Как сбалансировать SA612 на 10.7 МГц и заставить смеситель молчать там, где нужно

Каждый, кто хоть раз собирал приёмник или трансивер на SA612, знает это чувство: схема работает, сигнал проходит, но в спектре картина напоминает не чистый перевод частоты, а что-то похожее на рынок частот. Несущая торчит там, где её быть не должно, рядом теснятся побочные продукты преобразования, и всё это вместе портит то, ради чего затевалась сборка. Вопрос один: почему так происходит и что с этим делать практически, без лабораторных ухищрений?

Что происходит внутри SA612 и почему идеальная симметрия оказывается иллюзией

SA612A от Philips Semiconductors (позднее NXP) представляет собой маломощный двойной балансный смеситель на базе ячейки Гилберта с интегрированным гетеродином и стабилизатором напряжения. Корпус DIP8 или SO8, восемь ножек, потребление тока около 2.4 мА. Звучит компактно и элегантно. Но за внешней простотой скрывается принципиальное противоречие: схема Гилберта балансна теоретически, однако реализована на транзисторах внутри одного кристалла, и никакой кристалл не идеален.

Ячейка Гилберта строится на шести биполярных транзисторах, объединённых в пары. Нижняя пара Q3 и Q6 формирует дифференциальный усилительный каскад, куда подаётся ВЧ-сигнал через входные пины 1 (IN_A) и 2 (IN_B). Верхние четыре транзистора Q1, Q2, Q4, Q5 работают как коммутирующий мост, управляемый сигналом гетеродина. Выходной ток поступает с пинов 4 и 5. Идея красивая: благодаря двойной симметрии ни LO, ни RF не должны просачиваться на выход IF. Результат на выходе содержит только суммарную и разностную частоты.

Проблема в том, что транзисторы внутри реального чипа никогда не совпадают по параметрам идеально. Параметры hFE, Vbe и ёмкости у каждого транзистора чуть отличаются. Эта микроскопическая, в буквальном смысле, рассогласованность нарушает баланс схемы. Итог предсказуем: на пинах 4 и 5 кроме полезных боковых полос появляется прямая утечка несущей гетеродина. На частоте 10.7 МГц это может составлять от минус 30 до минус 40 дБ относительно полезного сигнала при отсутствии каких-либо внешних мер. Казалось бы, немного. Но если SA612 используется как сбалансированный модулятор перед кварцевым фильтром SSB, или как второй смеситель в тракте с промежуточной частотой 10.7 МГц, этот остаток несущей гарантированно испортит чистоту сигнала.

Почему именно 10.7 МГц превращает утечку несущей в реальную проблему

Частота 10.7 МГц занимает в радиолюбительской и промышленной электронике нишу, которую можно назвать "ПЧ по умолчанию". Кварцевые фильтры на эту частоту производились десятилетиями для нужд FM-вещательных приёмников, поэтому они повсеместно доступны и дёшевы. SA612 в паре с таким фильтром встречается в схемах от простых супергетеродинов до NanoVNA.

Как именно используется смеситель на 10.7 МГц? Чаще всего так: входной сигнал, допустим 21.4 МГц, подаётся на пины 1 и 2, гетеродин на пинах 6-7 работает на 10.7 МГц, на выходе пинов 4-5 снимается разностная частота 10.7 МГц и подаётся на кварцевый фильтр. Либо схема используется в обратном направлении как балансный модулятор: аудиосигнал на вход, опорная частота 10.7 МГц на гетеродин, и на выходе нужен чистый DSB без несущей.

Вот где несущая начинает мешать по-настоящему. В режиме балансного модулятора от подавления несущей зависит качество SSB. Если несущая подавлена только на 30 дБ, фильтрация одной боковой полосы обнажит этот провал. Остаток несущей пройдёт через фильтр и окажется в излучаемом сигнале, нарушая чистоту SSB. Нормой для приличной конструкции считается подавление несущей не менее 40 дБ. Достичь этого без внешней балансировки с SA612 практически невозможно.

Схема балансировки на одном подстроечнике и физика того, почему это вообще работает

Способ компенсировать внутреннюю рассогласованность ячейки Гилберта известен и прост. Поскольку несущая проникает на выход из-за несимметричности токов в нижней дифференциальной паре, достаточно слегка сместить постоянное смещение одного из входных пинов. Это корректирует ток через Q3 и Q6, восстанавливает равенство и гасит утечку несущей.

Практическая схема балансировки выглядит так:

1. Подстроечный резистор на 10 кОм подключается между пинами 1 и 2 SA612.
2. Средний вывод этого резистора через балластный резистор 470 кОм соединяется с шиной питания Vcc.
3. Через разделительные конденсаторы (обычно 10-100 нФ) пины 1 и 2 принимают ВЧ-сигнал в штатном режиме.

Зачем нужен балластный резистор 470 кОм? Он создаёт делитель, смещение от которого на средней точке подстроечника оказывается очень небольшим. Диапазон регулировки нарочно узкий: входное сопротивление SA612 по пинам 1-2 составляет около 1.5 кОм на частоте 50 МГц, и грубая подача смещения через малые сопротивления нарушит рабочий режим транзисторов. Хитрость в том, чтобы вмешательство было минимальным, но точным.

При перемещении движка подстроечника ток в нижней дифференциальной паре меняется асимметрично. В одном положении коммутирующие транзисторы получают чуть разные смещения, и баланс нарушается ещё сильнее. В другом положении токи выравниваются, нейтрализуя исходный дефект транзисторного несоответствия. Задача настройщика: найти эту точку.

Принципиально важно подключать разделительные конденсаторы на входах корректно. Датащит на SA612A прямо указывает: на пины IN_A и IN_B не должно подаваться внешнее смещение DC. Схема балансировки организована так, чтобы ВЧ-сигнал поступал через конденсатор, а постоянное смещение подводилось отдельным путём через высокоомный делитель. Путать эти цепи нельзя.

Практика настройки без лишних слов. От первого касания движка до стабильного результата

Настройка начинается с измерительного прибора. Без него процедура превращается в гадание. Минимально необходимый инструмент: простой осциллограф с полосой от 20 МГц. Оптимально использовать спектроанализатор, который сразу покажет уровень несущей и побочных продуктов в дБ. Именно на спектроанализаторе становится видно, что происходит в полосе рядом с 10.7 МГц: пики на кратных частотах 21.4 МГц, 32.1 МГц, а также интермодуляционные продукты второго и третьего порядков.

Перед началом балансировки схема должна работать в штатном режиме. Гетеродин SA612 на пинах 6-7 запущен на 10.7 МГц. Входной сигнал на пины 1-2 подан через конденсатор. Выходы 4-5 подключены к измерительному прибору через буфер с высоким входным сопротивлением: здесь нельзя нагружать выход напрямую 50-омным прибором, поскольку выходное сопротивление SA612 составляет около 1.5 кОм и подключение 50-омной нагрузки срежет сигнал до неизмеримого уровня.

Движок подстроечника выставляется в среднее положение. Наблюдается уровень несущей на 10.7 МГц. Затем движок медленно поворачивается в одну сторону. Если уровень несущей начинает падать, продолжают движение в том же направлении. Если растёт, разворачивают движок в противоположную сторону. Минимум несущей ищется методом последовательного приближения. На практике хорошо сбалансированная схема с SA612 и правильно рассчитанным балансировочным делителем обеспечивает подавление несущей от 40 до 50 дБ. Это уже рабочий результат.

Что касается побочных продуктов: после балансировки несущей их уровень также заметно снижается, поскольку многие из них возникают именно из-за несимметричности переключающего моста. Однако чётные гармоники сигнала гетеродина (21.4 МГц, 32.1 МГц) присутствуют всегда как следствие нелинейности, и с ними борются не балансировкой, а полосовой фильтрацией на выходе.

Температура, разводка платы и другие вещи, которые подстроечник не исправит

Было бы неправильно создавать иллюзию, что описанная балансировка решает все проблемы спектральной чистоты. У SA612 есть принципиальный предел динамического диапазона: точка пересечения по интермодуляции третьего порядка IP3 составляет около минус 13-15 дБм. Это существенно хуже, чем у диодного кольцевого смесителя. При сильных входных сигналах уровнем выше минус 20 дБм ячейка Гилберта начинает генерировать интермодуляционные продукты, которые никакая балансировка не устранит.

Есть и ещё одна тонкость. Баланс, выставленный при комнатной температуре, поплывёт при нагреве корпуса микросхемы. Транзисторы внутри кристалла одинаково реагируют на температуру, но не идеально, и остаточное рассогласование меняется вместе с ней. В профессиональной аппаратуре с этим борются термостабилизацией или автоматическими схемами балансировки. В радиолюбительских конструкциях приходится мириться с этим фактом. Подстроечник, выставленный после прогрева схемы, поведёт себя заметно лучше, чем выставленный на холодной плате.

Отдельного внимания заслуживает разводка печатной платы. SA612 работает на частоте 10.7 МГц, где паразитные связи по земляному проводнику и питанию начинают играть ощутимую роль. Земляной полигон под микросхемой, блокировочные конденсаторы 100 нФ у пина питания (пин 8) и отдельная земляная точка для каждого функционального узла снижают паразитную связь гетеродина с выходом. Без этого даже идеально сбалансированная схема будет показывать завышенный уровень несущей просто за счёт наводки через монтаж.

Когда SA612 меняют на диодный кольцевой смеситель и чем приходится платить за динамику

Если подавление несущей 40-50 дБ недостаточно, а динамический диапазон критичен, SA612 уступает место. Классические диодные кольцевые смесители на МД-108 или SBL-1 обеспечивают интермодуляцию на уровне плюс 7-10 дБм IP3 и допускают уровни гетеродина до плюс 7 дБм, работая без питания. Они требуют трансформаторов и точной балансировки диодов, зато динамический диапазон у них радикально лучше.

SA612 сохраняет свои позиции там, где приоритеты другие: минимальный ток потребления (2.4 мА против 10-20 мА у активных схем с дискретными элементами), минимальное количество внешних компонентов, встроенный гетеродин, возможность работы от одного источника 4.5-8 В. Карманный КВ-приёмник на батарейках, портативный маячок, антенный анализатор, CW-трансивер для полевой работы: вот естественная среда обитания SA612. Именно здесь подавление несущей в 40-45 дБ через один подстроечный резистор является вполне достаточным и практически оправданным решением.

SA612 в своё время полностью оправдал репутацию рабочей лошадки портативной радиосвязи. Его используют в NanoVNA, в антенном анализаторе EU1KY, в десятках любительских конструкций по всему миру. Не потому что он лучший смеситель на свете. А потому что при правильном понимании его ограничений и грамотной балансировке он делает то, что нужно, тратя минимум тока и занимая минимум места.

Подстроечный резистор на 10 кОм между двумя ножками восьмиконтактной микросхемы: это не костыль, а полноценный инструмент настройки. Тот, кто понимает, что именно он корректирует и почему это работает, получает приёмник или передатчик, в котором несущая молчит там, где нужно, и звучит там, где должна.