§ 5.4. Преобразователи частоты на интегральных микросхемах

Преобразователи частоты на интегральных микросхемах имеют в своем составе аналоговый перемножитель (АП), на входы которого подаются напряжения сигнала и гетеродина [см. §5.1 и уравнение (5.21)]. К выходу аналогового перемножителя подключается полосовой фильтр, настроенный на промежуточную частоту. Интегральные микросхемы аналоговых перемножителей, используемые в радиоприемных устройствах, построены, как правило, по методу «переменной крутизны», т. е. на основе зависимости крутизны транзистора от тока эмит-

тера. Примером простейшего АП с «переменной крутизной», является дифференциальный усилитель (рис. 5.13). При напряжении U_t фг, где фг = kTq — тепловой потенциал (фг|г=эоок = 26 мВ), крутизна транзистора S = I_л^;2фт, а выходное напряжение усилителя £/„,,, _х S X X /?„ {/, = I., R„ £/,/(2фг). Учитывая, что при Ij R._t > U_0я ток эмиттера Л, х U.JR,„ получим

(5.33)

где k_x = Rj(2y_T R₃)-

Типичные значения k^. 0,04; 0,1; 1; 10 1/В. Напряжение сигнала (гетеродина) подается на базу транзистора 7, (на нем собран генератор стабильного тока — ГСТ), а напряжение гетеродина (сигнала) — на входы дифференциальной пары на транзисторах

В качестве дифференциальных каскадов в смесителях и преобразователях частоты нашли применение ИМС и микросборки усилителей высокой частоты, имеющих в своем составе дифференциальный усилитель, например К175УВ4, К435УВ1, К235УС1, а также ИМС универсальных усилителей, например К235УС6. Частотный диапазон этих ИМС позволяет создавать смесители и преобразователи частоты, работающие на частотах до 200 МГц, а микросборок тина М21 и М22 — до 500 МГц [31].

Достоинствами смесителей и преобразователей частоты на основе ИМС усилителей высокой частоты являются сравнительно высокий диапазон рабочих частот, малое энергопотребление, а недостатками — сравнительно узкий динамический диапазон входных сигналов, ограниченный неравенством (J фг, и повышенные требования к фильтрации напряжения сигнала (гетеродина), так как одно из них- проходит на выход.

В качестве примера на рис. 5.14 приведена схема ИМС усилителя высокой частоты К435УВ1, а на рис. 5.15 — схема преобразователя

частоты, выполненного на этой ИМ Усилитель выполнен на дифференц альной паре идентичных транзист ров 7\, 7"₃, в эмиттерные цепи которь включен ГСТ на транзисторе 7 Транзистор Г₄ в диодном включен! предназначен для термостабилизащ напряжения смещения на базе тра зистора То. Для повышения усто чивости к самовозбуждению в базовь цепи транзисторов 7\, Т₂, Т_я вклк чены стабилизирующие резисторы сопротивлением 62 Ом. Па транзит

Рис. 5.16

ре 7'g выполнен эмиттерный повторитель, который не связан по сигнальным цепям с дифференциальной парой транзисторов и может использоваться самостоятельно. Транзистор Т_ъ предназначен для улучшения развязки базовых цепей транзисторов 7%, Т_в. В преобразователе частоты (рис. 5.15) гетеродин выполнен на транзисторе Т_в по емкостной трехточечной схеме. Контур L_lC₁ настраивается на соответствующую гармонику кварцевого резонатора. Входной сигнал подается на вывод 8. В типовом режиме напряжение гетеродина не менее 100 мВ, а крутизна преобразования около 10 мА/В.

Примем для определенности, что напряжение гетеродина подается на базы транзисторов дифференциальной пары (см. рис. 5.13), напряжение сигнала — на базу транзистора ГСТ, а выходной сигнал снимается с коллек-

тора одного из транзисторов пары. В этом случае крутизну преобразования смесителя определяют следующим соотношением: при малых уровнях напряжений U_c <^ ср_г и U_r С фг крутизна преобразования S_n да

да ----я-¹- , где S₀ — —— кру-

тизна транзистора ГСТ; /₀ — постоянный ток ГСТ; /?_;) — сопротивление резистора в цепи эмиттера транзистора ГСТ.

С увеличением напряжения гетеродина ((У_г ^> фг) крутизна преобразования принимает значение

где /₁ — первая гармоника выходного тока, причем /,//„ да (0,15-^0,2) X (7_г/фг при 4 > и_г1ц>т > 1, /у/в = 2/я при 1/_г/фг>4.

Коэффициент усиления по напряжению смесителя Ки — S_nR„, или Кп — S_nR_;iK, где R„ — сопротивление активной нагрузки; R_JK — эквивалентное резонансное сопротивление контура.

Простейший аналоговый неремно-житель (см. рис. 5.13) не является балансным по отношению к напряжениям (7, и U.,, т. е. одно из них проходит на выход. Для того чтобы АП был балансным по отношению к обоим этим напряжениям, в его схему включают три дифференциальных усилителя, два из которых имеют симметрично перекрестное соединение выходов.

Примером такого АП является перемножите.ib К526ПС1 (рис. 5.16). Основной узел этой интегральной микросхемы составляю! два дифференциальных усилителя с параллельным включением входов и перекрестным соединением их выходов на транзисторах Г,, Г₄, 7"₅ и 7'„. Включение микросхемы К52611С 1 в качестве двойного балансного смесителя показано на рис. 5.17. Напряжение гетеродина подается на вывод 10, а напряжение сигнала на вывод 11 при замкнутых выводах 2 и 12. Как видно из рис. 5.16, стабильную работ\ схемы

по постоянному току обеспечивает стабилизатор на диодах Д,—Д₅ и резисторе /?„. За счет этого эмиттер-ный ток дифференциальных усилителей поддерживается постоянным.

В общем виде выходное напряжение перемножителя К526ПС1

где /₀ — постоянный ток транзисторов Т₂ и Т₇.

Учитывая, что обычно двойной балансный смеситель работает при U_c < С фг, а также принимая во внимание разложение в ряд

условие линейности по сигнальному входу можно представить более точно:

(с/_с-2_ф7 th^-)/47_c <6, где 6-до-

пустимый коэффициент нелинейности.

Нетрудно найти, что при ф_Г — = 26 мВ значение 6 = 1% достигается при U_c — 9 мВ и 6 —- 5 % при U_c = 20 мВ.

Линейный диапазон смесителя по сигнальному входу можно расширить, включив между выводами 2 и 12 резистор R₃. На практике линейный диапазон по сигнальному входу для данной микросхемы не превышает 0,5 В, что обусловлено значениями постоянных напряжений, задаваемых внутренним стабилизатором на диодах

При (J_г » ф_Г (достаточно иметь U,. > 100 мВ) функция гиперболического тангенса вырождается в меандр с частотой гармонического колебания u_r (t). Иными словами, транзисторы Т., Т₂ и Т₃, Г₄ превращаются в переключатели и входной сигнал коммутируется с частотой колебания «_г (г),

в результате чего возникает выход| сигнал вида

где u_r (t) — прямоугольная волна теродинного колебания и,. (/).

Из последнего соотношения мо» определить напряжение промежут ной частоты: £/_выхпч = 2 U_cl >nR_a, откуда следует, что крути; преобразования S_n = 2/(nR_a).

По сравнению с микросхем К526ПС1 микросхема аналоговс перемножителя К174ПС1 являет более высокочастотной (верхняя rj ничная частота равна 220 МГц). Пр» ципиальная схема ее приведена рис. 5.18, а схема преобразовали частоты на ее основе — рис. 5.19. Как следует из рис. 5.1 ИМС К174ПС1 также выполнена методу «переменной крутизны». П этом транзисторы T_lt Т₂, Т₃ и образуют два дифференциальных кг када с перекрестно соединенными в ходами. Напряжение смещения во дифференциальных каскадов стаб лизировано внутренним стаблиза

Рис. 5.19

ром напряжения на диодах Д,—Д₄. При использовании ИМС К174ПС1 в качестве смесителя на входы 7, 8 подается напряжение гетеродина, а на входы 11, 13 — напряжение сигнала. Если же ИМС К174ПС1 служит в качестве преобразователя частоты, то на входы 7, 8 подается напряжение сигнала, а между входами 11, 13 (рис. 15.19) включается внешний контур гетеродина, выполненного на транзисторах Т₅, T_g. Заметим, что аналогично схеме рис. 5.19 могут быть собраны преобразователи частоты на микросхемах К526ПС1, К140МА1, К435ХА1.