ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

И. Василькевич, Радио №5/1964, ст.26

В отличие от ламповых транзисторные преобразователи имеют низкое входное и высокое выходное сопротивления и сравнительно вы­сокий уровень собственных шумов и нелинейных искажений. Кроме того, для них характерна значитель­ная взаимосвязь между контурами входного устройства и гетеродина, а также зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала и ге­теродина, амплитуды гетеродина от режима по постоянному току и тем­пературы окружающей среды.

Транзисторные преобразователи частоты можно разделить на две группы: преобразователи на двух транзисторах (смеситель + гете­родин) и генерирующие (аддитив­ные) преобразователи, в которых функции гетеродина и смесителя вы­полняет один транзистор.

По способу подачи напряжения сигнала и гетеродина преобразова­тели также делятся на две группы. К первой группе относятся преобра­зователи, в которых напряжения сиг­нала и гетеродина подаются на один электрод транзистора, а ко второй — преобразователи, в которых напряже­ния сигнала и гетеродина подводят­ся к разным электродам. Наилучшим коэффициентом преобразования обла­дают преобразователи первой груп­пы, в которых напряжения сигнала и гетеродина подаются в цепь базы. Из преобразователей второй группы наилучшие параметры имеют преоб­разователи, в которых напряжение сигнала подается в цепь базы, а напряжение гетеродина в цепь эмит­тера, в частности, они имеют более слабую связь между входными и гетеродинными контурами. Наи­меньшую связь между контурами ге­теродина и входного устройства мо­жно получить в каскодной схеме пре­образователя частоты типа общий эмиттер — общая база. Однако эта схема не получила широкого распро­странения из-за плохого использо­вания усилительных свойств тран­зисторов и из-за того, что внутрен­няя обратная связь сильно растет с увеличением частоты.

При выборе типа транзистора для преобразователя частоты необходи­мо принимать во внимание следую­щие факторы:

1. С ростом частоты увеличивается входная и выходная проводимость транзистора, причем наиболее бы­стрый рост наблюдается на частотах fc>=0,8f_a.
2. При увеличении частоты умень­шается коэффициент передачи В транзистора

3. На высоких частотах fc>=0,5f_a работа транзистора существенно за­висит от предельной частоты цепи коллектора

Из сказанного ясно, что в смеси­теле преобразователя частоты сле­дует применять транзисторы с до­статочно высокой граничной часто­той, по крайней мере с f_a>2 f_{c макс}. Лучше других в таких схемах рабо­тают транзисторы типа П401 — П403, П410—П411.

Преобразователи частоты с отдель­ным гетеродином. Преобразователи этого типа дают возможность подобрать оптимальные режимы работы смесителя и гете­родина. Так, смеситель хорошо ра­ботает при небольших коллектор­ных токах, а гетеродин, наоборот, при сравнительно больших токах. Несколько схем смесителей на тран­зисторах приведено на рис. 1. В смесителе радиоприемника «Спидо­ла» (рис. 1, а) напряжения входного сигнала, и гетеродина подаются на базу транзистора T1 смесителя че­рез последовательно соединенные ка­тушки связи L_CB1 и Т_СВ2.

В смесителях, показанных на рис. 1,б и 1,в, напряжения сигнала и гетеродина подаются на разные элек­троды транзисторов смесителей. Пре­имущество смесителя, собранного по схеме, изображенной на рис. 1, б, состоит в том, что при коммутации в цепи катушки связи или ее обры­ве режим смесителя по постоянному току не нарушается. В остальном ка­чественные показатели обеих схем примерно одинаковы.

Для ориентировочного определе­ния коэффициента усиления смеси­теля (рис. 1, б) на рабочей частоте можно воспользоваться экспери­ментально снятыми зависимо­стями коэффициента усиления сме­сителя от частоты сигнала для тран­зисторов типа Г1401 — П403 (рис. 2) и П411 (рис. 3). Коэффициент усиле­ния измерен со входа смесителя при работе на эквивалент входного сопро­тивления усилителя ПЧ(R_ВХ= 100 Ом). При выборе режима работы смеси­теля (рис. 1) по постоянному току необходимо принимать во внимание, что с увеличением напряжения на коллекторе, с одной стороны, умень­шается емкость коллекторного пере­хода, в результате чего увеличива­ется коэффициент усиления и ста­бильность схемы, а с другой — растет потребляемая мощность и па­дает кпд (рис. 4). Существует оп­тимальный ток эмиттера, при ко­тором коэффициент усиления сме­сителя максимален. Эксперименталь­ные зависимости коэффициента уси­ления смесителя от тока эмиттера (рис. 5) позволяют определить это оптимальное значение. Для транзис­торов типов П403 и П411 оно равно 0,4 ма. Величина его не является критичной, так при изменении тока эмиттера на ±20% коэффициент уси­ления изменяется примерно на 5% (см. рис. 5).

Для транзисторов типа П401—П403 и П410—П411, работающих в схеме смесителя рис. 1, б, оптимальным ре­жимом по постоянному току можно считать режим, при котором напря­жение Uкэ — —5 в, а ток Ц = 0,4 ма. Оптимальное напряжение гетеродина для указанного типа транзисторов на частотах, не превышающих 20 Мгц, лежит в пределах 0,15—0,25 в. На более высоких частотах амплитуду гетеродина рекомендуется увеличи­вать примерно пропорционально час­тоте. Амплитудная характеристика смесителя (рис. 1, б) при входных сигналах менее 5—6 мв линейна. Входное сопротивление смесителя на частоте 20 Мгц составляет 150 ом.

В настоящее время не представля­ется возможным дать простой и в то же время достаточно полный и точный расчет преобразователей ча­стоты на транзисторах. При проекти­ровании преобразователей частоты всегда стремятся получить от кас­када наибольшее усиление. Однако следует иметь в виду, что при слиш­ком больших коэффициентах усиле­ния, хотя колебательные контуры в цепях базы и коллектора и настрое­ны на разные частоты, преобразова­тели могут неустойчиво работать и даже возбуждаться. Причиной этого являются внутренние обратные связи в транзисторе, которые не позволяют полностью использовать потенциаль­ные усилительные свойства преобра­зователя

Преобразователи частоты на одном транзисторе.

В генерирующих преобразователях (рис. 6) невозможно подобрать ре­жим, оптимальный и для генерирова­ния и для преобразования. Поэтому эти преобразователи менее стабиль­ны в работе, имеют меньший коэф­фициент усиления и более высокий уровень нелинейных искажений. На­иболее целесообразно такие преобра­зователи применять в простейших карманных приемниках, работающих в диапазоне средних и длинных волн.

Для входного сигнала транзистор преобразователя включен по схеме с общим эмиттером, для сигнала гете­родина — по схеме с общей базой. Гетеродин собран по схеме с индук­тивной связью. Катушка обратной связи Lз включена в цепь коллектора преобразователя последовательно с фильтром промежуточной частоты C3L4 эмиттер транзистора подключен к части контура гетеродина L2 С6. Результаты экспериментального исследования преобразователя, вы­полненного на одном транзисторе (рис. 6), приведены на рис. 7—9. На рис. 7 представлена зависимость напряжения гетеродина от коэффи­циента включения контура в цепь эмиттера. Зависимости сняты при постоянном числе витков катушки £з для различных токов коллектора и разных частот сигнала. Наилучшие условия работы гетеродина на всех частотах получаются при коэффи­циенте включения эмиттерного кон­тура

где n₂— число витков катушки. При снижении коэффициента р_э напряжение гете­родина меняется незначительно, при увеличении же его до 0,1 генерация срывается.

Большое влияние на работу гете­родинной части преобразователя ока­зывает соотношение коэффициентов включения гетеродинного контур а,це­пи коллектора и эмиттера транзисто­ра. Наилучшие условия для работы гетеродина создаются при коэффи­циенте р_св = 2р₃, где р₃— коэф­фициент включения контура гетеродина в цепь эмиттера;  р_св=n₃/n₂ коэффициент связи гетеродинного контура с цепью коллектора (n₃—чис­ло витков катушки L₃).

Таким образом, оптимальные ус­ловия для работы гетеродина созда­ются при выполнении следующих равенств:

р₃ = 0,05 и р_св — 0,1

Экспериментальные зависимости коэффициента преобразования от то­ка коллектора (рис. 8) и частоты сиг­нала (рис. 9) показывают, что наи­лучшими параметрами преобразова­тель (рис. 6) обладает при токе кол­лектора I_к = 0,75 ма (Uкэ=5—6 в). Коэффициент усиления по напряже­нию в этом случае равен 8—10, при­чем величина его мало зависит от частоты сигнала.