Frekvensmikser - Frequency mixer

Frekvensblandersymbol

I elektronikk er en mikser , eller frekvensmikser , en ikke-lineær elektrisk krets som skaper nye frekvenser fra to signaler som påføres den. I sin vanligste applikasjon blir to signaler påført en mikser, og den produserer nye signaler på summen og forskjellen på de opprinnelige frekvensene. Andre frekvenskomponenter kan også produseres i en praktisk frekvensblander.

Blandere brukes mye for å skifte signaler fra et frekvensområde til et annet, en prosess kjent som heterodyning , for enkelhets skyld i overføring eller videre signalbehandling. For eksempel er en nøkkelkomponent i en superheterodynmottaker en mikser som brukes til å flytte mottatte signaler til en felles mellomfrekvens . Frekvensblandere brukes også til å modulere et bæresignal i radiosendere .

Typer

Den essensielle egenskapen til en mikser er at den produserer en komponent i utgangen som er produktet av de to inngangssignalene. En enhet som har en ikke-lineær (f.eks. Eksponentiell ) karakteristikk, kan fungere som en mikser. Passive miksere bruker en eller flere dioder og stoler på deres ikke-lineære forhold mellom spenning og strøm for å gi multipliseringselementet. I en passiv mikser har ønsket utgangssignal alltid lavere effekt enn inngangssignalene.

Aktive miksere bruker en forsterkningsenhet (for eksempel en transistor eller vakuumrør ) for å øke styrken på produktsignalet. Aktive miksere forbedrer isolasjonen mellom portene, men kan ha høyere støy og mer strømforbruk. En aktiv mikser kan være mindre tolerant for overbelastning.

Blandere kan være bygget av diskrete komponenter, kan være en del av integrerte kretser , eller kan leveres som hybridmoduler.

Skjematisk diagram over en dobbelbalansert passiv diode-mikser (også kjent som en ringmodulator ). Det er ingen utgang med mindre både f1 og f2 innganger er til stede, selv om f2 (men ikke f1) kan være likestrøm.

Blandere kan også klassifiseres etter deres topologi :

• En ubalansert mikser, i tillegg til å produsere et produktsignal, lar begge inngangssignalene passere og vises som komponenter i utgangen.
• En enkelt balansert mikser er ordnet med en av inngangene påført en balansert ( differensial ) krets slik at enten lokaloscillatoren (LO) eller signalinngangen (RF) undertrykkes ved utgangen, men ikke begge deler.
• En dobbelt balansert mikser har begge inngangene på differensialkretser, slik at ingen av inngangssignalene og bare produktsignalet vises ved utgangen. Dobbelbalanserte miksere er mer komplekse og krever høyere drivnivåer enn ubalanserte og enkeltbalanserte design.

Valg av en miksetype er en avveining for en bestemt applikasjon.

Blanderkretsene er karakterisert ved deres egenskaper slik som omdannelse gevinst (eller tap), og støyverdien .

Ikke-lineære elektroniske komponenter som brukes som miksere inkluderer dioder , transistorer som er forspent nær avskjæring, og ved lavere frekvenser analoge multiplikatorer . Ferromagnetiske kjerneinduktorer drevet inn i metning har også blitt brukt. I ikke-lineær optikk brukes krystaller med ikke-lineære egenskaper til å blande to frekvenser av laserlys for å skape optiske heterodyner .

Diode

En diode kan brukes til å lage en enkel ubalansert mikser. Denne typen mikser produserer de opprinnelige frekvensene, samt summen og forskjellen. Den vesentlige egenskapen til dioden her er dens ikke-linearitet (eller ikke- ohmsk oppførsel), noe som betyr at dens respons (strøm) ikke er proporsjonal med inngangen (spenning). Dioden gjengir ikke frekvensene til drivspenningen i strømmen gjennom den, noe som tillater ønsket frekvensmanipulering. Strømmen I gjennom en ideell diode som en funksjon av spenningen V over den er gitt av

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

hvor det som er viktig er at V vises i e ' s eksponent. Eksponentiell kan utvides som

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

og kan tilnærmes for liten x (det vil si små spenninger) av de første par ordene i den serien:

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

Anta at summen av de to inngangssignalene påføres en diode, og at det genereres en utgangsspenning som er proporsjonal med strømmen gjennom dioden (kanskje ved å tilveiebringe spenningen som er tilstede over en motstand i serie med dioden). Deretter ser vi bort fra konstantene i diodeligningen, vil utgangsspenningen ha form ${\ displaystyle v_ {1} + v_ {2}}$

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

Den første termen til høyre er de to originale signalene, som forventet, etterfulgt av kvadratet av summen, som kan omskrives som , der det multipliserte signalet er åpenbart. Ellipsen representerer alle de høyere kreftene i summen som vi antar er ubetydelige for små signaler. ${\ displaystyle (v_ {1} + v_ {2}) ^ {2} = v_ {1} ^ {2} + 2v_ {1} v_ {2} + v_ {2} ^ {2}}$

Anta at to inngangsinusoider med forskjellige frekvenser mates inn i dioden, slik at og . Signalet blir: ${\ displaystyle v_ {1} = \ sin at}$${\ displaystyle v_ {2} = \ sin bt}$${\ displaystyle V_ {0}}$

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

Utvidelse av kvadratperioden gir:

${\ displaystyle v _ {\ mathrm {o}} = (\ sin ved + \ sin bt) + {\ frac {1} {2}} (\ sin ^ {2} ved + 2 \ sin ved \ cdot \ sin bt + \ sin ^ {2} bt) + \ dots}$

Å ignorere alle vilkår bortsett fra begrepet og bruke protesefarese (produkt til sum) identitet, ${\ displaystyle \ sin at \ sin bt}$

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

gir,

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

demonstrerer hvordan nye frekvenser opprettes fra mikseren.

Veksling

En annen form for mikser fungerer ved å bytte, med det mindre inngangssignalet som blir sendt invertert eller ikke invertert i henhold til fasen til lokaloscillatoren (LO). Dette vil være typisk for den normale driftsmodus for en pakket dobbeltbalansert mikser, med lokaloscillatordrevet betydelig høyere enn signalamplituden.

Målet med en koblingsblander er å oppnå lineær drift over signalnivået ved hjelp av hard bytte, drevet av lokaloscillatoren. Matematisk er ikke vekslingsblanderen mye forskjellig fra en mikser. I stedet for LO sinusbølgeterm, ville vi bruke signum-funksjonen . I frekvensdomenet fører svitsjemikseroperasjonen til den vanlige sum- og differansefrekvensen, men også til ytterligere termer, f.eks. ± 3 f _LO , ± 5 f _LO , etc. Fordelen med en svitsjeblander er at den kan oppnå (med samme anstrengelse) et lavere støytall (NF) og større konverteringsgevinst. Dette er fordi koblingsdioder eller transistorer fungerer enten som en liten motstand (bryter lukket) eller stor motstand (bryter åpen), og i begge tilfeller blir bare en minimal støy lagt til. Fra kretsperspektivet kan mange multipliserende miksere brukes som bytte av miksere, bare ved å øke LO-amplituden. Så RF-ingeniører snakker ganske enkelt om miksere, mens de mener å bytte mikser.

Blanderkretsen kan ikke bare brukes til å skifte frekvensen til et inngangssignal som i en mottaker, men også som en produktdetektor , modulator , fasedetektor eller frekvensmultiplikator. For eksempel kan en kommunikasjonsmottaker inneholde to miksetrinn for konvertering av inngangssignalet til en mellomfrekvens og en annen mikser som brukes som en detektor for demodulering av signalet.

Se også

• Frekvensmultiplikator
• Subharmonisk mikser
• Produktdetektor
• Pentagrid-omformer
• Bøyningsbøyningsrør
• Ringmodulering
• Gilbert-celle
• Optisk heterodyne deteksjon
• Intermodulasjon
• Tredjeordens avskjæringspunkt
• Rusten bolteffekt

Referanser

Eksterne linker

• RF-miksere og blandingsveiledning

 Denne artikkelen inneholder  materiale fra offentlig domene fra dokumentet General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .