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无线电电子与电气工程百科全书 场效应晶体管混频器。 无线电电子电气工程百科全书
在引起读者注意的文章中，考虑并讨论了在受控电阻模式（无电源）下使用的场效应晶体管制成的混频器电路的选择。 这种混频器具有许多优点，可以显着扩展接收器的动态范围，特别是外差（直接转换）接收器。 在当今严重的空中干扰环境中，混频器的大动态范围非常重要，这使您能够在很大程度上消除来自强大带外信号的串扰、互调和类似干扰，而这些信号实际上不会因安装的级联而衰减在主选择过滤器之前。 如果仍然可以在 URF 中采取多种措施来提高其线性度，那么混频器通常是在非线性元件（二极管、晶体管）上执行的，根据许多变频混频器的工作原理，这些元件必须是非线性的。 因此，混频器的动态范围通常比 URCH 差。 长期以来，已经提出并使用基于受控有源电阻模式的场效应晶体管的混频器，其优点尚未得到充分评估。 图 1 显示了单个场效应晶体管上最简单混频器的示意图。 XNUMX.
来自输入电路的信号被馈送到晶体管的源极，并且从漏极获取IF或LF信号（在外差接收器中）。 无需电源。 本地振荡器电压施加到晶体管的栅极并控制沟道电阻。 众所周知，在低电压下，无论施加电压的极性如何，FET 的源极-漏极间隙（沟道）都表现得像线性电阻器。 同时，沟道电阻可以根据栅源电压而变化，从几十欧姆到几兆欧姆。 这允许在混频器中使用场效应晶体管作为受控线性元件。 混频器的主要优点包括高灵敏度，因为电源电流和本地振荡器电流都不经过晶体管通道，而只有微弱的信号电流，而晶体管比相同阻值的传统电阻器产生的噪声稍多，和高线性度，因为输入电压较小，通道的电导不依赖于它。 此外，该混频器还具有低 LO 信号渗透到输入电路的特点（仅通过栅极和晶体管通道之间的小电容），并且由于栅极电路中的输入电阻很高，因此 LO 所需的功率极低。 这种简单的混频器提供约 1 μV 的灵敏度（无 URF）和约 65 dB 的动态范围。 您可以通过以下经典方法来增加动态范围：切换到平衡电路，确保混频器在关键模式下运行以及在较宽的频段内将混频器与负载相匹配。 平衡FET混频器电路源自类似的二极管电路，连接的是晶体管通道而不是二极管，后者的极性对应于栅极与本地振荡器的同相或反相连接。 上图。 图2示出了具有两个场效应晶体管的平衡混频器的图。 信号同相提供给晶体管的源极，而加到栅极的外差电压是反相的，这确保了晶体管以正半波依次打开。
在晶体管的漏极处，IF（LF）信号是异相的，这就需要使用低频变压器T2（在所有图中，IF（LF）变压器的磁路都用实线表示，与 HF 不同，HF 的磁路显示为磁电介质）。 混频器对于外差和信号输入都是平衡的。 第一个意味着外差电压没有到达信号输入，因为两个寄生栅极沟道电容连接到变压器T1的次级绕组的反相端子。 第二个意味着寄生转换产物，例如直接检测输入信号产生的低频电流，被施加到低频变压器的反相输入并相互抵消。 简单平衡混频器电路的另一种变体如图 3 所示。 XNUMX.
这里，信号反相馈送到晶体管的通道，而栅极的本地振荡器电压是同相的。 与之前一样，混频器针对外差电压进行平衡。 就输入信号的直接检测而言，混频器的平衡性不太明显。 事实是，直接检测的产物在晶体管的漏极处同相（该器件充当全波整流器），并在低频变压器T2中进行补偿。 所描述的简单平衡混频器的缺点包括转换副产物的不完全抑制，特别是输入和外差信号的二次谐波。 双平衡混合器（环形混合器的类似物）提供了最高的光谱纯度。 图 4 给出了这种基于四个晶体管的混频器的方案。 XNUMX.
混频器需要在所有输入/输出上安装三个平衡变压器。 这里，晶体管VT1、VT2和VT3、VT4的沟道交替进行，变压器T1和TK的对称绕组的端子或者直接连接(导通VT1和VT2)，或者交叉连接(导通VT3和VT4)。 该混频器在超外差接收器中提供了出色的效果，提供了接近当前可实现的最大动态范围。 当然，要采取一切措施提高变压器的对称性，选择特性相同的晶体管。 当用于外差接收器时，根据图2的方案的混频器。 图4-50的主要缺点与低频变压器的存在相关，低频变压器制造起来很费力并且受到各种拾音器的影响，包括频率为XNUMXHz的网络拾音器。 不排除与磁路的磁特性的非线性相关的失真。 根据图5的方案，混频器中没有低频变压器。 如图XNUMX所示，其中输入信号和外差信号反相提供给两个晶体管。
事实上，这是两个二极管平衡混频器的晶体管模拟。 然而，混合器有一些不立即可见的缺点。 外差输入上不平衡。 晶体管栅极处的本地振荡器的反相信号通过寄生电容渗透到变压器T1的对称绕组的极端，并且未被补偿。 除了本地振荡器信号通过天线辐射造成的明显危害（即对附近其他接收器产生干扰）之外，还充满了其自身信号的接收，但已经受到交流嗡嗡声和其他干扰的调制。 至少有两种方法可以解决这个问题。 第一个是添加中和电容 - 电容 C1 和 C2，与晶体管 VT1 和 VT2 的寄生电容交叉连接。 通过调整它们的电容，您可以显着抑制输入端的本地振荡器信号。 当在传输路径中使用混频器时（毕竟，所有描述的无源混频器都是完全可逆的），当音频信号应用于低频输入，并且平衡调制 DSB 信号从高频输入中移除时，这也很有用。频率输入。 另一种方法是使用晶体管反相器代替平衡变压器T1，见图6。 XNUMX.
在晶体管VT1的源极和漏极处分配有相等且反相的信号电压，该信号电压通过耦合电容器C2和C3馈送到混频晶体管VT2和VT3的源极。 在外差接收器中，电容器必须具有很大的电容，因为不仅有高电流，而且还有音频电流通过它们。 也可以用双极晶体管代替VT1，但线性度较差，输入电阻较低。 该混频器的特点是在输入端对本地振荡器信号进行高度抑制，这是通过混频器晶体管与变压器 T1 的反相连接以及反相输入级实现的。 但这种装置也有一个缺点：VT1晶体管级联的源极和漏极电路的输出电阻不同（下面是第一个），而且反相器一般来说是不对称的。 在如图所示的平衡混合器中如图7所示，由于p沟道晶体管VT1、VT3与n沟道晶体管VT2、VT4并联，本振信号对输入电路的渗透降低，并且本振电压来自变压器 T2 对称绕组的电压被施加到相反导电反相的晶体管。 同时，晶体管VT1和VT2在外差电压的一个半波上打开，VT3和VT4在另一半波上打开。 通道的并联减少了混合器臂在打开状态下的阻力，此外还提高了混合器的线性度。 顺便说一句，这长期以来一直用于双向 CMOS 逻辑按键。
可以在混频器中使用所提到的开关，但不幸的是，在 CMOS 逻辑元件中，p 沟道晶体管的反相控制信号（外差）是由到达 p 沟道晶体管栅极的信号使用逆变器。 后者具有相当长的延迟时间（K50系列MS约为561 ns），因此会出现额外的相移，这会恶化混频器在高频下的操作，特别是外差信号的通过混音器输入并未完全消除。 总之，考虑一个非常有趣且简单的混频器的操作，该混频器专为外差接收器而提出（图 8）。 它由两个相同的场效应晶体管制成，其通道并联连接，并且来自变压器T1的对称绕组的反相外差电压施加到栅极。 晶体管应在零栅极电压时关闭，并仅在外差电压峰值时打开。 结果，混频器在外差电压期间打开两次，并且本地振荡器频率被选择为信号频率的一半。
这对于 VHF 接收机（需要较少的倍频步骤）以及一般来说对于所有外差接收机来说非常有利，因为“泄漏”到天线电路中的本地振荡器信号被输入滤波器有效地抑制。 这种混频器在同步外差 VHF 接收机中的使用很有前景，其中本地振荡器信号对输入电路的低渗透性极其重要。 然而，该混频器仅在 LO 输入上实现平衡，而不在信号输入上实现平衡。 因此，对过渡非线性、源漏晶体管上的强大干扰信号进行寄生直接检测是可能的。 作者：M. Syrkin (UA3ATB)
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