КЛЮЧЕВЫЕ СМЕСИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ
С.Макаркин, RX3AKT
На этот раз - схемотехника смесителей на электронных ключах и несколько практических схем. Допустим что-то подобное уже было, но не даром говорят: "повторение - мать учения". Откуда узнают молодые радиолюбители о принципе работы смесителя. если старые журналы - на помойке, а новая литература - только о компьютерах? Тем временем схемотехника смесителей непрерывно совершенствуется. Разработчики стремятся получить смеситель с идеальными параметрами: большим динамическим диапазоном. простой, экономичный, технологичный, и широкополосный. Таким, возможно, будет смеситель собранный на сверхскоростных ключах, управляемых быстродействующими КМОП цифровыми микросхемами.
У радиолюбителей не уменьшается интерес к схемотехнике смесителей. Современная элементная база позволяет конструировать необычные смесители с удивительными свойствами. Но сначала немного теории и терминологии. В радиолюбительской среде бытует разделение смесителей на ключевые и "гладкие" - по виду сигнала гетеродина, прямоугольному или синусоидальному. Также говорят о пассивных и активных смесителях - пассивные смесители в отличие от активных не усиливают преобразуемый сигнал.
По принципу действия, обобщенно, все смесители являются коммутаторами фазы входного сигнала с частотой сигнала гетеродина. В качестве коммутирующих элементов обычно используются диоды, транзисторы или электронные ключи. Причем, активными, естественно, могут быть смесители только на транзисторах. Хотя нс все транзисторные смесители являются активными. Например, смеситель, вызвавший большой читательский интерес и рассмотренный в RD №1-97 на стр.11, не является активным.
В принципе работы смесителя легко разобраться, рассматривая схему классического диодного кольцевого балансного смесителя, рис.1.
Рис 1 Кольцевой балансный смеситель на диодах
Напряжение гетеродина Uгет. в момент, когда его полярность в точке А относительно точки В положительна, открывает пару диодов VD1 и VD4. В случае появления сигнала, он проходит от входа к выходу смесителя именно через эти диоды. Так продолжается до тех пор, пока напряжение гетеродина не сменит знак на противоположный. При этом диоды VD1, VD4 закрываются, а диоды VD2, VD3 открываются. Через эти диоды проходит тот же самый сигнал, что и в первом случае, только его фаза на выходе смесителя меняется на обратную - начинают работать противоположные выводы вторичной обмотки трансформатора Т2. Токи гетеродина в симметричных обмотках трансформаторов Т1 и Т2 в любой момент времени направлены в противоположные стороны и взаимоуничтожаются. Конечно, без специальных мер, достичь приемлемой компенсации этих токов трудно, и на выходе смесителя появляется остаток сигнала с частотой гетеродина (несущая). Для балансировки смесителя в разрыв одной из симметричных обмоток трансформаторов включается переменный резистор. Но глубокого подавления несущей и в этом случае достичь трудно - здесь сказываются разбросы технологических сопротивлений диодов, асимметрия обмоток трансформаторов, монтажные емкости и другие факторы.
Теперь представим, что диоды мы заменили на электронные ключи - коммутаторы, по своим свойствам близкие к обычным контактам реле, но с гораздо большим быстродействием, рис.2.
Рис 2 Кольцевой балансный смеситель на ключах
В этом случае цепи управления и цепи прохождения сигнала разделены, что в значительной мере снижает их взаимное проникновение. Но это еще далеко не все получаемые преимущества. Современные электронные коммутаторы ( например МАХ361 фирмы MAXIM) имеют сопротивление в открытом состоянии менее 2 Ом и скорость переключения около 100 наносекунд. К тому же, свои параметры каждый из четырех ключей, находящихся в корпусе микросхемы, сохраняет в диапазоне изменения коммутируемого напряжения в пределах +/-20 В. Это значит, что открытый ключ совершенно не вносит нелинейные искажения в проходящий через него сигнал.
Электронные ключи управляются сигналами с цифровыми уровнями, подаваемыми на выводы "Ф1" и "Ф2" в противофазе от микросхемы формирователя сигнала гетеродина. Схема формирователя приведена на рис.3.
Рис 3 Формирователь сигнала управления ключами
Входное сопротивление определяется величиной резисторов R1, R2, а амплитуда подаваемого на вход сигнала гетеродина приблизительно равна 0,5 В. Ослабление сквозного проникновения управляющего сигнала в коммутируемые цепи по техническим условиям на микросхемы серии 1561 превышает величину (-130 дБ), что позволяет в смесителе, собранном на таких ключах, без особого труда добиться подавления несущей практически до 100 дБ!
Мною были испытаны еще несколько схем смесителей, которые использовались в качестве формирователей DSB сигнала и как смесители - переносчики на рабочую частоту при работе на низкочастотных KB диапазонах - от 160 до 40 метров. В самой простой схеме применяется всего один ключ. На рис.4 показана схема этого смесителя. Он используется в качестве DSB-формирователя.
Рис.4 Смеситель на одном ключе
Микрофонным усилителем служит любой операционный усилитель. Исходный сигнал на него подается с злектретного конденсаторного микрофона. Вход ключа соединен непосредственно с выходом "операционника", а цепи R1, R2, С1 автоматически поддерживают балансировку смесителя. Резонансные свойства подключенного электромеханического фильтра восстанавливают горизонтальную симметричность выходного сигнала. Достоинством данной схемы является ее простота, а так же то, что сигналом управления служит однополярный сигнал с частотой гетеродина. При использовании миниатюрного пьезокерамического ЭМФ типа ФЭМ4-031 -500-3,1В-2 конденсатор С2 можно исключить, а резисторы Rl и R2 - подобрать для согласования смесителя с входным сопротивлением фильтра, которое в этом случае будет около 5 кОм.
Следующий балансный модулятор, рис.5 хорошо работает на частотах до 12 МГц, но в отличие от предыдущего смесителя, этот так же требует парафазного управления.
Рис 5 Балансный смеситель на двух ключах
В качестве трансформатора Т1 используется согласующий НЧ трансформатор от приемника, а тем у кого аллергия на трансформаторы, можно порекомендовать схему Рис.6.
Рис 6 Микрофонный усилитель с парафазным выходом
При частоте гетеродина 500 кГц подавление несущей в этой схеме было 94 дБ. Эта же схема с успехом применялась в качестве второго смесителя - переносчика на диапазон, а также в качестве демодулятора или SSB детектора, Рис.7.
Рис 7 Второй смеситель-демодулятор
На основе этих узлов мною был собран и эксплуатируется уже несколько лет малогабаритный НЧ компрессор, позволивший мне забыть что такое перекачка выходных каскадов передатчиков. Его упрощенная схема показана на Рис.8.
Рис.8 ВЧ-компрессор с ключевыми смесителями
Идея .этого устройства известна давно, но, судя по публикациям, до сих пор находит отклики у радиолюбителей в виде той или иной технической реализации. Принцип работы состоит в ограничении сформированного SSB сигнала с последующей фильтрацией его на дополнительном ЭМФ. Предлагаемая схемотехника смесителей позволила получить более линейный сигнал. Так, при степени ограничения около 15 дБ корреспонденты в эфире не замечали появления заметных искажений, обычно сопутствующих компрессии, но отмечали прирост уровня сигнала на 1,5 балла.
Линейность тракта обусловлена отсутствием искажений в смесителях. За счет сравнительно большего уровня сигналов и малых токов в целях схемы, нет необходимости в экранировке отдельных ее частей, и упомянутое подавление несущей достигается при совершенно произвольном монтаже. Компрессор имеет три выхода, что облегчает эксперименты с ним. На первый выход подастся линейный нс компрессированныи сигнал с микрофонного усилителя. На второй - низкочастотный компрессированыи сигнал. А на третий выход - SSB компрессированый сигнал.
Все устройство умещается в корпусе ручного микрофона от портативного трансивера. Ток потребления от источника 12 В составляет около 15 мА. Одно время я использовал этот "микрофон" в качестве формирователя для однодиапазонной передающей приставки к приемнику с одним преобразованием. Добавил только второй смеситель, рис.7, двухтактный драйвер, схема которого приведена в R-D №1-97 на стр.15, и усилитель мощности (R-D №2-97, стр.3). Получилась малогабаритная, но мощная "вещь для дачи". В перспективе предполагается поэкспериментировать с ключами в смесителях трансиверных приставок к более сложным приемникам, а так же к трансиверам прямого преобразования.
На рис.9 приведена схема еще одного смесителя. Он использовался у меня как первый смеситель для передатчика с набором фильтров "Кварц 35" и хорош тем, что не требует вывода средней точки трансформатора.
Рис.9 Смеситель на ключах с простым трансформатором
Хочу еще раз отметить, что приведенные выше схемы испытывались мною только в трактах формирования сигнала передатчиков для низкочастотных любительских диапазонов. Использование ключей на верхних KB диапазонах затруднено отсутствием у меня информации о более быстродействующих микросхемах. Я буду благодарен радиолюбителям, предоставившим такую информацию.
Что касается применения данной схемотехники в приемниках, то это тема для дальнейших экспериментов По моему мнению, вполне возможно применение таких смесителей, например, в качестве SSB детекторов. А скоростные ключи могут быть использованы и в первых смесителях приемников. Представляю какой у них будет динамический диапазон, когда они способны коммутировать без искажений двадцати вольтовый сигнал!
(Радио - Дизайн N 1-98, c.38-42)