Mikser częstotliwości - Frequency mixer

Symbol miksera częstotliwości

W elektronice , w mikserze czy mieszacz , jest nieliniowy obwód elektryczny, który tworzy nowe częstotliwości z dwoma sygnałami stosowanymi do niego. W najbardziej powszechnym zastosowaniu do miksera podawane są dwa sygnały, które wytwarzają nowe sygnały o sumie i różnicy częstotliwości oryginalnych. W praktycznym mieszalniku częstotliwości można również wytwarzać inne składniki częstotliwości.

Miksery są szeroko stosowane do przesuwania sygnałów z jednego zakresu częstotliwości do drugiego, w procesie znanym jako heterodynowanie , dla wygody w transmisji lub dalszej obróbce sygnału. Na przykład kluczowym elementem odbiornika superheterodynowego jest mikser używany do przenoszenia odbieranych sygnałów na wspólną częstotliwość pośrednią . Mieszacz są również stosowane do modulowania się sygnał nośny w nadajniki radiowe .

Rodzaje

Podstawową cechą miksera jest to, że na wyjściu wytwarza komponent, który jest iloczynem dwóch sygnałów wejściowych. Urządzenie o charakterystyce nieliniowej (np. wykładniczej ) może pełnić rolę miksera. Miksery pasywne wykorzystują jedną lub więcej diod i opierają się na ich nieliniowej relacji między napięciem i prądem, aby zapewnić element mnożący. W mikserze pasywnym pożądany sygnał wyjściowy ma zawsze mniejszą moc niż sygnały wejściowe.

Miksery aktywne wykorzystują urządzenie wzmacniające (takie jak tranzystor lub lampę próżniową ) w celu zwiększenia siły sygnału produktu. Aktywne miksery poprawiają izolację między portami, ale mogą mieć wyższy poziom hałasu i większe zużycie energii. Aktywny mikser może być mniej odporny na przeciążenie.

Miksery mogą być zbudowane z elementów dyskretnych, mogą być częścią układów scalonych lub mogą być dostarczane jako moduły hybrydowe.

Schemat ideowy podwójnie zbalansowanego pasywnego miksera diodowego (znanego również jako modulator pierścieniowy ). Nie ma wyjścia, chyba że są obecne oba wejścia f1 i f2, chociaż f2 (ale nie f1) może być DC.

Miksery można również klasyfikować według ich topologii :

Niesymetryczne mikser, oprócz wytwarzania sygnału produktów, pozwala na oba sygnały wejściowe, aby przejść i pojawia się jako składniki w produkcji.
Jednego symetrycznego mikser jest umieszczony w jednym z wejść stosowane do zrównoważonej ( różnicowy ) obwodzie tak, że każdy lokalny oscylator (LO) i wejście sygnału (RF) jest hamowana na wyjściu, a nie jednocześnie.
Podwójnie zrównoważony mieszacz ma oba jej wejścia stosowany do układów różnicowych, tak że żaden z sygnałów wejściowych i tylko sygnał produktów pojawia się na wyjściu. Miksery podwójnie zbalansowane są bardziej złożone i wymagają wyższych poziomów napędu niż konstrukcje niezbalansowane i pojedynczo zbalansowane.

Wybór typu miksera to kompromis dla konkretnego zastosowania.

Obwody miksera charakteryzują się takimi właściwościami, jak wzmocnienie (lub tłumienie) konwersji oraz współczynnik szumów .

Nieliniowe komponenty elektroniczne, które są używane jako miksery, obejmują diody , tranzystory spolaryzowane w pobliżu odcięcia, a przy niższych częstotliwościach mnożniki analogowe . Wykorzystano również cewki indukcyjne z rdzeniem ferromagnetycznym, które są doprowadzane do nasycenia . W optyce nieliniowej kryształy o nieliniowej charakterystyce są używane do mieszania dwóch częstotliwości światła laserowego w celu utworzenia optycznych heterodyn .

Dioda

Diody mogą być wykorzystane do stworzenia prostego niesymetrycznego miksera. Ten typ miksera wytwarza oryginalne częstotliwości, a także ich sumę i różnicę. Istotną właściwością diody jest tutaj jej nieliniowość (lub zachowanie nieomowe ), co oznacza, że jej odpowiedź (prąd) nie jest proporcjonalna do jej wejścia (napięcia). Dioda nie odtwarza częstotliwości napięcia zasilającego w przepływającym przez nią prądzie, co umożliwia manipulację pożądaną częstotliwością. Prąd I płynący przez idealną diodę jako funkcję napięcia V na niej jest określony wzorem

{\ Displaystyle I = I_ {\ operatorname {S}} \ lewo (e ^ {qV_ {\ operatorname {D}} \ nad nkT}-1 \ prawej)}

gdzie ważne jest to, że V pojawi się w e” ów wykładnik. Wykładniczy można rozszerzyć jako

{\ Displaystyle e ^ {x} = \ suma _ {n = 0} ^ {\ infty} {\ Frac {x ^ {n}} {n!}}}

i może być aproksymowana dla małego x (to znaczy małych napięć) przez kilka pierwszych wyrazów tego szeregu:

{\ Displaystyle e ^ {x} -1 \ ok x + {\ Frac {x ^ {2}} {2}}}

Załóżmy, że suma dwóch sygnałów wejściowych jest doprowadzana do diody i generowane jest napięcie wyjściowe proporcjonalne do prądu płynącego przez diodę (być może przez dostarczenie napięcia obecnego na rezystorze połączonym szeregowo z diodą). Wówczas, pomijając stałe w równaniu diody, napięcie wyjściowe będzie miało postać $v_{1}+v_{2}$

{\ Displaystyle V_ {\ operatorname {o}} = (V_ {1} + V_ {2}) + {\ Frac {1} {2}} (V_ {1} + V_ {2}) ^ {2} + \kropki }

Pierwszy wyraz po prawej to oryginalne dwa sygnały, zgodnie z oczekiwaniami, po których następuje kwadrat sumy, który można przepisać jako , gdzie pomnożony sygnał jest oczywisty. Wielokropek reprezentuje wszystkie wyższe potęgi sumy, które zakładamy, że są pomijalne dla małych sygnałów. $(v_{1}+v_{2})^{2}=v_{1}^{2}+2v_{1}v_{2}+v_{2}^{2}$

Załóżmy, że do diody podawane są dwie sinusoidy wejściowe o różnych częstotliwościach, takie jak i . Sygnał staje się: $v_{1}=\grzeszyć w$ $v_{2}=\sin bt$ $V_{0}$

{\ Displaystyle V_ {\ operatorname {o} } = (\ sin w + \ sin bt) + {\ frac {1} {2}} (\ sin w + \ sin bt) ^ {2} + \ kropki}

Rozszerzenie stóp zwrotu z kwadratu:

{\ Displaystyle V_ {\ operatorname {o} } = (\ sin w + \ sin bt) + {\ frac {1} {2}} (\ sin ^ {2} w + 2 \ sin w \ cdot \ sin bt + \ grzech ^{2}bt)+\kropki }

Ignorowanie wszystkich terminów poza terminem i wykorzystywanie tożsamości protezy (produkt do sumy), $\sin w\sin bt$

{\ Displaystyle \ sin a \ sin b = {\ Frac {\ cos (ab) - \ cos (a + b)} {2}}}

plony,

{\ Displaystyle V_ {\ operatorname {o}} = \ cos ((ab) t) - \ cos ((a + b) t) + \ kropki}

pokazując, jak z miksera tworzone są nowe częstotliwości.

Przełączanie

Inna forma miksera działa poprzez przełączanie, przy czym mniejszy sygnał wejściowy jest przekazywany odwrócony lub nieodwrócony zgodnie z fazą lokalnego oscylatora (LO). Byłoby to typowe dla normalnego trybu pracy pakowanego podwójnie zbalansowanego miksera, z napędem lokalnego oscylatora znacznie wyższym niż amplituda sygnału.

Celem miksera przełączającego jest osiągnięcie liniowej pracy nad poziomem sygnału za pomocą twardego przełączania, napędzanego przez lokalny oscylator. Matematycznie mikser przełączający niewiele różni się od miksera mnożącego. Zamiast wyrażenia sinusoidalnego LO użylibyśmy funkcji signum . W dziedzinie częstotliwości działanie miksera przełączającego prowadzi do zwykłej sumy i różnicy częstotliwości, ale także do dalszych pojęć, np. ±3 f _LO , ±5 f _LO , itp. Zaletą miksera przełączającego jest to, że może osiągnąć (przy ten sam wysiłek) niższy współczynnik szumów (NF) i większe wzmocnienie konwersji. Dzieje się tak, ponieważ diody przełączające lub tranzystory działają albo jak mały rezystor (przełącznik zamknięty), albo duży rezystor (przełącznik otwarty), i w obu przypadkach dodaje się tylko minimalny szum. Z perspektywy obwodu, wiele mikserów powielających może być używanych jako miksery przełączające, po prostu zwiększając amplitudę LO. Inżynierowie RF po prostu mówią o mikserach, podczas gdy mają na myśli przełączanie mikserów.

Obwód mieszacza może służyć nie tylko do przesuwania częstotliwości sygnału wejściowego jak w odbiorniku, ale również jako detektor produktu , modulator , detektor fazy czy powielacz częstotliwości. Na przykład odbiornik komunikacyjny może zawierać dwa stopnie miksera do konwersji sygnału wejściowego na częstotliwość pośrednią oraz inny mikser wykorzystywany jako detektor do demodulacji sygnału.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Miksery RF i samouczek mieszania

Ten artykuł zawiera materiał z domeny publicznej z dokumentu General Services Administration : „Federal Standard 1037C” .

Languages

In other projects