Смесители на активных элементах с квадратичными характеристиками

На рис.2 представлена схема смесителя на биполярном транзисторе с квадратичным начальным участком проходной характеристики.

Рис.2. Смеситель. Схема принципиальная.

На рис.3 представлена проходная статическая характеристика биполярного транзистора, у которого начальный участок имеет квадратичную зависимость тока коллектора от напряжения на базе. Середина квадратичного участка соответствует напряжению отсечки при кусочно-линейной аппроксимации.

Рис.3

Для исследования выберем рабочую точку «А» на середине квадратичного участка. В этом случае требуемое напряжение смещения будет равно

.

Раствор квадратичного участка проходной характеристики составит

, где .

Для нормальной работы смесителя мгновенное напряжение на базе не должно выходить за пределы квадратичного участка. Взаимосвязь между током коллектора транзистора и напряжением на базе имеет вид

,

где - крутизна проходной характеристики на верхней ее границе. Как правило, она равна крутизне линейного участка проходной характеристики.

Мгновенное напряжение на базе транзистора образуется тремя напряжениями: напряжением смещения , напряжением гетеродина и напряжением сигнала

.

Напряжение гетеродина чаще всего поступает со стороны синтезатора и имеет постоянную амплитуду. Однако при работе в диапазоне частот частота гетеродина меняется в интервале

.

Напряжение сигнала поступает с блока формирования видов работ. Частота сигнала при работе в одноканальном режиме постоянна и не меняется. Однако амплитуда сигнала будет постоянной только при угловой модуляции. При АМ или ОМ амплитуда сигнала меняется в широких пределах от нуля до . Но при этом мгновенное значение напряжения на базе не должно входить за пределы квадратичного участка проходной характеристики, т.е. должно выполняться условие

.

При АМ и ОМ расчет проводится для амплитуды сигнала .

Подставив выражение для мгновенного значения напряжения на базе в формулу для проходной характеристики транзистора, и выполнив все алгебраические и тригонометрические преобразования, получим следующее выражение для мгновенного значения тока коллектора

.

Из полученного выражения следует, что при квадратичной форме проходной характеристики в токе коллектора транзистора будут содержаться постоянная составляющая тока коллектора, первая гармоника тока с частотой гетеродина и частотой сигнала, вторая гармоника тока с частотой гетеродина и сигнала и комбинационные составляющие с частотами вида

и .

Других комбинационных составляющих и гармоник в токе коллектора нет. Это несомненное достоинство нелинейности квадратичного вида. При нелинейностях более высоких порядков количество комбинационных составляющих и гармоник резко увеличивается.

В передатчиках основным видом комбинации является сумма частот гетеродина и сигнала, хотя в ряде случаев используется и разностная комбинация. Ниже представлены соотношения для постоянной составляющей и амплитуд гармоник и комбинационных составляющих тока коллектора

;

;

;

.

Как следует из приведенных соотношений, амплитуда тока любой комбинационной составляющей прямо пропорциональна амплитуде сигнала и гетеродина. При угловой модуляции амплитуды сигнала и гетеродина постоянны и не меняются. В приемниках соотношения между ними обычно принимают равным

.

Это позволяет считать участок проходной характеристики, занимаемый сигналом, практически линейным и использовать квазилинейную теорию преобразования.

В передатчиках целесообразнее выбирать соотношения между амплитудами из условия равенства

.

Крутизна функции преобразования будет равной

.

При преобразовании сигнала с АМ и ОМ меняется в интервале . Поскольку сумма , амплитуду гетеродина следует выбрать из условия

, где при АМ - ,

а при ОМ - , - пик фактор модулирующего сигнала.

На рис.4 представлено размещение комбинационных составляющих и гармоник в спектре коллекторного тока. Пунктирными линиями показаны зоны перемещения спектральных составляющих при перестройке по частоте.

Рис.4.

Из рисунка видно, что наименьший разнос от полосы пропускания фильтра смесителя имеет вторая гармоника гетеродина и сигнала. С увеличением рабочей полосы передатчика этот разнос уменьшается. Все остальные спектральные составляющие достаточно далеко удалены от полосы пропускания фильтра и могут быть легко подавлены.

Эффективным методом подавления второй гармоники частоты гетеродина и сигнала является использование балансных смесителей. Наиболее удобно балансный смеситель выполнять на основе дифференциального каскада. Эквивалентная схема смесителя на дифференциальном каскаде представлена на рис.5.

Рис.5.

Если на базы транзисторов дифференциального каскада подать сигналы в противофазе и осуществить операцию вычитания токов коллекторов, то в результирующем токе, который создает напряжение на оконечной нагрузке, будут отсутствовать первая и вторая гармоники гетеродина и вторая гармоника сигнала, а все остальные спектральные составляющие удвоятся. Это легко доказать, если фазу сигнала на входе второго плеча сдвинуть на по отношению к первому.

После преобразования выражение для тока примет вид

.

Выполнив операцию вычитания, получим

.

Спектральный состав разностного тока примет вид, показанный на рис.6.

Рис.6.

Для работы в составе дифференциальных каскадов разработаны специальные биполярные и полевые транзисторы: 2П337АР,2П337БР, 2П338АР, 1Т329А и др. На основе дифференциальных каскадов выполнен ряд микросхем, которые могут использоваться как балансные и двойные балансные смесители: К536ПС1, К525ПС1,ПС2, К174ПС1, К140МА1, К435УВ1 и др.

Вместе с тем, следует отметить, что идеальной квадратурной проходной характеристикой не обладает ни один активный элемент. Поэтому в токе выходного электрода всегда присутствуют, хотя и ослабленные, комбинационные составляющие. С увеличением порядка их интенсивность уменьшается и при с ними, как правило, не считаются. Однако при порядке некоторые комбинационные составляющие могут иметь достаточно большую интенсивность и оказаться непосредственно в полосе прозрачности фильтра смесителя или в непосредственной близости от нее и беспрепятственно достигать оконечной нагрузки, образуя комбинационные излучения передатчика. Исследования ряда ученых в этой области показали [Верз.], что существуют зоны выбора частот и , когда все комбинационные составляющие порядка оказываются достаточно далеко от полосы прозрачности фильтра смесителя, настроенного на частоту .

Согласно [Верз.], при выделении суммарной частоты на выходе смесителя и подавления комбинационных частот с порядком , целесообразно использовать следующее соотношение

где а < 1.

При таком выборе частоты гетеродина и сигнала сильно отличаются друг от друга.

Если возникает необходимость в относительно малом отличии и в [Верз.] рекомендуется другое неравенство

, где а < 1, а число p нечетное.

Проведенный выше анализ позволяет обратить внимание на следующее обстоятельство. Постоянная составляющая тока коллектора зависит от амплитуд сигнала гетеродина и сигнала. Если хотя бы одна из этих амплитуд меняется в процессе преобразования, то это приведет к изменению постоянных составляющих тока коллектора и тока базы.

; .

Если в смесителе использовано автоматическое смещение, то рабочая точка будет перемещаться по характеристике, что приведет к искажению огибающей амплитуд передаваемого сообщения. В приемниках это явление устраняют за счет уменьшения уровня амплитуд сигнала в сравнении с амплитудой гетеродина, которая в процессе работы не меняется, примерно в 10 раз. Поскольку амплитуда сигнала входит в формулу в квадрате (), то влияние ее изменение на изменение автоматической части смещения ничтожна. Такой же прием целесообразно использовать в смесителях передатчиков при переносе АМ и ОМ сигналов. Второй прием состоит в отказе от автоматического базового и эмиттерного смещений.

При угловой модуляции амплитуды сигнала и гетеродина постоянны, и поэтому установленная рабочая точка не меняет своего положения в процессе работы.

Дата добавления: 2015-07-24