Ключевой смеситель на микросхеме ADG774

Первый смеситель любого трансивера весьма ответственный узел. От его параметров зависят свойства всего приемопередающего тракта. Но, как же динамический диапазон? На самом деле всем нам знакомый смеситель, в зависимости от его использования, называется разными именами: —фазовый детектор“, —балансный модулятор“ или просто  —пермножитель сигналов“.

При упрощенном подходе хорошо всем знакомый балансный смеситель на диодах, фактически, представляет собой коммутатор симметричных выходов входного трансформатора Тр1 на симметричные входы выходного трансформатора Тр2. Коммутация происходит под воздействием и с частотой сигнала гетеродина, который подается на средние точки трансформаторов Тр1 и Тр2 через трансформатор Тр3. В зависимости от полярности сигнала гетеродина попеременно открываются то горизонтальные диоды D1, D2, передавая сигнал со входа на выход смесителя без изменения фазы, то диагональные - D3, D4, которые переключают фазу сигнала на противоположную. Управляющие токи гетеродина протекают по полуобмоткам входного и выходного трансформаторов в противофазе и магнитные поля в сердечниках этих трансформаторов, вызванные данными токами, взаимоуничтожаются. Однако, из за неидеальной симметричности схемы и разброса параметров элементов, взаимокомпенсация происходит не полностью. В результате на входе и выходе такого смесителя мы всегда имеем неподавленный сигнал с частотой гетеродина. Такой смеситель имеет еще один недостаток. При уменьшении амплитуды входного сигнала из за разницы сопротивлений плечей коммутации, наступает момент когда работает только одно из них, с меньшим сопротивлением. Причем подбор диодов тут уже малоэффективен. Можно подобрать диоды с идентичными характеристиками для определенного уровня сигнала, но при минимальном сигнале от этого подбора толку не будет характеристики диодов все равно будут разными. Возникает эффект прямого детектирования. Смеситель при таком уровне сигнала на входе перестает выполнять свои функции. Этот эффект в основном ограничивает динамический диапазон смесителя —с низу“, для малых сигналов. Максимальная же амплитуда сигнала, которую допустимо подавать на вход смесителя, зависит от амплитуды напряжения гетеродина и свойств применяемых диодов. Когда токи через диоды, вызванные проходящим сигналом, приближаются и, тем более, превосходят и компенсируют токи сигнала гетеродина, смеситель так же перестает выполнять свои функции. Наступает его блокировка. Это верхний предел динамического диапазона смесителя. Надо сказать, что амплитуда напряжения на любом открытом диоде не может быть более 1,5 Вольт. Поэтому в смесителях используется только начальный, нелинейный участок АЧХ диодов. Для увеличения допустимой максимальной амплитуды на входе смесителя применяется последовательное включение нескольких диодов в каждом плече высокоуровневые смесители. Однако это ограничивает динамический диапазон —снизу“ по уже упомянутым причинам. Получается своеобразный —Тришкин кафтан“, казалось бы безвыходная ситуация. Но, для инженерной мысли нет неразрешимых задач! Представим себе, что в качестве переключателей вместо диодов мы поставили обыкновенное электромагнитное реле с соответствующим числом групп контактов и их соединением. Такой смеситель схемно очень похож на традиционный, но принципиально отличается от него тем, что сигнал управления не проходит по коммутируемым цепям. Смеситель на реле всем хорош, -почти отсутствует проникновение управляющего сигнала от обмотки в коммутируемые цепи, мизерное сопротивление замкнутых контактов по сравнению с открытыми диодами. Но, скорость переключения никуда не годится. Вот если бы нашелся такой радиоэлемент, который соединял бы в себе все достоинства реле с быстродействием, предположим, в сотню мегагерц, да еще и без —дребезга“ контактов! Это позволило бы создать —идеальный“ смеситель. Такой элемент ЕСТЬ! Это микросхема ADG774 фирмы ANALOG DEVICES.

В схеме смесителя используется только два из четырех переключателей. Остальные не задействованы и их выводы никуда не подсоединяются. Параметры микросхемы повергают в изумление отечественных специалистов ранее занимавшихся разработкой подобных микросхем. Им, к сожалению, так и не удалось, и никогда теперь уже не удастся, получить такие результаты. Вот они…

Данная микросхема не предназначена для применения специально в смесителях. Однако, смеситель собранный с ее использованием показал просто удивительные результаты. Судите сами. Какой смеситель, имея —внизу“ потери меньше на 4  6 дБ, чем двойной кольцевой смеситель на диодах Шотки, способен —вверху“, при больших уровнях входного сигнала, давать на своем выходе мощность 90 мВт без искажений!

 

На схеме  смеситель двух высокочастотных сигналов. Сигнала гетеродина и входного сигнала. Смеситель реверсивный. Сигнал свободно может поступать на выход, а сниматься со входа. На вход F гет. подается прямоугольный сигнал от синтезатора. Так как амплитуда этого сигнала равна всего 1,8 Вольта, что не гарантирует надежной работы микросхемы, применяется —подставка“ по постоянному току -с резисторного делителя 4,7К и 1,8К на вывод 1 микросхемы подается постоянное смещение. Резистор 300 Ом определяет входное сопротивление схемы по входу гетеродина. Величина этого резистора может быть изменена в широких пределах. Если смеситель конструктивно расположен на некотором расстоянии от синтезатора, то сигнал гетеродина лучьше подавать по коаксиальному кабелю. При этом номинал нагрузочного резистора должен совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля. Если вход смесителя непосредственно соединен с антенным разъемом или с антенным фильтром, расчитанным на определенное сопротивление нагрузки, то для обеспечения хорошего КСВ по входу смесителя, желательно поставить нагрузочный резистор (на схеме обозначен пунктиром) величина которого равна выходному сопротивлению подключенных цепей. Этот резистор можно не ставить, если сигнал на вход смесителя подается через LC резонансный контур, который трансформирует сопротивление источника сигнала во входное сопротивление смесителя, которое в свою очередь, в данном случае будет определяться сопротивлением схемы, подключеной к выходу смесителя. LC контур на входе позволяет уменьшить потери входного сигнала, но делает схему узкополосной. Трансформаноры Тр1 и Тр2 широкополосные, с коэффициентом трансформации 1:1. Выпоненны по классической схеме, известной под названием ШПТЛ с коменсирующей обмоткой. Тр1 симметрирующий, а Тр2 десимметрирующий. Трансформаторы идентичны по конструкции. В качестве сердечника используется ферритовое кольцо с внешним диаметром 8 15 мм и магнитной проницаемостью 400 2000. Обмотка состоит из 4 8 витков в три скрученных провода. Шаг скрутки - 2 3 мм. Провод диаметром 0,1 0,3 мм. Острые грани колец стачиваются наждачным камнем. Перед намоткой кольца обматываются изоляционной лентой в один слой. Резисторный делитель 2,7К и 1,0К задает напряжение смещения на ключи. Напряжение выбрано из расчета получения максимальной линейности характеристик каждой группы контактов.

На схеме показан смеситель, выполняющий функции балансного модулятора. Вместо входного трансформатора здесь используется счетверенный операционный усилитель AD8534.

Размер корпуса микросхемы 9х4 мм Однополярное напряжение питания от +2 до +7 Вольт.

Эти свойства называются —Rail-to-Rail“ по входу и выходу, что буквально означает —От рельсы до рельсы“. Кто занимался операционными усилителями, тот знает, что такие свойства могут присниться только во сне!

В схеме балансного модулятора отсутствует регулировка подавления несущей. Это объясняется тем, что сигнала гетеродина проникает в управляемые цепи с ослаблением более 120 дБ. Этот параметр даже не нормируется производителем микросхемы ADG774. Он получен в результате собственных измерений. Уровень несущей в смесителе зависит только от разбаланса постоянных составляющих на его противофазных входах. В схеме смесителя высокочастотных сигналов, с трансформатором на входе, этот разбаланс отсутствует. Так, как обмотки трансформатора для постоянной составляющей являются коротким замыканием. Реальное подавление несущей в этой схеме составляет более 100 дБ. То есть несущая фактически отсутствует.

Смеситель является ключевым. Многие думают, что ключевой смеситель отличается от —гладкого“ только тем, что на ключевой подается прямоугольный сигнал гетеродина, а на —гладкий“ синусоидальный. Еще существует мнение, что ключевые смесители дают больше —грязи“ на своем выходе. Причем, имеется ввиду область частот вблизи спектра полезного сигнала. Это мнение неверно! Вблизи полезного спектра оба смесителя совершенно идентичны, конечно при условии, что они —правильно“ сконструированы и на них подается —чистый“ сигнал гетеродина. Разницу в форме и в спектре сигналов на выходах обычного и ключевого балансных смесителей можно понять из рисунка.

Разница, конечно, есть! В —гладком“ смесителе, как и положено  все гладко. Существуют только продукты с суммарной и разностной частотой сигнала гетеродина и входного сигнала. В ключевом смесителе вблизи полезного спектра  первых гармоник преобразования, все так же, как и в —гладком“. Четные гармоники подавлены, а нечетные  идут с уменьшением амплитуды. Гармоническими продуктами преобразования в ключевом смесителе можно пренебречь. Они, как правило, далеко отстоят от полезных сигналов и легко фильтруются даже несложными фильтрами.

Сергей Макаркин RX3AKT