Mezcladores de Frecuencia
CURSO:
5º Semestre Ingeniería en Sistemas Electrónicos
ALUMNO: CI: ASIGNATURA: CATEDRÁTICO:
M. Leonardo Manzaneda Laura 6108465 Lp. Electrónica Lineal II Ing . José Arturo Ríos Altamirano La Paz - Bolivia
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Índice Introducción. ....................................................................................................................................... 1
1.
Conceptos .................................................................................................................................... 6
1.1.
Mezcladores de Frecuencia ..................................................................................................... 6
1.2.
Características de un Mezclador de Frecuencia .................................................................... 8
1.2.1.
Ganancia de conversión ...................................................................................................... 8
1.2.2.
Factor de Ruido ................................................................................................................... 8
1.2.3.
Nivel de compresión y punto punto de intercepción. .................................................................... 9
1.3.
Parámetros Básicos de un Mezclador ...................................................................................... ...................................................................................... 9
1.4.
Terminología de mezcladores. .............................................................................................. 10
1.5.
Funcionamiento del mezclador ............................................................................................. 12
1.6.
Problemas Básicos de un Mezclador ..................................................................................... 15
1.7.
Conceptos básicos de los mezcladores. ................................................................................. 16
1.8.
Análisis espectral ................................................................................................................... 21
2.
Tipos .......................................................................................................................................... 23
2.1.
Según las ganancias o pérdidas de conversión ...................................................................... 23
2.1.1.
Mezcladores pasivos ......................................................................................................... 23
2.1.1.1. 2.1.2. 2.2.
Ganancia (o pérdida) de conversión. ............................................................................. 26 Mezcladores activos. ......................................................................................................... 26
Según la estructura utilizada en la implementación .............................................................. 28
2.2.1.
Mezclador simple .............................................................................................................. 28
2.2.2.
Mezclador equilibrado ....................................................................................................... 28
2.2.3.
Mezclador doblemente equilibrado. .................................................................................. 29
2.2.4.
Mezclador con rechazo de frecuencia imagen .................................................................. 31
2.3. 3.
Otros tipos de mezcladores. .................................................................................................. 31 Aplicaciones .............................................................................................................................. 32
3.1.
Multiplicador analógico ........................................................................................................ 33
3.2.
Mezcladores como cambiadores de frecuencia ..................................................................... 34
3.2.1.
Introducción. ..................................................................................................................... 34
3.2.2.
Funcionamiento ................................................................................................................. 34 2
3.3.
Modulación en amplitud ........................................................................................................ 35
3.3.1.
Introducción ...................................................................................................................... 35
3.3.2.
Modulación con portadora ................................................................................................ 35
3.4.
Modulación BPSK .................................................................................................................. ................................................................................................................ 37
3.4.1.
Funcionamiento ................................................................................................................. 37
3.4.2.
Un caso más general .......................................................................................................... 38
3.5.
Mezclador como duplicador de frecuencia ........................................................................... 38
3.6.
Demodulación BPSK ............................................................................................................ 39
3.6.1. 3.7.
Funcionamiento ................................................................................................................. 39 Demodulador de amplitud ..................................................................................................... 40
3.7.1.
Funcionamiento ................................................................................................................. 40
3.7.2.
Estudio gráfico .................................................................................................................. 40
3.8.
Mezcladores como detectores de fase ................................................................................... 41
3.8.1. 3.9.
Modulador ............................................................................................................................. 42
3.9.1. 4.
Introducción ...................................................................................................................... 41 Tipos de moduladores según su montaje ........................................................................... 42
Circuitos .................................................................................................................................... 43
4.1.
Mezcladores con diodos ........................................................................................................ 43
4.2.
Mezcladores FET y BJT BJT ....................................................................................................... 55
4.2.1.
Mezclador JFET ............................................................................................................... 56
4.2.2.
Mezclador a MOSFET ...................................................................................................... 57
4.2.3.
Mezcladores basados en BJT ............................................................................................ 58
4.3.
Otros Circuitos Mezcladores ................................................................................................. 62
Bibliografía
3
Índice de Figuras Figura 1: Símbolo del mezclador (Vega)......................................................................................... 5 Figura 2: Estructura Interna del Mezclador ...................................................................................... 7 Figura 3: Ilustración de las definiciones de terminología de operación de mezcladores ...... 9 Figura 4. Circuito mezcladora diodo único ..................................................................................... 10 Figura 5 Mezcladores a FET de terminación única: ................................................................. 11 Figura 6.Banda de Imagen en Mezcladores de Frecuencia .................................................... 15 Figura 7.Señales, en el dominio del tiempo, en un sumador............................................................ 17 Figura 8 Señales en el dominio del tiempo en un mezclador........................................................... 18 Figura 9. Dispositivo no lineal usado como mezclador ................................................................... 21 Figura 10. Mezclador con un diodo ................................................................................................. 24
Figura 11. Mezclador balanceado simple ......................................................................................... 25 Figura 12. Mezclador activo con transistor bipolar ......................................................................... 26 Figura 13. Conversor de frecuencia ................................................................................................ 27 Figura 14. Mezclador doblemente equilibrado .................................................................................. 30 Figura 15. Otra versión del mezclador con un diodo....................................................................... 32 Figura 16. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ............................................................ 35 Figura 17. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ...................................................... 36 Figura 18.TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ........................................................... 37 Figura 19. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES .......................................................... 38 Figura 20 . TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ......................................................... 39 Figura 21. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES .......................................................... 39 Figura 22. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES ......................................................... 40 Figura 23. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES .......................................................... 41 Figura 24. Circuito mezclador sencillo basado en un diodo. .......................................................... 43 Figura 25. Circuito mezclador basado en un par de diodos............................................................ 45 Figura 26. Malla superior del circuito para valores positivos de V OL ........................................... 46 Figura 27. Malla inferior del circuito para valores positivos de V OL .............................................. 46 Figura 28. Circuito resultante .......................................................................................................... 47 Figura 29. Circuito mezclador basado en 4 diodos (Mezclador en anillo) ..................................... 50 Figura 30. Mezclador activo con transistor bipolar .................................................................... 53 Figura 31. Conversor de frecuencia ............................................................................................ 54 Figura 32. Mezcladores de Frecuencia ...................................................................................... 55 Figura 33. Mezclador JFET ........................................................................................................... 56 Figura 34. Mezcladores MOSFET ............................................................................................... 57 Figura 35. Circuito mezclador basado en un par diferencial .......................................................... 58
Figura 36 . Evolución de las intensidades de colector ...................................................................... 59 Figura 37. Mezclador Doble Balance con BJT .......................................................................... 62 Figura 38. Mezclador de Frecuencias con MOSFET de Doble Compuerta .......................... 63
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Introducción.
Los mezcladores, al igual que los amplificadores y osciladores, constituyen elementos indispensables de los sistemas de comunicaciones. Se emplean tanto en banda base a una de banda de paso (modulación) o de una banda de paso a otra banda de paso (conversión). Un mezclador es un dispositivo al que se aplican dos señales de entrada, de anchos de banda diferentes, y produce una señal de salida de otro ancho de banda, generalmente en dos bandas o más, una igual a la suma y otra a la diferencia de los anchos de banda de las señales de entrada. Esto es cierto a medias y válido sólo si a la salida del mezclador se utilizan filtros adecuados, ya que un mezclador produce por lo general, un número de señales de salida que se designan como espurios, que es necesario eliminar. El mezclador es un dispositivo no lineal que traslada y modifica el espectro de las señales mezcladas, pero no las suma, las multiplica en el dominio del tiempo. Esto es algo, conceptualmente muy importante y con frecuencia suelen mezclarse o confundirse estos conceptos.
mbol o del mezclador (Vega) Figura 1: Sí
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 143
5
Mezcladores de Frecuencia 1. Conceptos 1.1.
Mezcladores de Frecuencia
Los mezcladores son circuitos básicos en electrónica de comunicaciones que permiten la traslación de frecuencia de las señales eléctricas, operación importante tanto para la transmisión como para la recepción. El objetivo del mezclador es multiplicar dos señales de entrada. Si se introducen, en cada una de las entradas, tonos puros de frecuencias ωs y ωLO respectivamente, el mezclador generará una señal:
Es decir, multiplicar una señal vs (t) por una señal senoidal de frecuencia ωs equivale a trasladar el espectro de la señal original en una frecuencia ωLO.
El mezclador se utiliza bien para la modulación en amplitud, bien para la demodulación o bien para la traslación en frecuencia de las señales (para pasar las señales de radio frecuencia a frecuencia intermedia en un receptor heterodino). Cuando se utiliza para modulación, en una de las entradas se introduce una señal generada por un oscilador local (LO), y en la otra, la señal modulante en banda base, obteniéndose una señal modulada, cuya portadora corresponde con la frecuencia del oscilador local. Cuando se utiliza para demodulación, se conecta el oscilador local a una entrada (Con la misma frecuencia de la portadora), y la señal de radio frecuencia (RF) en la otra entrada. Gracias a la traslación de frecuencias se obtiene, a la salida, la señal en banda base.
6
Para la traslación de frecuencias, se introduce en una entrada la señal de radio frecuencia y en la otra el oscilador local con una frecuencia ωLO = (ωRF − ωIF ) ó ωLO = ( ωRF + ωIF )
donde ωI F es la frecuencia intermedia a la que queremos trasladar el espectro de la señal de entrada. En general, además de la componente a la frecuencia deseada, a la salida del mezclador nos vamos a encontrar con componentes no deseadas en otras frecuencias (repeticiones del espectro de la señal de interés en frecuencias no deseadas). Este efecto se debe fundamentalmente a 3 causas: La respuesta del mezclador no es exactamente el producto de las dos entradas, sino una función más compleja de éstas, que se puede expresar de forma general del modo siguiente:
Y donde los distintos términos darán lugar a la aparición de componentes en determinadas frecuencias.
Figura 2: Estr uctura I nter na del M ezclador
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 144 7
1.2.
Características de un Mezclador de Frecuencia
Ahora estudiaremos los parámetros más importantes a tener en cuenta para poder caracterizar un mezclador y así ser capaces de elegir el más adecuado para cada aplicación.
1.2.1.Ganancia de conversión Se define como el cociente entre la potencia de salida asociada al armónico de frecuencia intermedia -el que nos interesa- y la potencia de la señal de radiofrecuencia.
Consideraremos que la ganancia de conversión es constante dentro de la banda de frecuencias que vayamos a utilizar.
1.2.2.Factor de Ruido Es el cociente entre la relación Señal/Ruido a la entrada y la relación Señal/Ruido a la salida. Cuanto más cercano a la unidad mejor será el mezclador.
El mezclador posee el factor de ruido más alto de toda la cadena de recepción.
8
1.2.3.Nivel de compresión y punto de intercepción. El nivel de compresión es el valor de potencia de entrada que provoca una caída de 3dB entre la recta teórica de la ganancia de conversión y la curva real. Por otra parte, el punto de intercepción es donde se cortan la recta teórica de ganancia de conversión y la de la variación de la potencia del producto de intermodulación de tercer orden en función de la potencia de entrada.
Figura 3: Ilustración de las definiciones de terminología de operación de mezcladores
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 149
1.3.
Parámetros Básicos de un Mezclador
La frecuencia portadora (fp) y los márgenes en los que puede variar manteniendo un funcionamiento correcto.
La frecuencia intermedia (fFI).
La frecuencia del oscilador local pues podemos elegirla mayor o menor que la de portadora, para evitar problemas de banda band a imagen. 9
El ancho de banda de radiofrecuencia (BRF) para la elección del filtro selectivo del mezclador.
El ancho de banda de salida (BFI).
1.4.
Terminología de mezcladores.
Un mezclador de terminación única muy sencillo, se puede construir , como un diodo en serie con las entradas de RF y de oscilador local (LO), una fuente de polarización y un circuito sintonizado a la frecuencia de FI deseada. Sin embargo, un mezclador como el mencionado tiene bastantes desventajas. Posee: a) una cifra de ruido relativamente alta b ) pérdida por pérdida por conversión
es decir, la salida s alida de potencia de señal FI es menor men or que la
entrada de potencia de señal (RF) c) no linealidades de orden superior, dada la característica brusca de corte del diodo d)
ningún aislamiento entre el LO y las entradas de RF, incrementando así la
posibilidad de que la señal del LO puede inyectarse a la antena anten a receptora e)
una corriente de salida relativamente intensa en la frecuencia del LO, tiende a
sobrecargar la etapa de entrada de FI.
cuito o mezcladora mezcladora di odo úni úni co Figura 4. Cir cuit
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores
10
(a)
(b)
(c) Figura 5 Mezcladores a FET de termin ación únic a:
(a) mezclador JFET con in yección de L O y RF en l a compuerta; (b) mezclador JF ET con in yección L O en l a terminal de fu ente (c), mezclador a compuerta dual a M OSFET con señ ales de LO y RF inyectadas en compuertas separadas.
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores
El circuito de la figura 6b ofrece mejor aislamiento entre las entradas de LO y RF. Sin embargo, como la fuente (o emisor en el caso de un BJT) es un punto de baja impedancia, se requiere más potencia del LO. El circuito de la figura 6c utiliza un 11
MOSFET de compuerta dual para dar mejor aislamiento entre los puertos del LO y RF, aunque la ganancia es menor que la de los circuitos a FET. Un mezclador de balance único usa dos (o más) dispositivos no lineales con la señal de LO o la RF aplicada en "pushpull" de tal suerte que esta componente de frecuencia y sus armónicas impares no aparecen en el puerto de FI, simplificándose así el problema de filtrado. Con circuitos más complicados, el mezclador de doble balance tiene entradas de RF y LO aplicadas en contrafase a puertos separados de tal manera que ninguna señal aparezca en los otros dos puertos; esto es, la señal LO no aparece en los puertos RF o LO y así sucesivamente. Estos circuitos generalmente requieren transformadores de entrada y salida bien balanceados y un acoplamiento exacto de las características del dispositivo activo.
1.5.
Funcionamiento del mezclador
Los siguientes términos se usan para describir el funcionamiento del mezclador:
Gan ancia (o pé r dida) de conversión es la razón de la potencia de señal de salida
(FI) a la de entrada (RF)
Cifr a de r ui do es la SNR (relación señ al-a-r ui do) en el puerto de entrada (RF)
dividida entre el SNR en el puerto de salida (FI).
El aislamiento representa la cantidad de "fuga" o "paso de alimentación" entre los
puertos del mezclador. o
Sea fRF la frecuencia en el puerto de RF, fLO la del oscilador local y fIF la de FI. Entonces “el aislamiento en el puerto RF en f L O ” es la cantidad en
que la señal de nivel de excitación se atenúa cuando se mide en el puerto de RF. El “aislamiento en el puerto FI en f L O“ es la cantidad en que la señal
de nivel de excitación se atenúa cuando se mide en el puerto FI.
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L a compr esión de conversión se refiere al nivel de potencia de entrada RF arriba
del cual la curva de potencia de salida FI vs potencia de entrada RF se desvía de la linealidad. Arriba de este nivel, un aumento adicional en el nivel de entrada RF no se traduce en un aumento proporcional en el nivel de salida o
Cuantitativamente, la compresión de conversión es la reducción del nivel de salida en dB abajo de la característica lineal. Usualmente, el nivel de entrada en el que la compresión es de 1 o 3 dB se da en las especificaciones del mezclador (ver figura 7.5)
El rango di námi co es el rango de amplitud dentro del cual el mezclador puede
trabajar sin degradación en la operación. Depende del punto de compresión de conversión y de la cifra de ruido del mezclador.
L a distorsión de in termodu laci ón de tercer orden en dos tonos es la cantidad de
distorsión de tercer orden causado por la presencia de una señal secundaria recibida en el puerto de RF. Matemáticamente, la distorsión de tercer orden se define en términos de la componente de frecuencia en 2f2 - f ± fo, donde f1 es la señal de entrada deseada y f2 es la señal de entrada secundaria. Por lo general, mientras más alta sea la compresión de conversión o punto de interceptación del mezclador, más alta será la superficie de este producto.
Pun to de in terceptación es el punto en el que la curva de respuesta fundamental y
la de respuesta espuria de tercer orden se interceptan (ver figura 7.5) A menudo, se usa para especificar la supresión de tercer orden en dos tonos del mezclador. Mientras más alto esté el punto interceptación, será mejor la supresión de tercer orden.
Desensitización es la compresión en la frecuencia de señal deseada, causada por
una señal de interferencia fuerte en una frecuencia adyacente.
L a distorsión de intermodul ación ar móni ca resulta del mezclado de armónicas de
las señales de entrada generadas por el mezclador.
Estos productos de distorsión tienen frecuencias mfLO ± nfRF, donde m y n representan el orden de armónicas.
13
Di storsión por modulación cr uzada es la cantidad de modulación transferida de
una portadora modulada a una sin modular, cuando ambas señales se aplican al puerto de RF. Mientras más elevada sea la compresión de conversión, o el punto de interceptación de un mezclador, mayor será la atenuación del producto de modulación cruzada. o
Algunas de estas definiciones se ilustran en la figura 7.5, que muestra la característica de un mezclador hipotético.
o
A la entrada de cero dBm la salida es de 6dBm, indicando una ganancia de conversión de 6 dB. En este nivel de entrada, el producto de intermodulación de dos tonos y tercer orden está 30 dB abajo de la salida deseada. En un valor de entrada más alto, el punto de compresión de 3 dB está indicado (los 3 dB de salida deseada abajo del valor de línea recta); y a un nivel de entrada aún más alto, el punto de interceptación se muestra donde se interceptan las curvas proyectadas de la salida deseada y las del producto de intermodulación de tercer orden.
14
1.6.
Problemas Básicos de un Mezclador
Sabemos que mezclar señales genera ciertos problemas inherentes al propio proceso tales como los productos de intermodulación, pero además pueden surgir otros inconvenientes asociados con la recepción de señales indeseadas. Algunos de los problemas más destacables son:
Apar ición de produ ctos de intermodulación asociados a las señ ales de entr ada de la f orma | mf ol ± nf RF | . Si éstos se encuentran lejos de la banda que nos
interesa no tendremos problemas, pero si están cerca tendremos que eliminarlos.
Podemos recibir señales de frecuencia fy distinta a la de la señal información que genere productos de intermodulación cerca de la frecuencia intermedia | mf ol ± nf y |= f FI .
Banda i magen : se sitúa a f RF ± 2f FI y es idéntica a la señal deseada pero
desplazada en frecuencia, por lo que convendrá situar un filtro de rechazo de banda por si se sitúa cerca de la señal información. En ocasiones el problema puede solucionarse eligiendo adecuadamente la frecuencia del oscilador local de forma que la banda imagen que de lo suficientemente lejos de la de interés pero, otras veces tendremos que recurrir al filtro elimina-banda.
Figura 6.Banda de Imagen en Mezcladores de Frecuencia
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores (Cruz) 15
1.7.
Conceptos básicos de los mezcladores.
Los mezcladores, según se mencionó, son dispositivos no lineales, cuyas características pueden ser diferentes, dependiendo de los dispositivos particulares empleados. Independientemente de ello, la característica de transferencia de un mezclador puede expresarse como:
(1) Donde el exponente, n, no es necesariamente entero. V puede ser un voltaje de c.c. o puede ser cero y los voltajes de señal v1 y v2 en el caso más simple pueden expresarse como:
(1.a.) Si n = 1, el dispositivo es lineal y es un sumador, no un mezclador y, a la salida, como se ilustra en la figura 2, están presentes las dos señales de entrada sumadas o superpuestas, sin otras componentes espectrales más que las originales. Para el caso en que n = 2, (1) puede escribirse como:
(2)
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ales, en el domi ni o del tiempo, en un sum ador . Figura 7. Señ
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 145 Esta señal de salida sería la que se obtendría con un dispositivo de característica cuadrática como un diodo. Un valor diferente de n daría como resultado la generación de otros productos de mezcla, pero lo anterior es suficiente para comprender el proceso. Desarrollando (2) se tiene:
(3) La salida incluye un término de corriente continua y un cierto número de componentes espectrales, de las cuales en este caso, no son de interés ni la componente de c.c. ni las que sólo contienen las frecuencias ω1 u ω2, ya presentes en la entrada. Ignorando estos términos a la salida y asumiendo, sin pérdida de generalidad que el voltaje V de c.c. es cero, la salida a frecuencia intermedia está dada por:
(4)
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En la figura 3 se ilustra un mezclador, a cuya entrada están presentes señales a las frecuencias ω1 y ω2 con amplitudes V1 y V2 respectivamente. A la salida, las frecuencias ω1+ω2 y ω1 -ω2 centradas alrededor de la mayor de las dos y cada una de amplitud kV1V2/2, donde k es el factor de atenuación (o ganancia) del mezclador. En la figura se ilustra la función del mezclador en el dominio del tiempo. El circuito es muy similar al del sumador de la figura 2, excepto por el elemento no lineal, en este caso un diodo. La señal en el punto de unión de las dos resistencias de entrada es la misma que se tiene a la salida del sumador, es decir, la suma de las dos señales. Sin embargo al pasar por el diodo, las dos señales de entrada de hecho se multiplican, de modo que la señal de salida no contiene componentes espectrales a las frecuencias de las señales de entrada. Las componentes espectrales de la señal de salida son las de suma y diferencia de las frecuencias de entrada. La señal, en el dominio del tiempo, tiene la forma mostrada en la figura 3
ales en el domi nio del ti empo en un mezclador. Figura 8 Señ
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 146 Si las señales de entrada son de la misma frecuencia y difieren sólo en el ángulo de fase, φ, la salida del mezclador es 1/2 kV 1V 2 cosφ. Un circuito de este tipo, en que las señales
de entrada son de la misma frecuencia, pero de fase diferente, se designa como detector de fase y su salida, filtrada a baja frecuencia, es una señal de corriente continua, variable y proporcional a la diferencia de fase entre las señales de entrada.
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Otra forma, quizá más adecuada, para expresar la característica de transferencia de un mezclador es mediante el modelo polinomial (5) en que no se considera la componente de c.c.
(5) Si en (5) se substituyen v1 y v2 por las expresiones (1), se puede ver que, además de los términos a frecuencias ω1 y ω2, aparecen términos de múltiples frecuencias, del tipo dado por (4) y de la forma:
(6) Donde m y n son enteros. Por consecuencia, la salida contendrá no sólo dos bandas laterales, sino un gran número de ellas. Estas señales, de múltiples frecuencias, son los productos de intermodulación o señales espurias y son consecuencia de que el mezclador es un dispositivo no lineal. Por lo general sólo una de las bandas laterales, o un par simétrico de ellas es deseable a la salida y es necesario eliminar las señales espurias restantes, por lo que a la salida del mezclador suele conectarse un filtro de paso de banda que sólo deja pasar la o las señales a las frecuencias deseadas y elimina las restantes. En el caso más general, las señales de entrada al mezclador son de frecuencia diferente. Usualmente una de las señales de entrada es una señal modulada, con un cierto ancho de banda y la otra, de frecuencia fija. Si el mezclador es ideal, la señal de salida estará formada por dos bandas, una a la frecuencia de suma de las dos señales de entrada y otra, a la frecuencia de diferencia. En la práctica ningún mezclador es ideal y no se ha encontrado ningún dispositivo que, utilizado como mezclador, produzca sólo espurios de segundo orden.
19
La mayor parte de los mezcladores, si la amplitud de las señales de entrada es relativamente grande, producen espurios de órdenes elevados. Según se mencionó antes, de todas las frecuencias a la salida del mezclador, sólo las contenidas en una determinada banda de paso son las deseables. Las señales en esa banda se pueden recuperar mediante un filtro de paso de banda a la salida del mezclador que elimine todas señales fuera de esa banda. Sin embargo, puede ocurrir y con frecuencia ocurre, que algunos de los productos espurios de intermodulación caen dentro de la banda de paso deseada y no pueden eliminarse con el filtrado. La presencia de esos productos de intermodulación en la banda de paso degradará inevitablemente la señal. Cuando estos espurios dentro de la banda se deben al propio mezclador, es necesario elegir una frecuencia del oscilador local y de salida del mezclador, tales que en la medida posible todos los espurios queden fuera de la banda de paso. En los circuitos de comunicaciones la intermodulación no se produce sólo en el mezclador. También es causada por no linealidades en otros circuitos, particularmente en amplificadores de potencia que funcionan parcialmente en zonas no lineales de su característica y que, combinados con los espurios del mezclador suelen dar lugar a productos de intermodulación dentro de la banda de paso. En realidad, cualquier dispositivo con una característica no lineal de transferencia puede actuar como mezclador y se han dado casos de antenas que, construidas con metales diferentes y conexiones defectuosas, producen distorsión no lineal y actúan como diodos mezcladores. La señal de salida de cualquier mezclador real incluye un gran número de señales indeseables, los productos de intermodulación, que contienen señales a las frecuencias fundamentales del oscilador local y de la señal de RF y sus armónicos. Esto produce distorsión por intermodulación entre las múltiples señales, que puede comprometer el correcto funcionamiento del sistema.
20
1.8.
Análisis espectral
La figura 4 ilustra un mezclador sencillo formado por un dispositivo no lineal con dos voltajes de entrada v1(t) y v2(t) de diferentes frecuencias f1 y f2, respectivamente. Si el dispositivo fuera perfectamente lineal, el voltaje o corriente de salida contendría sólo las frecuencias f1 y f2. La naturaleza no lineal determina qué otras frecuencias se generan.
Figura 9. Dispositivo no li neal usado como mezclador
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores En general, la relación entrada salida en el dominio del tiempo se puede expresar por la serie de Taylor:
(7) Donde: Io es la corriente de salida en reposo y vi(t) representa la suma de los efectos de todas las señales de entrada. Si la entrada contiene sólo una frecuencia, la no linealidad generará armónicas de esta frecuencia y alterará la componente de c.c. Si se tienen varias frecuencias de entrada, se generarán frecuencias suma y diferencia, así como armónicas. Las frecuencias de suma y diferencia generadas por el término cuadrático en (7) se llaman productos de intermodulación de segundo orden; las originadas por el término cúbico, productos de tercer orden. 21
Un dispositivo de ley cuadrática es ideal para servicio de mezclador, pues se produce el número mínimo de frecuencias indeseables. Si el dispositivo tiene la característica de transferencia
(8) Y la entrada es:
(9) Y la corriente de salida se hace:
(10) Los dos primeros términos en (10) carecen de interés para la acción del mezclador, salvo que en un circuito práctico puede ser necesario filtrarlos. Mediante la igualdad trigonométrica
se ve que los términos tercero y cuarto representan una componente de c.c. y segundas armónicas de las frecuencias de entrada. El término final en (10) es llamado el término producto de la salida deseada:
(11) Obsérvese que las amplitudes de las componentes de frecuencias suma y diferencia, son proporcionales al producto ViV2 de las amplitudes de las señales de entrada.
22
Por lo general, en mezcladores de recepción, sólo se desea la componente de salida de frecuencia diferencia, de tal suerte que deben eliminarse las frecuencias originales, las armónicas y su suma, mediante filtrado o por otros medios. Antes de analizar los circuitos reales, se dará un tratamiento general del análisis espectral de las salidas de mezclador. Esto es deseable, pues el método dado en el párrafo precedente resultaría muy complicado si se extendiera a señales de entrada moduladas y no linealidades de orden superior.
2. Tipos Hay dos tipos de clasificaciones para los mezcladores, dependiendo de la ganancia o : pé rdi da de conver sión y dependiendo de la estr uctur a utili zada para l a implementación
2.1.
Según las ganancias o pérdidas de conversión
2.1.1.Mezcladores pasivos Utilizan diodos como dispositivos de mezcla. Describiremos ahora brevemente el funcionamiento de algunos mezcladores pasivos, con diodos, que suelen utilizarse frecuentemente. El circuito más simple, mostrado en la figura, se ilustra funcionalmente en la figura 8.
23
Figura 10. Mezclador con un diodo AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 148 En el circuito de la figura, las señales de RF y del oscilador local, OL, se aplican al diodo de forma que se suman. Suponiendo en el caso más simple que estas señales sean de forma senoidal y frecuencia única:
(12) Y el voltaje aplicado al diodo será v1 = vRF + vOL. También, si en el caso más simple, suponemos que la característica del diodo es solamente cuadrática, el voltaje de salida será de forma: (13) Con lo que, substituyendo vi por la suma de las expresiones (12) y siguiendo el mismo procedimiento utilizado para obtener la expresión (4), el voltaje sobre la resistencia R puede expresarse como:
(14) Que, como puede verse de (4) es el producto de las dos señales de entrada sumadas en serie, pero que aplicadas a un dispositivo de característica cuadrática como el diodo, genera una señal de salida que es, en realidad, el producto de las dos señales de entrada. La forma de onda de la señal de salida es como la mostrada en la figura 3. El mezclador anterior es de dos puertos, es decir, de una entrada y una salida y muy sencillo de implementar, aunque tiene limitaciones y un rendimiento inferior al de otros mezcladores. Un tipo de mezclador, mejor que el anterior, es el ilustrado en la 24
figura 9. Se trata también de un mezclador pasivo, con dos diodos y designado como mezclador balanceado.
Figura 11. Mezclador balanceado simple AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 149 La señal de RF se aplica al primario del transformador de entrada, en tanto que la del oscilador local se aplica en los puntos AB, mediante otro transformador, a las derivaciones centrales de los transformadores de entrada y salida. En los semiciclos de la portadora en que el punto A es positivo respecto al B, los diodos quedan polarizados directamente y constituyen, prácticamente, un cortocircuito, por lo que la señal de RF pasa directamente hasta el secundario del transformador de salida. Conviene notar que, aunque el mezclador es un circuito no lineal, la función de transferencia total del circuito, vFI/vRF es lineal . En otras palabras, de manera similar a un amplificador, un aumento en el nivel de la señal de entrada de RF produce un aumento similar en el nivel de salida de FI. Por otra parte, el voltaje de salida de FI es proporcional a la mitad del voltaje de entrada de RF, como se puede ver de (14), de modo que la potencia de salida de FI es, cuando más, 20log (1/2) = 6 dB respecto a la potencia de entrada de RF
25
2.1.1.1. Ganancia (o pérdida) de conversión. El grado en que la señal de salida, desplazada en frecuencia, se amplifica o atenúa, es una propiedad importante de los mezcladores y se designa como ganancia de conversión, si la señal es amplificada o pérdida de conversión, si es atenuada en el proceso de mezcla. En el caso de mezcladores pasivos, la señal de salida siempre está atenuada, a causa de las pérdidas inherentes al circuito.
2.1.2.Mezcladores activos. Están basados en transistores los cuales requieren una polarización, tienen ganancia de conversión (la potencia de salida es superior a la de entrada), requieren un menor nivel de señal del OL y el Factor de ruido es independiente de las ganancias de conversión, lo da el fabricante. En la figura 10 se ilustra un mezclador activo con un transistor bipolar. La diferencia entre este tipo de mezcladores y los pasivos, es que en estos últimos siempre se tiene pérdida de conversión, en tanto que en los mezcladores activos, se tiene amplificación que se traduce en una ganancia neta de conversión.
Figura 12. Mezclador activo con transistor bipolar AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 151 26
La unión base-emisor del transistor se polariza para funcionamiento conmutado en la región no lineal, mediante una señal del OL de amplitud grande. La mezcla ocurre en la unión de entrada y la ganancia de corriente que proporciona el transistor, así como el circuito sintonizado de salida, producen como resultado ganancia de potencia a FI. La ganancia total del circuito es 6 dB menos que la que se tendría con una señal de FI a la entrada, ya que según se mencionó, la potencia de FI es 6 dB menor que la de RF. Este tipo de circuito es semejante a los empleados en la porción frontal de los receptores de radio. Finalmente, en la figura 11 se ilustra un convertidor o conversor. Este término se emplea para designar a los circuitos que incorporan al mezclador y al oscilador local en un mismo conjunto.
Figura 13 . Conversor de fr ecuencia
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 152 El circuito sintonizado de salida, a la frecuencia intermedia, formado por C1 y L tiene una trayectoria de realimentación al oscilador local, a través de C2.
27
Por otra parte, la impedancia del circuito de FI ofrece baja impedancia a la frecuencia del oscilador local, principalmente debido a C1, en tanto que el circuito sintonizado del oscilador, formado por L1 y el condensador en paralelo, es esencialmente un corto circuito a FI, a causa de L1. Todo esto se traduce en una baja impedancia en el circuito del emisor, con lo que se consigue una buena ganancia.
2.2.
Según la estructura utilizada en la implementación
2.2.1. Mezclador simple Este tipo de mezcladores se utilizan en diseños a muy altas frecuencias donde se requiere simplicidad en el circuito o en aplicaciones en las que sea más importante el precio que las prestaciones técnicas. Solo se utiliza un elemento no lineal como mezclador de señal y unos filtros para seleccionar la señal útil.
2.2.2.Mezclador equilibrado A diferencia de los mezcladores simples en los que utilizamos filtros para separar las frecuencias, en un mezclador equilibrado, para separar señales de entrada en RF y oscilador local y evitar o eliminar los productos de intermodulación no deseados, se utilizan dos o más mezcladores simples conectados a través de circuitos híbridos. De esta forma, las señales deseadas se suman en fase a la salida y las indeseadas en contrafase, consiguiendo eliminarlas. La principal característica de estas estructuras es que suprimen los armónicos pares de OL-RF y mejoran el aislamiento OL-RF y OL-FI sin necesidad de filtros. La expresión de salida de la señal es:
28
Observando la expresión de la señal de salida, vemos que solo genera armónicos y productos de intermodulación impares con encontraría en
, por lo tanto, no tan cercanos a la señal útil que se . Para obtener la señal útil se aplica un
filtro paso bajo centrado en la frecuencia de FI.
2.2.3.Mezclador doblemente equilibrado. Este tipo de mezclador emplea cuatro elementos no lineales combinados de tal forma que consigue eliminar los productos de mezcla correspondientes a todos los armónicos pares tanto de la señal de RF como del oscilador local. Desarrollando la tensión a la salida en función de las tensiones de entrada, se comprueba que sólo incluye los términos de frecuencia de la forma:
29
Se utilizan circuitos integrados con transistores bipolares como elementos activos, en frecuencias inferiores a unos 100MHz. Es difícil encontrar mezcladores doblemente equilibrados a frecuencias superiores a algunas decenas de gigahercios. Un mezclador con diodos frecuentemente utilizado es el ilustrado en la figura 14. Este mezclador se designa como doblemente balanceado, un tipo de mezclador abundante en el mercado. Una característica importante de este mezclador es el buen aislamiento que proporciona entre las tres señales, tanto entre OL y RF, como entre éstas y la FI.
Figura 14. Mezclador doblemente equilibrado AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 151
30
2.2.4.Mezclador con rechazo de frecuencia imagen Estos mezcladores son útiles cuando resulta difícil filtrar la frecuencia imagen (frecuencia simétrica de la señal respecto a la señal del OL) a la entrada del mezclador. En la imagen podemos ver que se compone de dos mezcladores doblemente equilibrados a los que se aplica la señal a a través de un híbrido de 90º y el oscilador local a través de un divisor de potencia. La salida de cada uno de los mezcladores se combina en un híbrido de 90º para obtener la frecuencia intermedia. Si la frecuencia del oscilador local es superior a la de la señal, la mezcla deseada (mezcla diferencia) aparece a la salida de frecuencia intermedia, mientras que la banda imagen es rechazada. En la otra puerta del híbrido aparece la mezcla suma que es llevada a la carga.
2.3.
Otros tipos de mezcladores.
Las configuraciones de los circuitos mezcladores son muy numerosas y no es posible aquí entrar, no ya en el análisis, sino en la simple descripción de los posibles circuitos. Por ello, se han elegido cuatro circuitos que ilustran algunas de las diferentes técnicas empleadas en los circuitos mezcladores, bien sea con elementos discretos, o con circuitos integrados. El mezclador de la figura 13, es una variante del mezclador con un solo diodo. En este caso la entrada del oscilador local está acoplada capacitivamente y la de RF mediante un transformador. El condensador de acoplamiento del OL suele ser de pequeña capacidad, ya que por lo general, la frecuencia del oscilador local es mayor que la de RF.
31
Figura 15. Otra versión del mezclador con un diodo AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 150 El condensador de acoplamiento del oscilador local, por su pequeña capacidad, presenta una impedancia elevada, tanto a la señal de RF como a la FI, lo que permite conseguir un buen aislamiento entre el oscilador local y el mezclador. Por otra parte, el transformador a cuyo primario se aplica la señal de RF, proporciona el acoplamiento adecuado entre ésta y el mezclador.
3. Aplicaciones Algunas de las aplicaciones para los mezcladores de frecuencia son:
Multiplicador de señales.
Cambiadores de frecuencia.
Moduladores.
Demoduladores
Otras aplicaciones: – Detectores de fase. – Recuperadores de portadora. – CAG. 32
3.1.
Multiplicador analógico Es un dispositivo que toma dos señales eléctricas analógicas y produce una
salida cuyo valor es el producto de las entradas. Dichos circuitos pueden ser utilizados para implementar funciones relacionadas tales como los cuadrados (aplica la señal a ambas entradas) y las raíces cuadradas. Un multiplicador analógico electrónico puede ser denominado de diversas maneras, dependiendo de su función En la mayoría de los casos las funciones realizadas por un multiplicador analógico se pueden realizar mejor y a coste más bajo utilizando las técnicas Digitales de Procesamiento de Señal. En frecuencias bajas, una solución digital será más barata y más efectiva, y permite que la función de circuito para ser modificada por las micro-instrucciones. A frecuencias más altas, el coste de aplicar las soluciones digitales aumenta mucho más rápidamente que las soluciones analógicas. Cuando los avances digitales de la tecnología, el uso de multiplicadores analógicos tiende a ser marginado siempre más hacia circuitos más altos de frecuencia o muy aplicaciones de especialista. Además, la mayoría de las señales ahora se destinan a llegar a ser digitalizadas eventualmente en el sendero de señal, y si en todas posibles las funciones que requerirían un multiplicador.
33
3.2.
Mezcladores como cambiadores de frecuencia
3.2.1.Introducción.
Se usan mezcladores junto con un filtro paso banda.
Trasposición de frecuencias hacia arriba (UP converter), o hacia abajo (DOWN converter).
En emisores y receptores para poder operar en frecuencia intermedia y transmitir en radio frecuencia.
Emisor -> UP Converter.
Receptor -> DOWN converter
3.2.2.Funcionamiento
Señal de RF a frecuencia F y BW Af.
La multiplicamos por tono puro a frecuencia Fol.
Obtenemos la misma señal RF, pero a frecuencias F – Fol y F+Fol.
Filtramos y dejamos parar las componentes a F-Fol y conseguimos un DOWN converter.
Respectivamente el UP-Converter.
Con una ganancia de conversión igual para todas las frecuencias las características de una modulación en fase, frecuencia o amplitud.
En la figura se ve la salida del multiplicador.
Quedaría filtrar adecuadamente para obtener el convertidor de frecuencia
34
Figura 16. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega. Pág. 160
3.3.
Modulación en amplitud
3.3.1.Introducción
Se basan en hacer pasar señales a través de elementos no lineales.
Se usan los mezcladores de diodos y un filtrado adecuado.
Podemos realizar modulaciones con y sin transmisión de la portadora.
3.3.2.Modulación con portadora 35
El esquema muestra una modulación en amplitud de doble banda con inserción de portadora.
Se basa en insertar la portadora en el espectro de salida para que el índice de modulación no supere el 100%. Para el esquema, y una Pif=1dBm se cumple que m=100%.
Figura 17. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
36
3.4.
Modulación BPSK
3.4.1.Funcionamiento
Aplicamos una señal cuadrada en una entrada.
Aplicamos un tono a la frecuencia que deseemos modular por la otra entrada.
Cuando queramos transmitir un uno. Ponemos un voltaje positivo en ese ciclo y el tono pasará multiplicado por uno.
Cuando queramos transmitir un cero. Ponemos un voltaje negativo y el tono será multiplicado por – 1, es decir, toma una fase de pi.
La figura muestra un posible esquema para realizar dicha modulación.
Interesante ver qué diodos quedan bloqueados en función de IF.
Con IF controlamos la fase de RF, 0 o π radianes.
Figura 18. TEORÍA D E L A SEÑAL Y COMUN I CACIONES 37
3.4.2.Un caso más general
Problema de la configuración anterior: Las señales de entrada han de tener misma frecuencia y fase.
En el siguiente esquema partimos de señales IF y RF de frecuencias distintas.
Con ayuda de un basculador tipo D conseguimos a la entrada la misma fase para las dos señales. Luego aplicamos el esquema anterior.
Figura 19. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.5.
Mezclador como duplicador de frecuencia
El primer esquema multiplica la señal por sí misma. Si tras este dispositivo filtrásemos la componente a 0Hz obtendríamos la señal al doble de frecuencia.
El segundo caso muestra cómo recuperar la portadora de una señal BPSK. Dividimos por dos la frecuencia previamente duplicada, obteniendo la portadora con fase 0 constante.
38
Figura 20 . TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.6.
Demodulación BPSK
3.6.1.Funcionamiento
Se basa en combinar el esquema previo de detección de portadora de BPSK y el esquema de detector de fase.
La idea es que al pasar por un detector de fase la señal BPSK se irá detectando una fase de cero o π, según se transmitiese un uno o un cero.
Figura 21 . TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
39
3.7.
Demodulador de amplitud
3.7.1.Funcionamiento
Podemos demodular banda lateral única, reducida, doble, con o sin portadora con este esquema.
Es muy similar a un cambio de frecuencias.
Multiplicamos la señal recibida por una señal local con la misma frecuencia que la portadora.
Aparecen términos a 0, ω y 2ω Hz.
Filtramos y eliminamos las componentes de altas frecuencias.
La señal ya es proporcional a la moduladora m(t)
3.7.2.Estudio gráfico
Como se ve en la figura, esta modulación es un caso particular de transposición de frecuencias.
Cuando la demodulación se hace gracias a una señal anexa generada localmente se denomina coherente.
Figura 22. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES 40
3.8.
Mezcladores como detectores de fase
3.8.1.Introducción
Componentes básicos de los PLL.
A su entrada tienen: dos señales con la misma frecuencia y distinta fase.
A la salida tienen: una señal función de la diferencia de fase de las dos señales de entrada.
También se basan en la multiplicación de señales y en la aplicación de filtros para seleccionar las componentes deseadas.
Figura 23. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
a ser movido al lado digital. Por ejemplo, en multímetros Digitales tempranos, las funciones verdaderas de RMS fueron proporcionadas por circuitos analógicos externos de multiplicador. Actualmente (a excepción de medidas de alta frecuencia) la tendencia deberá aumentar la tasa de muestreo del DAC para Digitialise que la señal de entrada que permite RMS y una gama entera de otras funciones para ser llevados a cabo por un procesador digital.
41
Además, reóstatos digitalmente controlados permiten microcontroladores para aplicaciones tales como el control del tono y CAG sin tener que procesar la señal digital directamente.
3.9.
Modulador
Dispositivo electrónico que varía la forma de onda de una señal (modula) de acuerdo a una técnica específica, para poder ser enviada por un canal de transmisión hasta un dispositivo o dispositivos que incorporen un demodulador apto para dicha técnica. Dispositivo electrónico que varía la forma de onda de una señal (modula) de acuerdo a una técnica específica, para poder ser enviada por un canal de transmisión hasta un dispositivo o dispositivos que incorporen un demodulador apto para dicha técnica.
3.9.1.Tipos de moduladores según su montaje
Modulador en rack
Utilizados principalmente por proveedores de telecomunicaciones. Se construyen de acuerdo a unas medidas normalizadas de forma que pueden ser montadas en bastidores rack. Esto permite apilar múltiples moduladores e interconectarlos entre ellos y a otros dispositivos (p. ej., transmoduladores) aún manteniendo cierto orden en el cableado.
Modulador doméstico
Dispositivos compactos que normalmente se utilizan para modular en UHF (analógico) señales de RF (radiofrecuencia) que provienen de señales audio/vídeo separadas.
Modulador electrónico
42
Abarca, de forma genérica, los moduladores que incorporan los equipos electrónicos, por ejemplo, el modulador interno UHF que incorpora un reproductor de vídeo.
4. Circuitos 4.1.
Mezcladores con diodos
En ellos los diodos se comportan como conmutadores, conduciendo o no con cierta periodicidad, controlados por el oscilador local por lo que el modelo de no linealidad utilizado es el de no linealidad por conmutación. A continuación estudiaremos diversas configuraciones según la posición de los diodos y las entradas al circuito. Empezaremos por el más sencillo mostrado en la figura 24:
. Figura 24. Cir cuito mezclador sencil lo basado en un diodo MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 8 En este tipo de circuitos asumiremos que la tensión del oscilador local (VOL) es mucho mayor que la de la señal de radiofrecuencia (VRF) puesto que ésta suele ser del orden de mili voltios o incluso menos. Partiendo de esta base pasamos a analizar el funcionamiento del circuito:
43
Si VOL >> VRF la conducción del diodo dependerá básicamente de la tensión VOL siendo la salida del circuito de la forma:
Es decir, sólo conducirá cuando la tensión del oscilador local sea positiva y siendo nula para los intervalos negativos. Ello nos permite expresar la tensión de salida en función de una señal que denominaremos p(t) y que toma los valores “1” ó “0” según VOL:
La nueva expresión para la tensión de salida será:
A simple vista esa ecuación no da la sensación de que corresponda a la de un mezclador tal y como la conocemos ya que no aparece ningún término suma o diferencia de frecuencias. Necesitamos desarrollarla un poco más y lo haremos calculando el desarrollo en serie de Fourier del pulso p(t):
Veamos cómo queda ahora la expresión de la tensión de salida:
44
En los montajes que estudiaremos a continuación intentaremos corregir estas deficiencias. Una de las novedades que van a presentar estos circuitos va a ser la utilización de transformadores, aportando todas las ventajas que ello representa. Con los transformadores conseguimos: 1. Eliminar la posible corriente continua que se fugue del amplificador de radiofrecuencia. 2. Aislar los tres terminales los que reduce notablemente los acoplamientos entre entrada-salida. 3. Obtener adaptación de impedancias lo que permite una mejora en la transferencia de potencia útil evitando pérdidas. El primero de estos circuitos que vamos a estudiar es el mostrado en la figura 25:
. Figura 25. Circui to mezclador basado en un par de diodos MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 11 45
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores se resuelve que para tensiones positivas del oscilador local los diodos D1 y D2 están en conducción, mientras que para tensiones negativas no conducen. A esta conclusión se llega por observación del circuito ya que VOL es mucho mayor que U1 y Us, tal que si recorremos el circuito por la rama superior tendríamos:
Figura 26 . M alla superior del cir cuito para valor es positivos de V OL
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 12 La tensión en el nudo “A” será A OL s V = U +V >U 1 por lo que el diodo está
claramente en conducción. Si VOL fuera negativa la tensión en A también lo sería, entonces V
Figura 27. M all a inf er ior del cir cuito para valor es positi vos de V OL
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 13
46
En esta ocasión B OL V = -U +V 1 , pero como 1 V U OL >> , B V sigue siendo muy positiva, superior a s -U , que es la tensión existente en el cátodo del diodo. De nuevo, si VOL fuera negativa, la tensión en B sería mucho más negativa que s -U , no conduciendo el diodo. A partir de ahora no realizaremos este análisis tan detallado de las tensiones en bornes del diodo por ser todos análogos. Insistimos en la especial atención que se debe prestar a los sentidos de las intensidades y la polaridad de las tensiones, en función de la indicación de acoplamiento. El circuito resultante para tensiones positivas del oscilador local es:
Figura 28. Cir cuito resultante
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 13 Analizado la malla interior obtenemos las relaciones:
47
De nuevo vamos a utilizar el pulso p(t) y su desarrollo en serie de Fourier para expresar la señal de salida del circuito:
Según esta expresión de la tensión de salida el mezclador es simplemente balanceado
al no presentar términos a la frecuencia del OL. pero sí en
radiofrecuencia. Hemos introducido una primera mejora con respecto al circuito anterior, aunque deberemos prestar especial atención a este armónico de radiofrecuencia pues su amplitud (V1/2) puede ser mayor que la de la señal de interés (V1/p) y eso no es nada conveniente. La ganancia de conversión del circuito la calcularemos a partir de su expresión teórica:
48
Teniendo en cuenta que debemos trabajar con tensiones eficaces de pico, la potencia a frecuencia intermedia es:
Llegando finalmente al valor:
La potencia de salida es tan solo un 10% de la potencia de entrada lo que supone un rendimiento muy bajo. El resto de potencia es disipado por los productos de intermodulación. Con este mezclador basado en un par de diodos conseguimos reducir el número de armónicos (es simplemente balanceado) pero su rendimiento es muy bajo.
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Veamos si con el circuito de la figura 18 conseguimos mejorar estos aspectos.
Figura 29. Cir cuito mezclador basado en 4 diodos (M ezclador en an il lo)
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 15 Ahora tenemos cuatro diodos cuyo estado de conducción debemos analizar partiendo de que el oscilador local controlará la conmutación. En el semi ciclo positivo los diodos D1 y D2 estarán en conducción mientras que D3 y D4 permanecerán cortados. El circuito resultante para el semi ciclo positivo es idéntico al analizado en el punto anterior así que obviaremos su análisis. Centrémonos pues en el semi ciclo negativo. Si los diodos en conducción son D3 y D4 un análisis de las tensiones nos proporciona las ecuaciones – recordando siempre la suposición VOL >> V1 :
Por las propiedades de los transformadores, la intensidad i L:
50
Sustituyendo en la ecuación de la malla:
Finalmente
Durante los semiciclos positivos de tensión del oscilador local la tensión de salida es V1(t) , mientras que para los negativos obtenemos - ( ) 1 v t . Podemos expresarla entonces mediante el pulso p(t), aunque ahora definido de la forma:
Como hemos hecho con anterioridad calcularemos el desarrollo en serie de Fourier de este nuevo pulso:
La tensión de salida atenderá a la expresión:
51
Que desarrollada proporciona
El armónico de la frecuencia intermedia tendrá la amplitud:
Por lo que la ganancia de conversión del mezclador es:
La potencia de salida es el 40% de la potencia de señal de RF lo que no supone un rendimiento demasiado elevado pero mejora el del montaje anterior. Quizás lo más notable sea la eliminación de armónicos convirtiéndolo en un mezclador doblemente balanceado.
52
Figura 30. Mezclador activo con transistor bipolar
http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH4ST_Web.pdf La unión base-emisor del transistor se polariza para funcionamiento conmutado en la región no lineal, mediante una señal del OL de amplitud grande. La mezcla ocurre en la unión de entrada y la ganancia de corriente que proporciona el transistor, así como el circuito sintonizado de salida, producen como resultado ganancia de potencia a FI. La ganancia total del circuito es 6 dB menos que la que se tendría con una señal de FI a la entrada, ya que según se mencionó, la potencia de FI es 6dB menor que la de RF. Este tipo de circuito es semejante a los empleados en la porción frontal de los receptores de radio.
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Figura 31. Conversor de frecuencia http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH4ST_Web.pdf
El circuito sintonizado de salida, a la frecuencia intermedia, formado por C1 y L tiene una trayectoria de realimentación al oscilador local, a través de C2. Por otra parte, la impedancia del circuito de FI ofrece baja impedancia a la frecuencia del oscilador local, principalmente debido a C1, en tanto que el circuito sintonizado del oscilador, formado por L1 y el condensador en paralelo, es esencialmente un corto circuito a FI, a causa de L1. Todo esto se traduce en una baja impedancia en el circuito del emisor, con lo que se consigue una buena ganancia.
54
4.2.
Mezcladores FET y BJT
Figura 32. Mezcladores de Frecuencia http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplic ada/Cap09Mezcladores.pdf
55
4.2.1.Mezclador JFET
Figura 33. Mezclador JFET http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplic ada/Cap09Mezcladores.pdf
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4.2.2.Mezclador a MOSFET
Figura 34. Mezcladores MOSFET http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplic ada/Cap09Mezcladores.pdf
57
4.2.3.Mezcladores basados en BJT Una de las características más destacables de este tipo de mezcladores es la de poder obtener ganancias de conversión mayores que la unidad, permitiendo amplificaciones de la señal de radiofrecuecia. Estudiaremos la configuración denominada par diferencial que consigue una buena relación entre la ganancia obtenida y los productos de intermodulación creados. El circuito es el siguiente:
Figura 35 . Cir cuito mezclador basado en u n par dif er encial
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 18 Al igual que ocurría con los circuitos basados en diodos, el funcionamiento del par diferencial lo va a controlar la tensión de oscilador local (U2 en el esquema) y su amplitud deberá ser suficiente para permitir que los transistores funcionen en conmutación. Empezaremos por analizar la malla
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Debemos recordar la expresión de la corriente en función de las tensiones de base de los transistores para poder determinar que:
Podemos conseguir una relación entre i1(t) e i2(t) simplemente dividiendo ambas expresiones:
Puede resultar interesante representar gráficamente estas dos expresiones para hacernos una idea de su evolución:
Figura 36 . Evolu ción de las intensidades de colector
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 19 59
Una vez calculadas las intensidades de colector expresaremos la señal de salida:
Si la amplitud de la tensión del oscilador local es adecuada, la señal de salida variará en función de ésta mediante la relación:
Analizando las mallas de base de los transistores se aprecia cómo para tensiones positivas el transistor Q2 se encuentra cortado por lo que
Del mismo modo ocurre con Q1 en los semiciclos negativos. Todo ello nos permite expresar de nuevo la señal de salida en función del pulso p(t) y su DSF:
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La señal de salida será:
La aparición del término p(t) provoca que la calidad en cuanto al nivel de armónicos sea peor que la del circuito basado en 4 diodos (anillo de diodos), sin embargo su ganancia de conversión va a ser mucho mejor. La amplitud correspondiente a la frecuencia intermedia es:
A pesar de que la resistencia de carga suele venir prefijada por las características de los dispositivos, podemos modificar la ganancia de conversión ajustando el valor de la resistencia de emisor (RE), siempre con la precaución de respetar la polarización del par diferencial. Como conclusión más destacable resalta el compromiso entre los armónicos obtenidos y la ganancia de conversión.
61
4.3.
Otros Circuitos Mezcladores
Figura 37. Mezclador Doble Balance con BJT http://www.desi.iteso.mx/telecom/comunicaciones_2/apuntes/procesa_frecuencia_mezcl a.ppt
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Figura 38. Mezclador de Frecuencias con MOSFET de Doble Compuerta http://www.desi.iteso.mx/telecom/comunicaciones_2/apuntes/procesa_frecuencia_mezcl a.ppt
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