В. ПОЛЯКОВ (RA3AAE), Б. СТЕПАНОВ (UW3AX)
"Радио" №4 1983
В гетеродинных приемниках (их также называют приемниками прямого преобразования) широкое применение нашел смеситель на встречно-параллельных диодах, который был впервые описан на страницах журнала "Радио" в 1976 году. Напомним его основные достоинства,
Вольт-амперная характеристика двух диодов, включенных встречно-параллельно, симметрична относительно начала координат (она приближенно описывается уравнением кубической параболы). Вследствие этого подобный смеситель не детектирует сигналов мощных радиостанций, рабочие частоты которых незначительно отличаются от частоты приема, что, естественно, улучшает общую помехозащищенность гетеродинного приемника.
Для нормальной работы такого смесителя частота гетеродина должна быть в два раза ниже частоты принимаемого сигнала. Это заметно снижает проникновение напряжения гетеродина па вход приемника, в частности, и из-за селективных свойств входного контура.
И наконец, при прочих равных условиях в гетеродине, работающем на пониженной частоте, легче получить высокую стабильность частоты, которая необходима для бесподстроечного приема сигналов телеграфных и особенно однополосных станций.
Известно, что на полевых транзисторах, используемых в режиме управляемого активного сопротивления, можно реализовывать разнообразные смесители, частотные, фазовые и синхронные детекторы; модуляторы; коммутаторы и тому подобные устройства. Они, как правило, отличаются малыми нелинейными искажениями, большим динамическим диапазоном, хорошей развязкой между управляющими (или гетеродинными) и сигнальными цепями. Авторы этой статьи попытались объединить достоинства смесителя на встречно-параллельных диодах с преимуществами, которые дает использование в смесителях управляемых резистивных элементов полевых транзисторов. Результатом этой работы стал смеситель частоты на противофазно управляемых полевых транзисторах.
Упрощенная схема такого смесителя показана на рис. 1.
Принимаемый сигнал с входного контура L1C1 подается на параллельно включенные каналы
транзисторов V1 и V2. К выходу смесителя подключена нагрузочная цепь R1C2 или. в более общем случае, фильтр нижних частот. Через трансформатор Т1 сигнал гетеродина в противофазе подается на затворы транзисторов. Частота гетеродина в два раза ниже частоты сигнала.
На рис. 2, а приведена временная диаграмма напряжения гетеродина на затворе транзистора V1, а на рис. 2. б на затворе транзистора V2. Напряжение отсечки Uотс, указанное на этих рисунках, соответствует случаю использования в смесителе транзисторов с изолированным затвором, работающих в режиме обогащения (при использовании полевых транзисторов других типов смеситель необходимо дополнить источником постоянного смещения). Канал каждого из транзисторов проводит, если напряжение на затворе больше напряжения отсечки, т. е. на пиках положительных полуволн гетеродинного напряжения. А поскольку к затворам приложены противофазные напряжения, суммарная проводимость G параллельно соединенных каналов увеличивается дважды за период гетеродинного напряжения, как показано на рис. 2, в. Таким образом, параллельно соединенные каналы действуют в данном случае подобно ключу, коммутирующему сигнал с частотой 2fгет. Если последняя близка к частоте входного сигнала fс, то в цепи нагрузки появится ток частотой fс — fгет. Происходит преобразование как бы на второй гармонике гетеродина, хотя реальных токов и напряжений с частотой fгет нет, и, в смесителе они не генерируются.
Описанный смеситель имеет весьма малое проникновение напряжения гетеродина во входные цепи. Действительно, паразитные емкости затвор-исток транзисторов подключены к противофазным выводам симметричного ВЧ трансформатора и образуют сбалансированный мост. Благодаря этому наводимое во входном контуре напряжение гетеродина ослаблено на 30... 40 дБ. Дальнейшее ослабление (еще на 30 дБ или даже больше) получается за счет селективных свойств входного контура или фильтра — ведь гетеродин работает на частоте, вдвое отличающейся от частоты сигнала.
Следует подчеркнуть, что подавление наводок гетеродина на входе приемника прямого преобразования очень важно. Наводка синхронно детектируется в смесителе и, создавая тем самым на его выходе постоянное напряжение, неизбежно разбалансирует смеситель. При этом ухудшается подавление соседних по частоте мощных сигналов, т. е. ухудшается помехозащищенность приемника. Другая опасность состоит в излучении сигнала гетеродина антенной. Это, оказывается, может создать помехи не только другим близко расположенным приемникам, но и своему собственному (!). Напряжение гетеродина излучается антенной приемника и модулируется частотой сети на плохих контактах металлических предметов, диодах выпрямителей и т. д. Промодулированный таким образом ВЧ "сигнал" вновь поступает на вход приемника и синхронно детектируется в нем, создавая сильный фон переменного тока. Этот фон легко распознать —- он исчезнет при отключении антенны. Применение данного смесителя практически полностью исключает описанные эффекты даже при использовании суррогатных проволочных антенн без экранированного снижения.
Способность детектировать сигналы мешающих AM станций в данном смесителе ослаблена потому, что каналы транзисторов представляют собой линейные активные сопротивления. Теоретически AM сигналы вообще не должны детектироваться смесителем. На практике каналы все же имеют некоторую нелинейность, и это, конечно, ограничивает помехозащищенность смесителя. По-видимому, наилучшие результаты по этому параметру получились бы с транзисторами, у которых исток и сток полностью идентичны. Однако подобные транзисторы не выпускаются серийно.
Собственные шумы описываемого смесителя очень малы, во-первых, потому, что полевые транзисторы вообще относятся к малошумящим элементам и, во-вторых, потому, что через каналы транзисторов протекает лишь очень слабый ток сигнала. При этом значительно уменьшаются некоторые виды шумов, в частности дробовый и фликер-шум. Практически транзисторы в смесителе шумят немногим больше, чем резистор с сопротивлением, равным усредненному сопротивлению каналов.
Один из вариантов выполнения входной части гетеродинного приемника со смесителем на противофазно управляемых полевых транзисторах показан на рис. 3.
Входной сигнал (диапазон 28 МГц) подается на смеситель через
Г-образный полосовой фильтр, в продольной ветви которого включен контур L1C1, а в поперечной — L2C2. Согласование входного сопротивления смесителя (несколько килоом) с антенной достигается автотрансформаторным включением катушки L2. На затворы транзисторов смесителя V1 и V2 подается такое напряжение смещения. чтобы транзисторы открывались лишь на пиках гетеродинного напряжения. На выходе смесителя включен фильтр НЧ C3L3C4 с частотой среза около 3 кГц. Характеристическое сопротивление фильтра — 4,5 кОм. Предварительный усилитель НЧ приемника с коэффициентом усиления примерно 1000 собран на операционном усилителе А1. Оконечный усилитель НЧ должен иметь коэффициент усиления 30...100. Этот узел, а также гетеродин приемника можно собрать по любой известной схеме.
Катушки входного фильтра L1 и L2 намотаны на каркасах диаметром 6 мм виток к витку проводом ПЭЛ 0,8. Подстроечник катушки L2 — СЦР-1. Катушка L1 содержит 19 витков, а L2 — 10 витков с отводом от 2-го или 3-го витка (подбирают по максимуму чувствительности), считая от вывода, соединенного с общим проводом. Катушка
L3 содержит 520 витков провода ПЭЛШО 0,07... 0,1, намотанного на кольцевом магнитопроводе К16х8х4 из феррита 2000НМ. Симметрирующий трансформатор Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе типоразмера К7х4х2 из феррита 100НН. На магнитопровод наматывают 12 витков сложенного втрое провода ПЭЛШО 0,15. Затем начало одной обмотки соединяют с концом другой , образуя средний вывод симметричной вторичной обмотки (2х12 витков).
При испытаниях приемника было найдено, что оптимальное напряжение смещения составляет — 2,5 В, а амплитуда напряжения гетеродина на затворах транзисторов V1 и V2 — около 1,5 В. При этих напряжениях чувствительность приемника была максимальной. Измеренное значение чувствительности оказалось около 0,3 мкВ при отношении сигнал/шум на выходе 10 дБ. Подавление внеполосных AM сигналов и ослабление гетеродинного напряжения с частотой 14 МГц на входе приемника оказалось не хуже 70 дБ. Несколько лучшие параметры получались при использовании полевых транзисторов с изолированным затвором, например, серии КП305.
Подобный смеситель можно использовать и в супергетеродинных приемниках, заменив цепь R1C2 (см. рис. 1) контуром, настроенным на промежуточную частоту.