Частотный смеситель

Эта статья о нелинейном микшировании, работающем в частотной области. Информацию о других типах микшеров см. в разделе «Электронный микшер» .

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 сигнала несущего 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. Двойные балансные смесители более сложны и требуют более высоких уровней мощности, чем несбалансированные и однобалансные конструкции.

Выбор типа смесителя является компромиссом для конкретного применения.

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

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. индукторы с ферромагнитным сердечником, приводимые в состояние насыщения Также использовались . 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. Электрический ток $I$ через идеальный диод в зависимости от напряжения $V_{D}$ через него определяется

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

где $I_{\mathrm {S} }$ ток насыщения, $q$ это заряд электрона , $n$ – коэффициент неидеальности, $k$ – постоянная Больцмана , а $T$ это абсолютная температура. Важное свойство нелинейности следует из $V_{D}$ находясь в $e$Объясню. Экспоненту можно разложить как

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

и может быть аппроксимировано для небольших $x$ (то есть малые напряжения) по первым нескольким членам этого ряда:

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

Предположим, что сумма двух входных сигналов $v_{1}+v_{2}$ прикладывается к диоду, 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

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

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

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

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

Разложение квадратного члена дает:

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

Игнорирование всех условий, кроме $\sin at\sin bt$ термин и использование идентичности простафереза ​​(продукт к сумме),

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

урожайность,

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

демонстрируя, как новые частоты создаются с помощью микшера.

Переключение

Другая форма смесителя работает путем переключения, что эквивалентно умножению входного сигнала на прямоугольную волну. В смесителе с двойной балансировкой (меньший) входной сигнал поочередно инвертируется или не инвертируется в зависимости от фазы гетеродина (LO). То есть входной сигнал эффективно умножается на прямоугольный сигнал, который 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, поскольку умножающий сигнал можно рассматривать как прямоугольную волну 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 импульсного смесителя состоит в том, что с его помощью можно (с теми же усилиями) добиться более низкого коэффициента шума (NF) и большего коэффициента усиления 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. 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.

См. также

• 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

Внешние ссылки

• Радиочастотные микшеры и руководство по микшированию

В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.