Mezcladores Integrantes Pérez Kevin Tovar Máximo
Índice Definición Mezclador ideal Mezclador real Parámetros de diseño Ganancia Distorsión Aislamiento Ancho de Banda Factor de Ruido Clasificación de los mezcladores Según su ganancia Según la estructura usada en la implementación Mezcladores pasivos Mezcladores activos Tabla comparativa Bibliografía
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Definición Un mezclador de frecuencias suma o resta a la banda de frecuencias de la señal de entrada (VRF ), centrada en la frecuencia f RF , un valor de frecuencia constante de valor f LO denominado frecuencia del oscilador local, para obtener una señal centrada en la frecuencia f IF, o frecuencia intermedia. Los mezcladores, 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 + 2 ) 1 = 1 cos 1
(2)
2 = 2 cos 2
(3)
(1)
= ( + 1 cos 1 + 2 cos 2 )
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(4)
Definición Mezclador ideal En la ecuación anterior (4) si n = 1, el dispositivo es lineal, como se ilustra en la figura 1, están presentes las dos señales de entrada sumadas o superpuestas, sin otras componentes espectrales más que las originales.
Fig. 1. Símbolo mezclador ideal [1]
Mezclador real La diferencia entre el mezclador ideal y el mezclador real se debe a la no linealidad del dispositivo. Ecuación (4). Un valor diferente de n daría como resultado la generación de otros productos de mezcla.
0 = 0 + + ( )
2
+ ( )
3
+ …
Fig. 2. Esquema referencial mezclador real [2]
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Parámetros de diseño Ganancia Es el grado en que la señal de salida, desplazada en frecuencia, se amplifica o atenúa. En el caso de que la potencia de la señal de salida sea mayor a la potencia de la señal de entrada se habla de ganancia de conversión, típico de los mezcladores activos definidos mas adelante, en el caso en que la potencia de la señal de salida sea menor a la potencia de la señal de entrada se habla de pérdidas de conversión, típico de los mezcladores pasivos, ambas se rigen por la misma ecuación :
⋰ = 10 log
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Parámetros de diseño Ganancia Compresión de ganancia: En los mezcladores activos la ganancia de conversión tiene un comportamiento lineal, pero conforme la potencia de entrada se incrementa esta ganancia entrará en compresión y finalmente en saturación. En la figura, la señal deseada corresponde a la recta de pendiente 1 (45º) y ordenada al origen G, la ganancia, o pérdida de conversión, en dB. El punto en el que la ganancia se desvía1 dB de la respuesta lineal ideal se denomina Punto de Compresión de 1dB y resulta una forma simple de caracterizar la no-linealidad de un circuito que es, además, fácilmente medible.
Fig. 5. Gráfica de ganancia típica de un mezclador activo [1]
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Parámetros de diseño Distorsión Distorsión por intermodulación (IMD): Las molestias que suelen producirse al mezclarse (batirse) dos ondas de frecuencias cercanas se llama intermodulación. Es un efecto indeseado intrínseco de las transmisiones por ondas electromagnéticas. La forma de lidiar con ello es evitar que dos emisores potentes emitan en frecuencias cercanas y a la vez en espacios cercanos.
Distorsión armónica: Es el resultado del mezclado de armónicas de las señales de entrada generadas por el mezclador, estos productos de distorsión tienen frecuencias ± . Donde y representan el orden de armónicas. 6 de 14
Parámetros de diseño Aislamiento Representa la cantidad de “fuga” o “paso de alimentación” entre los puertos del mezclador. Sea la frecuencia en el puerto de RF. la del oscilador local y la del puerto IF. Entonces el aislamiento en el puerto RF en es la cantidad en que la señal del nivel de excitación se atenúa cuando se mide en el puerto de RF. El aislamiento en el puerto IF en es la cantidad en que la señal de nivel de excitación se atenúa cuando se mide en el puerto IF.
Ancho de Banda En función del ancho de banda cabe distinguir entre dos tipos de mezcladores: Banda estrecha: se caracterizan porque utilizan filtros para separar bandas sin que estas se solapen. Son mezcladores de un solo componente y se suelen utilizar en aplicaciones de consumo o muy alta frecuencia. Banda ancha: Utilizan circuitos híbridos para separar bandas y pueden combinar varios componentes. Son más complejos y con mejores presentaciones que los de banda estrecha. Se suelen utilizar en aplicaciones profesionales hasta microondas. •
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Parámetros de diseño Factor de Ruido Se expresa como el cociente entre la relación Señal a Ruido a la entrada y a la salida. Cuanto más cercano sea a la unidad, mejor será el mezclador. =
≥1
(6)
El mezclador posee el factor de ruido más alto en toda la cadena de recepción.
Recordando que la relación señal/ruido (en inglés Signal to noise ratio SNR o S/N) se define como la proporción existente entre la potencia de la señal que se transmite y la potencia del ruido que la corrompe. Este margen es medido en decibelios. 8 de 14
Clasificación de los mezcladores Según su ganancia •
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Mezcladores Pasivos: Utilizan diodos como dispositivos de mezcla. Mezcladores Activos: Utilizan dispositivos con ganancia. Mezcladores Conmutados: En los que la amplitud de la señal del oscilador o bien es mucho mayor que la requerida por el mezclador o es una señal pulsante, rectangular.
Según la estructura usada en la implementación •
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Mezclador simple: Se utilizan en diseños a muy altas frecuencias. Solo se utiliza un elemento no lineal como mezclador de señal. Mezclador equilibrado: Se utilizan dos o más mezcladores simples conectados a través de circuitos híbridos. Mezclador doblemente equilibrado: 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.
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Mezcladores pasivos Presentan una ganancia de conversión en dB menor que cero. En este caso se dice que tienen pérdidas de conversión. Dentro de este grupo se engloba a todos los mezcladores a diodos y algunos mezcladores con FETs.
Configuración más común La configuración de un mezclador simple es la más común porque utilizan un único componente de mezcla. Aunque estos mezcladores tienen varias limitaciones serias, son usados en muchos sistemas (especialmente en microondas y rango de frecuencias de ondas milimétricas) por su simplicidad
Fig. 3. Mezclador simple con un diodo [1] = cos
(7)
= cos
8
0 = 2
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0 =
2
cos + + cos −
Mezcladores activos la ganancia de conversión en dB es mayor que cero. Dentro de este grupo se engloban la mayoría de mezcladores diseñados con transistores tanto BJTs como FETs. Fig. 7. Mezclador activo con transistor bipolar [1]
Fig. 6. Circuito básico de un mezclador activo [4]
La unión base-emisor del transistor se polariza para funcionamiento conmutado en la región no lineal, mediante una señal del OL de amplitud grande. Este tipo de circuito es semejante a los empleados en la porción frontal de los receptores de radio.
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Mezcladores activos
Fig. 9. Mezclador simple con FET de doble puerta [1]
Fig. 8. Mezclador simple con FET de doble puerta [1] - Las señales de RF y LO se pueden aplicar a puertas separadas lo que mejora el aislamiento. - Tiene menos ganancia de conversión. La distorsión es menor.
Un voltaje aplicado a esta segunda puerta puede usarse para controlar de forma efectiva la transconductancia del dispositivo y por tanto la ganancia RF. Puesto que la señal RF y la de LO se aplican en puertas separadas que tienen una capacidad muy baja entre ellas, los mezcladores FETs tienen un aislamiento LO-RF muy bueno (en el orden de 20 dB) y
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9. Tabla comparativa MEZCLADORES
Diodos Schottky
FET'S
BJT's
Frecuencia máxima
1000 GHz
50 GHz
200 MHz
Ganancia
-3 a -10 dB .
5 a 10 dB .
10 a 20 dB
.
3 a 10 dB .
5 a 10 dB .
10 a 15 dB
.
Si/AsGa
AsGa
Si
Circuitos Híbridos de Microondas
1p: CI microondas 2p: Componentes discretos
Figura de ruido Tecnología Aplicaciones
Circuitos integrados RF
Tabla 1. Comparación entre mezcladores según su elemento principal [3] 13 de 14
Bibliografía •
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[1] Constantino Pérez Vega, “Sistemas de Telecomunicación”, Universidad de Cantabria, 2007. ISBN 978-84-8102-454-8. [2] Oscar M. Santa Cruz “Materia anual de 5° Año de Ingeniería Electrónica”, Facultad Regional Córdoba, disponible en: http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap 09Mezcladores.pdf [3] Curso 2009-2010 Universidad Politécnica de Madrid, grupo de radiación, disponible en: http://www.gr.ssr.upm.es/docencia/grado/elcm/actual/pdf/BN_EC0906-Mezcla.pdf [4] MÁRQUEZ G. ROSSANA M., USTARIZ P. RONALD A. ELABORACIÓN DE UN MATERIAL EDUCATIVO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL LABORATORIO DE DISEÑO DE CIRCUITOS DE COMUNICACIONES, 2015. [5] D.M. Pozar. “Microwave Engineering”, Wiley India, 2012. ISBN 978-0-470-63155-3
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