Преобразователь частоты

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при преобразовании частот в приемопередающей аппаратуре, измерительной технике. Технический результат заключается в увеличении развязки между цепями входного сигнала и сигнала гетеродина при обеспечении возможности преобразования частоты входного сигнала на удвоенной частоте сигнала гетеродина при коэффициенте преобразования, большем единицы. Для этого преобразователь частоты содержит резонансный усилительный каскад с расщепленной нагрузкой, охваченный местной отрицательной обратной связью, глубина которой определяется дифференциальным сопротивлением полевых транзисторов, включенных параллельно в пассивном режиме, затворы которых управляются противофазно, что приводит к изменению сопротивления обратной связи дважды за период гетеродинного сигнала. Высокая степень развязки между цепями входного сигнала и напряжения сигнала гетеродина обусловлена взаимной компенсацией противофазных токов с частотой гетеродинного сигнала в нагрузке мостовой схемы, образованной паразитными емкостями затвор-сток полевых транзисторов МОП-типа и обмотками симметрирующего парафазного трансформатора, а также малой проходной емкостью затвор-сток второго и третьего полевых транзисторов. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при преобразовании частот в приемопередающей аппаратуре, измерительной технике.

Из уровня техники известен смеситель (Авторское свидетельство СССР №1510067, 1987 г.), содержащий входной колебательный контур, полевые транзисторы, нагрузку, резисторы, фазовращатель, источник напряжения смещения, источник гетеродинного сигнала. Полевые транзисторы использованы в пассивном режиме, при этом суммарная проводимость сток-исток изменяется. На затворы полевых транзисторов подается открывающее напряжение с выхода фазовращателя, определяющее фазу нахождения в открытом состоянии у всех полевых транзисторов, в результате чего происходит преобразование частоты входного сигнала на кратных частотах гетеродина.

Недостатком данного типа смесителя является низкий коэффициент преобразования, вызванный использованием полевых транзисторов в пассивном режиме и малая развязка цепей гетеродина и входного сигнала вследствие значительной входной емкости затвор-исток полевых транзисторов с р-n переходом.

Наиболее близким техническим решением является преобразователь частоты (Авторское свидетельство СССР №1020969, 1983 г.), который и выбран в качестве прототипа. Данный преобразователь частоты содержит входной колебательный контур, нагрузку, два полевых транзистора, истоки которых соединены между собой, а затворы подключены к выводам вторичной обмотки парафазного симметричного трансформатора, выводы первичной обмотки которого соединены с источником сигнала. При этом входной колебательный контур включен между точкой соединения истоков полевых транзисторов и общей шиной, а нагрузка включена между точкой соединения стоков полевых транзисторов и общей шиной. Полевые транзисторы использованы в пассивном режиме и открываются на пиках гетеродинного напряжения, поступающего с парафазного симметрирующего трансформатора дважды за период гетеродинного напряжения, при этом суммарная проводимость между колебательным контуром и нагрузкой изменяется дважды за период гетеродинного напряжения, в результате чего происходит преобразование частоты входного сигнала на удвоенной частоте гетеродина.

Недостатком данного типа преобразователя является низкий коэффициент преобразования, вызванный использованием полевых транзисторов в пассивном режиме и малая развязка сигнальных и гетеродинных цепей вследствие большой паразитной барьерной емкости сток-затвор полевых транзисторов с р-n переходом.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей преобразователя частоты, а именно в увеличении развязки между цепями входного сигнала и сигнала гетеродина при обеспечении возможности преобразования частоты входного сигнала на удвоенной частоте сигнала гетеродина при коэффициенте преобразования, большем единицы.

Технический результат достигается за счет того, что в преобразователь частоты, содержащий входной колебательный контур, состоящий из второй катушки индуктивности и шестого конденсатора, а также трансформатор, резистор нагрузки, второй полевой транзистор, третий полевой транзистор, истоки и стоки которых соединены между собой, дополнительно введены первый конденсатор, второй конденсатор, четвертый конденсатор, пятый конденсатор, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый биполярный транзистор, источник питания постоянного тока, выходной колебательный контур, состоящий из первой катушки индуктивности и третьего конденсатора, и источник гетеродинного сигнала. Причем в данной схеме использованы полевые транзисторы МОП-типа. Первый вывод первого конденсатора, первый вывод первого резистора, первый вывод первой катушки индуктивности, первый вывод третьего конденсатора и первый вывод резистора нагрузки соединены между собой и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока. Второй вывод первого конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности, второй вывод шестого конденсатора, второй вывод второго резистора, второй вывод третьего резистора, объединенные истоки второго полевого транзистора и третьего полевого транзистора, второй вывод трансформатора соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника питания постоянного тока, соединенного с корпусом. Первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом шестого конденсатора и первым выводом второй катушки индуктивности и является входом напряжения сигнала относительно корпуса. Второй вывод второго конденсатора подключен к второму выводу первого резистора, первому выводу второго резистора и базе первого биполярного транзистора, коллектор которого подключен к второму выводу первой катушки индуктивности, второму выводу третьего конденсатора, подключенного к первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора нагрузки, являющимся выходом сигнала схемы преобразователя. Эмиттер первого биполярного транзистора подключен к точке соединения первого вывода третьего резистора и первого вывода пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к объединенным стокам второго полевого транзистора и третьего полевого транзистора. При этом затвор второго полевого транзистора подключен к первому выводу трансформатора, а затвор третьего полевого транзистора подключен к третьему выводу трансформатора. Четвертый вывод трансформатора соединен с первым выводом источника гетеродинного сигнала, второй вывод которого соединен с пятым выводом трансформатора.

На чертеже приведена схема электрическая принципиальная преобразователя частоты, которая содержит входной колебательный контур 1, состоящий из второй катушки индуктивности 2 и шестого конденсатора 3, а также парафазный симметрирующий трансформатор 4, резистор нагрузки 5, второй полевой транзистор 6, третий полевой транзистор 7, истоки и стоки которых соединены между собой. В схему дополнительно введены первый конденсатор 8, второй конденсатор 9, четвертый конденсатор 10, пятый конденсатор 11, первый резистор 12, второй резистор 13, третий резистор 14, первый биполярный транзистор 15, источник питания постоянного тока 16, выходной колебательный контур 17, состоящий из первой катушки индуктивности 18 и третьего конденсатора 19, и источник гетеродинного сигнала 20. Причем в данной схеме использованы полевые транзисторы МОП-типа с правой характеристикой. Первый вывод первого конденсатора 8, первый вывод первого резистора 12, первый вывод первой катушки индуктивности 18, первый вывод третьего конденсатора 19 и первый вывод резистора нагрузки 5 соединены между собой и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока 16. Второй вывод первого конденсатора 8, второй вывод второй катушки индуктивности 2, второй вывод шестого конденсатора 3, второй вывод второго резистора 13, второй вывод третьего резистора 14, объединенные истоки второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7, второй вывод трансформатора 4 соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника питания постоянного тока 16, соединенного с корпусом. Первый вывод второго конденсатора 9 соединен с первым выводом шестого конденсатора 3 и первым выводом второй катушки индуктивности 2 и является входом напряжения сигнала относительно корпуса. Второй вывод второго конденсатора 9 подключен к второму выводу первого резистора 12, первому выводу второго резистора 13 и базе первого биполярного транзистора 15, коллектор которого подключен к второму выводу первой катушки индуктивности 18, второму выводу третьего конденсатора 19, подключенного к первому выводу четвертого конденсатора 10, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора нагрузки 5, являющимся выводом сигнала схемы преобразователя. Эмиттер первого биполярного транзистора 15 подключен к точке соединения первого вывода третьего резистора 14 и первого вывода пятого конденсатора 11, второй вывод которого подключен к объединенным стокам второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7. При этом затвор второго полевого транзистора 6 подключен к первому выводу трансформатора 4, а затвор третьего полевого транзистора 7 подключен к третьему выводу трансформатора 4. Четвертый вывод трансформатора 4 соединен с первым выводом источника гетеродинного сигнала 20, второй вывод которого соединен с пятым выводом трансформатора 4.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

Напряжение входного сигнала подается на входной колебательный контур 1, настроенный на частоту входного сигнала, образованный второй катушкой индуктивности 2 и шестым конденсатором 3. Далее сигнал поступает на вход резонасного каскада усиления с расщепленной нагрузкой, выполненный по схеме с общим эмиттером, охваченный местной отрицательной обратной связью по переменному току, образованный первым биполярным транзистором 15, первым конденсатором 8, являющимся блокировочным по переменному току, вторым конденсатором 9, четвертым конденсатором 10, пятым конденсатором 11, являющимися разделительными по постоянному току, первым резистором 12, вторым резистором 13, третьим резистором, определяющими режим первого биполярного транзистора 15 по постоянному току. Третий конденсатор 19 и первая катушка индуктивности 18 образуют выходной колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту, и совместно с резистором нагрузки 5 составляют нагрузку преобразователя частоты по переменному току.

К точке соединения эмиттера первого биполярного транзистора 15 и первого вывода третьего резистора 14 через разделительный пятый конденсатор 11 подключены стоки второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7. При этом затворы второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7 подключены к симметрирующему парафазному трансформатору 4 и управляются в противофазе.

При применении однотипных, согласованных по параметрам второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7 паразитные емкости сток-затвор и соответствующие обмотки трансформатора 4, подключенные к затворам данных полевых транзисторов, образуют сбалансированную мостовую схему, что обеспечивает высокое подавление токов с частотой гетеродина в цепях усилительного каскада, позволяя получить высокую степень развязки сигнальной и гетеродинной цепей.

Дифференциальное сопротивление R_диф второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7 изменяется от величины 1/S_(6,7) (на пиках гетеродинного сигнала) до бесконечно большой величины (в запертом состоянии), где S_(6,7) - дифференциальная крутизна каналов открытых второго полевого транзистора 6 и третьего полевого транзистора 7.

При открывающем уровне напряжения сигнала гетеродина (на пиках синусоиды) R_диф«R₍₁₄₎, коэффициент передачи каскада усиления, определяется следующим соотношением: К≈R_н/R_диф.

При запертых втором полевом транзисторе 6 и третьем полевом транзисторе 7 коэффициент передачи каскада усиления определяется следующим соотношением: К=R_H/R₍₁₄₎, где

R_H - эквивалентное сопротивление нагрузки, определяемое первой катушкой индуктивности 18, третьим конденсатором 19 и резистором нагрузки 5.

Так как каскад усиления охвачен местной последовательной отрицательной обратной связью по переменному току, являющейся функцией гетеродинного сигнала, усиление резонансного каскада также определяется глубиной отрицательной обратной связи, являющейся периодической функцией времени.

С учетом того, что второй полевой транзистор 6 и третий полевой транзистор 7 включены параллельно по переменному току, изменение дифференциального суммарного сопротивления каналов полевых транзисторов происходит дважды за период гетеродинного напряжения, при этом коэффициент передачи усиления изменяется от минимального значения, определяемого как К=R_н/R₍₁₄₎, до максимального значения, определяемого как К≈R_н/R_диф, дважды за период гетеродинного напряжения и может быть представлен в следующем виде:

К(t)=K₀+K1cos(2ωгt)+K₂cos(4ωгt)+...,

где К₀ - модуль коэффициента передачи на частоте входного сигнала,

К₁, К₂... - модуль коэффициента передачи на соответствующих частотах, кратных четным частотам гетеродина.

При поступлении на вход преобразователя частоты напряжения сигнала, определяемого по формуле: U_c(t)=U_mc cos(ωct), где:

U_mc - амплитуда входного сигнала,

ωс - круговая частота входного сигнала, на эквивалентном сопротивлении нагрузки R_н появляются следующие составляющие:

U_вых(t)=U_mc cos(ωct) К(t)=U_mc cos(ωct) (К₀+К₁cos (2ωгt)+К₂cos (4ωгt)+...)=U_mc cos(ωct) К₀+U_mc cos(ωct) К₁cos (2ωгt)+U_mc cos(ωct) К₂cos (4ωгt)+...=,

где ωг - круговая частота гетеродина.

В спектре выходного сигнала имеются частоты вида: ωпч=±2nωг±mωс, (где n и m - целые положительные числа).

Подбором элементов колебательного контура, образованного первой катушкой индуктивности 18 и третьим конденсатором 19, могут быть выделены соответствующие комбинационные частоты из спектра выходного сигнала.

Высокая степень развязки между цепями напряжения входного сигнала и напряжения сигнала гетеродина обусловлена взаимной компенсацией противофазных токов с частотой гетеродинного сигнала в нагрузке мостовой схемы, образованной паразитными емкостями затвор-сток второго 6 и третьего 7 полевых транзисторов МОП-типа и соответствующими обмотками симметрирующего парафазного трансформатора 4, а также малой проходной емкостью затвор-сток второго 6 и третьего 7 полевых транзисторов.

Преобразователь частоты содержит резонансный усилительный каскад с расщепленной нагрузкой, охваченный местной отрицательной обратной связью, глубина которой определяется дифференциальным сопротивлением второго 6 и третьего 7 полевых транзисторов, включенных параллельно в пассивном режиме. При этом затворы второго 6 и третьего 7 полевых транзисторов управляются противофазно, что приводит к изменению сопротивления обратной связи дважды за период гетеродинного сигнала.

Преобразователь частоты, содержащий входной колебательный контур, состоящий из второй катушки индуктивности и шестого конденсатора, а также трансформатор, резистор нагрузки, второй полевой транзистор, третий полевой транзистор, истоки и стоки которых соединены между собой, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый конденсатор, второй конденсатор, четвертый конденсатор, пятый конденсатор, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый биполярный транзистор, источник питания постоянного тока, выходной колебательный контур, состоящий из первой катушки индуктивности и третьего конденсатора, и источник гетеродинного сигнала, причем использованы полевые транзисторы МОП-типа, при этом первый вывод первого конденсатора, первый вывод первого резистора, первый вывод первой катушки индуктивности, первый вывод третьего конденсатора и первый вывод резистора нагрузки соединены между собой и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока, второй вывод первого конденсатора, второй вывод второй катушки индуктивности, второй вывод шестого конденсатора, второй вывод второго резистора, второй вывод третьего резистора, объединенные истоки второго полевого транзистора и третьего полевого транзистора, второй вывод трансформатора соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника питания постоянного тока, соединенного с корпусом, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом шестого конденсатора и первым выводом второй катушки индуктивности и является входом напряжения сигнала относительно корпуса, второй вывод второго конденсатора подключен к второму выводу первого резистора, первому выводу второго резистора и базе первого биполярного транзистора, коллектор которого подключен к второму выводу первой катушки индуктивности, второму выводу третьего конденсатора, подключенного к первому выводу четвертого конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора нагрузки, являющимся выходом сигнала схемы преобразователя, эмиттер первого биполярного транзистора подключен к точке соединения первого вывода третьего резистора и первого вывода пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к объединенным стокам второго полевого транзистора и третьего полевого транзистора, при этом затвор второго полевого транзистора подключен к первому выводу трансформатора, а затвор третьего полевого транзистора подключен к третьему выводу трансформатора, четвертый вывод трансформатора соединен с первым выводом источника гетеродинного сигнала, второй вывод которого соединен с пятым выводом трансформатора.