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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Mélangeurs à transistors à effet de champ. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radiocommunications civiles L'article présenté à l'attention des lecteurs examine et discute des variantes de circuits mélangeurs réalisés sur des transistors à effet de champ utilisés en mode résistance contrôlée (sans source d'alimentation). De tels mélangeurs présentent un certain nombre d'avantages qui peuvent étendre considérablement la plage dynamique des récepteurs, notamment des récepteurs hétérodynes (conversion directe). Dans l'environnement d'interférence sévère d'aujourd'hui, une large plage dynamique du mélangeur est importante, ce qui permet d'éliminer considérablement la diaphonie, l'intermodulation et les interférences similaires provenant de signaux hors bande puissants, qui ne sont pratiquement pas atténués. par des cascades installées devant le filtre de sélection principal. S'il est encore possible de prendre un certain nombre de mesures dans le convertisseur de fréquence RF qui augmentent sa linéarité, alors les mélangeurs sont le plus souvent réalisés sur des éléments non linéaires (diodes, transistors), qui, par le principe même de fonctionnement de nombreux mélangeurs qui convertissent la fréquence , doit être non linéaire. Pour cette raison, la plage dynamique d’un mixeur est généralement pire que celle d’un AMP. Des mélangeurs basés sur des transistors à effet de champ en mode résistance active contrôlée sont proposés et utilisés depuis assez longtemps, dont les avantages n'ont pas encore été suffisamment appréciés. Le circuit du mélangeur le plus simple utilisant un transistor à effet de champ est illustré à la Fig. 1.
Le signal du circuit d'entrée est envoyé à la source du transistor et le signal IF ou LF (dans un récepteur hétérodyne) est retiré du drain. Aucune source d'alimentation requise. La tension de l'oscillateur local est appliquée à la grille du transistor et contrôle la résistance du canal. On sait qu'à basse tension, l'espace source-drain (canal) d'un transistor à effet de champ se comporte comme une résistance linéaire, quelle que soit la polarité de la tension appliquée. Dans le même temps, la résistance du canal peut varier en fonction de la tension grille-source, de plusieurs dizaines d'ohms à plusieurs mégohms. Cela permet au transistor à effet de champ d'être utilisé dans les mélangeurs comme élément linéaire contrôlé. Les principaux avantages du mélangeur incluent une sensibilité élevée, puisque ni le courant d'alimentation ni le courant de l'oscillateur local ne traversent le canal du transistor, mais seulement un faible courant de signal, tandis que le transistor est plus bruyant qu'une résistance conventionnelle avec la même résistance, et une linéarité élevée. , car avec une faible tension d'entrée, la conductivité du canal n'en dépend pas. De plus, le mélangeur se caractérise par une faible pénétration du signal de l'oscillateur local dans le circuit d'entrée (uniquement grâce à une petite capacité entre la grille et le canal du transistor) et une puissance extrêmement faible requise de la part de l'oscillateur local, car la résistance d'entrée le long de la grille le circuit est haut. Un mélangeur aussi simple offre une sensibilité d'environ 1 µV (sans AMP) et une plage dynamique d'environ 65 dB. Vous pouvez augmenter la plage dynamique des manières classiques suivantes : passer à un circuit équilibré, vous assurer que le mélangeur fonctionne en mode clé et faire correspondre le mélangeur à la charge sur une large bande de fréquences. Les circuits mélangeurs équilibrés sur transistors à effet de champ sont nés de circuits similaires sur diodes, avec le canal du transistor connecté à la place d'une diode, et la polarité de cette dernière correspond à la connexion en phase ou en antiphase de la grille à l'oscillateur local . En figue. La figure 2 montre un circuit d'un mélangeur équilibré utilisant deux transistors à effet de champ. Le signal est fourni aux sources des transistors en phase et la tension hétérodyne aux grilles est en antiphase, ce qui garantit que les transistors s'ouvrent alternativement avec des alternances positives.
Aux drains des transistors, les signaux IF (LF) sont déphasés, ce qui nécessite l'utilisation d'un transformateur basse fréquence T2 (dans tous les schémas, les noyaux magnétiques des transformateurs IF (LF) sont représentés en trait plein , contrairement aux HF, où les noyaux magnétiques sont représentés comme magnétodiélectriques). Le mélangeur est équilibré pour les entrées hétérodyne et signal. Le premier signifie que la tension hétérodyne n'atteint pas l'entrée du signal, puisque deux capacités grille-canal parasites sont connectées aux bornes anti-phase de l'enroulement secondaire du transformateur T1. La seconde signifie que des produits de conversion parasites, par exemple des courants basse fréquence résultant de la détection directe de signaux d'entrée, sont appliqués aux entrées antiphases du transformateur LF et sont mutuellement compensés. Une autre variante d'un simple circuit mélangeur équilibré est illustrée à la Fig. 3.
Ici, le signal est fourni aux canaux du transistor en antiphase et la tension de l'oscillateur local vers les grilles est en phase. Comme précédemment, le mélangeur est équilibré à tension hétérodyne. Il est moins évident que le mixeur soit également symétrique pour une détection directe des signaux d'entrée. Le fait est que les produits de détection directe s'avèrent en phase aux drains des transistors (le dispositif fait office de redresseur double alternance) et sont compensés dans le transformateur basse fréquence T2. Les inconvénients des mélangeurs équilibrés simples décrits comprennent une suppression incomplète des sous-produits de conversion, en particulier des secondes harmoniques des signaux d'entrée et hétérodynes. La plus grande pureté du spectre est fournie par des mélangeurs doublement équilibrés (analogues des mélangeurs en anneau). Le circuit d'un tel mélangeur à quatre transistors est représenté sur la Fig. 4.
Le mélangeur nécessite trois transformateurs balun installés à toutes les entrées/sorties. Ici, les canaux des transistors VT1, VT2 et VT3, VT4 sont alternativement tirés, reliant les bornes des enroulements symétriques des transformateurs T1 et TZ soit directement (VT1 et VT2 sont réalisés), soit croisés (VT3 et VT4 sont réalisés) . Ce mélangeur donne d'excellents résultats dans les récepteurs superhétérodynes, fournissant presque la plage dynamique maximale actuellement réalisable. Bien entendu, il faut prendre toutes les mesures pour augmenter la symétrie des transformateurs et sélectionner des transistors ayant les mêmes caractéristiques. Lorsqu'ils sont utilisés dans des récepteurs hétérodynes, les mélangeurs selon les circuits de la Fig. 2-4 présentent un inconvénient majeur lié à la présence d'un transformateur basse fréquence, qui demande beaucoup de main d'œuvre à fabriquer et est sensible à diverses interférences, y compris le bruit du réseau avec une fréquence de 50 Hz. Les distorsions liées à la non-linéarité des caractéristiques magnétiques du circuit magnétique ne peuvent être exclues. Il n'y a pas de transformateur basse fréquence dans le mélangeur selon le schéma de la Fig. 5, où les signaux d'entrée et hétérodyne sont fournis à deux transistors en antiphase.
Il s'agit essentiellement d'un transistor analogique d'un mélangeur équilibré à deux diodes. Cependant, le mélangeur présente des inconvénients qui ne sont pas immédiatement visibles. Il n’est pas équilibré sur l’entrée de l’oscillateur local. Le signal de l'oscillateur local déphasé au niveau des grilles du transistor s'échappe à travers des capacités parasites jusqu'aux bornes extrêmes de l'enroulement symétrique du transformateur T1 et n'est pas compensé. En plus des dommages évidents causés par le rayonnement du signal de l'oscillateur local à travers l'antenne, à savoir la création d'interférences avec d'autres récepteurs à proximité, cela se heurte à la réception de son propre signal, mais déjà modulé par le courant alternatif de fond et d'autres ingérence. Il existe au moins deux façons de résoudre le problème. La première consiste à ajouter des capacités neutralisantes - condensateurs C1 et C2, connectés en croix par rapport aux capacités parasites des transistors VT1 et VT2. En ajustant leur capacité, vous pouvez obtenir une suppression significative du signal de l'oscillateur local à l'entrée. Ceci est également utile lors de l'utilisation d'un mélangeur dans les voies de transmission (après tout, tous les mélangeurs passifs décrits sont complètement réversibles), lorsqu'un signal audio est fourni à l'entrée LF et qu'un signal DSB modulé équilibré est retiré de l'entrée HF. Une autre façon consiste à utiliser un inverseur de phase à transistor au lieu d'un transformateur balun T1, voir fig. 6.
À la source et au drain du transistor VT1, des tensions de signal égales et antiphases sont générées, qui sont fournies via les condensateurs de séparation C2 et C3 aux sources des transistors mélangeurs VT2 et VT3. Dans un récepteur hétérodyne, les condensateurs doivent avoir une capacité importante, car non seulement les courants haute fréquence, mais aussi les fréquences audio les traversent. À la place du VT1, vous pouvez utiliser un transistor bipolaire, mais il a une moins bonne linéarité et une résistance d'entrée plus faible. Le mélangeur se caractérise par une suppression élevée du signal de l'oscillateur local à l'entrée, qui est facilitée par la connexion antiphase des transistors du mélangeur au transformateur T1 et à l'étage d'entrée à phase inversée. Mais ce dispositif présente aussi un inconvénient : les résistances de sortie le long des circuits source et drain de la cascade sur le transistor VT1 sont différentes (la première est inférieure) et l'inverseur de phase, d'une manière générale, est asymétrique. Dans le mélangeur équilibré illustré à la Fig. 7, la pénétration du signal de l'oscillateur local dans le circuit d'entrée est réduite du fait que les transistors VT1, VT3 avec un canal P sont connectés en parallèle aux transistors VT2, VT4 avec un canal N, et la tension de l'oscillateur local de l'enroulement symétrique du transformateur T2 est appliqué à des transistors de conductivité opposée en antiphase. Dans ce cas, les transistors VT1 et VT2 s'ouvrent sur une alternance de la tension hétérodyne, et VT3 et VT4 sur l'autre. La connexion parallèle des canaux réduit la résistance des bras du mélangeur à l'état ouvert et améliore également la linéarité du mélangeur. À propos, cela a longtemps été utilisé dans les commutateurs logiques CMOS bidirectionnels.
Les commutateurs mentionnés peuvent être utilisés dans des mélangeurs, mais malheureusement, dans les éléments logiques CMOS, le signal de commande antiphase (hétérodyne) pour un transistor à canal P est formé à partir du signal arrivant à la grille d'un transistor à canal P à l'aide d'un inverseur. Ce dernier a un temps de retard assez long (environ 50 ns pour la série K561 MS), à la suite duquel apparaît un déphasage supplémentaire, ce qui aggrave le fonctionnement du mélangeur aux hautes fréquences ; en particulier le passage du signal hétérodyne à l’entrée du mixeur n’est pas complètement éliminé. En conclusion, considérons le fonctionnement d'un mélangeur très intéressant et simple, proposé spécifiquement pour les récepteurs hétérodynes (Fig. 8). Il est réalisé sur deux transistors à effet de champ identiques, dont les canaux sont connectés en parallèle, et des tensions hétérodynes antiphases provenant de l'enroulement symétrique du transformateur T1 sont fournies aux grilles. Les transistors doivent être désactivés à une tension de grille nulle et ouverts uniquement aux pics de tension hétérodynes. En conséquence, le mélangeur s'ouvre deux fois pendant la période de tension de l'oscillateur local et la fréquence de l'oscillateur local est choisie pour être la moitié de la fréquence du signal.
Ceci est très avantageux, en particulier pour les récepteurs VHF (moins d'étages de multiplication de fréquence sont nécessaires) et en général pour tous les récepteurs hétérodynes, puisque le signal de l'oscillateur local « fuyant » dans le circuit d'antenne est efficacement supprimé par le filtre d'entrée. L'utilisation de ce mélangeur dans les récepteurs VHF hétérodynes synchrones est prometteuse, où une faible pénétration du signal de l'oscillateur local dans les circuits d'entrée est extrêmement importante. Cependant, ce mélangeur n'est équilibré qu'à l'entrée de l'oscillateur local, mais pas à l'entrée du signal. Par conséquent, une détection directe parasite de signaux interférents puissants sur la non-linéarité des transistors de transition source-drain est possible. Auteur : M. Syrkin (UA3ATB)
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