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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Misturadores de transistor de efeito de campo. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis No artigo levado ao conhecimento dos leitores, são consideradas e discutidas opções para circuitos de mixer feitos em transistores de efeito de campo usados no modo de resistência controlada (sem fonte de alimentação). Esses misturadores têm várias vantagens que permitem expandir significativamente a faixa dinâmica de receptores, especialmente receptores heteródinos (conversão direta). No ambiente de interferência severa de hoje no ar, uma grande faixa dinâmica do mixer é importante, o que permite que você se livre amplamente de diafonia, intermodulação e interferência semelhante de poderosos sinais fora de banda, que praticamente não são atenuados por cascatas instaladas antes do filtro de seleção principal. Se várias medidas ainda podem ser tomadas no URF para aumentar sua linearidade, os misturadores são mais frequentemente executados em elementos não lineares (diodos, transistores), que, pelo próprio princípio de operação de muitos misturadores conversores de frequência, devem ser não linear. Por esse motivo, a faixa dinâmica do mixer costuma ser pior que a do URCH. Já há muito tempo são propostos e utilizados misturadores baseados em transistores de efeito de campo no modo de resistência ativa controlada, cujas vantagens ainda não foram suficientemente avaliadas. Um diagrama do misturador mais simples em um único transistor de efeito de campo é mostrado na fig. 1.
O sinal do circuito de entrada é alimentado à fonte do transistor, e o sinal IF ou LF (em um receptor heteródino) é retirado do dreno. Nenhuma fonte de alimentação necessária. A tensão do oscilador local é aplicada à porta do transistor e controla a resistência do canal. Sabe-se que em baixas tensões, o gap fonte-dreno (canal) de um FET se comporta como um resistor linear, independentemente da polaridade da tensão aplicada. Ao mesmo tempo, a resistência do canal pode variar dependendo da tensão porta-fonte, de dezenas de ohms a muitos megohms. Isso permite o uso de um transistor de efeito de campo em misturadores como um elemento linear controlado. As principais vantagens do mixer incluem alta sensibilidade, pois nem a corrente de alimentação nem a corrente do oscilador local passam pelo canal do transistor, mas apenas uma corrente de sinal fraca, enquanto o transistor faz um pouco mais de ruído do que um resistor convencional com a mesma resistência, e alta linearidade, pois com uma pequena tensão de entrada, a condutância do canal não depende dela. Além disso, o mixer apresenta baixa penetração do sinal LO no circuito de entrada (apenas através de uma pequena capacitância entre o gate e o canal do transistor) e potência extremamente baixa exigida do LO, já que a resistência de entrada no circuito do gate é alta. Um mixer tão simples fornece uma sensibilidade de cerca de 1 μV (sem URF) e uma faixa dinâmica de cerca de 65 dB. Você pode aumentar a faixa dinâmica das seguintes maneiras clássicas: alternar para um circuito balanceado, garantir a operação do mixer no modo chave e combinar o mixer com a carga em uma ampla banda de frequência. Os circuitos misturadores FET balanceados nasceram de circuitos de diodo semelhantes, com o canal do transistor conectado em vez do diodo, e a polaridade deste último corresponde à conexão em fase ou antifase do portão ao oscilador local. Na fig. 2 mostra um diagrama de um misturador balanceado com dois transistores de efeito de campo. O sinal é fornecido às fontes dos transistores em fase, e a tensão heteródina para os portões é antifase, o que garante que os transistores abram por sua vez por meias-ondas positivas.
Nos drenos dos transistores, os sinais IF (LF) estão fora de fase, o que requer o uso de um transformador de baixa frequência T2 (em todos os diagramas, os circuitos magnéticos dos transformadores IF (LF) são mostrados como uma linha sólida, em contraste com o HF, onde os circuitos magnéticos são mostrados como magnetodielétricos). O mixer é balanceado para entradas heteródinas e de sinal. A primeira significa que a tensão heteródina não atinge o sinal de entrada, pois duas capacitâncias de canal de porta parasitas são conectadas aos terminais antifase do enrolamento secundário do transformador T1. A segunda significa que produtos de conversão parasita, como correntes de baixa frequência, decorrentes da detecção direta de sinais de entrada, são aplicados às entradas antifase do transformador de baixa frequência e se anulam. Outra variante de um circuito misturador balanceado simples é mostrada na Fig. 3.
Aqui, o sinal é alimentado aos canais dos transistores em antifase, e a tensão do oscilador local para as portas está em fase. Como antes, o misturador é balanceado para voltagem heteródina. É menos óbvio que o mixer é balanceado em termos de detecção direta de sinais de entrada. O fato é que os produtos da detecção direta estão em fase nos drenos dos transistores (o dispositivo atua como um retificador de onda completa) e são compensados no transformador de baixa frequência T2. As desvantagens dos misturadores balanceados simples descritos incluem a supressão incompleta de subprodutos de conversão, em particular, os segundos harmônicos dos sinais de entrada e heteródinos. A maior pureza do espectro é fornecida por misturadores de duas balanças (análogos de misturadores de anel). O esquema de tal misturador em quatro transistores é dado na fig. 4.
O mixer requer três transformadores de balanceamento instalados em todas as entradas/saídas. Aqui, os canais dos transistores VT1, VT2 e VT3, VT4 são executados alternadamente, conectando os terminais dos enrolamentos simétricos dos transformadores T1 e TK diretamente (conduzem VT1 e VT2) ou cruzados (conduzem VT3 e VT4). Este misturador dá excelentes resultados em receptores super-heteródinos, fornecendo perto da faixa dinâmica máxima atualmente alcançável. Obviamente, é necessário tomar todas as medidas para melhorar a simetria dos transformadores e selecionar transistores com as mesmas características. Quando usados em receptores heteródinos, os misturadores de acordo com os esquemas da fig. 2-4 têm uma grande desvantagem associada à presença de um transformador de baixa frequência, trabalhoso de fabricar e sujeito a vários captadores, inclusive de rede com frequência de 50 Hz. As distorções associadas à não linearidade das características magnéticas do circuito magnético não são excluídas. O transformador de baixa frequência ausenta-se no misturador segundo o esquema do figo. 5, onde os sinais de entrada e heteródino são fornecidos a dois transistores em antifase.
Na verdade, este é um análogo de transistor de um misturador balanceado de dois diodos. No entanto, o misturador tem desvantagens que não são imediatamente visíveis. Não é balanceado na entrada do heteródino. O sinal do oscilador local antifase nas portas dos transistores escoa através de capacitâncias parasitas para os terminais extremos do enrolamento simétrico do transformador T1 e não é compensado. Para além dos óbvios danos causados pela radiação do sinal do oscilador local através da antena, nomeadamente a criação de interferências com outros recetores próximos, esta está repleta de receção do seu próprio sinal, mas já modulada pelo zumbido AC e outras interferências . Existem pelo menos duas maneiras de resolver o problema. A primeira é adicionar capacitâncias de neutralização - capacitores C1 e C2, conectados transversalmente em relação às capacitâncias parasitas dos transistores VT1 e VT2. Ao ajustar sua capacitância, você pode obter uma supressão significativa do sinal do oscilador local na entrada. Isso também é útil ao usar um mixer em caminhos de transmissão (afinal, todos os mixers passivos descritos são completamente reversíveis), quando um sinal de áudio é aplicado à entrada de baixa frequência e um sinal DSB modulado balanceado é removido do alto- entrada de frequência. Outra maneira é usar um inversor de fase de transistor em vez de um transformador de balanceamento T1, veja a fig. 6.
Na fonte e no dreno do transistor VT1, são alocadas tensões de sinal iguais e antifase, que são alimentadas através dos capacitores de acoplamento C2 e C3 para as fontes dos transistores misturadores VT2 e VT3. Em um receptor heteródino, os capacitores devem ter uma capacitância significativa, pois não apenas correntes altas, mas também de frequência de áudio passam por eles. No lugar do VT1, você também pode usar um transistor bipolar, mas tem pior linearidade e menor resistência de entrada. O misturador é caracterizado pela alta supressão do sinal do oscilador local na entrada, o que é facilitado pela conexão antifase dos transistores do misturador ao transformador T1 e o estágio de entrada com inversão de fase. Mas este dispositivo também tem uma desvantagem: as resistências de saída ao longo dos circuitos de fonte e dreno da cascata no transistor VT1 são diferentes (a primeira está abaixo) e o inversor de fase, em geral, é assimétrico. No misturador de equilíbrio mostrado na Fig. 7, a penetração do sinal do oscilador local no circuito de entrada é reduzida devido ao fato de os transistores VT1, VT3 com canal p serem conectados em paralelo com os transistores VT2, VT4 com canal n e a tensão do oscilador local do enrolamento simétrico do transformador T2 é aplicado a transistores de condutividade oposta em antifase. Ao mesmo tempo, os transistores VT1 e VT2 abrem em uma meia onda da tensão heteródina e VT3 e VT4 abrem na outra. A conexão paralela dos canais reduz a resistência dos braços do misturador no estado aberto, além disso, melhora a linearidade do misturador. A propósito, isso é usado há muito tempo em chaves lógicas CMOS bidirecionais.
É possível usar as chaves mencionadas em misturadores, mas, infelizmente, em elementos lógicos CMOS, o sinal de controle antifase (heteródino) para o transistor do canal p é formado a partir do sinal que chega à porta do transistor do canal p usando um inversor. Este último possui um tempo de atraso bastante longo (cerca de 50 ns para a série K561 MS), resultando em uma mudança de fase adicional, que piora o funcionamento do misturador em altas frequências, em particular a passagem do sinal heteródino para a entrada do mixer não é completamente eliminado. Em conclusão, considere a operação de um misturador muito interessante e simples, proposto especificamente para receptores heteródinos (Fig. 8). É feito em dois transistores de efeito de campo idênticos, cujos canais são conectados em paralelo, e tensões heteródinas antifase do enrolamento simétrico do transformador T1 são aplicadas aos portões. Os transistores devem ser fechados na tensão de porta zero e abertos apenas nos picos da tensão heteródina. Como resultado, o misturador abre duas vezes durante o período da tensão heteródina, e a frequência do oscilador local é escolhida para ser metade da frequência do sinal.
Isso é muito benéfico, em particular, para receptores VHF (menos passos de multiplicação de frequência são necessários) e em geral para todos os receptores heteródinos, uma vez que o sinal do oscilador local "vazou" no circuito da antena é efetivamente suprimido pelo filtro de entrada. A utilização deste misturador é promissora em receptores VHF heteródinos síncronos, onde a baixa penetração do sinal do oscilador local nos circuitos de entrada é extremamente importante. No entanto, este mixer é balanceado apenas na entrada LO, não na entrada do sinal. Portanto, é possível a detecção direta parasita de sinais de interferência poderosos na não linearidade de transição, transistores de dreno de fonte. Autor: M. Syrkin (UA3ATB)
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