double arrow

Преобразователь частоты

Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую. Так как сигнал несет в себе полезную информацию, заключенную в одном или нескольких его параметрах, то в процессе преобразования частоты эта информация должна сохраняться. Естественно, что в реальных условиях всегда имеют место искажения информации, которые не должны превосходить некоторых допустимых значений.

Этим условиям наиболее полно соответствует принцип гетеродинного преобразования частоты (рис.1).

НЭ
ИС
fc fпр


fг

Г


Рис.1. Гетеродинный преобразователь частоты

В таком преобразователе частоты сигнал и колебания маломощного вспомогательного генератора, называемого гетеродином (Г), одновременно воздействуют на нелинейный элемент (НЭ) (или на элемент с переменным параметром).

В результате на выходе нелинейного элемента (часто называемого смесителем (См)) появляется множество комбинационных составляющих токов/напряжений с частотами:

fк = | ± n fг ± m fc |,

где n = m = 0, 1, 2, ….

Одна из этих комбинационных частот используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала. Эта частота называется промежуточной частотой (fпр). Для её выделения в качестве нагрузки смесителя используют различные типы избирательных систем (ИС).

С точки зрения минимизации искажений информации при преобразовании частоты и улучшения избирательности при наличии мешающих сигналов, преобразователь частоты для сигнала должен быть линейным, т.е. в нем не должны порождаться гармоники частоты сигнала (m=1). Это условие может выполняться достаточно точно, если сигнал является «малым». При этом его размах захватывает лишь небольшой участок характеристики преобразовательного элемента и её можно считать для напряжения сигнала линейной на этом участке.

По отношению к колебаниям гетеродина нелинейность преобразовательного элемента должна проявлять себя возможно сильнее. Обычно это приводит к необходимости иметь значительную амплитуду гетеродинного напряжения. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев выполняется условие:

Uc(t)<<Uг(t).

До тех пор, пока выполняется это неравенство, свойства преобразователя частоты не зависят от амплитуды сигнала, а определяются свойствами преобразовательного элемента, амплитудной гетеродинного напряжения и стабильностью его колебаний.

Роль нелинейных или параметрических элементов в современных преобразователях частоты выполняют биполярные и полевые транзисторы, микросхемы, диоды.

В качестве избирательной системы используются одиночные колебательные контура, двухконтурные фильтры и фильтры сосредоточенной избирательности различного вида.

Преобразователь частоты характеризуется рядом качественных показателей, основные из которых следующие:

- коэффициент преобразования (Кп), являющийся отношением комплексных амплитуд напряжения промежуточной частоты и частоты сигнала:

- входное сопротивление

- выходное сопротивление

Несмотря на большое разнообразие используемых нелинейных элементов, и избирательных систем, возможно построение единой теории для описания основных процессов, происходящих в любом преобразователе частоты. Эта теория носит название общей теории преобразования частоты. Она построена в предположении «малости» сигнала и безынерционности преобразовательного элемента.

В общем случае смеситель любого преобразователя частоты можно рассматривать как нелинейный шестиполюсник (рис. 2), на выходе которого включена избирательная нагрузка, настроенная на выбранное значение промежуточной частоты.

Рис. 2. Смеситель преобразователя частоты как нелинейный шестиполюсник

Для безынерционного преобразовательного элемента выходной ток в каждый момент времени определяется мгновенными значениями напряжений:

Uс(t), Uп(t), U г (t), и

iвых = f(Uс, Uп, U г ).

Так как амплитуды напряжений и малы по сравнению с амплитудой напряжения гетеродин, то выражения для iвых можно разложить в двойной ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями напряжения U г (t).

Такой подход позволяет представить преобразующий элемент совместно с гетеродином в виде квазилинейного четырехполюсника, характеризуемого четырьмя У – параметрами, преобразовательными параметрами [1,3].

,

– постоянные составляющие выходного тока, крутизны и выходной проводимости;

- амплитуды " п "-х гармоник этих же величин.

Приведенные уравнения полностью описывают поведение преобра­зователя частоты как линейного четырехполюсника с характеристи­ческими параметрами короткого замыкания:

- крутизной преобразователя

- внутренней проводимостью

- крутизной обратного преобразования

- входной проводимостью преобразователя

Таким образом, в первом приближении можно считать, что преобразователь частоты осуществляет математическую операцию перемножения напряжений сигнала и гетеродина. Эквивалентные схемы преобразовательного и усилительного каскада одинаковы. Отличие состоит только в значении параметров. В случае если можно пренебречь обратным преобразованием частоты, то

, и.

Крутизна преобразования является важнейшим параметром преобразователя частоты, определяющим эффективность его работы. В практически важных случаях все операции по вычислению, с достаточной для инженерной практики точностью, могут быть выпол­нены аналитически.

При этом применяют различные способы аппроксимации зависи­мости крутизны активного прибора от напряжения гетеродина [3]. В частности, при линейной аппроксимации зависимости крутизны ак­тивного прибора от напряжения гетеродина, получены следующие рас­четные соотношения:

Здесь - крутизна преобразования на 1, 2, 3 гармонике гетеродина, а - соответствующие оптимальные углы отсечки напряжения гетеродина.

Данные соотношения с большой точностью описывают работу по­левых транзисторов в режиме преобразования частоты.

Графики зависимостей для n = 1,2,3 от угла отсечки приведены на рис. 3.

/

      n=1        
  0,2              
    n=2        
  0,1              
    n=3        
               
             

θ0

Рис. 3. Зависимости / от угла θ отсечки тока стока

Из них видно, что при n=1 изменение угла отсечки от 0о до 180о мало влияет на крутизну преобразования, но в то же время при θ = 180о = … =, что очень важно для уменьшения числа паразитных каналов приёма.

В общем случае частотная характеристика преобразователя час­тоты, работающего в квазилинейном режиме, имеет вид, приведенный на рис. 4.

Kп

К0 fп fп

fп fп

fп fп

Кп(1)

Кп(2)

Кп(n)

f

fп f fг fс 2fг nfг

Рис. 4. Частотная характеристика преобразователя частоты

Применение балансных схем преобразователей частоты так же поз­воляет уменьшить число паразитных каналов приема. Преобразователь частоты можно сделать балансным как для входного, так и для ге­теродинного сигналов. Такие схемы называют двойными балансными и обычно выполняют с использованием дифференциальных усилителей или диодов. На рис. 5-7 приведены примеры схем преобразователей час­тоты.

Рис. 5. Преобразователь частоты на полевом транзисторе

Рис. 6. Преобразователь частоты на биполярном транзисторе

Рис. 7. Преобразователь частоты на дифференциальном каскаде

В схеме преобразователя частоты на однозатворном полевом транзисторе гетеродинное напряжение подается обычно через неболь­шую емкость связи Ссв в цепь затвора или истока транзистора. Рабочая точка смесителя задается цепочкой автосмещения RuCu. В двухзатворных полевых транзисторах напряжения сигнала и гетеро­дина подаются на разные затворы, что практически полностью устра­няет связь между сигнальным и гетеродинным контурами.

Существует много разновидностей смесителей на биполяр­ных транзисторах. Из соображений развязки сигнального и гетеродин­ного контуров желательно подавать напряжения сигнала и гетеродина на разные электроды транзистора. Связь с гетеродином может быть выполнена как емкостного типа (CCВ), так и индуктивного типа (см. рис. 6). Режим по постоянному току и температурная стабилизация обеспечиваются с помощью резисторов R1, R2, R3.

На рис. 7 показан пример схемы балансного преобразователя
частоты, выполненного на интегральной микросхеме, представляющий
собой дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока
(ГСТ). Существуют и другие варианты балансных преобразователей.
Общий принцип их действия состоит в том, что из напряжений сиг­нала и гетеродина одно приложено в обоих плечах синфазно, а вто­рое противофазно.

Пусть, например, на дифференциальный каскад подается напря­жение гетеродина, а на базу транзистора ГСТ пос­тупает напряжение сигнала, тогда выражение для коллекторного тока транзисторов дифференциального каскада может быть представлено в виде [3,4]:

где α – коэффициент передачи эмиттерного тока в цепь коллектора транзистора дифференциального каскада; S – крутизна транзистора токопитающего каскада; bn – коэффициенты разложения коллекторных токов дифференциального каскада в ряд Фурье.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: