Преобразователи частоты ( ПЧ )

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для линейного переноса спектра сигнала по оси частот без искажения его спектрального состава.

Принцип преобразования частоты можно пояснить на простом примере:

x

После фильтра, настроенного на частоту (w_с - w_Г) на выходе будет только один сигнал.

- преобразование частоты может быть как вверх, так и вниз.

X - это преобразовательный элемент (смеситель), который перемножает два сигнала.

Таким образом, структурная схема ПЧ будет выглядеть следующим образом:

Здесь ПЭ – это преобразовательный элемент, а роль фильтра на выходе ПЧ выполняет УПЧ.

ПЧ должен обеспечивать: минимальное искажение закона модуляции входного сигнала, малый коэффициент шума, максимальное подавление паразитных сигналов, необходимый коэффициент усиления.

К гетеродину (Г) предъявляются следующие требования: Г должен обладать максимальной стабильностью частоты w_г (т.е. минимальный уход по частоте), стабильной амплитудой и необходимой мощностью: U_г >> U_c.

Фильтр ПЧ или контур УПЧ должны иметь резонансную частоту, соответствующую промежуточной частоте, т.е. w_к = w_п, а полоса должна быть шире полосы полезного сигнала, т.е. Dw_к > Dw_c.

Типы ПЧ:

1. ПЧ с линейным параметрическим элементом.

2. ПЧ с использованием нелинейного элемента.

Линейные ПЧ обычно строятся на базе транзисторов, а нелинейные - на базе диодов.

7.1. Работа ПЧ в линейном режиме

Принцип работы ПЧ поясняется ниже:

(1) , - коэффициент передачи.

(2) .

Подставим во второе выражение (1), а Þвыбирая n можно получить то или иное значение промежуточной частоты.

7.1.1. Структурная схема ПЧ

Z_c - внутреннее сопротивление.

ВАХ ПЭ – нелинейная характеристика

S - крутизна (tg угла наклона ВАХ);

Фильтр – имеет прямоугольную АЧХ;

{

,

,

1) , - крутизна прямого преобразования, где S_nn - крутизна n -ой гармоники.

2) U_c = 0= - выходная проводимость преобразователя (внутренняя).

3) U_п = 0= - входная проводимость преобразователя.

4) U_c = 0= - крутизна обратного преобразования (обратная проводимость).

7.1.2. Параметры преобразователя частоты

1) - коэффициент прямого преобразования,

где Z_нэ = Z_н||Z_in, Z_in = 1/G_i, где G_i – выходная проводимость

2) - коэффициент обратного преобразования,

где Z_сэ =Z_с||Z_вх, Z_{в х}= 1/G_вх.

3) ,

7.1.3. Помехи ПЧ

Типы помех:

1) помеха по зеркальному каналу;

Эта помеха устраняется соответствующим выбором АЧХ преселектора ПРМ (ПРС).

2) помеха по каналу прямого прохождения.

Эта помеха, представляет собой сигнал (паразитный или информативный) на промежуточной частоте. Первый метод борьбы – ставится режекторный фильтр на входе приемника (например, во ВЦ), настроенный на ПЧ.

Второй метод борьбы - запретить использование частот, которые являются промежуточными частотами для большого класса приемников (вещательные, TV).

3) помеха по соседнему каналу: информационный сигнал w_с2 находится на небольшой отстройке по частоте от w_с1

Избирательности по этому виду помех добиваются обеспечением необходимой избирательности УПЧ или запрещают вещать станции на этой частоте.

7.2. Транзисторные ПЧ

На практике применяются два типа транзисторных ПЧ: на биполярных и полевых транзисторах.

Биполярные транзисторы позволяют строить ПЧ до единиц - десятков МГц, а полевые до десятков - сотен МГц.

Транзисторные ПЧ на полевых транзисторах.

Данная ВАХ используется для построения ПЧ на полевых транзисторах.

Существуют два варианта схемы построения транзисторного ПЧ: с отдельным гетеродином и с совмещенным.

С отдельным гетеродином характеристики ПЧ лучше, т.к. есть развязка между гетеродином и источником сигнала. Во втором варианте схема более экономична, но ухудшаются характеристики ПЧ.

Существуют две основных схемы построения транзисторного ПЧ при использовании отдельного гетеродина.

В первом случае источник сигнала и гетеродина подаются на затвор:

Достоинства этой схемы: малая мощность гетеродина.

Недостатки: сильное взаимное влияние источника сигнала на гетеродин и наоборот.

Во втором случае источник сигнала подается на затвор, а сигнал гетеродина на исток транзистора:

Достоинства этой схемы: улучшена развязка между источником сигнала и гетеродином.

Недостатки: требуется более мощный гетеродин, т.к. управление осуществляется током истока; стабильность работы гетеродина меньше за счет меньшего входного сопротивления (сток-исток); отсутствие С_бл в цепи истока приводит к созданию отрицательной обратной связи по промежуточной частоте w_п.

Обе схемы позволяют работать в приемниках с переменной настройкой.

Рассмотрим ПЧ на биполярных транзисторах.

Схемы построения ПЧ, также как в случае использования полевых транзисторов, имеют два варианта реализации.

На этой схеме напряжение входного сигнала и напряжение гетеродина подаются на базу транзистора. При этом, от величины Е_см зависит крутизна транзистора, а следовательно и коэффициент преобразования ПЧ.

Достоинства и недостатки схемы аналогичны первой схеме для полевого транзистора.

Во второй схеме входной сигнал подается на базу транзистора, а напряжение гетеродина – в эмиттер.

Достоинства и недостатки этой схемы построения ПЧ такие же, как у второй схемы при использовании полевого транзистора.

Основные характеристики транзисторных ПЧ:

1. Коэффициент преобразования ПЧ:

К_.п. = U_п/U_с = - S_пZ_нэ,

где Z_нэ равно сумме резонансного сопротивления контура, выходного сопротивления транзистора и входного сопротивления следующего каскада (УПЧ).

2. Входная проводимость:

G_вх.п. @(0,7-0,8)|Y_11с|, где Y_11c - входная проводимость на частоте сигнала. С_вх.п. @ C_вх.у..

3. Выходная проводимость:

G_вых.п. @(0,6-0,8)|Y_22с|, где Y_22c - выходная проводимость транзистора на промежуточной частоте.

Выходная емкость: С_вых.п. @C_вых.у, где C_{вых .у} - емкость усилителя.

У транзисторных ПЧ практически отсутствует эффект обратного преобразования частоты.

7.3. Диодные ПЧ

Такие ПЧ имеют обязательно отдельный гетеродин.

Диоды обладают малыми собственными емкостями, малыми сопротивлениями потерь, и меньшим коэффициентами шума по сравнению с транзисторным ПЧ. Таким образом эти ПЧ являются основными ПЧ на любом диапазоне.

Эквивалентная схема диодного ПЧ:

, где R_i - внутреннее сопротивление.

Поскольку диод является двухполюсным элементом и токи сигнальной и промежуточной частоты текут как во входной, так и выходной цепях, то в диодных ПЧ существует сильная обратная связь по току и наряду с прямым преобразованием частоты происходит и процесс обратного преобразования частоты: S_п = S_обр.п.

Действительно, напряжение промежуточной частоты w_пч=w_с-w_г, появившиеся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала w_с = w_пч+w_г.

В качестве гетеродина (Г) наиболее часто используются маломощные генераторы на диодах Ганна.

Параметры диодного ПЧ:

1), где G₀ - выходная проводимость диодного ПЧ.

2) , где Z_сэ=(1/S₀)||Z_c

3) Входная и выходная проводимость: , где G_х - характеристическая проводимость для режима согласования: , где S_п - крутизна преобразования: .

Для обеспечения режима согласования должны выполняться следующие условия: 1/R_c = G_х (на входе); G_х = 1/R_y (на выходе).

Два способа включения источника и нагрузки (индуктивная и емкостная связь):

Индуктивная связь

Þ.

Если обеспечить это согласование, то получаем максимальный коэффициент преобразования.

Данный результат справедлив для расчета диодных ПЧ, построенных как на полупроводниковых диодах, так и на кристаллических.

В зависимости от величины эффекта обратного преобразования частоты диодные ПЧ делятся на узкополосные и широкополосные.

В узкополосных на входе ПЧ ставится колебательный контур, который обеспечивает хорошую избирательность по зеркальному каналу.

Для широкополосных ПРМ приходится применять и широкополосные ПЧ. Но такие ПЧ обладают недостаточной избирательностью по зеркальному каналу во входном контуре. Кроме того, в таких диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты. При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты w_з = w_г - w_пч (названной так из-за «зеркального» расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина).

Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в случае взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина так как w_з = 2w_г - w_с.

Обычно смеситель согласован со входом УПЧ, поэтому вся мощность на частоте w_пч передается в УПЧ. Колебание зеркальной частоты, образовавшееся в процессе преобразования частоты сигнала, может распространяться во входные цепи приемника. Поэтому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будет отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты w_пч = w_г - w_з. Если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты w_пч=w_с-w_г, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя. При сложении токов в противофазе могут, напротив, возникнуть дополнительные потери. Таким образом, взаимодействие между колебаниями сигнальной и зеркальной частоты оказывает существенное влияние на параметры диодного преобразователя частоты.

Основные разновидности диодных ПЧ

1. Полупроводниковые (на точечных кремниевых диодах - ТКД) имеют малый уровень шумов, большую энергетическую прочность, высокую стабильность.

Недостатки: малый динамический диапазон.

2. ПЧ на полупроводниковых диодах с барьером Шоттки (ДБШ).

Достоинства: Большая прочность, большой динамический диапазон.

Недостатки: Однако ДБШ требует большей мощности гетеродина (2…10 мВт для диодов из арсенида галлия и 0,5…1 мВт для кремниевых диодов).

3. Диодные ПЧ на туннельных диодах.

В дециметровом диапазоне иногда применяются обращенные туннельные диоды, у которых используется обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ).

Достоинства: Высокая стабильность характеристик. Большая крутизна ВАХ обращенных туннельных диодов вблизи начала координат позволяет работать при мощности гетеродина 0,1…0,2 мВт.

Недостатки: Гораздо больший уровень собственных шумов.

Все диодные ПЧ как правило строятся по балансной или двух балансной схеме.

Балансная схема:

На схеме напряжение U_г - подается синфазно, а U_c - парафазно. Отсюда следует, что можно уменьшить амплитуду входного сигнала т.к. работают два диода.

Также здесь хорошая развязка источника от гетеродина, поэтому уменьшается излучение гетеродина через входные цепи приемника, повышается стабильность работы гетеродина и можно обеспечить более сильную связь между гетеродином и самим преобразователем, а следовательно, уменьшить требуемую мощность гетеродина.

В этой схеме также компенсируются шумы гетеродина. Эти шумы синфазные, поэтому в мостовой нагрузке они компенсируют друг друга.

Дата добавления: 2014-01-05