Экспериментальное исследование основных свойств преобразователей частоты на полевых транзисторах и интегральных микросхемах, страница 2

Сравнивая между собой (1) и (2), видим, что число комбинационных частот меньше при преобразовании частоты на параметрическом элементе, чем при преобразовании на нелинейном элементе.

1.1. Преобразователи частоты на нелинейном элементе

В таких преобразователях частоты к нелинейному элементу подводятся напряжения с частотой сигнала f_с и гетеродина f_г, а в избирательной нагрузке выделяется напряжение промежуточной частоты f_пр .

Важнейшим показателем преобразователя частоты является его коэффициент передачи (коэффициент преобразования), величина которого зависит от крутизны активного элемента в режиме преобразования S_пр и сопротивления нагрузки R_нагр:     K_пр = S_пр R_нагр.

Что такое крутизна преобразования?

В теории преобразования частоты показано, что если к нелинейному элементу приложены напряжение сигнала U_с = U_mc cos(ω_ct + φ_c), напряжение гетеродина U_г = U_mг cosω_гt  и U_mc << U_mг, то крутизна нелинейного элемента практически меняется лишь под действием гетеродинного напряжения, а выходной ток содержит три составляющие:

.

Третье слагаемое представляет собой ток разностной или промежуточной частоты. Его амплитуда равна I_m1 = 0,5S_m1U_mc , где величина 0,5S_m1  называется крутизной преобразования S_пр.

Крутизна преобразования зависит от амплитуды гетеродинного напряжения, наклона статической характеристики крутизны S(u) и выбранного режима работы смесителя. Различают два режима работы смесителя: с отсечкой и без отсечки крутизны.

Пусть проходная вольт-амперная характеристика смесителя представлена полиномом второй степени – параболой (рис. 1,а):

.

В этом случае крутизна вольт-амперной характеристики имеет линейную зависимость от управляющего напряжения (рис. 1,б)

.

В режиме без отсечки напряжение смещения Е_см выбирается в середине линейного участка характеристики крутизны S(u), а амплитуда гетеродинного напряжения должна быть такой, чтобы она не выходила за пределы линейного участка (рис. 1,б).

При этом крутизна меняется под действием гетеродинного напряжения по закону  S(t) = S₀ + S_m1cosω_гt,  а крутизна преобразования равна   S_пр = 0,5 S_m1 = 0,25 (S_max – S_min),  что отображено на рис. 1,в.

    

                а                                    б                                           в

Рис. 1

Очевидно, что крутизна преобразования максимальная, если смещение Е_см и амплитуда напряжения гетеродина U_mг выбраны так, что S_min = 0, а S_max имеет максимально возможное значение. Тогда S_пр = 0,25 S_max.

На практике зависимость статической крутизны от управляющего напряжения не является линейной, как предполагалось выше, и изменение крутизны во времени происходит не по синусоидальному закону. При точных расчетах для определения S_пр следует вычислить амплитуду первой гармоники крутизны по разложению S(t) в ряд Фурье.

Используется и другой режим работы смесителя – с отсечкой, который реализуется в том случае, когда напряжение гетеродина U_mг и смещение Е_см выбраны так, что закон изменения крутизны во времени S(t) резко несинусоидален и представляет собой импульсы с углом отсечки q (рис. 2). Угол отсечки q зависит от напряжения отсечки Е_отс , смещения Е_см и амплитуды гетеродина U_mг:    cosθ = (E_отс – E_см)/U_mг .

Для случая когда статическая характеристика линейно зависит от управляющего напряжения (рис. 2), определить первую гармонику крутизны S_m1 и, следовательно, крутизну преобразователя S_пр можно используя коэффициент Берга.

Рис. 2

Работа с отсечкой тока не дает существенного повышения величины крутизны преобразования. Максимальное значение крутизны преобразования при работе на первой гармонике соответствует q = 120° и равно 0,27S_max (при которой импульсы крутизны имеют косинусоидальную форму).

При значительных амплитудах гетеродинного напряжения импульсы крутизны становятся П-образными, при этом максимальная крутизна преобразования становится равной   S_max/π .

При малых амплитудах гетеродина крутизна преобразования пропорциональна величине U_mг, а при больших значениях U_mг крутизна S_пр практически остается постоянной (сплошная линия на рис. 3). Такая зависимость соответствует случаю работы преобразователя частоты при постоянном смещении на управляющем электроде. Реальные схемы преобразователей частоты могут иметь автоматическое смещение. В этом случае с ростом U_mг растет смещение, уменьшается угол отсечки q и вследствие этого уменьшается крутизна преобразования S_пр (пунктирная кривая на рис. 3). Постоянство S_пр при больших U_mг является достоинством, которое важно для диапазонных приемников, где U_mг изменяется при перестройке по частоте.