Тема 3.2. Преобразователи частоты.

Назначение и классификация преобразователей частоты. Структурная схема.

Выбор режима работы преобразовательного прибора. Понятие о верхней и ниж-

ней настройке гетеродина. Побочные каналы приёма. Линейное и нелинейное

преобразование частоты. Интерференционные свисты.

Преобразование частоты на гармониках гетеродина. Методы ослабления побо-

чных эффектов преобразования. Гетеродины. Назначение и требования, предъя-

вляемые к ним. Способы повышения стабильности частоты гетеродинов. Схемы

гетеродинов. Понятие о синтезаторах частоты.

Схемы преобразователей частоты диодных, транзисторных, на интегральных

микросхемах. Балансные и кольцевые преобразователи частоты.

При изучении теории преобразования частоты надо обратить внимание на то, что в процессе преобразования происходит перемножение напряжений сигнала U_c=Yi(t) и гетеродина U_r=Y2 (t), подводимые ко входу смесительного каскада, в результате чего в выходной его цепи, кроме токов с частотами fo, f_r, mf₀ и nf_r возникают токи промежуточных частот f_np, отличных от частот сигнала f₀ и гетеродина f_r.

Как известно, перемножение напряжений разной частоты возможно с помощью электронных и полупроводниковых приборов с нелинейной вольтамперной характе- ристикой, т.е. устройств с изменяющимися параметрами (крутизной выходного тока Sк, R_BX, Rвых и др., которым может быть лампа, транзистор, диод, варикап.

Если f_np=f_r-f₀, то это верхняя настройка гетеродина (f_r>f₀), применяемая обычно в радиовещательных приемниках; если fnp=f₀-f_r - нижняя настройка (f0 > fг). Частотно- селективная цепь, включаемая на выходке смесителя, настраивается на f_np и выделя- ет напряжение промежуточной частоты U_np.

Для получения эффективного преобразования частоты, т.е. для возможности изме- нения параметров смесительного элемента в больших пределах и получения больше- го выходного напряжения промежуточной частоты U_np при U_c=const и U_r=const ре- жим работы смесительного каскада выбирают так, чтобы рабочая точка находилась

на квадратичном участке вольт-амперной характеристики его смесительного элемен- та.

В линейном режиме работы ПрЧ (без отсечки по току и крутизне) угол отсеч-

ки Ө =180° и паразитными каналами приема являются зеркальный канал на первой гармонике f_r, канал на промежуточной частоте f_np и зеркальные каналы высших гар- моник nf_r. Напряжение гетеродина в транзисторном ПрЧ в этом режиме составляет примерно U_r= 100 мВ, а напряжение сигнала U_c= 2-4 мВ при начальном смещении на базе транзистора смесителя, равном U_бэо = 0,15-0,25В.

Итак, в режиме работы ПрЧ, называемом «линейным», угол отсечки тока и крути- зны Ө =180°, а ток коллектора и крутизна должны изменяться по закону, бликому к синусоидальному, повторяя синусоидальный закон и изменения напряжения гетеро- дина

В линейном режиме работы ПрЧ крутизна преобразования Sпр равна половине ам- плитуды колебания крутизны выходного тока транзистора Изменение кру- тизны выходного тока возникает под действием напряжения гетеродина Ur , чем бо- льше Uг, тем больше пределы изменения крутизны и величины Sкм и Sпр. При ли- нейной амплитудной характеристике ПрЧ и синусоидальном напряжении Uг измене- ние крутизны происходит также по синусоидальному закону. Если же напряжение Uг несинусоидально, то возникают гармоники колебания основной частоты fг и гармо- ники колебания крутизны Sк.. При преобразовании на первой гармонике fг, отсюда следует,

что если

так как

В расчетах можно принять величину Sкm ≈ Sко, т.е. равной средней крутизне транзистора в режиме усиления .

Входное Rвх пр и выходное Rвых пр сопротивления смесительного каскада ПрЧ

определяется из условий: Rвх. пр = (1,5 – 2 ) Rвх. тр

Rвых.пр = (1,5 – 2) Rвых.тр

Cвх. пр = Cвх.тр

Cвых. пр = Cвых.тр

В общем случае изменение крутизны во времени от действия напряжения гетеро- дина Ur происходит не по синусоидальному закону и может быть представлено, как любое гармоническое колебание рядом Фурье;

S_k(t) = Sko+ΣSknсоs ω_rt

где n = 1,2,3 номер гармоники основной частоты гетеродина f_r.

Это создает условия для появления эффекта преобразования на высших гармони- ках nf_r и возникновения дополнительных паразитных каналов приема. В отдельных случаях, когда требуется снизить частоту гетеродина, в приемниках радиосвязи ис- пользуется преобразование на второй или третьей гармонике f_r.

В нелинейном режиме ПрЧ (с отсечкой по точку и крутизне) угол отсечки равен l20°>O>90°. При одновременном воздействии на вход смесительного каскада напряжений Uс ≈ 10мВ и Uг≈ 200 мВ при начальном смещении на базе транзистора смесителя, равном Uбэо ≈ 0-0,l В в цепи коллектора транзистора протекают точки час частот nf_r, mfо, где n = 1,2,3...- номер гармоники f_r; m=l,2,3... – номер гармоники f_Q (форма коллекторного тока - несинусоидальная, импульсная);

f_np = nf_r±mf₍₎. Нелинейный режим работы ПрЧ характеризуется значительно большей эффективностью паразитных каналов приема, а также наличием комбинационных колебаний промежуточной частоты, воспроизводимых на выходе приёмника в виде интерференционных свистов, ухудшающих качество приема.

Для уменьшения уровня дополнительных, паразитных каналов приема рабочая точка одновременно должна располагаться на линейном участке характеристики

крутизны S_n=Y(Uбэ) выходного тока транзистора (режим без отсечки по току и

крутизне).

Смесительный каскад ПрЧ с полосовым фильтром ПФ можно рассматривать как резонансный каскад УПЧ с таким же ПФ, но с эквивалентными параметрами

S_np, Rвх пр, Rвых.пр.

Резонансный коэффициент усиления (передачи) ПрЧ с полосовым фильтром пьезокерамического типа рассчитывают по формуле:

где ρк и QЭ - характеристическое сопротивление и эквивалентная добротность ши- рокополосного согласующего колебательного контура;

Кф – коэффициент передачи напряжения ПФ;

m1 и ш2 - коэффициенты включения входной цепи смесителя ПрЧ (m1) и входной цепи УПЧ (m2 ) во входную и выходную цепи ПФ соответственно.

ПКФ обычно включается в коллекторную цепь транзистора смесительного каска- да ПЧ через широкополосные согласующий фильтр с малой добротностью Qэ= 608 (полоса пропускания контура в 3-5 раза шире полосы пропускания приёмника). Параметры ПКФ, применяемых в радиовещательных приемниках, приведены в

[7, Приложение, табл. 1.2].

Гетеродин - один из важнейших элементов схемы ПрЧ. Стабильность частоты его колебаний определяет стабильность настройки всего радиоприемника. Форма коле- баний гетеродина должна быть максимально приближена к синусоидальной, что уменьшает количество паразитных каналов приема.

Частота колебаний гетеродина отличается от частоты принимаемого радиосигна- ла f₀ на величину промежуточной частоты:

При низкой стабильности fr задача бес подстроечной связи решается за счет рас- ширения полосы пропускания приемника П, которая должна быть выбрана такой, чтобы при любом ожидаемом уходе fr спектр преобразованного сигнала Δf оставал- ся в пределах этой полосы.

где 2Δfmax - ширина спектра принимаемого сигнала;

Δfг и Δfпер – частотная нестабильность гетеродина и передатчика;

Δfd- изменение частоты принимаемого сигнала при связи с подвижным объектом (эффект Доплера).

В любом случае расширение полосы пропускания приемника связано с уменьше- нием его помехоустойчивости. Основные причины нестабильности частоты маломо- щных транзисторных генераторов и методы стабилизации подробно рассматривают- ся в курсе «Радиопередающие устройства». Следует помнить о том, что высокие тре- бования к стабильности fr всегда удовлетворяются только при усложнении схемы и конструкции гетеродина. В радиовещательных приемниках требования к стабильнос- ти fr всегда значительно ниже, чем в приемниках радиосвязи и магистральной радио- связи.

В гетероднинах радиовещательных приемников обычно используют бескварце-

вую стабилизацию (стабилизация режима питания, термостабилизация и др.), а в случе нарушения стабильности fr уверенный прием сигналов обеспечивают рас-

стройкой контуров преселектора относительно fо, что приводит к ухудшению каче- ственных показателей приемника.

В гетеродинах профессиональных приемников всегда применяют кварцевую ста- билизацию, а в системах магистральной радиосвязи на декаметровых волнах в каче-

стве возбудителей передатчиков и гетеродинов приемников синтезаторы частот при- меняют одни и те же устройства с дискретной настройкой (шаг дискретности сетки частот настройки Δf = 100Гц и 10 Гц).

К гетеродинам в диапаозне УКВ требования стабильности в случае широкополос- ной модуляции предъявляются менее жесткие (удовлетворительная стабильность – 10 , 10 ). При узкополосной радиосвязи в УКВ диапазоне требуемая стабильность fr значительно выше.

Возможность сужения полосы пропускания радиоприемника в условиях малой стабильности fr для бесподстроечной связи создает система автоматической подст- ройки fr (АПЧГ). Колебательные контуры в гетеродинах приемников MB и ДМВ не отличаются от контуров УРЧ. На более высоких частотах колебательные контуры гетеродинов строятся из отрезков концентрических коаксиальных линий и волново- дов.

В диапазоне сантиметровых волн используются гетеродины на отражательных клистронах.

В высококачественных радиовещательных приемниках в ПрЧ наибольшее распро- странение получила трехточечная схема отдельного гетеродина с автотрансформато- рной связью.

В гетеродинах применяют ВЧ и СВЧ биполярные и полевые транзисторы такого же типа, что и в смесительной части ПрЧ, и чаще включение по схеме с ОБ и ОЗ.

ПрЧ на БТ не нашли широкого применения в приемниках радиосвязи на декамет- ровых волнах. В основном используются либо ПрЧ на ГТГ, либо кольцевые ПрЧ. В бытовых радиовещательных приемниках ПрЧ обычно входит в состав 1-й ИС, содержащей, кроме ПрЧ, также и УРЧ (см. тракт преселектора).

При изучении диодных ПрЧ надо выделить следующее:

коэффициент передачи диодных ПрЧ всегда меньше единицы;

коэффициент шума диодных ПрЧ сравнительно мал;

диодные ПрЧ обладают сравнительно малым входным и выходным сопротивле- ниями, что приводит к сильному шунтированию источника сигнала и нагрузки, и для снижения этого явления надо ослаблять связь ПрЧ с контурами сигнала и промежуто- чной частоты.

В диодных ПрЧ цепи сигнала и гетеродина сильно взаимосвязаны из-за того, что напряжение Uс и U_r вводятся последовательно с диодом, обладающим сравнительно низким внутренним (прямым) сопротивлением;

для ослабления взаимной связи цепей сигнала и гетеродина используют баланс- ные кольцевые схемы ПрЧ;

величина мощности, потребляемой ПрЧ от гетеродина, составляет небольшую

часть его колебательной мощности Р_г, и поэтому изменение режима работы ПрЧ мало влияет на режим работы гетеродина (на величину его амплитуды напряжения Uгm, мощность Р_г и частоту f_r).

В балансных диодных ПрЧ, применяемых в высококачественных радиоприёмни- ках, обязательно должен быть отдельный гетеродин. Смесительный каскад таких

ПрЧ обычно выполняется по кольцевой схеме с односторонней проводимостью что

существенно снижает взаимную связь контуров сигнала и гетеродина, а также про-

никновение колебаний гетеродина во входную и выходную цепи ПрЧ и уменьшение его коэффициента шума N_m.

В транзисторных ПрЧ, выполненных по балансной схеме, смесительный каскад обычно является дифференциальным (на двух транзисторах). На базы транзисторов VT1 и VT2 смесительного каскада подается напряжение сигнала U_c, а на базу тран- зистора VT3 - напряжение гетеродина U_r. При этом за счет перемножительных свой- ств дифференциального каскада возникает эффект перемножения двух переменных напряжений разных частот U_с и U_r, результатом которого является напряжение про- межуточной частоты U_np, выделяющееся на выходной обмотке согласующего тран- сформатора.

В этой схеме еще более ослаблена связь между цепями сигнала и гетеродина, так как элементом связи является переход коллектор - база транзистора VT, а не переход эмиттер-база, как это имеет место в схеме ПрЧ [2, рис. 7.19-а, с. 263].