Всякая всячина

Стартовая страница < тут > ...

20. Смесители. 2N7000(2sk241) ...

Не так давно, я приобрёл несколько КМОП транзисторов – 2N7000 для своих экспериментов. Какова причина ?

Во-первых, как оказалось, относительно дешёвые транзисторы 2N7000 вполне приемлемый вариант для ключевых смесителей. Как минимум, сопротивление открытого канала данных транзисторов, по даташиту, примерно 1-2 Ома, что выгодно их презентует на роль «ключей», когда этот параметр является для ключевого смесителя(любой идеологии) чуть ли не самым важным или важным в первую очередь. Скоростные характеристики этих транзисторов, тоже, как оказалось, не подкачали – они вполне могут прекрасно работать вплоть до частот 30 МГц, что для многих радио-любителей покажется очень «соблазнительной» цифрой.

Дополнительная «привлекательность» транзисторов 2N 7000 проявлется ещё в том, что по «уровню коммутации», т.е. по напряжению открывания их по затвору, они вполне и очень подходят под «уровень ТТЛ-логики». Это их свойство очень «полезно» при управлении ими при помощи цифровых ИМС любых серий с возможностью обеспечивать режим работы этих ИМС – режим ТТЛ-логики.

И в-третьих - уж коль они так "похожИ" на КМОП транзисторы 2SK241, а это просто отличные транзисторы особенно для смесителей, ключевых смесителей как в ППП, так и в супергетеродинах, то я надеявшись, подумал - вот я и нашел "дешёвую" замену 2sk241, наверное на целый порядок !!! Повторюсь "скоростные" (переключательные) характеристики транзисторов 2N7000, как оказалось не только по даташиту, а и в реальных рабочих схемах - ничуть не хуже, чем у 2sk241. Тестировалось в смесителях работающих на частотах 14 Мгц - ощутимой разницы - никакой. Возможно, приборы и показали бы точнее эту разницу в 1.5-2 дБ, но заменой транзисторов на другие - абсолютно ничего не меняло !

Напомню, ТТЛ-уровни – это

· +2.4В и более – логическая «1» т.е. уровень открывания/включения

· +0.4В и менее – логический «0» т.е. уровень закрывания/отключения

Вот, собственно, почти и все «привлекательности» этих транзисторов.

Теперь хотелось бы коснуться немного понятия «согласования» входных/выходных сопротивлений каскадов/узлов радиотехники. Если отвлечься от теории и задать себе простой вопрос – «Как обеспечить максимальную передачу мощности входного сигнала через любой радиоприемный аналоговый тракт ?», то наверное (и так оно и есть) правильным ответом или рассуждением было бы следующее – Чтобы максимально передать мощность входного сигнала со входа(антенны) приемного устройства на его выход(динамик), нужно обеспечить «сквозное согласование» всех каскадов по мощности или по сопротивлению ! Взглянем по-быстрому на картинку ниже:

Что тут изображено? Изображено упрощенно, условно и схематически соединение каскадов(узлов) последовательно друг за другом, как это бывает практически во всех приемно-усилительных трактах. «Синий» - это выходной каскад, предыдущий, а «жёлтый» - это последующий или входной каскад. Резисторами R8-R11 показаны, условно, входные и выходные сопротивления каскадов. Теперь зададим себе вопрос – при каких «раскладах» передача мощности в данных соединениях будет максимальной(или оптимальной) ? Чуть ниже изображена цепь из пары резисторов R10R11, которые включены параллельно – это, условно, выходное и входное сопротивление каскадов следующих друг за другом, соответственно. Чтобы обеспечить согласование по мощности, необходимо обеспечить равенство «выходной» отдаваемой и «входной» принимаемой мощности. Так ведь ? Правильно, так оно и есть, т.е. пишем простые равенства (1) и (2), согласно закону Ома, и смотрим ниже:

(1)

Выразим ток через напряжение и сопротивление, т.е.

(2)

Тогда мощности, учитывая равенство (2), будут равны соответственно:

Из равенства (3) видно, что мощности будут равны только в одном случае – при равенстве резисторов R10 и R11, т.к. напряжения на обоих резисторах одинаковы, Uвх общее для обеих ветвей и поэтому токи также будут равны. А это в свою очередь означает, что «согласование» по мощности будет выполнено. И в данном случае, общая мощность распределится поровну на выходном сопротивлении R10 и на входном R11. Т.е. разделится ровно пополам. Не трудно догадаться, что при любых других соотношениях R10 и R11, мощности, входная и выходная, будут не равны и будет «рассогласование» по мощности. Вот, как просто, «на пальцах», объясняется принцип «сквозного согласования» каскадов по мощности.

Такое согласование будет соответствовать «максимальному коэффициенту передачи» мощности по приемному тракту ! Теперь обсудим схему ключевого смесителя на КМОП транзисторе 2N7000. Для начала посмотрим на некоторые графики ниже, которые нам пригодятся в дальнейших рассуждениях:

На рис.1 условно изображено напряжение гетеродина(ГПД). Пусть оно у нас будет в форме синусоиды и примерно такой амплитуды ~1 вольт от пика к пику. Этим напряжением мы будем управлять ключом на транзисторе 2N7000.

На рис.2 условно изображен график напряжения ГПД(синусоида), но смещённый по оси ординат(Y) на величину постоянного «смещения» подаваемого на затвор полевого транзистора 2N7000.

На рис.3 изображена, условно, ВАХ транзистора 2N7000 взятая из Даташита. Т.е. зависимость тока стока от постоянного напряжения затвор-исток. Как мы видим, при напряжениях затвор-исток выше +1…1,5В, транзистор 2N7000 уже открывается. При напряжении на затворе +2В и выше транзистор 2N7000 полностью открыт !

А далее (рис.4) рассмотрим схему простейшего ключевого смесителя на транзисторе 2N7000, работающего на положительной полу-волне гетеродинного напряжения.

Рис.4 – это схема простого одно-транзисторного ключевого смесителя на КМОП транзисторе 2N7000. Вкратце – как это работает. Смеситель параллельного типа – т.е. ключ включен параллельно цепи сигнала. Роль ключа выполняет транзистор Q1 2N7000.

Uвх – это наш входной сигнал поступающий или из антенны, или из ДПФ.

Uгпд – это сигнал ГПД рассмотренный выше на рис.1 и рис.2

Uаудио – это низкочастотный сигнал выделяющийся после демодуляции входного сигнала Uвх.

RV1 – резистор обеспечивающий оптимальное смещение на затворе транзистора 2N7000, при котором будет максимальный коэффициент передачи этого смесителя.

Если мы установим движок резистора RV1 на «землю», то у нас транзистор, согласно его ВАХ на рис.3, будет заперт и ток ВЧ сигнала через емкость С3 и ВЧ дроссель DR2 будет заряжать емкость С4 до того момента, пока будет закрыт транзистор Q1. Как только транзистор Q1 откроется положительной полуволной Uгет, то входной ВЧ ток замкнётся через его открытый канал на землю и в этот момент С4 начнет уже отдавать ток в нагрузку - на входное сопротивление следующего каскада. Дроссель DR2, блокирует «обратный» поток ВЧ тока с емкости С4 во входную цепь – антенну или ДПФ, а также не позволяет входному ВЧ току замыкаться прямо на землю через С4. С емкостью С4 этот дроссель образует простейший ФНЧ в виде «Г-образной цепочки». DR1 – дроссель ВЧ развязки Uгет от источника питания +5В.

Иными словами, при переключении транзистора гетеродинным напряжением Q1 открыт/закрыт, на емкости С4 будет выделяться «мгновенное напряжение» согласно входному ВЧ току, заряжающему эту емкость «мгновенно» до определённого напряжения. Т.е. как мы говорим, в процессе работы ключа будет выделяться огибающая НЧ сигнала из модулированного входного ВЧ сигнала – это и есть процесс Демодуляции ВЧ сигнала при помощи простого ключевого смесителя на КМОП транзисторе Q1 2N7000.

Теперь чуть подробнее о резисторе RV1. Его назначение – выставить такой уровень постоянного напряжения на затворе, при котором Q1 , будет открываться только положительными (!!!) импульсами напряжения ГПД. Причем уровень этого «опорного» напряжения должен быть вполне конкретным. Что это означает ? Это означает, что если подать большое «опорное» напряжение на затвор транзистора Q1, то транзистор практически не будет закрываться в течение периода напряжения с ГПД и емкость С4 не будет успевать разряжаться через входное сопротивления следующего каскада и будет постоянно заряжена в течение периода напряжения Uгпд. Если же сделать малое «опорное» напряжение на затворе Q1, то транзистор будет открываться на очень маленькое время периода ВЧ напряжения ГПД(на его пиках) и емкость С4 будет очень быстро заряжаться и тут же разряжаться, и бОльшую часть периода Uгпд, С4 будет в разряженном состоянии. Как в первом, так и во втором случае коэффициент передачи смесителя будет уменьшаться, падать. Это всё можно понять также из рис.1 и рис.2 проанализировав их визуально. Т.е. для данного конкретного типа транзистора, для вполне определённого уровня Uгпд, а также величин входного и выходного сопротивлений ключевого смесителя(канала транзистора Q1) будет вполне конкретное положение движка резистора RV1, определяющее оптимальное смещение затвора Q1(опорное напряжение). Причем, эта «оптимальность» опорного U или «резонанс» коэффициента передачи смесителя, в реальной схеме, довольно «острый». Т.е. если опорное U больше или меньше оптимального, то коэффициент передачи смесителя резко падает. Таков принцип и так работает одно-транзисторный ключевой смеситель на КМОП транзисторе. Теперь познакомимся с 2-хтранзисторным ключевым смесителем, схема которого приведена ниже - Рис.5 :

Фактически эта схема такая же, что и на рис.4, только для двух полуволн гетеродинного напряжения. Огибающая НЧ сигнала после процесса демодуляции, описанного выше, и возникающая на конденсаторах С5 и С6, далее подается, для «суммирования» на входы операционного усилителя DA1, где и происходит сложение огибающих на положительной и отрицательной полуволнах гетеродинного напряжения. Т.е. каких-либо особых пояснений эта схема не требует. Все рассуждения по её работе аналогичны рассуждениям к схеме на рис.4. Единственное важное и принципиальное замечание, касающееся не только этого конкретного смесителя, но и всех других ключевых смесителей параллельного типа – это то, что смесители такого типа работают как-бы «наоборот», т.е. когда ключи открыты – ВЧ сигнал НЕ проходит через них, когда закрыты – ВЧ сигнал беспрепятственно проходит далее на обработку. Т.е. сопротивление ключа( в нашем случае канала полевого транзистора) никак не влияет на входной сигнал, вернее канал полевого транзистора не «гасит» входной сигнал, как это получается в случае смесителя последовательного типа, когда канал транзистора включен в цепь сигнала последовательно и от его сопротивления(канала) зависит ослабление входного ВЧ сигнала. В нашем случае, когда транзистор закрыт, канал имеет десятки-сотни мегом сопротивление и коэффициент передачи через смеситель Максимальный. На этой «положительной ноте», я, пожалуй, и закончу рассмотрение принципа работы ключевого смесителя на основе КМОП транзистора 2N7000 – т.е. управление им и оптимальные случаи такого управления! Справедливости ради, также можно отметить, что в качестве ключей можно использовать и другие КМОП транзисторы, и с разным напряжением отсечки, а также можно использовать любые аналоговые (коммутирующие аналоговые сигналы) ключи, входящие в состав многих ИМС ТТЛ или КМОП серий. Важным параметром отбора таких ключей для конкретных схем смесителей является минимальное сопротивление открытого ключа и минимальное время переключения ключа из состояния открыт в состояние закрыт.

Как Резюме, можно констатировать такой факт – этот тип смесителя в одной и той же схеме DSB ППП реально обошел симметричный двухполярный смеситель на ВПД(RA3AAE), а также оказался не хуже(в паритете !!!) ключевого кольцевого диодного смесителя. Обе схемы(фрагменты) изображены ниже, соответственно на рис.6 и рис.7:

Рис.6 (миксер Полякова В.Т. RA3AAE)

Рис.7(ключевой кольцевой балансный диодный миксер)

Смеситель на 2-х КМОП транзисторах 2N7000, рис.5, испытывался в DSB ППП на 14 МГц. Напряжение с ГПД управления ключами формировалось следующим образом – С ГПД(или синтезатора) получали частоту 28 МГц, а затем её делили на 2, получая частоту 14 МГц для управления ключами на 2N7000 и одновременно получая ТТЛ-управление, с размахом амплитуды импульсов более +2.4В. Входная часть ВЧ-НЧ тракта реального DSB ППП выполненного на диапазон 7 МГц изображена на последней странице этого документа. Как видно, сам смеситель банально прост при его отличных шумовых параметрах. Некоторая нелинейность такого смесителя может быть обусловлена лишь нелинейностью полностью открытого канала транзистора ! Желательно, чтобы канал транзистора имел характер сопротивления чисто «активный»(R) без любого «реактивного»(L/C).