Двухзатворные полевые транзисторы (ДПТ) давно и прочно заняли свою нишу в схемотехнике высокочастотных устройств. Их уникальная структура, предоставляющая два электрически изолированных управляющих входа (затворов), делает их идеальными кандидатами для реализации функции перемножения сигналов, основы работы любого смесителя (конвертера). В данной статье подробно рассматриваются принципы построения, типичные схемы и нюансы расчета смесителей на ДПТ.

Физические основы и преимущества ДПТ в смесителях

В отличие от однозатворных полевых транзисторов или биполярных транзисторов, где смешение достигается за счет нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) одного п.н.-перехода или канала, ДПТ позволяет реализовать мультипликативный режим работы. Сигнал высокой частоты (ВЧ/РЧ) подается на один затвор (обычно затвор №1 — сигнальный), а сигнал гетеродина — на второй (затвор №2, управляющий). Ток стока становится произведением мгновенных значений напряжений на обоих затворах, что обеспечивает качественное частотное преобразование.

Ключевые преимущества, отмеченные в инженерной практике (в т.ч. на ресурсе Сайт инженера Задорожного *..):

• Хорошая изоляция входов: Электрическая изоляция между затворами минимализирует взаимную расстройку контуров ВЧ и гетеродина.
• Низкий уровень шумов: Современные серии (например, импортные BF9xx) обладают малым шумовым коэффициентом и большой крутизной.
• Статическая защита: Многие современные ДПТ (например, серии BF9xx, BSS138, BSS170) имеют встроенные защитные диоды в цепях затворах, что делает их устойчивыми к статическому электричеству.
• Простота схемы: Смеситель на ДПТ может быть построен буквально на одном транзисторе с минимальным количеством обвязки.

Основные топологии схем смесителей на ДПТ

Однотактная схема (Single-ended mixer)

Это классическая и самая распространенная схема, часто встречающаяся в приемниках прямого преобразования и супергетеродинах. Типовая схема включения показана на рис. 1 (по материалам статей по супергетеродинам на ДПТ).

Вход ВЧ (Антенна) ---[Контур L1C1]---|G1 VT1 D|---[Контур ПЧ/ПП]--- Выход ПЧ
 | |
Гетеродин (ГУН) -----------[Cсв]---|G2 |
 | |
 [Источник питания / Смещение]
 |
 GND
 

Особенности реализации:

1. Вход ВЧ (Затвор 1): Обычно согласуется с антенной или выходом УВЧ через колебательный контур. На заторе 1 устанавливается рабочее смещение (обычно близкое к порогу открытия) для линеаризации характеристики.
2. Вход Гетеродина (Затвор 2): Сигнал с локального генератора (ГУН) подается через разделительный конденсатор. Амплитуда гетеродина должна быть достаточной для глубокой модуляции проводимости канала (режим ключевого управления или режим управляемого сопротивления).
3. Выход (Сток): Нагрузка в цепи стока выбирается в зависимости от задачи: колебательный контур на промежуточной частоте (ПЧ) в супергетеродине или резистивная нагрузка / ТФНЧ в приемнике прямого преобразования (Zero-IF).
4. Подавление прорыва: Главная проблема однотактной схемы — прорыв сигналов ВЧ и Гетеродина на выход. Для борьбы с этим применяются контуры-ловушки (трапы) на частоте гетеродина и ВЧ в цепи стока, а также экранирование.

Схема с транзисторным фазоинвертором (Для балансного смешения)

Для улучшения изоляции и подавления нежелательных компонент (в частности, даже гармоник гетеродина и прорыва ВЧ) применяются балансные схемы. Один из подходов, исследованный методом математического моделирования (OrCAD, транзисторы BSS138, BSS170), предполагает использование дополнительного каскада — фазоинвертора.

Принцип: Сигнал гетеродина подается на заторы двух ДПТ в противофазе (на 180°), а ВЧ-сигнал — в фазе. Выходные токи стоков суммируются. Это позволяет подавить компоненты на частоте гетеродина и его четные гармоники на выходе.

Смеситель в приемнике прямого преобразования (Direct Conversion / Zero-IF)

Особое внимание заслуживают смесители на полевых транзисторах, включенных в режим управляемых активных сопротивлений. В приемниках прямого преобразования (например, для диапазона 80 метров) схема становится максимально лаконичной (Рис. 2, по материалам RadioRadar и HamRadio).

Антенна ---[Входной контур/Фильтр]---|G1 VT1 (КП350 / BF9xx) D|---[ТФНЧ / УНЧ]--- Наушники/АЦП
 | |
ГУН (Кварцевый/ПЛЛ) --------[Cсв]---|G2 |
 | |
 [Смещение/Питание]
 |
 GND
 

Здесь транзистор КП350 (широко используемый в отечественной практике ДПТ) или импортные аналоги работают в режиме, близком к линеаризованному активному смесителю. Отсутствие ПЧ-тракта кардинально упрощает приемник, но предъявляет высокие требования к динамическому диапазону и линейности смесителя (перемодуляция, IP3).

Смеситель в передающем тракте (Up-converter)

По данным ресурса Паятель.Ру, схемы на ДПТ успешно применяются и в передающих частях радиостанций. В этом случае на заторе 1 находится НЧ/ПЧ сигнал модуляции, а на заторе 2 — гетеродин. Выходной контур на стоке согласуеться с антенной или входом УМОЧ. Важно обеспечить линейность для сохранения формы модуляции (особенно для SSB, QAM).

Выбор транзистора и расчет рабочих режимов

Популярные типы ДПТ для смесителей:

Установка рабочих точек (Смещение):

Качество смешения критически зависит от смещения на обоих затворах:

• Затвор 1 (ВЧ): Смещение U_G1S обычно устанавливают в области порога открытия (U_th) или чуть выше для работы в классе A (линеаризованный смеситель) или ниже порога для режима управляемого сопротивления (класс B/C по ВЧ).
• Затвор 2 (Гет): Амплитуда гетеродина U_G2S должна «прокачивать» транзистор от полного закрытия до полного открытия (ключевой режим) для максимального коэффициента преобразования и минимального шума, либо задавать глубокую модуляцию проводимости (режим управляемого сопротивления). Типичная амплитуда: 1-3 В пик-пик для BF9xx, до 5-10 В для КП350.

Проблемы и пути их решения

Взаимная расстройка и прорыв гетеродина

Несмотря на изоляцию затворах, емкостная связь C_G1G2 и связь через общий канал существуют. В однотактной схеме сигнал гетеродина прорывается на вход ВЧ (риск излучения в эфир) и на выход ПЧ.

Решения:

• Использование двойных контуров или контуров-ловушек (трапов) на частоте гетеродина в цепи стока и затвора 1.
• Применение балансных схем (два ДПТ с фазоинвертором гетеродина или трансформаторами) — подавление четных гармоник и прорыва гетеродина на 20-40 дБ лучше.
• Экранирование корпуса транзистора и раздельная компоновка входных контуров.

Линейность и перемодуляция (IP3)

В приемниках прямого преобразования и входных трактах супергетеродинов критичен треточередной точке перехвата (IP3). ДПТ в общем случае имеют более высокий IP3, чем биполярные транзисторы или диодные кольца (пассивные), но ниже, чем качественные MOSFETы (например, серии BF862 в режиме смесителя) или специализированные ИС (Gilbert Cell — AD831, SA612 и др.).

Совет: Для повышения IP3 используйте режим «управляемого сопротивления» с оптимизированным смещением на затворе 1 и амплитудой гетеродина. Математическое моделирование (как упоминалось в работах 2009 г.) позволяет найти оптимум для конкретного типа транзистора.

Шумовой коэффициент (NF)

Смеситель на ДПТ является активным (имеет коэффициент преобразования > 0 дБ, обычно +10…+20 дБ). Это позволяет не ставить УВЧ перед смесителем, экономя каскад и шум. Однако избыточный шум транзистора при больших токах стока и неоптимальном смещении может ухудшить общий НШ приемника. Оптимальный ток стока обычно мал (1-5 мА для маломощных ДПТ).

Практические рекомендации по монтажу и настройке

1. Корпуса: Используйте SMD-корпуса (SOT-23, SOT-143, SOT-343) для минимизации паразитных индуктивностей. Для КП350 (корпус КТ-28/КТ-31) старайтесь припаивать выводы максимально близко к корпусу.
2. Разводка платы: Вход ВЧ (Затвор 1) и Вход Гетеродина (Затвор 2) должны быть разведены максимально далеко друг от друга. Земля под транзистором должна быть сплошной (полигон GND).
3. Питание: Обязательно декупируйте шину питания стока конденсаторами 100 нФ + 1-10 мкФ (тантал/керамика) максимально близко к выводу стока.
4. Настройка:
   1. Подайте питание, проверьте ток потребления и напряжения на затворах относительно источника.
   2. Подайте сигнал гетеродина. Осциллографом (через высокоомный зонд) проверьте амплитуду на затворе 2.
   3. Подайте тестовый ВЧ-сигнал. Настройте входной контур на максимум сигнала на выходе (ПЧ или НЧ).
   4. Подстройте смещение на затворе 1 (если предусмотрено переменным резистором) на лучший коэффициент преобразования / минимальные ИМИ / лучший SINAD.
   5. Настройте выходной контур (ПЧ) на согласование с последующим каскадом.

Сравнение с альтернативами

| Характеристика | ДПТ (Активный смеситель) | Диодное кольцо (Пассивный) | Джильбертовская ячейка (IC Gilbert Cell) | MOSFET (Однозатворный, режим переключения) |
| :— | :— | :— | :— | :— |
| Коэф. преобразования | +10…+20 дБ (Усиление) | -6…-9 дБ (Потери) | 0…+10 дБ | Зависит от схемы |
| IP3 (Линейность) | Средний/Высокий | Очень высокий (при мощном ГУН) | Высокий | Высокий |
| Шум (NF) | Низкий (Можно без УВЧ) | Высокий (Требует УВЧ) | Низкий/Средний | Низкий |
| Питание | Нужно (Постоянное ток) | Не нужно (Только ГУН) | Нужно | Нужно |
| Сложность / Детали | Очень низкая (1 транзистор) | Средняя (Трансформаторы, 4 диода) | Низкая (1 микросхема) | Средняя |
| Изоляция портов | Средняя (Требует мер) | Высокая (Трансформаторы) | Высокая | Средняя |
| Применение | Радиолюбительство, Простые приемники, ИЗМ | Проф. техника, Высокий IP3 | SDR, Современная связь, IC | UHF/SDR, Высокая линейность |

Смеситель на двухзатворном полевом транзисторе остается классическим, надежным и крайне эффективным решением для любительской, учебной и низкосерийной профессиональной радиосхемотехники. Серии транзисторов BF9xx (импорт) и КП35x (отечественные/аналоги) предоставляют отличную базу для построения:

• Приемников прямого преобразования (SDR, CW/SSB приемники КВ).
• Входных трактов супергетеродинов (конвертеры).
• Передающих конвертеров (Up-converters).
• Измерительных преобразователей частоты.

Главные ключи к успеху, грамотная установка режимов на обоих затворах, качественная разводка печатной платы с разделением путей ВЧ и Гетеродина, а также использование балансных схем (с фазоинвертором или на двух транзисторах) там, где критично подавление прорыва и четных гармоник. Современные ДПТ с встроенной статической защитой (BF9xx) практически исключают риск выхода прибора из строя при монтаже, делая эту схемотехнику доступной даже новичкам.

Статья подготовлена на основе обобщения открытых технических источников, форумов радиолюбителей (RadioKot, HamRadio, Паятель;Ру, RadioRadar) и теоретических работ по схемотехнике УСВЧ. Дата актуализации: .