由于原文链接已经失效,因此如果需要查看英文版的原文,请至23楼的附件下载;另外包含图片的pdf版译稿也同样可以在23楼下载到。----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
在网上搜索tayloe mixer时找到一篇不错的文章,ik1odo写的高动态范围qsd前端,这篇文章对tayloe mixer中的一些问题有一些不错的见解。
我把其中比较重要的部分翻译了一下,顺便贴上来,以便同好阅读
小弟才疏学浅,翻译时里边还有不少内容尚有困惑,所以译得不对或不好的地方还请各位大佬指出纠正。
原文地址:
http://www.spin-it.com/sdr/ik1odo_sdr1.html///////////////////////////////////////////////////////下行起内容为译文正文部分///////////////////////////////////////////////////////电路说明:
我所使用的电路:4相,单平衡混频器,根据n7ve的建议,导通角选为90度。
采样器:fst3125,无内部解码逻辑,故而有着最佳的开关对称性。
分频器:采用常见的johson环形计数器,驱动四个与非门。
实验发现,在混频器的rf端会出现本振信号(-60dbm)及其谐波,而且谐波的幅度更强,不过这可以通过在输入端加入lpf解决。我想较低的本振泄漏说明电路的平衡是比较好的。下图是rf端口上的本振泄漏频谱:
rf信号通过输入变压器后阻抗从50ohm变为200ohm。这个输入变压器可以采用三线并绕于铁氧体磁环(ft37-43等)数圈即可。
这样运放所看到的阻抗就变成800ohm(四倍的混频器输入阻抗),这个阻抗比较接近于运放的噪声匹配阻抗(见后文)。
混频器后接有双工器,主要有两个作用:给混频器的输出提供一个恒定的负载阻抗,这样使得rf输入端的阻抗也可以在较宽的频率范围内保持恒定;这样同时也可以避免带外信号进入运放,下面是关于这一点的详细介绍:
通常,tayloe混频器的输入阻抗通常是会随频率变化的,而且很难预估。通过对softrock测试,我们发现其阻抗离50ohm很远,所以对前面的预选滤波器而言此时并没有一个合适的负载阻抗。而采样器的输出分量中包含了大量的高频信号以及毛刺等等,主要集中在lo及其谐波,一直延伸到uhf频段在整个环路带宽内,运放对所有信号呈现虚短,但是输入级如果有快速突发信号的话,还是会进入非线性工作状态。所以出于这个考虑,很有必要引入双工器;
此diplexer的截止频率大约为250khz,这个频率大于音频的通带(96khz),但是又小于运放的单位增益带宽。由于当fst3125的开关导通时必须与rf输入阻抗匹配,所以其阻抗设为200ohm;从下面的测量结果可以看出,rf端的阻抗在1-50mhz范围内都非常接近50ohm:
混频放大器:
此处参照了oh2rz的电路,使用了opa1632全差分放大器,因为我正好可以用来驱动我的声卡平衡输入口;为了获得足够的动态范围,运放的供电采用正负12v双电源。对于opa1632而言,当输出信号幅度为vcc/3=4v时可以获得最佳的imd和失真度,而4vrms对于高档声卡来说尚在其输入范围内(10dbu+余量)。在这里如果选用仪表放大器并不合适,因为仪表放大器在低增益时噪声会比opa1632大很多。
运放的噪声会直接影响整机的噪声水平。运放的噪声可以建模为一个电压源(en)并上输入电阻,再串上一个电流源(in),在这里,en/in=rn,即等效噪声电阻。当运放的输入电阻与rn相等整个系统的噪声最小;根据计算,opa1632的rn为3.25kohm,这个值这对于rf电路来说,很难在宽带内都做到匹配。
当外部的电阻很接近3.25kohm时,这个运放的噪声系数为0.53db;在这里,因为运放看到的输入电阻大约为1kohm,所以噪声系数上升为0.72db。若是使用四颗昂贵的ad797,那么噪声系数可改改善0.4db,不过在我看来这样做成本太高,不值得。
采样噪声:
fst3xxx系列以及其它类似的开关从原理上来讲并不是噪声很大的器件,因为在其内部只有一个简单的cmos开关来连接输入输出端,所以唯一产生噪声的就是其导通电阻ron(4ohm)的热噪声,而这个值也很小。然而事实却并非如此,许多实验者的测试结果显示,这类器件的噪声很大,而且噪声会随着频率升高而升高。softrock作为一个40m的接收机来说已经是很成功了。
我个人认为,这些噪声很可能来源于开关轮流切换这种工作方式本身。这些由0-5v的上冲引起的噪声会通过栅极电容耦合到输出通道上,虽然我们不知道这个栅极电容具体有多大,但是一般估计应该也有5pf的量级。
通过实验,我发现以下措施可以减小这些开关噪声:
——使用74ac系列门电路(我起初使用的是74f系列)
——在74ac00的输出端串联100欧姆的电阻
——将fst3125的工作电压提高至6.8v(器件允许的最大值为7v)
但是有趣的是,当我改变fst3125的输入偏置电压(通常设在vcc/2)时,噪声会减小几个db。在我的电路中,可以通过一个可调电阻来改变vref。我想下面这一点可能很重要:当本振频率增加时,vref也必须随之改变。因为我通过实验发现,对应噪声最小的这个vref的值,在7mhz时有很大的范围,而在29mhz时则范围很小。通过改变这个偏置电压,我可以在1.8-21mhz范围内获得-127dbm的噪底(2.4khz的中频),以及在29mhz附近获得-126dbm的噪底。我手上没有在50mhz时的数据,因为虽然混频器能够一直工作到40mhz,但这时触发器早就已经罢工了。
关于这个现象,我暂时还想不出原因。我这边有一些测试结果,下面的两张图片都是fst3125第3脚的波形,只是时间轴的设置不同。由于我的示波器只有1ghz带宽,所以我怀疑这些脉冲实际上可能还会更宽。
脉冲的幅度为600mvpp
同一信号在1ns/格的波形:
图中波形的压摆率已经受到示波器的上升时间300ps的限制。
噪声估计
如果噪底为-126dbm(2.4khz时),那么噪声系数可以算出来大概是14db。其中3db损耗来自于diplexer的电阻,1db来自运放的噪声,还有几db来自声卡输入端变压器的损耗,最后的几db来自于90度采样过程的损失。我的混频器的enr大概是8db,所以还有改善的空间。事实上我对一些参数稍作修改,便已在14mhz时经达到了-132dbm(还是在2.4khz时)
后续工作:
现在的电路是采用死虫法做的,而且工作状况良好。不过后续还有几点待继续实验:
1) 测试不同的总线开关,以及不同厂家的fst3125,或者使用fst3125,把与非门改成与门。fsav332是另外一个不错的选择,只是封装更小,需要做pcb进行实验。
2) 尝试改变和优化与非门与开关之间的电阻。这个电阻所影响的压摆率很可能是个关键。
3) 寻找能够工作到50mhz的分配电路来驱动开关。
4) 修改输入滤波器。我曾在输入侧插入一个5阶低通滤波器,结果噪声上升了大约有4db之多。所以需要寻找一种方法来改善输入匹配,这样diplexer就不用随着各种滤波器进行改动了。