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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Feldeffekttransistormischer. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Zivile Funkkommunikation Der den Lesern vorgelegte Artikel untersucht und diskutiert Varianten von Mischerschaltungen, die auf Feldeffekttransistoren basieren und im kontrollierten Widerstandsmodus (ohne Stromquelle) verwendet werden. Solche Mischer haben eine Reihe von Vorteilen, die den Dynamikbereich von Empfängern, insbesondere Heterodyn-Empfängern (Direktwandlung), deutlich erweitern können. In der heutigen Umgebung mit starken Interferenzen im Rundfunk ist ein großer Dynamikbereich des Mischers wichtig, der es ermöglicht, Übersprechen, Intermodulation und ähnliche Störungen durch starke Out-of-Band-Signale, die praktisch nicht gedämpft werden, deutlich zu beseitigen durch vor dem Hauptselektionsfilter installierte Kaskaden. Wenn es dennoch möglich ist, im HF-Frequenzumrichter eine Reihe von Maßnahmen zu ergreifen, die seine Linearität erhöhen, werden Mischer meist auf nichtlinearen Elementen (Dioden, Transistoren) hergestellt, die aufgrund des Funktionsprinzips vieler Mischer die Frequenz umwandeln , muss nichtlinear sein. Aus diesem Grund ist der Dynamikumfang eines Mixers meist schlechter als der eines AMP. Mischer auf Basis von Feldeffekttransistoren im kontrollierten aktiven Widerstandsmodus werden schon seit geraumer Zeit vorgeschlagen und eingesetzt, deren Vorteile noch nicht ausreichend beurteilt wurden. Die Schaltung des einfachsten Mischers mit einem Feldeffekttransistor ist in Abb. dargestellt. 1.
Das Signal vom Eingangskreis wird der Source des Transistors zugeführt und das ZF- oder NF-Signal (bei einem Heterodyn-Empfänger) wird vom Drain entfernt. Keine Stromquelle erforderlich. Die lokale Oszillatorspannung wird an das Gate des Transistors angelegt und steuert den Kanalwiderstand. Es ist bekannt, dass sich die Source-Drain-Lücke (Kanal) eines Feldeffekttransistors bei niedrigen Spannungen wie ein linearer Widerstand verhält, unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung. Gleichzeitig kann der Kanalwiderstand je nach Gate-Source-Spannung variieren, von mehreren zehn Ohm bis zu vielen Megaohm. Dies ermöglicht den Einsatz des Feldeffekttransistors in Mischern als gesteuertes lineares Element. Zu den Hauptvorteilen des Mischers zählen eine hohe Empfindlichkeit, da weder der Versorgungsstrom noch der Lokaloszillatorstrom durch den Transistorkanal fließt, sondern nur ein schwacher Signalstrom, während der Transistor lauter ist als ein herkömmlicher Widerstand mit demselben Widerstandswert und eine hohe Linearität , da bei einer kleinen Eingangsspannung die Leitfähigkeit des Kanals nicht davon abhängt. Darüber hinaus zeichnet sich der Mischer durch eine geringe Durchdringung des Lokaloszillatorsignals in den Eingangskreis (nur durch eine kleine Kapazität zwischen dem Gate und dem Transistorkanal) und einen extrem geringen Leistungsbedarf des Lokaloszillators aus, da der Eingangswiderstand entlang des Gates liegt Schaltung ist hoch. Ein solch einfacher Mischer bietet eine Empfindlichkeit von etwa 1 µV (ohne AMP) und einen Dynamikbereich von etwa 65 dB. Sie können den Dynamikbereich auf folgende klassische Weise erhöhen: Wechseln Sie zu einer symmetrischen Schaltung, stellen Sie sicher, dass der Mixer im Key-Modus arbeitet, und passen Sie den Mixer über ein breites Frequenzband an die Last an. Symmetrische Mischerschaltungen auf Feldeffekttransistoren sind aus ähnlichen Schaltungen auf Dioden entstanden, wobei der Transistorkanal anstelle einer Diode angeschlossen ist und deren Polarität der gleichphasigen oder gegenphasigen Verbindung des Gates mit dem lokalen Oszillator entspricht . In Abb. Abbildung 2 zeigt die Schaltung eines symmetrischen Mischers mit zwei Feldeffekttransistoren. Das Signal wird den Sources der Transistoren gleichphasig zugeführt, die Heterodynspannung an den Gates ist gegenphasig, was dafür sorgt, dass die Transistoren abwechselnd mit positiven Halbwellen öffnen.
An den Drains der Transistoren sind die ZF-(LF)-Signale phasenverschoben, was den Einsatz eines Niederfrequenztransformators T2 erfordert (in allen Diagrammen sind die Magnetkerne der ZF-(NF)-Transformatoren als durchgezogene Linie dargestellt). , im Gegensatz zu den HF-Kernen, bei denen die Magnetkerne als magnetodielektrisch dargestellt sind). Der Mischer ist sowohl für Heterodyn- als auch für Signaleingänge symmetrisch. Das erste bedeutet, dass die Heterodynspannung den Signaleingang nicht erreicht, da zwei parasitäre Gate-Kanal-Kapazitäten mit den gegenphasigen Anschlüssen der Sekundärwicklung des Transformators T1 verbunden sind. Das zweite bedeutet, dass parasitäre Wandlungsprodukte, beispielsweise niederfrequente Ströme, die bei der direkten Erfassung von Eingangssignalen entstehen, an die gegenphasigen Eingänge des NF-Transformators angelegt und gegenseitig kompensiert werden. Eine weitere Variante einer einfachen symmetrischen Mischerschaltung ist in Abb. 3.
Hier wird das Signal den Transistorkanälen gegenphasig zugeführt und die Lokaloszillatorspannung an den Gates ist phasengleich. Nach wie vor ist der Mischer auf Überlagerungsspannung abgeglichen. Weniger offensichtlich ist, dass der Mixer auch für die direkte Erkennung von Eingangssignalen symmetrisch ist. Tatsache ist, dass die Direkterkennungsprodukte an den Drains der Transistoren phasengleich sind (das Gerät fungiert als Vollweggleichrichter) und im Niederfrequenztransformator T2 kompensiert werden. Zu den Nachteilen der beschriebenen einfachen symmetrischen Mischer gehört die unvollständige Unterdrückung von Umwandlungsnebenprodukten, insbesondere der zweiten Harmonischen der Eingangs- und Heterodynsignale. Die höchste Reinheit des Spektrums bieten doppelt ausgewogene Mischer (Analoga von Ringmischern). Die Schaltung eines solchen Mischers mit vier Transistoren ist in Abb. dargestellt. 4.
Der Mischer benötigt drei Balun-Transformatoren, die an allen Ein-/Ausgängen installiert sind. Hier sind die Kanäle der Transistoren VT1, VT2 und VT3, VT4 abwechselnd gezeichnet und verbinden die Anschlüsse der symmetrischen Wicklungen der Transformatoren T1 und TZ entweder direkt (VT1 und VT2 werden ausgeführt) oder gekreuzt (VT3 und VT4 werden ausgeführt). . Dieser Mischer liefert hervorragende Ergebnisse in Superheterodyn-Empfängern und bietet nahezu den maximal derzeit erreichbaren Dynamikbereich. Natürlich müssen alle Maßnahmen ergriffen werden, um die Symmetrie der Transformatoren zu erhöhen und Transistoren mit den gleichen Eigenschaften auszuwählen. Beim Einsatz in Überlagerungsempfängern sind Mischer nach den Schaltungen in Abb. 2-4 haben einen großen Nachteil, der mit dem Vorhandensein eines Niederfrequenztransformators zusammenhängt, dessen Herstellung arbeitsintensiv und anfällig für verschiedene Störungen ist, einschließlich Netzwerkrauschen mit einer Frequenz von 50 Hz. Verzerrungen im Zusammenhang mit der Nichtlinearität der magnetischen Eigenschaften des Magnetkreises können nicht ausgeschlossen werden. Gemäß dem Diagramm in Abb. gibt es im Mischer keinen Niederfrequenztransformator. 5, wo die Eingangs- und Heterodynsignale zwei Transistoren gegenphasig zugeführt werden.
Im Wesentlichen handelt es sich dabei um ein Transistor-Analogon eines Zwei-Dioden-Balancemischers. Allerdings hat der Mixer Nachteile, die nicht sofort sichtbar sind. Es ist nicht über den Lokaloszillatoreingang ausgeglichen. Das phasenverschobene Lokaloszillatorsignal an den Gates des Transistors dringt durch parasitäre Kapazitäten zu den äußersten Anschlüssen der symmetrischen Wicklung des Transformators T1 und wird nicht kompensiert. Zusätzlich zu dem offensichtlichen Schaden, der durch die Strahlung des Lokaloszillatorsignals durch die Antenne verursacht wird, nämlich der Entstehung von Interferenzen mit anderen Empfängern in der Nähe, ist dies mit dem Empfang des eigenen Signals behaftet, das jedoch bereits durch den Wechselstromhintergrund und andere moduliert wird Interferenz. Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten, das Problem zu lösen. Die erste besteht darin, neutralisierende Kapazitäten hinzuzufügen – die Kondensatoren C1 und C2, die in Bezug auf die parasitären Kapazitäten der Transistoren VT1 und VT2 kreuzweise angeschlossen sind. Durch die Anpassung ihrer Kapazität können Sie eine deutliche Unterdrückung des Lokaloszillatorsignals am Eingang erreichen. Dies ist auch beim Einsatz eines Mischers in Sendepfaden sinnvoll (schließlich sind alle beschriebenen passiven Mischer vollständig reversibel), wenn am NF-Eingang ein Audiosignal eingespeist wird und am HF-Eingang ein symmetrisch moduliertes DSB-Signal entnommen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle eines Balun-Transformators T1 einen Transistor-Phasenumrichter zu verwenden, siehe Abb. 6.
An Source und Drain des Transistors VT1 werden gleiche und gegenphasige Signalspannungen erzeugt, die über die Trennkondensatoren C2 und C3 den Sources der Mischtransistoren VT2 und VT3 zugeführt werden. In einem Überlagerungsempfänger müssen die Kondensatoren eine erhebliche Kapazität haben, da durch sie nicht nur hochfrequente Ströme, sondern auch Audiofrequenzen fließen. Anstelle von VT1 können Sie einen Bipolartransistor verwenden, dieser weist jedoch eine schlechtere Linearität und einen geringeren Eingangswiderstand auf. Der Mischer zeichnet sich durch eine hohe Unterdrückung des Lokaloszillatorsignals am Eingang aus, was durch die gegenphasige Anbindung der Mischertransistoren an den Transformator T1 und die phaseninvertierte Eingangsstufe ermöglicht wird. Dieses Gerät hat jedoch auch einen Nachteil: Die Ausgangswiderstände entlang der Source- und Drain-Kreise der Kaskade am Transistor VT1 sind unterschiedlich (der erste ist niedriger) und der Phasenwechselrichter ist im Allgemeinen asymmetrisch. In dem in Abb. gezeigten ausgewogenen Mischer. In 7 wird das Eindringen des Lokaloszillatorsignals in den Eingangskreis dadurch reduziert, dass die Transistoren VT1, VT3 mit p-Kanal parallel zu den Transistoren VT2, VT4 mit n-Kanal geschaltet sind und die Lokaloszillatorspannung ab Die symmetrische Wicklung des Transformators T2 wird gegenphasig an Transistoren entgegengesetzter Leitfähigkeit angelegt. In diesem Fall öffnen die Transistoren VT1 und VT2 auf einer Halbwelle der Überlagerungsspannung und VT3 und VT4 auf der anderen. Die Parallelschaltung der Kanäle verringert den Widerstand der Mischerarme im geöffneten Zustand und verbessert zudem die Linearität des Mischers. Dies wird übrigens schon lange in bidirektionalen CMOS-Logikschaltern eingesetzt.
Die genannten Schalter können in Mischern verwendet werden, aber leider wird in CMOS-Logikelementen das gegenphasige Steuersignal (Heterodyn) für einen p-Kanal-Transistor aus dem am Gate eines p-Kanal-Transistors ankommenden Signal mithilfe eines Inverters gebildet. Letzteres hat eine ziemlich lange Verzögerungszeit (ca. 50 ns für die MS der K561-Serie), wodurch eine zusätzliche Phasenverschiebung auftritt, die den Betrieb des Mischers bei hohen Frequenzen, insbesondere den Durchgang des Überlagerungssignals, verschlechtert zum Mischereingang wird nicht vollständig eliminiert. Betrachten wir abschließend die Funktionsweise eines sehr interessanten und einfachen Mischers, der speziell für Überlagerungsempfänger vorgeschlagen wurde (Abb. 8). Es basiert auf zwei identischen Feldeffekttransistoren, deren Kanäle parallel geschaltet sind, und den Gates werden gegenphasige Heterodynspannungen von der symmetrischen Wicklung des Transformators T1 zugeführt. Transistoren sollten bei einer Gate-Spannung von Null ausgeschaltet und nur bei Heterodyn-Spannungsspitzen geöffnet werden. Dadurch öffnet der Mischer während der Periode der Lokaloszillatorspannung zweimal und die Lokaloszillatorfrequenz wird auf die Hälfte der Signalfrequenz gewählt.
Dies ist insbesondere für VHF-Empfänger (es sind weniger Frequenzvervielfachungsstufen erforderlich) und allgemein für alle Überlagerungsempfänger von großem Vorteil, da das in den Antennenkreis „durchgesickerte“ Lokaloszillatorsignal durch den Eingangsfilter wirksam unterdrückt wird. Der Einsatz dieses Mischers in synchronen Heterodyn-UKW-Empfängern ist vielversprechend, wo eine geringe Durchdringung des Lokaloszillatorsignals in die Eingangskreise äußerst wichtig ist. Allerdings ist dieser Mischer nur am Lokaloszillatoreingang symmetrisch, nicht jedoch am Signaleingang. Daher ist eine parasitäre direkte Erkennung starker Störsignale auf der Nichtlinearität des Übergangs, Source-Drain-Transistoren, möglich. Autor: M. Syrkin (UA3ATB)
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