Балансный смеситель

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в преобразователях частоты радиотехнических устройств. Устройство содержит транзистор, первый резистор, первый конденсатор, выходной параллельный контур, источник коллекторного питания, полевой транзистор, источник смещения, второй конденсатор, входной трансформатор с первичной и вторичной обмотками, разделительный конденсатор, второй резистор, генератор стабильного тока на транзисторе противоположной структуры и дополнительном резисторе, третий конденсатор, дополнительный транзистор, третий резистор, дополнительный конденсатор. Благодаря использованию полевого транзистора со слабой емкостной связью между его затвором и стоком и дополнительного транзистора, создающего противофазный сигнал для части входного сигнала, проникающего в выходной параллельный контур, обеспечивается повышение динамического диапазона и стабильности преобразования частоты. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в преобразователях частоты радиоприемных и других устройств.

Известен балансный смеситель, содержащий два дифференциальных каскада (ДК) на транзисторах разной структуры с попарно соединенными коллекторами, сигнал гетеродина с вторичной обмотки трансформатора частоты гетеродина подается между базами одного ДК. Входной сигнал с вторичной обмотки трансформатора частоты сигнала подается между базами ДК, в эмиттерную цепь которого включена выходная нагрузка. Однако данный смеситель имеет невысокий динамический диапазон и не обладает достаточной устойчивостью режима по постоянному току при дестабилизирующих воздействиях (изменении питающих напряжений, разбросе параметров транзисторов).

Известен также балансный смеситель, содержащий два ДК на биполярных транзисторах разной структуры и два полевых транзистора. Входной сигнал в этом смесителе с вторичной обмотки трансформатора подается между базами транзисторов первого ДК, объединенные эмиттеры которых через разделительный конденсатор соединены со средним выводом этой же обмотки. Транзисторы второго ДК, выполняющие роль генераторов стабильного тока (ГСТ), коллекторами попарно соединены с коллекторами первого ДК, базами через блокировочные конденсаторы - с общей шиной и с отводом делителя напряжения, а объединенными эмиттерами через токозадающий резистор - с выводом источника питания. Истоки полевых транзисторов подключены к общей шине, стоки через разделительные конденсаторы - к соответствующим коллекторам транзисторов первого и второго ДК, а затворы - к соответствующим концам вторичной обмотки входного трансформатора частоты гетеродина, на средний вывод которой подано напряжение смещения полевых транзисторов. Выходная нагрузка в этом смесителе включена между объединенными эмиттерами транзисторов первого ДК и общей шиной.

Однако известный балансный смеситель имеет невысокий динамический диапазон, что объясняется высоким усилением транзисторов первого ДК по коллекторной цепи во время пребывания в закрытом состоянии каналов полевых транзисторов. В этом случае коллекторной нагрузкой смесительного транзистора является только высокое внутреннее сопротивление ГСТ (единицы-сотни килоом), поэтому уже при сигнале между базой и эмиттером в единицы милливольт транзистор входит в насыщение по переменному току в коллекторной цепи, что приводит к ограничению сверху динамического диапазона входного сигнала. Кроме того, известный балансный смеситель имеет низкую устойчивость к дестабилизирующим воздействиям, так как он состоит из двух ветвей, в каждой из которых последовательно включены транзисторный ГСТ и усилительный каскад с достаточно высоким внутренним сопротивлением. Поэтому даже небольшое изменение тока у одного из транзисторов приводит, во-первых, к закрыванию или насыщению транзистора, включенного в его коллекторной цепи; поскольку эмиттеры ветвей объединены, изменится ток второй ветви, что приведет к закрыванию и насыщению транзисторов второй ветви. Таким образом, любое изменение тока одного из транзисторов приводит к закрыванию и насыщению всех четырех транзисторов первого и второго ДК. Для реализации смесителя требуется две идентичные пары транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов, что трудно изготовить даже в интегральном исполнении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является смеситель, содержащий транзистор, эмиттер которого через параллельно соединенные первый резистор и первый конденсатор соединен с последовательно соединенными выходным параллельным контуром и источником коллекторного питания, полевой транзистор, затвор которого соединен с источником смещения и через второй конденсатор - с гетеродинным входом устройства, сигнальный вход которого соединен с первичной обмоткой входного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с разделительным конденсатором и с базой транзистора, соединенной с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общий шиной, причем выходной электрод транзистора соединен с истоком полевого транзистора, сток которого подключен к выходному параллельному контуру.

Однако известный смеситель слабо подавляет сигналы гетеродина и входного сигнала в нагрузке, имеет невысокий динамический диапазон и недостаточную стабильность режима по постоянному току при разбросе параметров транзисторов.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и повышение стабильности.

Для этого в смеситель, содержащий транзистор, эмиттер которого через параллельно соединенные первый резистор и первый конденсатор соединен с последовательно соединенными выходным параллельным контуром и источником коллекторного питания, полевой транзистор, затвор которого соединен с источником смещения и через второй конденсатор - с гетеродинным входом устройства, сигнальный вход которого соединен с первичной обмоткой входного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с разделительным конденсатором и с базой транзистора, соединенной с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, введены генератор стабильного тока, включенный между коллектором транзистора и первым выводом источника коллекторного питания, второй вывод которого соединен с общей шиной, третий конденсатор, включенный между стоком полевого транзистора и коллектором транзистора, дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с первым выводом источника коллекторного питания, база дополнительного транзистора соединена с коллектором транзистора, и третий резистор, включенный между базой транзистора и эмиттером дополнительного транзистора, причем исток полевого транзистора соединен с общей шиной, эмиттер транзистора через разделительный конденсатор соединен с вторичной обмоткой входного трансформатора, источник смещения выполнен в виде резистивного делителя напряжения, включенного параллельно источнику коллекторного питания, а генератор стабильного тока выполнен в виде транзистора противоположной структуры, последовательно с эмиттером которого включен дополнительный резистор, а его база соединена с дополнительным выходом резистивного делителя напряжения и через дополнительный конденсатор - с общей шиной.

На чертеже приведена принципиальная схема балансного смесителя.

Он содержит транзистор 1, дополнительный транзистор 2, база которого соединена с коллектором транзистора 1, генератор стабильного тока, выполненный на транзисторе 3 противоположной структуры, коллектор которого подключен к коллектору транзистора 1, полевой транзистор 4, исток которого соединен с общей шиной, входной трансформатор 5 с вторичной обмоткой 6, подключенной к базе транзистора 1, источник смещения 7, выполненный в виде резистивного делителя напряжения, выход которого подключен к затвору полевого транзистора 4, а дополнительный выход - к базе транзистора 3. Выходной параллельный контур 8 подключен к общей шине и через параллельно включенные первый резистор 9 и первый конденсатор 10 к эмиттеру транзистора 1. Разделительный конденсатор 11 включен между эмиттером транзистора 1 и вторичной обмоткой 6 входного трансформатора, второй резистор 12 - между общей шиной и базой транзистора 1, третий резистор 13 - между базой транзистора 1 и эмиттером дополнительного транзистора 3, второй конденсатор 14 - между гетеродинным входом и затвором полевого транзистора 4, третий конденсатор 15 - между стоком полевого транзистора 4 и коллектором транзистора 1. Дополнительный резистор 16 включен в цепь эмиттера транзистора 3, дополнительный конденсатор 17 включен между базой транзистора 3 и общей шиной.

Балансный смеситель работает следующим образом.

Входное напряжение сигнальной частоты с вторичной обмотки 6 входного трансформатора 5 подается между базой и эмиттером транзистора 1. Выходная нагрузка 8, выполненная, например, в виде параллельного колебательного контура, настроенного на промежуточную частоту, включена в эмиттерную цепь транзистора 1 через первый резистор 9, служащий для стабилизации режима транзистора 1. Первый конденсатор 10 является блокировочным и устраняет влияние первого резистора 9 по высокой частоте. Таким образом, для сигнала с вторичной обмотки 6 общим электродом у транзистора 1 является эмиттер, т. е. для этого сигнала транзистор 1 включен по схеме с ОЭ. Смещение, необходимое для поддержания рабочей точки транзистора 1 на середине активного участка, подается с делителя, образованного вторым 12 и третьим 13 резисторами. Транзистор 3, смещение на который подается с отвода делителя 7, а база заблокирована конденсатором 17, совместно с резистором 16 образуют генератор стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает высокое сопротивление по переменному току в коллекторной цепи транзистора 1.

Преобразование частоты в данном смесителе осуществляется за счет изменения с частотой гетеродина коэффициента передачи смесительного транзистора 1. Такое изменение обеспечивается благодаря тому, что нагрузка по переменному току в коллекторной цепи транзистора 1 изменяется с частотой гетеродина, что ведет к изменению эквивалентной крутизны транзистора 1. Роль переменной нагрузки выполняет сопротивление канала полевого транзистора 4, подключенное через разделительный конденсатор 15 между коллектором транзистора 1 и общей шиной. На затвор полевого транзистора 4 отвода делителя 7 подается необходимое напряжение смещения, а через разделительный конденсатор 14 - входное гетеродинное напряжение, приводящее к изменению сопротивления канала полевого транзистора 4. При отрицательной полуволне гетеродинного напряжения коллектор транзистора 1 через низкое сопротивление открытого канала полевого транзистора по переменному току практически заземлен. В этом случае выходная нагрузка 8 окажется включенной между эмиттером и коллектором транзистора 1 и на ней выделится полный выходной сигнал этого транзистора.

Таким образом, при открытом канале полевого транзистора 4 усиление каскада на транзисторе 1 будет максимальным. При положительной полуволне гетеродинного напряжения сопротивление канала полевого транзистора увеличивается и коллектор первого транзистора 1 оказывается нагружен на большое внутреннее сопротивление ГСТ на транзисторе 3 и на входное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторе 2, которое также велико из-за высокого сопротивления нагрузочных резисторов 13 и 12. Общее сопротивление по переменному току в коллекторной цепи транзистора 1 в этом случае значительно превосходит по величине сопротивление выходной нагрузки 8. Поэтому почти весь выходной сигнал транзистора 1 выделяется не на выходной нагрузке 8, а в коллекторной цепи транзистора 1, т.е. усиление каскада на транзисторе 1 в этот момент минимально. Дополнительное снижение усиления в этот момент обеспечивает возникающая через эмиттерный повторитель на транзисторе 2 и через резистор 13 параллельная ООС. Анализ показывает, что крутизна смесителя Y_21см определяется выражением Y_21cм Y_21см≈Y -1, где Y₂₁ - собственная крутизна транзистора 1; R_э - эквивалентное сопротивление в цепи коллектора транзистора 1 по переменному току; R₁₃ - сопротивление резистора 13.

Таким образом, за период гетеродинного напряжения изменяется R_э и крутизна Y_21см, а следовательно и коэффициент передачи транзистора 1, поэтому в спектре выходного тока транзистора 1 появляются составляющие с промежуточной частотой, выделяемые резонансной нагрузкой 8.

Данный смеситель, являясь небалансным по гетеродинному сигналу, обеспечивает значительное подавление гетеродинного напряжения в нагрузке. Это объясняется тем, что, во-первых, гетеродинный сигнал проходит на выход только через малую проходную емкость транзистора 4. Во-вторых, гетеродинный сигнал, изменяя сопротивление канала полевого транзистора 4, не меняет режим по току остальных транзисторов.

Предложенное включение дополнительного транзистора 2 приводит к тому, что смеситель оказывается балансным по входному сигналу. Это объясняется следующим образом. Пусть на базе транзистора 1 действует положительная полуволна входного сигнала. Это приведет к увеличению базового, эмиттерного и коллекторного токов транзистора 1. При этом на выходную нагрузку 8 входной сигнал может попасть двумя путями. Первый - непосредственно за счет увеличения эмиттерного тока транзистора 1 на нагрузке 8 выделится усиленная положительная полуволна входного сигнала. Второй - за счет увеличения коллекторного тока транзистора 1 на его коллекторной нагрузке выделится отрицательная полуволна сигнала, которая, пройдя без изменения фазы через эмиттерный повторитель на транзисторе 2 и делитель на втором и третьем резисторах 12, 13, попадает на базу транзистора 1. Эта отрицательная полуволна, будучи повторенной на эмиттере транзистора 1, а следовательно, и на выходной нагрузке 8, оказывается противофазной положительной полуволне, прошедшей по первому пути, и взаимно с ней компенсируется. Условием баланса смесителя по входному сигналу является равенство коэффициентов передачи по первому и второму пути. Как видно из приведенного выражения, крутизна Y_21см= 0 при R_э= R₁₃ (при отсутствии сигнала гетеродина), что и является условием баланса по входному сигналу. Практически подавление входного сигнала на выходе достигает 26 - 40 дБ (без учета избирательных свойств выходной нагрузки 8).

Предложенное включение дополнительного транзистора 2 расширяет динамический диапазон (ДД) балансного смесителя. Это объясняется следующим. В моменты действия отрицательной полуволны гетеродинного сигнала, когда сопротивление R_э в коллекторной цепи транзистора 1 увеличивается, возрастает и коэффициент усиления входного сигнала по коллекторной цепи транзистора 1, что может привести к искажениям входного сигнала, которые определяют верхнюю границу динамического диапазона. Из-за наличия дополнительного транзистора 2 усиление транзистора 1 по коллекторной цепи не достигает высоких значений вследствие действия параллельной отрицательной обратной связи с коллектора транзистора 1 через эмиттерный повторитель на транзисторе 2 и резистор 13 на базу транзистора 1. Наличие этой ООС приводит к снижению усиления по коллекторной цепи, а из-за этого искажение (ограничение) сигнала в коллекторной цепи происходит при значительно больших напряжениях входного сигнала, что на 10-15 дБ расширяет динамический диапазон смесителя.

Следует отметить, что при расширении ДД смесителя при использовании известных ООС, например включение незашунтированного емкостью резистора в эмиттер смесительного транзистора, увеличение ДД сопровождается соответствующим снижением коэффициента преобразования. В данном случае введение предложенной ООС не только не снижает коэффициент преобразования, но даже увеличивает его. Данная ООС по входному сигналу действует только при закрытом канале полевого транзистора 4. При открытом канале транзистора 4 (при отрицательной полуволне гетеродинного сигнала) коллектор транзистора 1 практически заземлен по переменному току, следовательно, сигнал ООС на эмиттере транзистора 2 отсутствует. При закрытом канале полевого транзистора 4 на коллекторе транзистора 1 имеется переменное напряжение частоты сигнала, поэтому действует и ООС по входному сигналу. При закрытом канале транзистора 4 коэффициент передачи транзистора 1 по входной цепи минимален из-за перераспределения выходного сигнала между коллекторной и эмиттерной цепями. Из-за существующей в этот момент ООС происходит еще большее уменьшение коэффициента передачи смесительного транзистора 1 по выходной цепи. Таким образом, из-за наличия ООС в смесителе происходит более глубокое изменение коэффициента передачи транзистора 1, что приводит к росту в спектре выходного тока составляющих промежуточной частоты, т.е. к увеличению коэффициента преобразования на 4-8 дБ.

Обычно балансные смесители требуют для реализации практически идентичные транзисторы, что ведет к необходимости подбора транзисторов или тщательной индивидуальной настройки. Кроме того, вследствие последовательного включения самостоятельных ГСТ, они имеют низкую стабильность режимов транзисторов при дрейфе параметров схемы и изменении питающих напряжений. В предлагаемой схеме также последовательно включены ГСТ на транзисторе 3 и высокоомная коллекторная цепь транзистора 1. Однако их токи взаимосвязаны и поддерживаются строго одинаковыми за счет действия ООС по постоянному току с коллектора транзистора 1 через эмиттерный повторитель на транзисторе 2 и третий резистор 13 на базу транзистора 1. Если под действием дестабилизирующих факторов ток ГСТ на транзисторе 3, например, возрастет, то увеличится напряжение на его коллекторе (относительно общей шины), что приведет к росту напряжения на эмиттере транзистора 2 и к увеличению токов базы и коллектора транзистора 1, что уменьшит напряжение на коллекторе транзистора 1. Поэтому напряжение на коллекторах транзисторов 1 и 3 останется равным половине напряжения питания. Таким образом осуществляется повышение стабильности режима балансного смесителя.

Формула изобретения

БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, содержащий транзистор, эмиттер которого через параллельно соединенные первый резистор и первый конденсатор соединен с последовательно соединенными выходным параллельным контуром и источником коллекторного питания, полевой транзистор, затвор которого соединен с источником смещения и через второй конденсатор соединен с гетеродинным входом устройства, сигнальный вход которого соединен с первичной обмоткой входного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с разделительным конденсатором и с базой транзистора, соединенной с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повышения стабильности, введены генератор стабильного тока, включенный между коллектором транзистора и первым выводом источника коллекторного питания, второй вывод которого соединен с общей шиной, третий конденсатор, включенный между стоком полевого транзистора и коллектором транзистора, дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с первым выводом источника коллекторного питания, база дополнительного транзистора соединена с коллектором транзистора, и третий резистор, включенный между базой транзистора и эмиттером дополнительного транзистора, причем исток полевого транзистора соединен с общей шиной, эмиттер транзистора через разделительный конденсатор соединен с вторичной обмоткой входного трансформатора, источник смещения выполнен в виде резистивного делителя напряжения, включенного параллельно источнику коллекторного питания, а генератор стабильного тока выполнен в виде транзистора противоположной структуры, последовательно с эмиттером которого включен дополнительный резистор, а его база соединена с дополнительным выходом резистивного делителя напряжения и через дополнительный конденсатор с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1