Микроэлектронные устройства СВЧ

Микроэлектронные устройства СВЧ

Схема смесителя на диодах. Балансные смесители » Паятель.Ру

Категория: Радиоприемники

При конструировании приемников со смесителями на диодах следует принимать во внимание, что сигнал ПЧ получается по уровню меньше входного сигнала на величину потерь в смесителе (на 6-10 дБ). Однако смесители на диодах зачастую смогут обеспечить наименьший уровень шумов. Поэтому к выбору схемы смесителя следует походить с большой осторожностью.

Известно, что параметры радиоприемника во многом зависят от смесителя. Смеситель должен обладать высоким коэффициент передачи, малым уровнем шума (для повышения реальной чувствительности) и хорошо подавлять мешающие AM сигналы, т.е. не детектировать их (для повышения помехоустойчивости).

Этим критериям соответствуют широко известные смесители, сделанные по балансным и кольцевым схемам, которые не детектируют ни напряжение сигнала, ни напряжение гетеродина.

Рис.3
На рис. 1 показана схема простого балансного смесителя, а на рис. 2 показана схема кольцевого смесителя. Обе схемы выполнены на диодах 8 обоих смесителях (рис. 1 и рис. 2) использованы симметрирующие трансформаторы Тр1 и Тр2. намотанные на кольцевых ферритовых сердечниках жгутом, сложенным из трех проводов, скрученных вместе. На рис. 3 показана конструкция такого трансформатора.

Концы проводов в начале жгута помечены как к1 , к2 и к3. Обмотка, состоящая из провода 1, служит для входа сигнала, конец провода 2 соединяется с началом провода 3 — это соединение является средней точкой вторичной обмотки трансформатора и либо соединяется с землей, либо от этой точки берется сигнал для подачи его на УПЧ.

Трансформатор наматывается на кольце из высокочастотного феррита. Диаметр кольца может быть 4. .. 10 мм, магнитная проницаемость 20…1000. При этом, чем выше частота используемого сигнала, тем меньшей должна быть магнитная проницаемость феррита. Кольца с большой магнитной проницаемости применяются для НЧ диапазонов.

Рис.2
На ВЧ диапазонах достаточно 5… 15 витков. В большинстве случаев первичную обмотку можно настроить в резонанс, подключив параллельно ей конденсатор емкостью 40…500 пФ (подбирается при настройке). Число витков первичной обмотки зависит от сопротивления цепей, подключенных к смесителю.

Зачастую вместо первичной обмотки трансформатора используется контурная катушка последнего каскада УВЧ или гетеродина, на которую, поверх существующей обмотки, наматывается жгутик из двух скрученных вместе проводов, которые соединяются между собой также, как и вторичная обмотка трансформатора Тр1 или Тр2. Витки, намотанные жгутиком, должны располагаться возле заземленного конца контурной катушки.

Для достижения максимальной чувствительности. при настройке смесителя нужно подобрать напряжение гетеродина. Недостаточное напряжение уменьшает коэффициент передачи, а излишнее — увеличивает шум самого смесителя.

В обоих случаях чувствительность падает. Оптимальное напряжение лежит в пределах от долей вольта до 1…1,5 В (амплитудное значение).

Общие сведения о смесителях ВЧ и частотных смесителях » Electronics Notes

РЧ-смесители или смесители частот, а также процесс РЧ-микширования или умножения являются ключевыми для многих РЧ-схем, позволяющих преобразовывать сигнал с одной частоты на другую, а также обеспечивать сравнение фаз.

Радиочастотные микшеры и руководство по микшированию Включает:
Основы микширования радиочастот
Теория и математика
Спецификации и данные
Как купить смеситель Select
Транзисторный смеситель
Смеситель на полевом транзисторе
Двойной сбалансированный смеситель
Смеситель клеток Гилберта
Смеситель отклонения изображения

Одним из наиболее полезных ВЧ или радиочастотных процессов является микширование. В отличие от аудиомикшера, где сигналы просто складываются, когда радио- или радиоинженер говорит о микшировании, он имеет в виду совершенно другой процесс. Здесь сигналы перемножаются и генерируются сигналы новых частот.

Процесс радиочастотного или нелинейного микширования или умножения используется практически в каждом радиоприемнике в наши дни, а также во многих других схемах. Он позволяет изменять сигналы с одной частоты на другую, так что обработка сигнала, например, может выполняться на низкой частоте, где ее легче выполнять, но сигнал может быть изменен на более высокую частоту, где сигнал должен быть передан. или получил.

На самом деле микширование радиочастот является одним из ключевых процессов, используемых при проектировании радиочастотных цепей, и смесители используются во многих схемах и элементах оборудования, связанных с радиочастотными технологиями.

Что происходит, когда сигналы смешиваются

Установлено, что если по нелинейной цепи пропустить два сигнала, то образуются дополнительные сигналы на новых частотах. Они появляются на частотах, равных сумме и разности частот исходных сигналов.

Другими словами, если в микшер поступают сигналы с частотами f1 и f2, то на выходе также будут видны дополнительные сигналы с частотами (f1+f2) и (f1-f2).

Например, если два исходных сигнала имеют частоты 1 МГц и 0,75 МГц, то два результирующих сигнала появятся на частотах 1,75 МГц и 0,25 МГц.

Смешивание двух РЧ сигналов

Почему работает РЧ микширование или умножение

Чтобы понять немного больше о процессе микширования или умножения RF, необходимо посмотреть, как именно происходит процесс микширования. Как упоминалось ранее, два сигнала на самом деле перемножаются, и это происходит в результате нелинейного элемента в цепи. Это может быть диод или активные устройства, такие как транзисторы или полевые транзисторы с соответствующим смещением.

Два сигнала можно рассматривать как синусоидальные волны. Мгновенный выходной уровень зависит от мгновенного уровня сигнала A, умноженного на мгновенный уровень сигнала B. Если точки вдоль кривой умножаются, то форма выходного сигнала становится более сложной, как показано ниже.

Смешивание или умножение двух сигналов вместе

Частоты, используемые для создания приведенного ниже примера для частот, упомянутых выше, т. е. 0,75 МГц и 1,0 МГц. Видно, что на выходе присутствует низкочастотная составляющая (разностная частота на 0,25 МГц) и высокочастотная составляющая (суммарная частота на 1,75 МГц).

В работе радиочастотные микшеры используют один из двух механизмов для своей работы:

• Нелинейная передаточная функция:   В этом подходе творчески используются нелинейности устройства таким образом, что интермодуляция создает желаемую частоту и нежелательные частоты.
• Переключение или выборка   Это изменяющийся во времени процесс, в котором элементы микшера включаются и выключаются гетеродином. Этот метод предпочтительнее, поскольку создает меньше паразитных сигналов и, следовательно, обеспечивает более высокую линейность требуемых выходных сигналов.

Порты ВЧ/частотного смесителя

Частотные смесители ВЧ-микшеров бывают разных форматов, но все они имеют одинаковые основные соединения. Их три, и на многих модулях микшера частоты они обозначены так:

• RF:  Это вход, используемый для сигнала, частота которого должна быть изменена. Обычно это входящий сигнал или его эквивалент, и обычно он находится на относительно низком уровне по сравнению с другим входом.
• LO:  Это для сигнала гетеродина. Уровень входного сигнала для этого порта обычно намного выше, чем для ВЧ-входа.
• IF:   Это выходной порт для микшера. Это порт, где появляется «смешанный» сигнал.

В конструкции или системе РЧ, где сигнал преобразуется в полосу частот, где сигналы имеют более низкую частоту, чем входящий сигнал, схемный блок можно назвать преобразователем с понижением частоты или процессом преобразования с понижением частоты. Обычно это происходит в приемнике (хотя в некоторых радиостанциях сигналы могут быть преобразованы вверх по частоте, прежде чем они снова будут преобразованы вниз).

Аналогичным образом, когда сигналы преобразуются по частоте, этот процесс можно назвать преобразованием с повышением частоты. Обычно это происходит в передатчике и некоторых других радиочастотных системах.

В зависимости от фактического ВЧ-микшера и приложения сигнал гетеродина обычно достаточно велик и может представлять собой непрерывную синусоидальную или прямоугольную волну. Этот сигнал гетеродина часто действует как ворота смесителя, переключая смеситель в соответствии с этим сигналом.

Смеситель ВЧ может считаться ВКЛЮЧЕННЫМ, когда он включается напряжением гетеродина, и ВЫКЛЮЧЕННЫМ, когда сигнал гетеродина выключает его. Затем это воздействует на входящий сигнал на порт RF, позволяя двум сигналам смешиваться и обеспечивать два требуемых выходных сигнала.

Типы ВЧ смесителей

ВЧ-смесители

или частотные смесители доступны во многих формах, и для их классификации используется несколько типов терминологии. Очевидно, что существуют смесители, основанные на различных формах полупроводников или других технологиях, но они также подразделяются на другие категории.

Один из способов описания радиочастотных микшеров — тип используемого в них устройства:

• Пассивные смесители: Пассивные смесители обычно используют пассивные компоненты в виде диодов в качестве переключающего элемента в ВЧ цепи. В результате они не могут демонстрировать какой-либо выигрыш, но многие формы могут обеспечить превосходный уровень производительности.

  В пассивных смесителях в основном используются диоды Шоттки из-за их низкого напряжения включения, но они требуют использования симметрирующего / ВЧ-трансформатора, если они должны использоваться в симметричном или двойном симметричном смесителе. Это может ограничить частотную характеристику.

• Активные микшеры:   Поскольку название активного радиочастотного микшера содержит активные электронные компоненты, такие как биполярный транзистор, полевой транзистор или даже вакуумная трубка/термоэмиссионный клапан. Эти типы ВЧ-микшеров могут обеспечить усиление, а также доказать способность умножения или ВЧ-микшера.

Смесители также оцениваются по тому, сбалансированы они или нет. Для их балансировки требуются балуны — балансные трансформаторы для несбалансированных — но это обеспечивает улучшение производительности.

• Несимметричный микшер: Несимметричный ВЧ-микшер — это смеситель, в котором микшер просто смешивает два сигнала вместе, а выходной сигнал состоит из суммы и разностных сигналов, а также значительных уровней исходного ВЧ-сигнала и уровня исходного ВЧ-сигнала. местный осциллятор. В некоторых случаях это может не быть проблемой, но в других действительно может помочь их удаление в процессе микширования частот.

• Одиночный балансный микшер:   Одиночный балансный микшер имеет один балун или схему балансировки. Обычно однобалансные смесители состоят из двух диодов и гибридного, который действует как балун. Хотя гибриды 90 ° и 180 ° могут использоваться для разработки однобалансных смесителей, большинство однобалансных смесителей включают гибрид 180 °.

  Входные порты 180° гибрида взаимно изолированы, что позволяет изолировать порт гетеродина от ВЧ-порта, что предотвращает воздействие сигнала гетеродина на входные ВЧ-цепи, снижая уровень продуктов интермодуляции.

  Сбалансированная работа также может быть достигнута с помощью сбалансированных конфигураций транзисторов или полевых транзисторов.

  Они обычно содержатся в интегральных схемах, где могут быть достигнуты высокие уровни производительности.

• Смеситель с двойной балансировкой: В основных традиционных смесителях с двойной балансировкой обычно используются четыре диода Шоттки в конфигурации с четырьмя кольцами. Балуны или гибриды размещаются как в ВЧ, так и в гетеродинных портах, а сигнал ПЧ снимается с ВЧ балуна.

  В рабочем режиме двойной балансный смеситель имеет высокий уровень изоляции ГН-ВЧ и ГН-ПЧ и обеспечивает приемлемый уровень изоляции ВЧ-ПЧ. Использование двойных балансных смесителей может снизить уровень продуктов интермодуляции до 75 % по сравнению с небалансным ВЧ смесителем с одним диодом.

  Как и одинарный балансный смеситель, двойной балансный смеситель можно воспроизвести, используя балансные режимы работы в схемах на транзисторах или полевых транзисторах. Когда они содержатся в интегральных схемах, в этих схемах часто используется конфигурация с двойным сбалансированным смесителем, поскольку требуемые дополнительные схемы могут быть включены в OC с незначительным увеличением стоимости.

• Тройной сбалансированный смеситель:   Для дальнейшего улучшения характеристик смесителя можно использовать тройной сбалансированный смеситель.

  Смеситель с тройной балансировкой эффективно состоит из двух смесителей с двойной балансировкой, поэтому его иногда называют смесителем с двойной балансировкой. В нем используется намного больше электронных компонентов, имеющих два диодных моста или четверки, всего восемь переходов. Разделитель мощности на ВЧ- и гетеродинных микроволновых балунах питает структуру смесителя, что позволяет соединить оба диодных четверки. Это позволяет сигналу ПЧ быть доступным на двух отдельных изолированных терминалах, которые обычно имеют очень большую полосу пропускания по сравнению с другими архитектурами микшеров.

  Улучшенная изоляция, обеспечиваемая тройным балансным микшером, обеспечивает гораздо более высокий уровень паразитного сигнала, подавление интермодуляционных искажений.

  Повышение производительности должно быть компенсировано тем фактом, что им требуются более высокие уровни привода гетеродина, и, конечно же, повышенная сложность и количество электронных компонентов приводят к увеличению стоимости.

Символ цепи ВЧ смесителя

Ключевой символ цепи ВЧ-микшера показывает два сигнала, поступающих на блок схемы, состоящий из круга с крестом или «X» внутри него. Это широко используется в принципиальных схемах для многих конструкций радиочастотных цепей. Обычно он используется, когда используется модуль радиочастотного микшера.

Этот символ схемы указывает на функцию умножения микшера.

Символ схемы ВЧ микшера, показывающий схему преобразования частоты, которая является целью хороших микшеров

В некоторых случаях различные порты микшера будут соответствующим образом помечены: RF, LO, IF.

Схемы радиочастотного смесителя

ВЧ-смесители

или частотные смесители могут быть реализованы с использованием различных конструкций ВЧ-схем. Также разные схемы имеют разный уровень сложности и используют разное количество и типы электронных компонентов. Соответственно, стоимость, технические характеристики, эксплуатация и другие аспекты означают, что при разработке любой ВЧ-схемы различные типы смесителей частоты могут быть более применимы к одной ситуации, чем к другой.

Существует огромное количество различных типов цепей, включая:

• Смеситель с одним диодом:   Эта форма ВЧ смесителя или смесителя частоты является самой простой доступной формой, в которой используется очень мало электронных компонентов. Соответственно уровень его производительности намного меньше, чем у некоторых более сложных конструкций с использованием дополнительных и зачастую более дорогих электронных компонентов.

• Базовый транзисторный ВЧ смеситель:  

  Подробнее о . . . . Биполярный транзисторный ВЧ смеситель.

• Базовый смеситель на полевых транзисторах:  

  Полевые транзисторы идеально подходят для микширования. Имея хорошую коммутационную способность и возможность использовать два затвора, если используется полевой МОП-транзистор с двумя затворами, эти устройства обеспечивают превосходную производительность.

  Существует множество различных схем смесителей на полевых транзисторах, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

  Подробнее о . . . . ВЧ смеситель на полевых транзисторах.

• Смеситель с одним балансным диодом: Смеситель с одним балансным диодом обеспечивает изоляцию гетеродина от одного из других портов. Это просто и хорошо работает, хотя из-за ограниченной изоляции между портами это приведет к более высоким уровням интермодуляционных искажений.

• Смеситель с двойным балансным диодом: Смеситель с двойным балансным диодом обеспечивает повышенную изоляцию, изолируя порты LO-RF и LO-IF. Требуются два балуна и четыре диода. Используемые диоды обычно представляют собой диоды Шоттки из-за их низкого напряжения включения. Ввиду повышенных возможностей изоляции уровни интермодуляционных искажений ниже, чем у одиночного балансного смесителя.

  Подробнее о . . . . Смеситель RF с двойным балансным диодом.

• Смеситель ячеек Гилберта:  Смеситель ячеек Гилберта часто используется в интегральных схемах, которые используются для радиоприемников и других радиочастотных приложений. Учитывая количество необходимых электронных компонентов, они не так часто строятся из дискретных электронных компонентов. Смеситель Gilbert cel работает особенно хорошо, предлагая двойную балансную работу с использованием дифференциальных входов и т. д. транзисторов с длинной хвостовой парой или схем на полевых транзисторах.

  Подробнее о . . . . Смеситель клеток Гилберта.

ВЧ смесители

ВЧ смесители или частотные смесители

используются во всех областях проектирования и разработки ВЧ. Они используются в цепях от радиоприемников и передатчиков до радиолокационных систем и фактически везде, где используются радиочастотные сигналы.

Эти смесители можно использовать по-разному:

• Преобразование частоты:   Наиболее очевидным применением ВЧ смесителей является преобразование частоты. Этот метод используется во многих областях и, в частности, в приемниках и передатчиках для перемещения частоты сигнала из одного диапазона в другой. Используя тот факт, что две входные частоты генерируют суммарную и разностную частоты, можно изменить входной сигнал на другую частоту, взяв либо суммарный, либо разностный сигнал. Одно из первых крупных применений этого было в супергетеродинном радиоприемнике.
• Сравнение фаз:   С помощью микшера можно определить разность фаз между двумя сигналами. Это приложение ВЧ-микшера можно использовать во многих областях, одна из которых связана с контурами фазовой автоподстройки частоты.

ВЧ-смесители или смесители частоты, как их часто называют, являются одним из основных строительных блоков для разработки ВЧ-схем. Преобразование частоты является важной возможностью, используемой во множестве различных приложений, и является ключевым элементом технологии оборудования радиосвязи: как для передатчиков, так и для приемников. В дополнение к этому, смесители могут использоваться в качестве фазовых детекторов для многих приложений, включая многие конструкции с синхронизацией по фазе и ВЧ-синтезаторы.

Соответственно, понимание работы радиочастотного микшера, различных типов и их использования необходимо для всех, кто занимается проектированием радиочастот, разработкой систем или эксплуатацией любого радиочастотного или радиокоммуникационного оборудования.

Другие основные темы радио:
Радиосигналы
Типы и методы модуляции
Амплитудная модуляция
Модуляция частоты
OFDM
ВЧ микширование
Петли фазовой автоподстройки частоты
Синтезаторы частоты
Пассивная интермодуляция
ВЧ аттенюаторы
ВЧ-фильтры
РЧ циркулятор
Типы радиоприемников
Суперхет радио
Избирательность приемника
Чувствительность приемника
Приемник с сильным сигналом
Динамический диапазон приемника

    Вернуться в меню тем радио. . .

Как собрать аудиомикшер

Аудиомикшер представляет собой схему для объединения двух или более аналоговых сигналов, чтобы они не мешали друг другу и не вызывали нагрузки на исходные сигналы. В основном они используются для микширования звуковых дорожек отдельных инструментов, таких как микрофон, гитара и барабаны, для создания основной дорожки песни.

Микшер профессионального уровня может иметь десятки каналов и настроек для каждого канала, включая пресеты, встроенные эффекты, графические эквалайзеры, элементы управления монитором и выходные усилители, и это лишь некоторые из них.

В этой статье мы собираемся создать более простой, но не менее эффективный трехканальный стереофонический аудиомикшер.

Конструкции микшеров

Основная идея микшера заключается в следующем: различные входы подаются в общую точку суммирования, они складываются и затем умножаются на коэффициент усиления суммирующего усилителя. Ниже показаны некоторые сценарии ввода, которые вы можете увидеть в Интернете. Но я избегал их по нескольким причинам.

Цепь слева будет иметь различное входное сопротивление в зависимости от положения ползунка, а цепь справа вызовет изменение уровня на соседних каналах, когда ползунок находится в крайнем нижнем положении. Преимущество схемы справа состоит в том, что она работает с экстремальными входными уровнями.

Наш дизайн

В этом уроке мы создадим микшер собственной разработки. Наш микшер будет иметь два каскада: один входной предварительный усилитель на канал и выходной суммирующий усилитель. Схема ниже предназначена для трехканального микшера mono с мастер-громкостью. Чтобы сделать это стереомикшером, просто продублируйте схему для другого канала. Они могут использовать один и тот же источник питания.

Вот схема:

Мы хотим, чтобы входное сопротивление, подаваемое на каждый вход, было постоянным и не зависело от настройки усиления. Таким образом, здесь входное сопротивление будет 47 кОм, чтобы соответствовать большинству источников звука и динамических микрофонов. Будет три моноканала. Микшер будет работать от одного источника питания 12 В (это накладывает серьезные ограничения на диапазон запаса сигнала).

Я использовал обычный счетверенный операционный усилитель LM324 (не самый лучший для низкого уровня шума, а некоторые малошумящие счетверенные операционные усилители могут быть тише, но у меня завалялись). LM324 предназначен для работы с однополярным питанием и имеет четыре отдельных операционных усилителя. Все четыре операционных усилителя, использованные в приведенной выше схеме, изготовлены из одной микросхемы LM324.

Резисторы 1 МОм R3, R6 и R9 подключены параллельно входным потенциометрам. Целью этого является поддержание постоянного смещения постоянного тока на операционном усилителе и предотвращение шума ползунка.

Конденсаторы C1, C3 и C5 настраивают верхнюю частотную характеристику на 20 кГц, а входные конденсаторы C2, C4 и C6 настраивают нижнюю частотную характеристику на 20 Гц.

Переключатели S1, S2 и S3 выключают каналы.

Резисторы R15 и R16 делят шину питания пополам и обеспечивают напряжение смещения 6 В для всех неинвертирующих входов. R11 — основной регулятор громкости. Обратите внимание, что все потенциометры должны быть логарифмического типа (аудио тейпер).

Как это работает

Операционные усилители LM324 U1.1, U1.2 и U1.3 являются входными предварительными усилителями. Их функция заключается в обеспечении подходящего входного сопротивления микрофонов, которое устанавливается на 47 кОм с помощью резисторов R2, R4 и R7.

Потенциометр R1 устанавливает коэффициент усиления входного усилителя. Этот потенциометр устанавливает фактический уровень каждого входа, который будет подаваться на суммирующий усилитель.