Частотный смеситель

Схема, создающая новые частоты из двух сигналов

Символ частотного смесителя

В электронике смеситель , или смеситель частот , — это электрическая цепь, создающая новые частоты из двух подаваемых на нее сигналов . В наиболее распространенном применении на смеситель подаются два сигнала, и он генерирует новые сигналы на основе суммы и разности исходных частот. Другие частотные компоненты также могут быть созданы с помощью практичного смесителя частот.

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 перевода принятых сигналов на общую промежуточную частоту . Смесители частот также используются для модуляции несущего сигнала в радиопередатчиках .

Типы

Основной характеристикой микшера является то, что он создает на выходе компонент, который является произведением двух входных сигналов. Как активные, так и пассивные схемы могут реализовывать смесители. Пассивные смесители используют один или несколько диодов и полагаются на их нелинейную зависимость между напряжением и током для создания умножающего элемента. В пассивном микшере желаемый выходной сигнал всегда имеет меньшую мощность, чем входные сигналы.

В активных смесителях используется усилительное устройство (например, 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 двухбалансного пассивного диодного смесителя (также известного как кольцевой модулятор ). Выход отсутствует, если не присутствуют входы f1 и f2, хотя f2 (но не f1) может быть постоянным током.

Смесители также можно классифицировать по топологии :

• Несбалансированный смеситель, помимо создания продуктового сигнала, позволяет проходить обоим входным сигналам и появляться в качестве компонентов на выходе.
• Один балансный смеситель устроен так, что один из его входов подключен к симметричной ( дифференциальной ) схеме так, что на выходе подавляется либо гетеродин (LO), либо входной сигнал (RF), но не оба одновременно.
• В двойном балансном смесителе оба входа подаются на дифференциальные схемы, так что на выходе не появляется ни один из входных сигналов, а только сигнал произведения. ^[1] Двойные балансные смесители более сложны и требуют более высоких уровней мощности, чем несбалансированные и однобалансные конструкции.

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

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

Нелинейные электронные компоненты, используемые в качестве смесителей, включают диоды и транзисторы , смещенные вблизи точки отсечки. Линейные, изменяющиеся во времени устройства, такие как аналоговые умножители , обеспечивают превосходную производительность, поскольку только в настоящих умножителях выходная амплитуда пропорциональна входной амплитуде, что требуется для линейного преобразования. Также использовались индукторы с ферромагнитным сердечником , приводимые в состояние насыщения . В нелинейной оптике кристаллы с нелинейными характеристиками используются для смешивания двух частот лазерного света для создания оптических гетеродинов .

Диод

Диод можно использовать для создания простого несбалансированного смесителя . Этот тип микшера производит исходные частоты, а также их сумму и разность. Важным свойством диода является его нелинейность (или неомическое поведение ), что означает, что его отклик (ток) не пропорционален его входу (напряжению). Диод не воспроизводит частоты своего управляющего напряжения в токе через него, что позволяет осуществлять желаемую манипуляцию частотой. Ток через идеальный диод как функция напряжения на нем определяется выражением ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle V_{D}}$

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

где важное свойство нелинейности является результатом нахождения в показателе ''. Экспоненту можно разложить как ${\displaystyle V_{D}}$ ${\displaystyle e}$

${\displaystyle e^{x}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}}$

и может быть аппроксимирован для малых (то есть малых напряжений) первыми членами этого ряда: ${\displaystyle x}$

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

Предположим, что сумма двух входных сигналов подается на диод и генерируется выходное напряжение, пропорциональное току через диод (возможно, за счет подачи напряжения, которое присутствует на резисторе, включенном последовательно с диодом). Тогда, без учета констант в уравнении диода, выходное напряжение будет иметь вид ${\displaystyle v_{1}+v_{2}}$

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

Первый член справа — это исходные два сигнала, как и ожидалось, за которыми следует квадрат суммы, которую можно переписать как , где перемноженный сигнал очевиден. Многоточие представляет все высшие степени суммы, которые, как мы считаем, пренебрежимо малы для слабых сигналов. ${\displaystyle (v_{1}+v_{2})^{2}=v_{1}^{2}+2v_{1}v_{2}+v_{2}^{2}}$

Предположим, что на диод подаются две входные синусоиды разной частоты, такие что и . Сигнал становится: ${\displaystyle v_{1}=\sin at}$ ${\displaystyle v_{2}=\sin bt}$ ${\displaystyle v_{0}}$

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

Разложение квадратного члена дает:

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

Игнорируя все термины, кроме термина , и используя идентичность простафереза ​​(продукт к сумме), ${\displaystyle \sin at\sin bt}$

${\displaystyle \sin a\sin b={\frac {\cos(a-b)-\cos(a+b)}{2}}}$

урожайность,

${\displaystyle v_{\mathrm {o} }=\cos((a-b)t)-\cos((a+b)t)+\dots }$

демонстрируя, как новые частоты создаются с помощью микшера.

Переключение

Другая форма смесителя работает путем переключения, что эквивалентно умножению входного сигнала на прямоугольную волну. В двухбалансном смесителе (меньший) входной сигнал попеременно инвертируется или не инвертируется в зависимости от фазы гетеродина (LO). То есть входной сигнал эффективно умножается на прямоугольную волну, которая чередуется между +1 и -1 со скоростью LO.

В однобалансном переключающем смесителе входной сигнал попеременно пропускается или блокируется. Таким образом, входной сигнал эффективно умножается на прямоугольную волну, значения которой чередуются между 0 и +1. Это приводит к тому, что частотные компоненты входного сигнала присутствуют на выходе вместе с произведением, ^[4] поскольку умножающий сигнал можно рассматривать как прямоугольный сигнал со смещением постоянного тока (т.е. с нулевой частотной составляющей).

Целью импульсного смесителя является достижение линейной работы посредством жесткого переключения, управляемого гетеродином. В частотной области работа переключающего смесителя приводит к обычным суммам и разностям частот, а также к дополнительным членам, например, ±3 f _LO , ±5 f _LO и т. д. Преимущество переключающего смесителя состоит в том, что он может достигать (при те же усилия) более низкий коэффициент шума (NF) и больший коэффициент преобразования. Это связано с тем, что переключающие диоды или транзисторы действуют либо как небольшой резистор (переключатель замкнут), либо как большой резистор (переключатель разомкнут), и в обоих случаях добавляется лишь минимальный шум. С точки зрения схемы, многие умножающие смесители можно использовать в качестве переключающих смесителей, просто увеличивая амплитуду гетеродина. Итак, радиоинженеры просто говорят о смесителях, имея в виду переключающие смесители.

Схема смесителя может использоваться не только для сдвига частоты входного сигнала, как в приемнике, но и в качестве детектора произведения , модулятора , фазового детектора или умножителя частоты. ^[5] 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 смеситель
• Детектор продукта
• Пентагридный преобразователь
• Трубка отклонения балки
• Кольцевая модуляция
• ячейка Гилберта
• Оптическое гетеродинное обнаружение
• Интермодуляция
• Точка перехвата третьего порядка
• Эффект ржавого болта

Рекомендации

1. Пул, Ян. «Учебное пособие по двойному сбалансированному микшеру». Адрио Коммуникейшнз . Проверено 30 июля 2012 г.
2. APITech. «РЧ-микшеры». info.apitech.com . Проверено 24 июня 2021 г.
3. Д.С. Эванс, Г.Р. Джессоп, Руководство по УКВ-УВЧ, третье издание , Радиосообщество Великобритании , 1976, стр. 4-12
4. «Разница между небалансными, одинарными и двойными сбалансированными смесителями» .
5. Пол Горовиц, Уинфред Хилл. Искусство электроники, второе издание , Cambridge University Press, 1989, стр. 885–887.

Внешние ссылки

• Радиочастотные микшеры и руководство по микшированию

 Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.