Каталог статей и схем


В.Н. Лифарь, RW3DKB. Входное сопротивление смесителя на ВПД В.Т. Полякова

Посвящается моему учителю В.Т. Полякову

 

Давным-давно, в 1981 году, вышла книга В.Т. Полякова [1], посвященная прямому преобразованию и его использованию в радиолюбительстве. Попавшая мне в руки книга вызвала живой интерес и желание попробовать новое для себя направление радиолюбительского творчества. Многим радиолюбителям она открыла совершенно новую схемотехнику и помогла впервые выйти в эфир.

 

Наибольший интерес всегда вызывал необычный тип смесителя, впервые предложенный В.Т. Поляковым, в котором два диода включены встречно-параллельно. Отсюда и прижившаяся аббревиатура «ВПД», в смысле смеситель на ВПД Полякова (далее по тексту так и будет – ВПД). Необычность ВПД в том, что частота гетеродина в нем в 2 раза ниже рабочей частоты. Что в целом ряде случаев благотворно сказывается на стабильности частоты и понижает уровень шумов. Фактически это ключевой смеситель, хотя питается синусоидальным сигналом гетеродина. Причина лежит на поверхности – ВАХ диода не линейна и имеет крутой излом, за которым начинается относительно линейный участок, на котором прямое сопротивление диода имеет очень малое внутреннее сопротивление, порядка единиц Ом. А сопротивление закрытого диода составляет единицы Мом. В этой связи было много споров о том, какое же входное сопротивление имеет ВПД Полякова? В ряде публикаций приводились различные аналитические расчеты этой величины, однако ее оценка вызывала многие, подчас противоречивые вопросы, и не давала простого и понятного объяснения полученных результатов.

 

Естественно, что можно было попытаться измерить это сопротивление напрямую в схеме. Но здесь камнем преткновения стало то, что на входе смесителя присутствует очень сложное по форме колебание, что существенно усложняет процесс измерения и вызывает нарекания специалистов, поскольку точность таких измерений существенно зависит от формы колебания. Эта проблема долго не находила приемлемого решения. Обсуждение аналогичного по сути ключевого смесителя на конференциях форума CQHAM.RU проходило практически в течение последних 5 лет большим коллективом радиолюбителей. Совместными усилиями нам удалось многое прояснить в физике процессов, происходящих в ключевых смесителях, а заодно и разобраться со смесителем на ВПД. Выяснилось главное – большинство ключевых смесителей работает на несогласованную нагрузку. Именно в этом причина появления сложных колебаний на входе смесителя. Как только ключевой смеситель нагружается на согласованную в широкой полосе частот нагрузку, на его входе можно увидеть нормальную синусоиду, при которой можно производить измерения с высокой точностью. И вот здесь обнаружилось, что смеситель на ВПД, работающий на согласованную нагрузку, подчиняется тем же самым законам, что и классический ключевой смеситель. Но есть и свои особенности.

 

Но присутствие сложных колебаний можно обойти при моделировании, если использовать встроенные в эмулятор функции интегрирования и дифференцирования, что позволяет вычислять интегралы от сложных периодических функций напряжения и тока. Это необходимо для вычисления активной и реактивной составляющей входного сопротивления смесителя. Фактически это дает нам возможность непосредственно на модели измерять комплексное входное сопротивление смесителя как в режиме согласованной, так и не согласованной нагрузки. Заканчивая на этом затянувшееся вступление, переходим к изложению полученных результатов.
 

Рассмотрим типовую схемотехнику ВПД. На рис. 1 представлена типовая схема смесителя на ВПД для приемника прямого преобразования. Сигнал с антенны поступает во входной контур L1C1, к которому подключен ВПД. Через емкость С2 на ВПД подается сигнал гетеродина с частотой F/2. Емкость С2 вместе с R1 выполняет роль нагрузки смесителя. Влиянием вторичной обмотки Tr1 на низких частотах можно пренебречь. Поскольку ВПД подключен к контуру напрямую, то возникает вопрос – достаточно ли велико входное сопротивление смесителя, чтобы не сильно шунтировать входной контур С1L1?

 

 

Как отмечено выше, детальный анализ ключевых смесителей показал, что в большинстве случаев активное входное сопротивление типового ключевого смесителя приблизительно равно половине номинала R1. При условии, что прямое сопротивление диодов rd<<R1. Поскольку в нагрузке смесителя присутствует емкость, то, разумеется, кроме активного сопротивления будет присутствовать и емкостная реактивная составляющая, которая будет влиять на настройку входного контура. Другими словами, если волновое сопротивление контура, например, равно 5 кОм, то для согласования необходимо выбирать номинал R1=10 кОм. А номинал С2 рассчитывается по стандартной формуле из условия частоты среза R1C2-фильтра, равной 3 кГц.

 

Однако, внимательный читатель тут же должен задать каверзный вопрос – а всегда ли входное сопротивление ВПД равно половине R1? Зависит ли оно от напряжения гетеродина или нет? Вопрос правильный и ответ на него: действительно зависит, причем довольно неожиданным способом.

Зная вид ВАХ диода, несложно догадаться, что вблизи точки излома ВАХ, свойства диода резко меняются, и это, безусловно, должно сказываться на входном сопротивлении смесителя. Тем более, что известно о необходимости тщательного подбора этой самой амплитуды гетеродина для достижения максимума коэффициента преобразования смесителя и минимизации его собственных шумов [1].

Для подтверждения этого мы провели моделирование смесителя ВПД на предмет выявления зависимости входного сопротивления от напряжения гетеродина. Схема модели ВПД представлена на рис.2.

 

 

На вход модели ВПД подают сигнал амплитудой 70,7 мВ действующих с частотой 999 кГц (нижняя боковая частота), что соответствует пиковой амплитуде 100 мВ. Сопротивление источника сигнала 50 Ом. Далее стоит идеальный (без потерь) трансформатор (модель) с коэффициентом трансформации 1:1. Это нужно, чтобы НЧ токи смесителя могли замыкаться на землю, как это происходит в том случае когда ВПД подключен напрямую к контуру, как на рис. 1. В модели ВПД использованы широко распространенные и доступные сегодня диоды 1N4148 (аналог КД522). Перед ВПД стоит схема измерения входного сопротивления, на выходе которой два измерительных прибора - вольтметра. Верхний прибор измеряет активную компоненту входного сопротивления (активное сопротивление). Нижний прибор измеряет реактивную компоненту входного сопротивления, которое в нашем случае будет емкостным. Показания приборов в вольтах соответствует сопротивлению в омах, т.е 1 В соответствует 1 Ому.

 

Схема измерения позволяет индицировать комплексное входное сопротивление как в виде последовательного соединения Rs и Сs, так и в виде параллельного их соединения. Другими словами, в первом случае на выходе трансформатора мы как бы имеем последовательное соединение Rs и Сs, эквивалентное комплексному входному сопротивлению смесителя, а во втором случае комплексное входное сопротивление будет представлено как параллельное соединение Rs и Cs. Мы использовали первый вариант - последовательное соединение Rs и Cs в качестве комплексного входного сопротивления смесителя.

 

На выходе ВПД стоит фильтр нижних частот (ФНЧ), в качестве которого применен П-фильтр с частотой среза 3 кГц. Нагрузкой ФНЧ является резистор 1 кОм. Так сделано потому, что именно этот вариант встречается наиболее часто. Напряжение гетеродина подается через С3. Величина этого напряжения будет изменяться, и наш измерительный прибор нам покажет, как именно будет изменяться входное сопротивление ВПД. Результаты замеров приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.

Ug, V

Rs, Om

Xs,Om

Un,mV

Ku

Ku,dB

Cs, нФ

0,90

817,30

5310,00

2,70

0,027

-31,37

0,03001790

1,00

216,20

862,20

26,40

0,264

-11,57

0,18487017

1,05

45,51

368,90

47,34

0,4734

-6,50

0,43208204

1,07

11,17

269,20

54,24

0,5424

-5,31

0,59210648

1,08

-0,83

231,20

56,91

0,5691

-4,90

0,68942502

1,10

-17,70

173,30

61,45

0,6145

-4,23

0,91976378

1,15

-36,67

94,52

67,51

0,6751

-3,41

1,68636335

1,20

-43,03

59,60

68,56

0,6856

-3,28

2,67441382

1,30

-47,70

21,26

67,16

0,6716

-3,46

7,49741599

1,40

-48,36

20,15

63,51

0,6351

-3,94

7,91042501

1,50

-48,95

14,53

59,35

0,5935

-4,53

10,97006634

1,60

-49,26

11,21

56,03

0,5603

-5,03

14,21900659

 

В первом столбце приведены амплитуды гетеродина в действующем значении. Для перевода в амплитудное значение требуется эту величину умножать на коэффициент 1,41. Второй и третий столбцы показывают измеренное значение активной и реактивной составляющей в Омах. Четвертый и пятый столбцы показывают значение амплитуды НЧ сигнала 1 кГц на выходе смесителя в милливольтах и в разах. В шестом столбце приведен полученный коэффициент преобразования ВПД в дБ (чем его отрицательное значение меньше, тем лучше, т.е. Ku стремится к 1, что соответствует 0 дБ, т.е. преобразование происходит без потерь). В отдельном столбце приведены значения номинала емкости в нФ, соответствующее значению реактивного сопротивления, указанному в третьем столбце таблицы.

Первое, что бросается в глаза – это отрицательное значение сопротивлений в нижней части таблицы. Удивляться тут не надо, т.к. знак в данном случае указывает, в каком направлении течет преобладающий ток в данном участке цепи.

Теперь о главном. В этом, наряду с данными таблицы 1, нам поможет разобраться приведенная ниже диаграмма.

Активная составляющая входного сопротивления ВПД при напряжениях гетеродина менее 0,9 В составляет довольно большую величину, потому как диоды лишь слегка приоткрываются. Об этом свидетельствует и очень малый Кu смесителя. Однако далее с незначительным увеличением амплитуды гетеродина входное сопротивление резко падает и при напряжении 1,05 В уже равно примерно 50 Ом. Одновременно резко падает и емкостное сопротивление до величины примерно 369 Ом, что соответствует 432 пФ, и Ku=-6,5 дБ. Причем в описаниях схем с ВПД наиболее часто встречается именно такая величина рекомендуемой амплитуды гетеродина. Какое при этом получается входное сопротивление ВПД нам теперь понятно. Хочу обратить внимание на величину входной емкости смесителя и сравнить его с величиной емкости в нагрузке смесителя. Они не соизмеримы.

 

А вот далее начинаются мало кому известные вещи. При амплитуде около 1,08 В входное активное сопротивление переходит через ноль и входное сопротивление смесителя становится практически чисто реактивным с номиналом 231 Ом (689 пФ). При таком напряжении в измеряемой цепи присутствуют уже не один входной ток сигнала, а также продукты преобразования, текущие в обратном направлении. В этой точке происходит как бы взаимная компенсация этих токов. Так происходит потому, что мы не можем их разделить. Для того, чтобы их увидеть, нужно будет привлечь преобразование Фурье на входе ВПД и посмотреть все фазы продуктов преобразования. Наибольшей величиной здесь будет продукт с частотой 1 кГц. Его величина приведена в 4 колонке и составляет почти 57 мВ. Это намного превышает величины остальных продуктов преобразования. При дальнейшем росте амплитуды ГПД мы видим, что обратный ток становится преобладающим и активное сопротивление устремляется к величине сопротивления источника сигнала 50 Ом. А вот реактивная составляющая продолжает падать. Это эквивалентно росту величины ёмкости во входном сопротивлении смесителя. Какие именно получаются величины, можно увидеть в последнем столбике.

 

Теперь внимательно присмотримся к столбцу с величиной Ku. Там мы обнаруживаем, что при амплитуде 1,2 В смеситель на ВПД имеет максимум Ku= -3,28 дБ. А вот это уже прекрасный показатель для смесителя. Дальнейший рост напряжения гетеродина приводит только к ухудшению этого показателя.

 

Какие можно сделать выводы по нашим экспериментам? Первое и главное – это существенная зависимость всех параметров ВПД от напряжения гетеродина. Далее следует отметить существование двух очень любопытных точек на входной характеристике. Первая точка – при которой происходит превращение входного сопротивления в чисто реактивное равное примерно -j230 Ом. И вторая точка – существование точки с максимальным Ku смесителя, равным -3,28 дБ. В итоге ВПД имеет несколько иную форму зависимости входного сопротивления, чем у классического однотактного ключевого смесителя, у которого сопротивление ключа всегда активное и не изменяется в зависимости от амплитуды гетеродина.

 

В заключение следует напомнить радиолюбителям-конструкторам, что очень простой с виду ВПД является очень непростой в смысле схемотехники конструкцией. И требует очень тщательного подбора не только типа диодов и идентичности их ВАХ. Но и очень тщательного подбора амплитуды гетеродина, форма которого тоже должна быть строго симметрична. Иначе параметры полученного смесителя вас могут сильно разочаровать.

 

Литература:

1. В.Т.Поляков, Приемники прямого преобразования для любительской связи, издательство ДОСААФ СССР, М., 1981г.

 

В.Н. Лифарь, RW3DKB

Категория: Самодельные | Добавил: Author (08.03.2011) | Автор: В.Н.Лифарь E
Просмотров: 5001 | Комментарии: 5 | Теги: смеситель, ВПД, входное сопротивление, напряжение гетеродина, ВАХ, диоды | Рейтинг: 5.0/3
Всего комментариев: 5
5   [Материал]
ruslan mIG (cozycactus) прислал мне еще один вопрос
У вас в таблице Rs меняет знак а Xs нет, вроде должно быть наоборот?
В данном случае знак при активной составляющей указывает на преобладающий ток в данной точке цепи. Сначала преобладает ток текущий слева-направо, который прибор считает положительным. Однако в цепи течет и второй ток, но в обратном направлении. Поначалу он мал, но с ростом напряжения гетеродина он растет и наступает такой момент, когда оба тока сравняются. При дальнейшем росте напряжения гетеродина второй ток становится преобладающим и прибор показывает отрицательное значение. Любой амперметр постоянного пока имеет полярность и показывает положительный ток, если клеммы прибора подключены правильно. Если ток в цепи меняет направление а прибор оставлен в прежнем включении, то он покажет "отрицательный ток", поскольку изменилось просто его направление относительно клемм прибора. Но реальным этот ток быть не перестал.
Что касается реактивной составляющей, то знак перед ней указывает не на его направление, а на его характер: емкостной или индуктивный (опережает или отстает от активной компоненты). В нашем случае емкостный характер входного сопротивление не изменяется ни при каких величинах напряжения гетеродина. Меняется только величина его сопротивления от больших величин к малым. Именно поэтому знак при реактивной компоненте никак не может изменить свой знак, т.к. в этом случае комплексное входное сопротивление получится индуктивным, чего просто не может быть в этой схеме.

4   [Материал]
Уважаемые коллеги! Давайте отделим мух от котлет! На самом деле при анализе входного сопротивления ВПД речь идет о комплексном входном сопротивлении, состоящем из активной ® и реактивной составляющей (-jXc). Модуль комплексной величины равен корню квадратному их суммы квадратов активной и реактивной составляющих. Поэтому контур "видит" не только R, но и С, именно в виде модуля комплексного сопротивления. А оно нигде у нас нулю в чистом виде не является и просто так зашунтировать контур не может. В статье в таблице приведены конкретные значения составляющих в Омах. Причем использовано ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ включение емкости и сопротивления для анализа входного сопротивления. Поэтому если даже активная компонента равна нулю, то не равна нулю другая компонента. При амплитуде 1,08 входное сопротивление становится чисто реактивным и равным -231 Ом. При этом модуль комплексного входного сопротивления тоже равен 231 Ом. О каком таком шунтировании может идти речь при таком входном сопротивлении? Наверное нужно было в таблицу добавить еще один столбец, в котором привести значение модуля комплексного входного сопротивления для точек измерения. Просто я не учел, что читать этот материал могут читатели мало знакомые с комплексными числами. Хочу также заметить, что примененная мною схема расчета комплексного сопротивления последовательного типа имеет и второй возможный вариант - представление комплексного сопротивления ВПД как параллельное сопротивление емкости и сопротивления. В схеме измерения на модели для этого достаточно нажать клавишу "пробел" и мы увидим несколько иные значения сопротивления и емкости. Я применил последовательную схему только потому, что в таком варианте по замкнутой цепи нет разветвления, как при параллельном варианте. Поэтому цепь общая и для активной и для реактивной составляющих. Я надеялся, что прочитав мое замечание об этом в статье, читатели хотя бы как минимум будут просто суммировать активное и реактивное сопротивления и получать представление о суммарной величине входного сопротивления, хотя правильнее считать из так, как я привел выше. Хочу также заметить, что В.Т. Поляков в одной из своих статей приводил измеренную им зависимость шумов ВПД от напряжения гетеродина. Вид этой зависимости точно такой же, как на приведенном у нас графике активного сопротивления. Это не случайно, т.к. шумы генерятся только на активной компоненте комплексного входного сопротивления. Реактивные токи шуметь не могут априори.

3   [Материал]
При каком-таком "низком сопротивлении смесителя"? 50 Ом? Это ж стандартное сопротивление!
Вот цитаты из статьи: "...Активная составляющая входного сопротивления ВПД при напряжениях гетеродина менее 0,9 В ... потому как диоды лишь слегка приоткрываются... далее с незначительным увеличением амплитуды гетеродина входное сопротивление резко падает и при напряжении 1,05 В уже равно примерно 50 Ом... Причем в описаниях схем с ВПД наиболее часто встречается именно такая величина рекомендуемой амплитуды гетеродина".
Это, так сказать, начало. Оно наглядно показано на графике и в тексте...

А далее автор пишет: "При амплитуде около 1,08 В входное активное сопротивление переходит через ноль и входное сопротивление смесителя становится практически чисто реактивным с номиналом 231 Ом (689 пФ). При дальнейшем росте амплитуды ГПД мы видим, что обратный ток становится преобладающим и активное сопротивление устремляется к величине сопротивления источника сигнала 50 Ом. ... Какие именно получаются величины, ... обнаруживаем, что при амплитуде 1,2 В смеситель на ВПД имеет максимум Ku= -3,28 дБ. А вот это уже прекрасный показатель для смесителя. Дальнейший рост напряжения гетеродина приводит только к ухудшению этого показателя."

Т.е., "существенная зависимость всех параметров ВПД от напряжения гетеродина." Да и по графику можно видеть, что имеем сопротивление около 50 Ом (на фоне второй колонки Кu 3,28 dB).
Теперь о практике - "критерии истины!" При написании статьи у нас на сайте http://smham.ucoz.ru/publ/9-1-0-92 "Еще один ППП" проводились эксперименты с прототипом приемника (без УВЧ). Ни о каком "шунтировании" ДПФ речи не шло. И по журнальной публикации и у нас приемник работал (и работает до сих пор) прекрасно с таким смесителем (ВПД).

Выходит, ruslan mIG (cozycactus) невнимательно читал стаью В.Лифаря.

2   [Материал]
привет
только вы забыли добавить в статье ,что при таком низком входном сопротивлении смесителя ,
такое включение входного контура шунтирует его полностью

1   [Материал]
Некоторые ответы на вопросы по подбору диодов можно найти в статье "О подборе диодов в смесителях" http://smham.ucoz.ru/publ/12-1-0-203

Администрация СМР


Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]