Малошумящий активный смеситель с расширенным динамическим диапазоном за счет введения ООС

Использование не имеющей затуханий цепи отрицательной
обратной связи при построении малошумящих активных двойных
балансных смесителей с высокой линейностью


Описанные ниже пути дальнейшего развития топологии не имеющей затуханий трансформаторной цепи отрицательной обратной связи, применяемой для улучшения характеристик активного двойного балансного смесителя, позволяют устранить наиболее существенные источники шума, не ухудшая качественные показатели смесителя по интермодуляционным составляющим. В результате был получен коэффициент шума на уровне не хуже 6 dB, а точка пересечения по продуктам интермодуляции третьего порядка IIP3 осталась при этом на уровне не ниже +25 dBm, что вполне приемлемо, при уровне сигнала гетеродина всего лишь 0 dBm. Приведено краткое обсуждение способов построения активных двойных балансных смесителей с не имеющей затуханий цепью ООС и описана обобщенная топология построения такого смесителя с низким уровнем собственных шумов. Представлены также результаты тестирования построенного таким образом смесителя, приведены его шумовые характеристики и качественные параметры по интермодуляционным составляющим.

Введение

Разработчики связных радиоприемников и телекоммуникационных систем провели много времени в поисках путей расширения динамического диапазона радиочастотных трактов радиоприемников, модуляторов и демодуляторов, равно как и снижения энергопотребления портативной радиоаппаратуры. И если по созданию малошумящих усилительных каскадов с высокими качественными характеристиками по продуктам интермодуляции намечено уже несколько путей, то смесители еще остаются здесь слабым звеном. Кольцевой диодный смеситель обеспечивает вполне приемлимые показатели качества по интермодуляционным составляющим и коэффициент шума, но обычно лишь за счет чрезмерной мощности сигнала гетеродина.
Используемые для улучшения линейности каскадов усилителей малых сигналов методы комбинированной последовательно-параллельной и не имеющей затуханий трансформаторной отрицательной обратной связи (ООС) были недавно применены с той же целью и при построении активных смесителей. Эти методы позволили достичь высоких качественных показателей по вносимым продуктам интермодуляции даже при очень малом уровне сигнала гетеродина, но заметно улучшить шумовые характеристики своего более традиционного прародителя, - смесителя по схеме "транзисторное дерево" , известного также как "джильбертовская ячейка", - до сих пор не удавалось. Ниже кратко представлены результаты дальнейшего развития топологии не имеющей затуханий ООС, позволившего, по сравнению с предыдущими построениями, значительно улучшить шумовые свойства активного двойного балансного смесителя без потери качества по вносимым продуктам интермодуляции.

Активный смеситель с не имеющей затуханий отрицательной обратной связью

Ранее был описан активный двойной балансный смеситель, в котором для достижения высоких параметров качества по интермодуляции была применена не имеющая затуханий трансформаторная ООС. Такой смеситель (см. схему на рис.1) требовал при этом значительно меньшей мощности от гетеродина чем кольцевой диодный смеситель класса III с аналогичным уровнем интермодуляционных искажений. Однако такая топология позволила лишь незначительно улучшить шумовые характеристики смесителя по сравнению с его предшественником.


Рис.1 Активный двойной балансный смеситель с не имеющей затуханий цепью отрицательной обратной связи

Источники шума

Описанная топология не имеющей затуханий отрицательной обратной связи позволяет существенно снизить уровень вносимых активным смесителем интермодуляционных искажений, но в таком аспекте качества как коэффициент шума смесителя она оказывается малоэффективной, не смотря на тот факт, что такая топология обратной связи новых источников шума в схему не вводит. Коэффициент шума управляемого источника тока, выполненного по схеме с общей базой (транзисторы VT2 и VT5) монотонно растет с увеличением начального тока смещения транзисторов и в общем случае стремится превысить аналогичный параметр управляемого источника тока по схеме с общим эмиттером. Кроме того, даже если бы и коэффициент передачи управляемого входным сигналом источника тока, и мощность шума на его выходе не зависели от частоты, то само по себе управление переключающими транзисторами VT1:VT3 и VT4:VT6 прямоугольным сигналом увеличивает вносимый управляемым источником тока приведенный ко входу шум на 3,9 dB. Это является результатом взаимодействия прямоугольного сигнала гетеродина и его различных по частоте гармонических составляющих с входным сигналом промежуточной частоты. И если бы из схемы смесителя на рис.1 можно было изъять управляемые источники тока VT2 и VT5, то в результате шум потенциально можно снизить до значения собственного шума переключающих транзисторов VT1:VT3 и VT4:VT6.

Упрощенная схема

При внимательном анализе схемы на рис.1 можно заметить, что управляемые источники тока на транзисторах VT2 и VT5 действительно можно убрать из схемы без какого-либо ущерба для качественной работы смесителя. По отношению к цепи не имеющей затуханий трансформаторной ООС переключающие транзисторные пары VT1:VT3 и VT4:VT6 при этом будут работать как транзисторные усилительные каскады с общей базой. Такой вариант схемы, показанный на рис.2, не только проще, но и требуемое для его работы напряжение питания ниже, так как в его величине не надо больше учитывать напряжение коллектор-эмиттер управляемых источников тока VT2 и VT5.


Рис.2 Малошумящий вариант активного двойного балансного смесителя с не имеющей затуханий трансформаторной ООС

Экспериментальные данные

С целью изучения и оценки, а также демонстрации новых качественных характеристик, предлагаемый малошумящий активный смеситель с не имеющей затуханий ООС был собран на паре производимых фирмой NEC транзисторных сборок UPA821TF. Коэффициент шума этих транзисторных сборок составляет всего 1,2 dB при относительно большом токе коллектора (7 мА), что позволяет одновременно получить высокие показатели по интермодуляции и низкий уровень шума смесителя. И хотя транзисторная сборка UPA821TF не является собственно парой идентичных по своим параметрам транзисторов, самого по себе размещения двух транзисторов на одном кристалле уже достаточно для применения сборки в таком качестве. Разумеется, идеальным было бы использование транзисторной сборки, состоящей из четырех идентичных транзисторов.
Вся конструкция была компактной (площадью менее 2 см2), с минимально возможной протяженностью электрических связей, что, в свою очередь, позволило в значительной степени устранить паразитные временные и фазовые задержки в цепи высокочастотной обратной связи.
Работа схемы проверялась при трех фиксированных значениях напряжения коллектор-эмиттер транзисторов, в то время как их коллекторный ток регулировался в некоторых пределах с целью определить оптимальный режим транзисторов по постоянному току, при котором интермодуляционные искажения и шум смесителя будут минимальными. Во всех случаях использовался сигнал гетеродина частотой 20 МГц и уровнем 0 dBm. Для двухсигнальной проверки на уровень вносимых интермодуляционных составляющих на вход схемы подавались сигналы частотой 10,9 МГц и 11,1 МГц, которым на выходе соответствовали продукты смешения частотой 30,9 МГц и 31,1 МГц.


Рис.3 Зависимость качественных характеристик представляемого малошумящего активного двойного балансного смесителя от режима транзисторов по постоянному току

Результаты проверки иллюстрирует диаграмма на рис.3. Очевидно, что устранение из схемы смесителя транзисторов управляемых источников тока дало желаемый эффект. При напряжении коллектор-эмиттер транзисторов смесителя 8 В коэффициент шума упал до уровня ниже 5,9 dB, в то же время точка пересечения по интермодуляционным составляющим третьего порядка (IIP3) осталась на уровне +27 dBm. Эмиттерные токи смещения транзисторов при этом составляли всего лишь по 3.9 mA! При снижении этого тока до уровня ниже 3.0 мА уровень IIP3 круто падает ниже +25 dBm, но улучшенные шумовые показатели сохраняются при снижении тока эмиттеров вплоть до 2 мА, где и значение уровня IIP3 составляет уже менее +20 dBm. При напряжении коллектор-эмиттер 3 В рабочая область с низким коэффициентом шума значительно шире, в то время как уровень IIP3 круто падает ниже +25 dBm для тока эмиттеров меньше чем 4.9 мА. При напряжении коллектор-эмиттер 5 В коэффициент шума имеет значение менее 6 dB лишь ниже точки, с которой уровень IIP3 начинает значительно ухудшаться. Таким образом, если исходить из задачи достижения максимального уровня IIP3 , то работа смесителя при малом напряжении коллектор-эмиттер транзисторов значительных преимуществ не дает, но все же широкая рабочая область с низким значением коэффициента шума смесителя при напряжении коллектор-эмиттер 3 В несомненно достойна внимания.


Рис.4 Зависимость коэффициента преобразования и уровня вносимых интермодуляционных составляющих 3-го порядка от уровня входного сигнала для представленного малошумящего активного двойного балансного смесителя (3 В, 4.5 мА)

Диаграмма на рис.4 иллюстрирует типичную зависимость коэффициента преобразования и уровня вносимых интермодуляционных составляющих 3-го порядка от мощности сигнала на входе представленного малошумящего активного двойного балансного смесителя с не имеющей затуханий ООС при напряжении коллектор-эмиттер транзисторов 3 В и эмиттерном токе смещения 4.5 мА. Приведенная характеристика типична для такой топологии ООС. Резкоочерченный переход в режим компрессии с ростом уровня сигнала на входе обусловлен большой глубиной трансформаторной обратной связи.

Полная версия статьи на сайте переводчика >> getQuotation();






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.