電界効果トランジスタミキサー。スキーム、説明

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電界効果トランジスタミキサー。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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読者の注意を引いたこの記事では、抵抗制御モード (電源なし) で使用される電界効果トランジスタで作られたミキサー回路のオプションが検討され、議論されています。このようなミキサーには、受信機、特にヘテロダイン (ダイレクトコンバージョン) 受信機のダイナミックレンジを大幅に拡大できる多くの利点があります。

今日の厳しい電波干渉環境では、ミキサーの広いダイナミックレンジが重要です。これにより、クロストーク、相互変調、および強力な帯域外信号からの同様の干渉を大幅に取り除くことができます。これらの干渉は、設置されたカスケードによって実質的に減衰されません。メイン選択フィルターの前。

RF 周波数コンバーターでその線形性を高めるためにまだ多くの対策が講じられる場合、ミキサーは非線形要素 (ダイオード、トランジスター) で実行されることが最も多く、これは多くの周波数変換ミキサーの動作原理そのものによるものです。、非線形でなければなりません。このため、ミキサーのダイナミックレンジは通常 URCH よりも悪くなります。

すでに長い間、制御アクティブ抵抗モードの電界効果トランジスタに基づくミキサが提案および使用されてきましたが、その利点はまだ十分に評価されていません。単一の電界効果トランジスタ上の最も単純なミキサーの図を図に示します。 1.

FETミキサー

入力回路からの信号はトランジスタのソースに供給され、IF または LF 信号 (ヘテロダイン受信機の場合) はドレインから取り出されます。電源は必要ありません。局部発振器の電圧はトランジスタのゲートに印加され、チャネル抵抗を制御します。

低電圧では、印加電圧の極性に関係なく、FET のソース-ドレインギャップ (チャネル) が線形抵抗のように動作することが知られています。同時に、チャネル抵抗は、ゲート・ソース間電圧に応じて、数十オームから数メガオームまで変化します。これにより、ミキサー内で電界効果トランジスタを制御された線形要素として使用できるようになります。

ミキサの主な利点には、電源電流も局部発振器電流もトランジスタチャネルを通過せず、微弱な信号電流のみを通過するため高感度が挙げられますが、トランジスタは同じ抵抗を持つ従来の抵抗器よりも若干多くのノイズを発生します。また、入力電圧が小さい場合、チャネルのコンダクタンスがそれに依存しないため、高い直線性が得られます。

さらに、このミキサーは、ゲート回路の入力抵抗が高いため、入力回路への LO 信号の侵入が低く (ゲートとトランジスタチャネル間の小さな容量のみを介して)、LO に必要な電力が非常に低いという特徴があります。

このような単純なミキサーは、約 1 μV (URF なし) の感度と約 65 dB のダイナミックレンジを提供します。ダイナミックレンジは、次のような古典的な方法で増やすことができます。平衡回路に切り替え、ミキサーがキーモードで動作するようにし、ミキサーと負荷を広い周波数帯域で一致させます。平衡 FET ミキサー回路は、ダイオードの代わりにトランジスタチャネルが接続された同様のダイオード回路から生まれました。後者の極性は、ゲートと局部発振器の同相接続または逆相接続に対応します。

図上。図２は、２つの電界効果トランジスタを備えた平衡ミキサの図を示す。信号はトランジスタのソースに同相で供給され、ゲートへのヘテロダイン電圧は逆相であるため、トランジスタは正の半波ずつ順に開きます。

FETミキサー

トランジスタのドレインでは、IF (LF) 信号の位相がずれているため、低周波トランス T2 を使用する必要があります (すべての図で、IF (LF) トランスの磁気回路は実線で示されています)。 HF とは対照的に、磁気回路は磁気誘電体として示されます。ミキサーはヘテロダイン入力と信号入力の両方に対してバランスが取れています。 1 つ目は、XNUMX つのゲートチャネル寄生容量がトランス TXNUMX の XNUMX 次巻線の逆相端子に接続されているため、ヘテロダイン電圧が信号入力に到達しないことを意味します。 XNUMX つ目は、入力信号の直接検出によって生じる低周波電流などの寄生変換生成物が、低周波トランスの逆相入力に印加され、互いに打ち消し合うことを意味します。

単純なバランスミキサー回路の別の変形を図 3 に示します。 XNUMX.

FETミキサー

ここで、信号は逆位相でトランジスタのチャネルに供給され、ゲートへの局部発振器の電圧は同位相になります。前と同様に、ミキサーはヘテロダイン電圧に対してバランスがとられています。入力信号の直接検出という点では、ミキサーが平衡であることはあまり明らかではありません。実際のところ、直接検出の製品はトランジスタのドレインで同相であり（デバイスは全波整流器として機能します）、低周波トランスT2で補償されます。上述の単純なバランス型ミキサの欠点には、変換副産物、特に入力信号とヘテロダイン信号の第 XNUMX 高調波の抑制が不完全であることが含まれます。

スペクトルの最高の純度は、4 つのバランス型ミキサー (リングミキサーの類似物) によって提供されます。 XNUMXつのトランジスタによるこのようなミキサーのスキームを図に示します。 XNUMX.

FETミキサー

ミキサーには、すべての入力/出力に 1 つのバランストランスを取り付ける必要があります。ここで、トランジスタVT2、VT3とVT4、VT1のチャネルは交互に実行され、変圧器T1とTKの対称巻線の端子を直接接続するか（VT2とVT3を導通）、または交差（VT4とVTXNUMXを導通）します。このミキサーはスーパーヘテロダイン受信機で優れた結果をもたらし、現在達成可能な最大に近いダイナミックレンジを提供します。もちろん、トランスの対称性を高めたり、同じ特性のトランジスタを選択したりするなどの万全の対策が必要です。

ヘテロダイン受信機で使用される場合、図のスキームによるミキサーは、図２〜４の装置には、低周波トランスの存在に関連した大きな欠点があり、製造に手間がかかり、５０Ｈｚの周波数を有するネットワークのものを含む様々なピックアップの影響を受けやすい。磁気回路の磁気特性の非線形性に関連する歪みは排除されません。

図１のスキームによれば、ミキサーには低周波トランスが存在しない。ここでは、入力信号とヘテロダイン信号が 5 つのトランジスタに逆位相で供給されます。

FETミキサー

実際、これは 1 ダイオードバランスミキサーのトランジスタの類似物です。ただし、ミキサーにはすぐには分からない欠点があります。ヘテロダイン入力ではバランスがとれていません。トランジスタのゲートにおける逆位相の局部発振器信号は、寄生容量を介して変圧器 TXNUMX の対称巻線の極端な端子に浸透し、補償されません。アンテナを介した局部発振器信号の放射によって引き起こされる明白な害、すなわち近くにある他の受信機との干渉の生成に加えて、これはそれ自身の信号の受信を伴うが、すでにACハムや他の干渉によって変調されている。。

問題を解決するには少なくとも 1 つの方法があります。 2 つ目は、中和容量、つまりトランジスタ VT1 と VT2 の寄生容量に対して交差して接続されたコンデンサ CXNUMX と CXNUMX を追加することです。静電容量を調整することで、入力における局部発振器信号を大幅に抑制できます。これは、オーディオ信号が低周波入力に適用され、バランス変調された DSB 信号が高周波入力から除去されるとき、伝送パスでミキサーを使用する場合にも役立ちます (結局のところ、説明したすべてのパッシブミキサーは完全に可逆的です)。周波数入力。

もう 1 つの方法は、平衡変圧器 T6 の代わりにトランジスタ位相反転器を使用することです (図を参照)。 XNUMX.

FETミキサー

トランジスタＶＴ１のソースとドレインには、等しく逆位相の信号電圧が割り当てられ、結合コンデンサＣ２、Ｃ３を介してミキサトランジスタＶＴ２、ＶＴ３のソースに供給される。ヘテロダイン受信機では、高周波電流だけでなく可聴周波電流も通過するため、コンデンサには大きな静電容量が必要です。 VT1 の代わりにバイポーラトランジスタを使用することもできますが、直線性が悪く、入力抵抗が低くなります。

このミキサーは、入力における局部発振器信号の高度な抑制が特徴であり、これはミキサートランジスタとトランス T1 の逆相接続および位相反転入力段によって促進されます。しかし、このデバイスには欠点もあります。VT1 トランジスタのカスケードのソースおよびドレイン回路に沿った出力抵抗が異なり (最初の抵抗は以下にあります)、一般的に位相反転器は非対称です。

図のバランスミキサーでは、図7に示すように、pチャネルのトランジスタVT1、VT3がnチャネルのトランジスタVT2、VT4と並列に接続されているため、入力回路への局部発振器信号の浸透が減少します。変圧器 T2 の対称巻線からの電流は、逆の導電率の逆位相のトランジスタに適用されます。同時に、トランジスタ VT1 と VT2 はヘテロダイン電圧の一方の半波で開き、VT3 と VT4 はもう一方の半波で開きます。チャネルの並列接続により、オープン状態でのミキサーアームの抵抗が減少し、さらにミキサーの直線性が向上します。ちなみに、これは双方向CMOSロジックキーで長年使用されてきました。

FETミキサー

ミキサーで前述のスイッチを使用することは可能ですが、残念なことに、CMOS ロジックエレメントでは、p チャネルトランジスタの逆位相制御信号 (ヘテロダイン) は、p チャネルトランジスタのゲートに入力される信号から、インバーター。後者はかなり長い遅延時間 (K50 MS シリーズでは約 561 ns) を持ち、その結果追加の位相シフトが発生し、高周波でのミキサーの動作、特にヘテロダイン信号の通過を悪化させます。ミキサー入力への影響は完全には排除されません。

結論として、特にヘテロダイン受信機用に提案された、非常に興味深い単純なミキサーの動作を考えてみましょう (図 8)。これは、チャネルが並列に接続された 1 つの同一の電界効果トランジスタで構成され、変圧器 TXNUMX の対称巻線からの逆相ヘテロダイン電圧がゲートに印加されます。トランジスタはゲート電圧がゼロのときに閉じ、ヘテロダイン電圧のピーク時にのみ開く必要があります。その結果、ミキサーはヘテロダイン電圧の期間中に XNUMX 回開き、局部発振器の周波数は信号周波数の半分になるように選択されます。

FETミキサー

これは、アンテナ回路に「漏れる」局部発振器信号が入力フィルタによって効果的に抑制されるため、特に VHF 受信機 (周波数逓倍ステップが少なくて済む) および一般にすべてのヘテロダイン受信機にとって非常に有益です。このミキサーの使用は、入力回路への局部発振器信号の浸透が低いことが非常に重要である同期ヘテロダイン VHF 受信機で有望です。

ただし、このミキサーは LO 入力でのみバランスがとられ、信号入力ではバランスがとれません。したがって、ソース/ドレイントランジスタの遷移の非線形性に対する強力な干渉信号の寄生直接検出が可能です。

著者: M. Syrkin (UA3ATB)

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