Исследование характеристик смесителей на полевых    транзисторах в режиме управляемого сопротивления       методом математического моделирования для получения оптимального приема при слабом входном сигнале

Куликов А.А. , Косолапова Т.Н.

Алматинский институт энергетики и связи

Исследование характеристик смесителей на полевых транзисторах в режиме управляемого сопротивления методом математического моделирования для получения оптимального приема при слабом входном сигнале

В статье [1] рассматривались различные смесители, работающие в режиме управляемого сопротивления (без источника питания). Подобные смесители обладают рядом достоинств, позволяющих значительно расширить динамический диапазон приемников, особенно гетеродинных.

При современной тяжелой помеховой обстановке в эфире важен большой динамический диапазон смесителя, позволяющий в значительной мере избавиться от перекрестных, интермодуляционных и тому подобных помех от мощных внеполосных сигналов, которые практически не ослабляются каскадами, установленными перед фильтром основной селекции.

Если в усилителях радиочастоты еще можно принять ряд мер, увеличивающих его линейность, то смесители выполняются на нелинейных элементах (диодах, транзисторах) и по самому принципу работы должны быть нелинейными. По этой причине динамический диапазон смесителя обычно хуже, чем усилителей радиочастоты.

Разработанные в последнее время полевые транзисторы, имеющие очень малое сопротивлением в открытом состоянии сток-исток, позволяют иметь малые собственные шумы. В режиме управляемого сопротивления, когда не требуется подача напряжения питания на полевые транзисторы, исключается возможность проникновения паразитных сигналов через цепи источника питания на смеситель, и как следствие такие смесители имеют меньший уровень помех. Это делает применение полевых транзисторов в смесителях радиоприемных устройств перспективным, особенно при слабом входном сигнале.

Целью исследования было определение наиболее эффективной схемы смесителя на полевых транзисторах при приеме слабого сигнала. Исследование проводилось на имитационной модели с помощью программы автоматизированного проектирования радиоэлектронных схем OrCAD [2]. Данная программа имеет математические модели компонентов схемы, которые максимально приближенно к реальным условиям описывают происходящие физические процессы в разрабатываемых устройствах.

Для моделирования были выбраны следующие схемы: схема смесителя на четырех транзисторах (рис.1); схема простого балансного смесителя (рис.2); схема смесителя с отсутствием НЧ трансформатора (рис.3); схема с уменьшенным проникновением сигнала гетеродина во входную цепь (рис.4); схема смесителя с использованием транзисторного фазоинвертора (рис.5).

При моделировании были заданы следующие исходные параметры: частота входного сигнала ; промежуточная частота ; входное сопротивление ; сопротивление нагрузки .


Рис. 1 – Схема смесителя на четырех транзисторах	Рис. 2 – Схемы простого балансного смесителя


Рис. 3 – Схема смесителя с отсутствием НЧ трансформатора	Рис. 4 – Схема с уменьшением проникновения сигнала гетеродина во входную цепь

Рис. 5 – Схема смесителя с использованием транзисторного фазоинвертора

Для моделирования были выбраны маломощные высокочастотные полевые транзисторы BSS138 и BSS170, которые имеются в библиотеке OrCAD. Выходная мощность BSS138 – 0,36 Вт, BSS170 – 0,3 Вт. При небольших напряжениях промежуток исток-сток (канал) полевого транзистора ведет себя как линейный резистор, независимо от полярности приложенного напряжения. В то же время сопротивление канала может изменяться в зависимости от напряжения затвор-исток, от десятков ом до многих мегом. Это и позволяет использовать полевой транзистор в смесителях как управляемый линейный элемент (реализовать режим управляемого сопротивления).

По методике изложенной в [3] был выполнен предварительный расчет всех приведенных схем смесителей. Полученные при расчете данные были введены в программу OrCAD для моделирования работы схем. Выходная согласующая цепь в виде П-контура для схем рис.3, рис.4, рис.5 имеет следующие параметры (обозначения даны согласно рис.4): добротность Q=25; входная емкость С₁=15 нФ; выходная емкость С₂=34,5 нФ; индуктивности катушки L=11 мкГн. Во всех схемах в трансформаторах применялся сердечник марки М2000. Нейтрализующие емкости С₁=С₂=25 пФ для схемы рис.3. Сопротивления R₁=R₂=100 Ом для схемы рис.5, входной колебательный контур настроен на частоту 30 МГц.

Используя имитацию работы схем в программе OrCAD, были получены динамические характеристики представленные на рис.6.

Рис. 6 – Динамические характеристики смесителей при U_вх=0…1 В:

1 – Схема смесителя на четырех транзисторах; 2 – Схемы простого балансного смесителя; 3 – Схема смесителя с отсутствием НЧ трансформатора; 4 – Схема с уменьшением проникновения сигнала гетеродина во входную цепь; 5 – Схема смесителя с использованием транзисторного фазоинвертора.

Также были получены спектры сигналов на выходе смесителей. Все спектры сигналов были рассчитаны в диапазоне частот от 0 до 200 МГц при различных значениях входного сигнала от 0 до 10 В, а также отдельно были получены спектры главного лепестка со средней частотой 465 кГц, для возможности анализа изменения ширины спектра от значения входного сигнала. В статье приводятся только спектры, полученные при значении входного сигнала 0,1 В в диапазоне частот от 0 до 200 МГц.

Рис. 7 – Спектр сигнала на выходе смесителя на четырех транзисторах

Рис. 8 – Спектр сигнала на выходе простого смесителя

Рис. 9 – Спектр сигнала на выходе смесителя с уменьшением проникновения сигнала гетеродина во входящую цепь

Рис. 10 – Спектр сигнала на выходе балансного смесителя с использованием транзисторного фазоинвертора

Рис. 11 – Спектр сигнала на выходе балансного смесителя с отсутствием НЧ-трансформатора

Анализ спектральных характеристик показывает, что для схемы смесителя на четырех транзисторах идет подавление сигнала гетеродина на выходе смесителя, его четные гармоники проникают на выход, а нечетные подавляются. Уровень сигнала второй гармоники гетеродина составляет половину мощности сигнала на выходе смесителя.

В схеме простого смесителя сигнал с гетеродина попадает на выход смесителя, причем уровень почти в 3 раза превосходит уровень информационного сигнала на выходе смесителя. Гармоники гетеродина также присутствуют на выходе, как четные, так и не четные. Уровень второй гармоники гетеродина составляет почти 1/3 часть от информационного сигнала.

В схеме балансного смесителя с уменьшением проникновения сигнала гетеродина во входную цепь сигнал гетеродина на выходе и его гармоники подавлены, но уровень основного сигнала очень маленький.

В схеме смесителя с использованием транзисторного фазоинвертора сигнал гетеродина и его гармоники на выходе также подавлены, но уровень выходного сигнала примерно в 5 раз меньше, чем в схеме простого смесителя и почти в 9 раз меньше, чем в схеме смесителя на четырех транзисторах.

В смесителе с отсутствием НЧ-трансформатора сигнал гетеродина и его гармоники на выходе подавлены, при этом уровень сигнала примерно равен уровню сигнала смесителя на четырех транзисторах.

Рис. 12 – Спектр сигнала на промежуточной частоте при U_вх=0,5 В:

Анализируя ширину спектра на промежуточной частоте (рис. 12), получаем, что схема смесителя на четырех транзисторах имеет широкую полосу пропускания для информационного сигнала и хороший коэффициент усиления, но это может быть недостатком, если требуется высокая избирательность радиоприемного устройства. Ширина спектра на промежуточной частоте в схемах рис. 3, рис. 4, рис. 5 примерно одинакова. Но в схемах рис. 4 и рис. 5 слабое усиление. Схема рис.3 (смеситель с отсутствием НЧ-трансформатора) имеет очень высокий уровень постоянной составляющей на выходе и очень высокий уровень шумов в диапазоне частот до 1 МГц. Схема простого смесителя (рис. 2) занимает промежуточное положение между схемой смесителя на четырех транзисторах (рис.1) и схемой смесителя с отсутствием НЧ-трансформатора (рис. 3).

Изменения уровня входного сигнала изменяет параметры некоторых схем. Например, для схемы с отсутствием НЧ-трансформатора избирательность уменьшается с увеличением напряжения входного сигнала, при этом коэффициент усиления становится немного меньше, чем для схемы простого смесителя. Для схемы с использованием транзисторного фазоинвертора коэффициент усиления становится больше чем у всех остальные схемы, при этом она обладает хорошей избирательностью по соседнему каналу.

Если сравнить схемы по избирательности по соседнему каналу, то лучшей избирательностью обладают смесители с использованием транзисторного фазоинвертора (рис. 5) и с отсутствием НЧ-трансформатора (рис. 3).

Поскольку в статье приводится только спектр сигнала на промежуточной частоте только для входного сигнала уровнем 0,5 В (рис. 12), необходимо упомянуть, что для смесителя на четырех транзисторах и простого смесителя наблюдалось изменение избирательности в случае изменения напряжения входного сигнала. Это наблюдалось и для схемы балансного смесителя с отсутствием НЧ-трансформатора, но при большом уровне сигнала на входе смесителя более 5В.

Вывод по результатам моделирования: при слабом входном сигнале лучшие результаты показала схема балансного смесителя с отсутствием НЧ-трансформатора. Данная схема обладает неплохой избирательностью и хорошим коэффициентом усиления при слабом входном сигнале, но у нее есть и недостаток высокий уровень собственных шумов и ряд других недостатков приведенных [1]. Также неплохие результаты по избирательности и усилению слабого сигнала показала схема простого смесителя, но для нее необходимо применять выходной фильтр для подавления гармоник гетеродина.

Следует отметить, что моделирование не было проведено для схем с учетом оптимальных параметров, и при лучшем согласовании всех входных и выходных сопротивлений коэффициенты усиления в смесителях будут другими. однако полученные результаты близки к реальному поведению смесителей в работе и могут быть использованы для подбора схемы смесителя при проектировании и для поиска возможностей модернизации их схем.

Список литературы:

1. Сыркин Н. Смесители на полевых транзисторах. Журнал Радио. – 2002. – № 6. – С. 66-67.

2. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2. – М.: Солон-Р, 2001, – 518 с.

3. Проектирование радиопередающих устройств: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин. – 2-е изд., перераб, и доп. – М.: Радио и связь, 1984, – 464 с.