических устройствах используют специальные ИС преобразовате­лей частоты, в состав которых иногда входит и гетеродин.

Наиболее распространены ИС смесителей на дифференциаль­ном каскаде. В качестве такого примера можно указать ИС сме­сителя 219ПС1 (рис. 17.9, а). На рис. 17.9, б показана схема соединения выводов ИС в преоб­разователях частоты. Напряже­ние сигнала и_с подается на базу транзистора VT3 и таким образом изменяет силу тока эмиттеров дифференциального каскада на транзисторах VT1 и VT2. Напряжение гетеродина и_c подается на базу транзистора VT2, а также сдвинутое по фазе цепочкой L1C на базу транзистора VT1. Напряжение сигнала промежуточ­ной частоты выделяется на контуре, включенном в коллекторную цепь транзистора VT2.

В рассмотренном смесителе, как и в аналоговом перемножи­теле напряжений, используется зависимость выходных токов дифференциального каскада от напряжений на базах транзисто­ров VT1 и VT2, а также от силы тока эмиттеров этих транзис­торов, задаваемого транзистором VT3. Поэтому по аналогии с (17.4) можно записать выражение тока коллектора транзистора

Это выражение содержит составляющую i₀k_сk_гu_сu_г, которая дает нужный продукт преобразования, как и в преобразователе с перемножителем напряжений. Однако в составе тока этого сме­сителя имеются составляющие, прямо пропорциональные напря­жению сигнала и напряжению гетеродина, поэтому выходной ток содержит составляющие с частотами ω_с и ω_г.

Выражение (17.9) удовлетворительно описывает поведение смесителя только при определенных достаточно малых напряже­ниях и_с и u_г. В общем случае надо иметь в виду, что ток i_K представляется более сложным выражением

В этом случае в выходном токе смесителя будут составляющие с комбинационными частотами

. (17.11)

Наличие комбинационных частот — плата за упрощение пре­образователя.

Современные радиоприемные устройства, как правило широ­кодиапазонные, принимают сигналы, частоты которых значительно различаются. Применение преобразователей частоты во входных цепях радиоприемников позволяет перенести спектр сигнала с любой заданной частотой в полосу постоянной промежуточной. Такое преобразование частоты создает возможность осуществлять фильтрацию и усиление сигнала с помощью неперестраиваемых полосовых усилителей.

Нужно иметь в виду, что использование преобразователей частоты в радиоприемниках создает побочные каналы приема. Действительно, если, например, промежуточная частота ω_п = ω_г — ω_с, то та же промежуточная частота ω_п получается при пре­образовании сигнала с частотой ω_с1 = ω_г + ω_п = ω_с + 2ω_п.

Если же смеситель преобразователя частоты создает много комбинационных частот, то существует и много побочных кана­лов приема. Частоты таких каналов приема ω_с1 находятся путем решения уравнения (17.11) относительно ω_с1. При разработке ра­диоприемников принимают специальные меры для устранения побочных каналов приема. Одна из таких мер — применение пре­образователей частоты с малым количеством комбинационных частот — преобразователей на полевых транзисторах с двумя зат­ворами на перемножителях напряжений.

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ