Mezclador de frecuencia

Este artículo trata sobre la operación de mezcla no lineal en el dominio de la frecuencia. Para otros tipos de mezcladores, consulte mezclador electrónico .

Símbolo del mezclador de frecuencia

En electrónica , un mezclador , o mezclador de frecuencia , es un circuito eléctrico no lineal que crea nuevas frecuencias a partir de dos señales que se le aplican. En su aplicación más común, se aplican dos señales a un mezclador y produce nuevas señales en la suma y diferencia de las frecuencias originales. También se pueden producir otros componentes de frecuencia en un mezclador de frecuencia práctico.

Los mezcladores se utilizan ampliamente para cambiar señales de un rango de frecuencia a otro, un proceso conocido como heterodino , por conveniencia en la transmisión o procesamiento adicional de la señal. Por ejemplo, un componente clave de un receptor superheterodino es un mezclador que se usa para mover las señales recibidas a una frecuencia intermedia común . Los mezcladores de frecuencia también se utilizan para modular una señal portadora en transmisores de radio .

Tipos

La característica esencial de un mezclador es que produce un componente en su salida que es el producto de las dos señales de entrada. Un dispositivo que tiene una característica no lineal (por ejemplo, exponencial ) puede actuar como mezclador. Los mezcladores pasivos usan uno o más diodos y se basan en su relación no lineal entre voltaje y corriente para proporcionar el elemento multiplicador. En un mezclador pasivo, la señal de salida deseada es siempre de menor potencia que las señales de entrada.

Los mezcladores activos utilizan un dispositivo amplificador (como un transistor o un tubo de vacío ) para aumentar la fuerza de la señal del producto. Los mezcladores activos mejoran el aislamiento entre los puertos, pero pueden tener un mayor ruido y un mayor consumo de energía. Un mezclador activo puede ser menos tolerante a la sobrecarga.

Los mezcladores pueden estar construidos con componentes discretos, pueden ser parte de circuitos integrados o pueden entregarse como módulos híbridos.

Diagrama esquemático de un mezclador de diodos pasivo de doble equilibrio (también conocido como modulador de anillo ). No hay salida a menos que estén presentes las entradas f1 y f2, aunque f2 (pero no f1) puede ser DC.

Los mezcladores también se pueden clasificar por su topología :

• Un mezclador no balanceado, además de producir una señal de producto, permite que ambas señales de entrada pasen y aparezcan como componentes en la salida.
• Un solo mezclador balanceado está dispuesto con una de sus entradas aplicada a un circuito balanceado ( diferencial ) de modo que el oscilador local (LO) o la entrada de señal (RF) se suprimen en la salida, pero no ambos.
• Un mezclador doble balanceado tiene ambas entradas aplicadas a circuitos diferenciales, de modo que ninguna de las señales de entrada y solo la señal del producto aparece en la salida. ^[1] Los mezcladores balanceados dobles son más complejos y requieren niveles de excitación más altos que los diseños balanceados simples y no balanceados.

La selección de un tipo de mezclador es una compensación para una aplicación en particular. ^[2]

Los circuitos mezcladores se caracterizan por sus propiedades tales como ganancia (o pérdida) de conversión y figura de ruido . ^[3]

Los componentes electrónicos no lineales que se utilizan como mezcladores incluyen diodos , transistores polarizados cerca del corte y, en frecuencias más bajas, multiplicadores analógicos . También se han utilizado inductores de núcleo ferromagnético impulsados ​​a saturación . En óptica no lineal , los cristales con características no lineales se utilizan para mezclar dos frecuencias de luz láser para crear heterodinos ópticos .

Diodo

Se puede usar un diodo para crear un mezclador no balanceado simple. Este tipo de mezclador produce las frecuencias originales así como su suma y su diferencia. La propiedad significativa del diodo aquí es su no linealidad (o comportamiento no óhmico ), lo que significa que su respuesta (corriente) no es proporcional a su entrada (voltaje). El diodo no reproduce las frecuencias de su voltaje de conducción en la corriente que lo atraviesa, lo que permite la manipulación de frecuencia deseada. La corriente I a través de un diodo ideal en función del voltaje V a través de él está dada por

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

donde lo importante es que V aparece en el exponente de e. La exponencial se puede expandir como

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

y se puede aproximar para x pequeño (es decir, voltajes pequeños) por los primeros términos de esa serie:

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

Suponga que la suma de las dos señales de entrada se aplica a un diodo y que se genera un voltaje de salida que es proporcional a la corriente a través del diodo (quizás proporcionando el voltaje que está presente a través de una resistencia en serie con el diodo). Luego, sin tener en cuenta las constantes en la ecuación del diodo, el voltaje de salida tendrá la forma${\displaystyle v_{1}+v_{2}}$

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

El primer término de la derecha son las dos señales originales, como se esperaba, seguidas del cuadrado de la suma, que se puede reescribir como , donde la señal multiplicada es obvia. La elipsis representa todas las potencias superiores de la suma que suponemos insignificantes para señales pequeñas.${\displaystyle (v_{1}+v_{2})^{2}=v_{1}^{2}+2v_{1}v_{2}+v_{2}^{2}}$

Suponga que dos sinusoides de entrada de diferentes frecuencias se alimentan al diodo, de manera que y . La señal se convierte en:${\displaystyle v_{1}=\sin at}$${\displaystyle v_{2}=\sin bt}$${\displaystyle V_{0}}$

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

Expandiendo los rendimientos del término cuadrado:

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

Ignorando todos los términos excepto el término y utilizando la identidad de prosthaphaeresis (producto a suma), ${\displaystyle \sin at\sin bt}$

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

rendimientos

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

demostrando cómo se crean nuevas frecuencias a partir del mezclador.

Traspuesta

Otra forma de mezclador funciona por conmutación, con la señal de entrada más pequeña pasando invertida o no invertida de acuerdo con la fase del oscilador local (LO). Esto sería típico del modo de funcionamiento normal de un mezclador balanceado doble empaquetado, con la excitación del oscilador local considerablemente más alta que la amplitud de la señal.

El objetivo de un mezclador de conmutación es lograr un funcionamiento lineal sobre el nivel de la señal mediante una conmutación dura, impulsada por el oscilador local. Matemáticamente, el mezclador de conmutación no es muy diferente de un mezclador multiplicador. En lugar del término de onda sinusoidal LO, usaríamos la función signum . En el dominio de la frecuencia, la operación del mezclador de conmutación conduce a las frecuencias habituales de suma y diferencia, pero también a otros términos, por ejemplo, ± 3 f _LO , ± 5 f _LO , etc. La ventaja de un mezclador de conmutación es que puede lograr (con el mismo esfuerzo) una figura de ruido más baja(NF) y una mayor ganancia de conversión. Esto se debe a que los diodos o transistores de conmutación actúan como una pequeña resistencia (interruptor cerrado) o como una resistencia grande (interruptor abierto) y, en ambos casos, solo se agrega un ruido mínimo. Desde la perspectiva del circuito, muchos mezcladores multiplicadores se pueden usar como mezcladores de conmutación, simplemente aumentando la amplitud del LO. Entonces, los ingenieros de RF simplemente hablan de mezcladores, mientras que se refieren a cambiar mezcladores.

El circuito mezclador puede usarse no solo para cambiar la frecuencia de una señal de entrada como en un receptor, sino también como detector de producto , modulador , detector de fase o multiplicador de frecuencia. ^[4] Por ejemplo, un receptor de comunicaciones puede contener dos etapas de mezclador para la conversión de la señal de entrada a una frecuencia intermedia y otro mezclador empleado como detector para la demodulación de la señal.

Ver también

• Multiplicador de frecuencia
• Mezclador de subarmónicos
• Detector de producto
• Convertidor de pentagrid
• Tubo de deflexión de haz
• Modulación de anillo
• Celda de Gilbert
• Detección óptica de heterodinos
• Intermodulación
• Punto de intercepción de tercer orden
• Efecto de perno oxidado

Referencias

1. Poole, Ian. "Tutorial de mezclador doble balanceado" . Comunicaciones de Adrio . Consultado el 30 de julio de 2012 .
2. APITech. "Mezcladores RF" . info.apitech.com . Consultado el 24 de junio de 2021 .
3. DS Evans, GR Jessop, Tercera edición del Manual de VHF-UHF , Sociedad de Radio de Gran Bretaña , 1976, página 4-12
4. Paul Horowitz, Segunda edición de Winfred Hill The Art of Electronics , Cambridge University Press 1989, págs. 885–887.

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Diagramas de radioelectrónicos .

• Mezcladores de RF y tutorial de mezcla

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