Принцип действия смесительного диода

Впервые смесительный диод применили Армстронг, Леви и Шоттки в 1921 г., что позволило существенно улучшить характеристики приемных устройств. Позже смесители стали использовать в большинстве радиоприемников систем связи и радиолокации.

В смесителе выполняется операция смешения, под которой подразумевается преобразование в нелинейном устройстве маломощного входного сигнала с частоты f _с на так называемую промежуточную частоту f _пр путем его взаимодействия со сравнительно мощным сигналом гетеродина (вспомогательный внутренний генератор в приемнике, работающий на частоте f _г). При этом информационные характеристики сигнала (модуляция) сохраняются [8]. Возникающее по сравнению с приемником прямого усиления усложнение устройства в результате введения блоков смесителя и гетеродина компенсируется следующими достоинствами:

– Часто может выполняться условие f _пр << f _с (пример см. ниже); при этом дальнейшее усиление существенно облегчается, что особенно важно для приемных устройств СВЧ диапазона.

– При изменении f _с , связанном со сменой рабочего диапазона, одновременно производится перестройка гетеродина таким образом, что f _пр остается постоянной. Это значительно упрощает конструкцию усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и облегчает достижение его устойчивости при высоком коэффициенте усиления.

– Становится возможной широкая унификация аппаратуры. Например, во всех аналоговых телевизионных приемниках используется одинаковая промежуточная частота 38 МГц, и во многих случаях могут применяться те же УПЧ.

Как было показано в разделе 2.3, при включении нелинейного прибора в цепь, содержащую 2 генератора, ток через прибор содержит высшие гармоники частоты каждого входного сигнала, а также их комбинационные частоты. Как следует из упрощенного разложения тока в ряд Тейлора (2.8), в нем имеются вторые гармоники частот w₁ , w₂ и их комбинации w₁ – w₂ и w₁ + w₂ . Нетрудно убедиться, что при учете последующих членов разложения (в случае ненулевых высших производных для членов ряда) выражение для тока будет содержать более высокие гармоники входных сигналов и их комбинации. В общем случае в спектре тока возникают любые частоты вида m w₁ ± n w₂ , где m и n – любые целые числа, включая нуль. При этом, как правило, с увеличением каждого из указанных чисел амплитуда соответствующей гармоники снижается, поэтому на практике редко используются гармоники с кратностью более 3. Наиболее простое и часто применяемое соотношение рабочих частот смесителя имеет вид:

.

(3.1)

В некоторых случаях используются и другие выражения (см. ниже).

В отличие от материала разделов 2.3 и 2.4, в случае смесителя используется диод при прямом смещении, определяющим элементом которого в данном режиме является нелинейное активное сопротивление (или нелинейная активная проводимость) диода, следующее из вольтамперной характеристики (ВАХ). Рабочая точка смесительного диода выбирается при небольшом прямом токе в области максимальной нелинейности кривой (точка А на рис. 3.1).

I U A

Рис. 3.1. ВАХ и рабочая точка смесительного диода

Упрощенная эквивалентная схема диода при прямом смещении без учета паразитной индуктивности выводов представлена на рис. 3.2.

Она содержит следующие элементы:

C_p – емкость корпуса;

R_s – последовательное сопротивление, относящееся к участкам диода вне области пространственного заряда (ОПЗ), включая сопротивление контактов;

C_j – емкость активной области – pn-перехода или барьера Шоттки;

R_d – нелинейное сопротивление, которое выражается из ВАХ в соответствии с соотношением (3.2)

,

(3.2)

где

–

(3.3)

тепловой потенциал, равный приблизительно 26 мВ при температуре 300 К; n – коэффициент неидеальности ВАХ, лежащий в интервале от 1 до 2 [7].

Спектр, показанный на рис. 3.3, содержит наиболее важные частоты в смесителе при его работе в соответствии с выражением (3.1). В него добавлены суммарная частота и так называемая зеркальная частота , которые могут являться помехами для нормальной работы устройства.

Рассмотрим основные параметры смесителя.

1. Потери преобразования, определяемые отношением мощности входного сигнала к мощности выходного сигнала на промежуточной частоте в логарифмическом выражении , которые складываются из трех составляющих . Здесь

L ₁– потери, связанные с рассогласованием на входе и выходе;

L ₂– потери в паразитном сопротивлении R_s ;

L ₃– неизбежные потери в нелинейном сопротивлении R_d , зависящие, в частности, от положения рабочей точки диода.

2. Коэффициент шума, от которого существенно зависит пороговая чувствительность всего приемного устройства. Уровень шума определяется в значительной мере активными сопротивлениями эквивалентной схемы и могут быть значительно снижены при охлаждении прибора. Уменьшению шума способствует также совершенствование технологии диода, приводящее к снижению количества дефектов в структуре.

3. Частота отсечки f_c , на которой происходит снижение напряжения на активной области диода в раз:

.

(3.4)

Для ее увеличения нужно снижать емкость барьера. Как видно, все параметры диода улучшаются также при уменьшении паразитного последовательного сопротивления R_s .