Частотный смеситель

Схема, создающая новые частоты из двух сигналов

Символ частотного смесителя

В электронике миксер или частотный смеситель — это электрическая схема, которая создает новые частоты из двух сигналов, подаваемых на нее. В наиболее распространенном применении два сигнала подаются на смеситель, и он вырабатывает новые сигналы в виде суммы и разности исходных частот. Другие частотные компоненты также могут быть получены в практическом частотном смесителе.

Смесители широко используются для смещения сигналов из одного частотного диапазона в другой, процесс, известный как гетеродинирование , для удобства передачи или дальнейшей обработки сигнала. Например, ключевым компонентом супергетеродинного приемника является смеситель, используемый для смещения принятых сигналов на общую промежуточную частоту . Частотные смесители также используются для модуляции несущего сигнала в радиопередатчиках .

Типы

Основная характеристика смесителя заключается в том, что он выдает компонент на своем выходе, который является произведением двух входных сигналов. Как активные, так и пассивные схемы могут реализовать смесители. Пассивные смесители используют один или несколько диодов и полагаются на их нелинейную зависимость тока от напряжения для обеспечения умножающего элемента. В пассивном смесителе желаемый выходной сигнал всегда имеет меньшую мощность, чем входные сигналы.

Активные микшеры используют усилительное устройство (такое как транзистор или вакуумная лампа ), которое может увеличить силу сигнала продукта. Активные микшеры улучшают изоляцию между портами, но могут иметь более высокий уровень шума и большее энергопотребление. Активный микшер может быть менее устойчив к перегрузке.

Смесители могут быть построены из дискретных компонентов, могут быть частью интегральных схем или поставляться в виде гибридных модулей.

Принципиальная схема двойного балансного пассивного диодного смесителя (также известного как кольцевой модулятор ). Выход отсутствует, если не присутствуют оба входа f1 и f2, хотя f2 (но не f1) может быть постоянным током.

Смесители также можно классифицировать по топологии :

• Несбалансированный микшер , помимо создания конечного сигнала, позволяет обоим входным сигналам проходить и появляться в качестве компонентов на выходе.
• Один балансный смеситель организован так, что один из его входов подключен к балансной ( дифференциальной ) схеме таким образом, что на выходе подавляется либо гетеродин (LO), либо входной сигнал (RF), но не оба сразу.
• В двойном балансном смесителе оба входа подключены к дифференциальным цепям, так что на выходе появляется только выходной сигнал, а не один из входных сигналов. ^[1] Двойные балансные смесители более сложны и требуют более высоких уровней возбуждения, чем несбалансированные и одинарные балансные конструкции.

Выбор типа смесителя является компромиссом для конкретного применения. ^[2]

Схемы микшеров характеризуются такими свойствами, как коэффициент усиления (или потери) преобразования, коэффициент шума и нелинейность. ^[3]

Нелинейные электронные компоненты, которые используются в качестве смесителей, включают диоды и транзисторы, смещенные вблизи отсечки. Линейные, изменяющиеся во времени устройства, такие как аналоговые умножители , обеспечивают превосходную производительность, поскольку только в истинных умножителях выходная амплитуда пропорциональна входной амплитуде, как требуется для линейного преобразования. Также использовались ферромагнитные сердечники индуктивности, доведенные до насыщения . В нелинейной оптике кристаллы с нелинейными характеристиками используются для смешивания двух частот лазерного света для создания оптических гетеродинов .

Диод

Диод может быть использован для создания простого несбалансированного смесителя. Ток через идеальный полупроводниковый диод в основном является экспоненциальной функцией напряжения на нем: ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle V_{D}}$

${\displaystyle I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{qV_{\mathrm {D} } \over kT}-1\right)}$

где - ток насыщения, - заряд электрона , - фактор неидеальности, - постоянная Больцмана , - абсолютная температура . Экспоненту можно разложить в степенной ряд ${\displaystyle I_{\mathrm {S} }}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle T}$

${\displaystyle e^{x}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}=1+x+{\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {x^{3}}{6}}+{\frac {x^{4}}{24}}+{\frac {x^{5}}{120}}+\dots }$

Многоточие представляет все более высокие степени суммы. Поскольку более высокие степени уменьшаются с , можно предположить, что они незначительны для малых сигналов, поэтому приближение, использующее только первые три члена, выглядит так: ${\displaystyle {\tfrac {1}{n!}}}$

${\displaystyle e^{x}-1\approx x+{\frac {x^{2}}{2}}\,.}$

Предположим , что сумма двух входных сигналов подается на диод, и что генерируется выходное напряжение, пропорциональное току через диод (возможно, путем подачи напряжения, присутствующего на резисторе последовательно с диодом). Тогда, игнорируя константы в уравнении диода, выходное напряжение будет пропорционально: ${\displaystyle v_{1}{+}v_{2}}$

${\displaystyle v_{\mathrm {o} }=(v_{1}+v_{2})+{\frac {1}{2}}(v_{1}+v_{2})^{2}+\dots }$

В дополнение к исходным двум сигналам , это выходное напряжение имеет , которое при переписывании обнаруживается как произведение исходных двух сигналов . ${\displaystyle v_{1}{+}v_{2}}$ ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}(v_{1}+v_{2})^{2}}$ ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}v_{1}^{2}+v_{1}v_{2}+{\tfrac {1}{2}}v_{2}^{2}}$ ${\displaystyle v_{1}v_{2}}$

Если на вход диода подать две синусоиды разных частот, такие, что и , то выходной сигнал станет следующим: ${\displaystyle v_{1}{=}\sin at}$ ${\displaystyle v_{2}{=}\sin bt}$ ${\displaystyle v_{\text{o}}}$

${\displaystyle v_{\mathrm {o} }=(\sin at+\sin bt)+{\frac {1}{2}}(\sin at+\sin bt)^{2}+\dots }$

Разложение квадратного члена дает:

${\displaystyle {\begin{aligned}v_{\mathrm {o} }&=(\sin at+\sin bt)+{\frac {1}{2}}(\sin ^{2}at+2\sin at\cdot \sin bt+\sin ^{2}bt)+\dots \\&=(\sin at+\sin bt)+{\frac {1}{2}}\sin ^{2}at+\color {blue}\sin at\cdot \sin bt\color {black}+{\frac {1}{2}}\sin ^{2}bt+\dots \end{aligned}}}$

Согласно тождеству произведения простефаэрезиса к сумме , произведение можно выразить как сумму двух синусоид на суммарной и разностной частотах и ​​: ${\displaystyle (\sin a\sin b={\tfrac {\cos(a-b)-\cos(a+b)}{2}})}$ ${\displaystyle \color {blue}\sin at\cdot \sin bt}$ ${\displaystyle a{+}b}$ ${\displaystyle a{-}b}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\color {blue}\sin at\sin bt\color {black}&={\tfrac {1}{2}}\cos[(a-b)t]-{\tfrac {1}{2}}\cos[(a+b)t]\\&={\tfrac {1}{2}}\sin[(a-b)t+{\tfrac {\pi }{2}}]+{\tfrac {1}{2}}\sin[(a+b)t-{\tfrac {\pi }{2}}]\,.\end{aligned}}}$

Эти новые частоты являются дополнением к исходным частотам и . Узкополосный фильтр может быть использован для удаления нежелательных частот из выходного сигнала. ^[4] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$

Переключение

Другая форма смесителя работает по принципу переключения, что эквивалентно умножению входного сигнала на квадратную волну. В двойном балансном смесителе (меньший) входной сигнал попеременно инвертируется или не инвертируется в соответствии с фазой гетеродина (LO). То есть входной сигнал эффективно умножается на квадратную волну, которая попеременно меняется между +1 и -1 на частоте гетеродина.

В однобалансном переключающем микшере входной сигнал попеременно пропускается или блокируется. Таким образом, входной сигнал эффективно умножается на прямоугольную волну, которая чередуется между 0 и +1. Это приводит к тому, что частотные компоненты входного сигнала присутствуют на выходе вместе с произведением, ^[5], поскольку умножающий сигнал можно рассматривать как прямоугольную волну со смещением постоянного тока (т. е. нулевой частотной компонентой).

Целью переключающего смесителя является достижение линейной работы посредством жесткого переключения, управляемого локальным генератором. В частотной области работа переключающего смесителя приводит к обычным суммарным и разностным частотам, а также к дополнительным терминам, например ±3 f _LO , ±5 f _LO и т. д. Преимущество переключающего смесителя заключается в том, что он может достичь (при тех же усилиях) более низкого коэффициента шума (NF) и большего коэффициента усиления преобразования. Это происходит потому, что переключающие диоды или транзисторы действуют либо как небольшой резистор (переключатель замкнут), либо как большой резистор (переключатель разомкнут), и в обоих случаях добавляется только минимальный шум. С точки зрения схемы многие умножающие смесители могут использоваться как переключающие смесители, просто увеличивая амплитуду LO. Поэтому инженеры по радиочастотам просто говорят о смесителях, в то время как они имеют в виду переключающие смесители.

Приложения

Схема смесителя может использоваться не только для сдвига частоты входного сигнала, как в приемнике, но и в качестве детектора продукта , модулятора , фазового детектора или умножителя частоты. ^[6] Например, приемник связи может содержать два каскада смесителя для преобразования входного сигнала в промежуточную частоту и еще один смеситель, используемый в качестве детектора для демодуляции сигнала.

Смотрите также

• Портал электроники

• Умножитель частоты
• Субгармонический микшер
• Детектор продукта
• Пентагридный преобразователь
• Трубка отклонения луча
• Кольцевая модуляция
• Ячейка Гилберта
• Оптическое гетеродинное детектирование
• Интермодуляция
• Точка пересечения третьего порядка
• Эффект ржавого болта

Ссылки

1. Пул, Ян. "Учебник по двойному сбалансированному микшеру". Adrio Communications . Получено 30 июля 2012 г.
2. APITech. "RF Mixers". info.apitech.com . Получено 2021-06-24 .
3. DS Evans, GR Jessop, Руководство VHF-UHF, третье издание , Радиообщество Великобритании , 1976, стр. 4-12
4. Кокс, Кит (2022-03-07). "Краткое руководство по топологиям смесителей - Блог Mini-Circuits". blog.minicircuits.com . Архивировано из оригинала 2024-08-28 . Получено 2024-09-24 .
5. «Разница между небалансными, одинарными и двойными балансными смесителями».
6. Пол Горовиц, Уинфред Хилл. Искусство электроники. Второе издание . Издательство Кембриджского университета, 1989, стр. 885–887.

Внешние ссылки

• Радиочастотные микшеры и руководство по микшированию

 В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22.