Записки программиста

Ранее мы познакомились со схемой диодного кольцевого смесителя. Само собой разумеется, это далеко не единственная схема смесителя частот. В наши дни среди радиолюбителей также популярна ячейка Гилберта. Это относительно простая схема на шести NPN-транзисторах, и при желании ее можно спаять на 2N3904. Но обычно используют интегральные схемы, такие, как SA612.

Fun fact! SA612 используется во многих открытых проектах, в том числе в NanoVNA и антенном анализаторе EU1KY.

В даташите на SA612 [PDF] можно найти несколько способов подключения к входам и выходам. Поначалу я хотел воспользоваться минималистической схемой:

SA612 имеет встроенный регулятор напряжения. Для питания требуется от 4.5 до 8 В. Стоит сказать, что SA612 может совмещать в себе функцию гетеродина. Предусмотренно несколько схем подключения: генератор Колпитца на кварце в режиме обертона, LC-генератор Колпитца и LC-генератор Хартли. Заинтересованные читатели могут найти подробности в даташите. В рамках этой заметки мы будем использовать SA612 только как смеситель.

Согласно Experimental Methods in RF Design, уровень LO для ячейки Гилберта должен составлять 0.3-0.6 Vpp, а RF может достигать 0.3 Vpp. Однако даташит на SA612 рекомендует держать LO в интервале 0.2-0.3 Vpp. Это объясняется тем, что в чипе предусмотрен небольшой усилитель LO.

Схема работает, но уровень IF оставляет желать лучшего. Проблема в том, что ячейка Гилберта обладает высоким входным и выходным импедансом. Для оптимальной работы требуется согласование с источником и нагрузкой 50 Ом.

Поэтому схема была переделана на следующую:

Схема адаптирована из EMRFD. Качественно это та же самая схема, только с парой трансформаторов, повышающим T1 и понижающим T2. Также здесь используются дифференциальные сигналы на входе и выходе. R1 и C1 образуют фильтр нижних частот. Такой прием часто используется, чтобы наведенный ВЧ сигнал не поступал в цепь по шине питания.

Почему отношение числа витков в T1 и T2 составляет 35 к 4? При таком отношении 50 Ом преобразуются в 50*pow(35/4,2), или 3828 Ом. Импеданс RF и IF плохо определены в даташите. Для первого приводится минимальное значение, а для второго — типичное значение, 1500 Ом в обоих случаях. Таким образом, для RF мы получим КСВ 2.5 или 18% отраженной мощности в худшем случае, а для IF — в типичном случае, иногда лучше, иногда хуже. Характерно, что импеданс LO не определен.

Схема в моем исполнении:

Выглядит так, как если бы все работало:

Здесь на LO подается сигнал с частотой 15 МГц и уровнем 0 dBm, а на RF — с частотой 1..3 МГц и уровнем -16 dBm. Вспомним, что уровню S9 соответствует 50 микровольт или -73 dBm. Тогда -16 dBm это S9+57. Можно использовать RF и меньшего уровня, но тогда IF становится трудно разглядывать в анализаторе спектра. С сигналами порядка S9+60 иногда можно столкнуться (если неподалеку живет другой радиолюбитель или на слете коротковолновиков), и поведение смесителя с ними тоже интересно.

Для сравнения, если взять диодный кольцевой смеситель из прошлой заметки, подать на LO -18 dBm и те же -16 dBm на RF, то на IF мы получим -45 dBm. И это минимум, ведь LO можно спокойно увеличить до 7 dBm, а при желании и до 10-13 dBm. При этом диодному кольцевому смесителю не требуется питание, и по деньгам он будет дешевле SA612. Возникает закономерный вопрос, в чем вообще преимущество ячейки Гилберта и SA612 в частности?

Оказывается, что ячейка Гилберта выполняет почти идеальное перемножение сигналов. Поэтому ее выход имеет мало побочных продуктов:

Перед нами интервал частот от 5 до 55 МГц. Уровни LO и RF все те же. При большем уровне LO уровень побочных продуктов заметно увеличивается. Это объясняет, почему EMRFD рекомендует для данной схемы LO именно 0 dBm.

Для сравнения, работа диодного кольцевого смесителя:

Уровень LO составляет 7 dBm, RF — по-прежнему -16 dBm. Разница очевидна. Особенно выделяются продукты перемножения RF на третью гармонику LO.

Fun fact! Ячейка Гилберта реализована больше, чем в одной интегральной схеме. Другим популярным вариантом является MC1496. Характерно, что даташит MC1496 [PDF] нигде не упоминает ячейку Гилберта. Однако ее легко узнать на схеме внутреннего устройства чипа.

EMRFD рекомендует SA612 для проектов, где важно низкое энергопотребление и малый размер устройства — питаемый от батареек AM-приемник для походов, миниатюрный CW-трансивер для казуальной работы в эфире, и так далее. В задачах, где важен динамический диапазон, рекомендуется диодный кольцевой смеситель.

Дополнение: В продолжение темы вас могут заинтересовать посты Упрощенная схема диодного смесителя, Тройной балансный смеситель на диодах 1N5711 и Квадратурный демодулятор на основе 74HC4053.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.