Ключевые смесители на микросхемах.

Автор: Сергей Макаркин, RX3AKT
Опубликовано: Радио Дизайн, №1 1998г, стр. 38-42.

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 не все транзисторные смесители являются активными.

В принципе работы смесителя легко разобраться, рассматривая схему классического диодного кольцевого балансного смесителя, рис.1.

Напряжение гетеродина U гет. 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.

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.

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.

Микрофонным усилителем служит любой операционный усилитель. Исходный сигнал на него подается с электретного 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 С 2 можно исключить, а резисторы R1 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.

В качестве трансформатора Т1 используется согласующий НЧ трансформатор от приемника, а тем у кого аллергия на трансформаторы, можно порекомендовать схему рис.6.

При частоте гетеродина 500 кГц подавление несущей в этой схеме было 94 д Б. Эта же схема с успехом применялась в качестве второго смесителя - переносчика на диапазон, а также в качестве демодулятора или SSB детектора, рис.7.

На рис.8 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.

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 двадцативольтовый сигнал?