Mezclador de frecuencia

Circuito que crea nuevas frecuencias a partir de dos señales.

Símbolo de mezclador de frecuencia

En electrónica , un mezclador , o mezclador de frecuencias , es un circuito eléctrico 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 este produce nuevas señales con la suma y la diferencia de las frecuencias originales. También se pueden producir otros componentes de frecuencia en un mezclador de frecuencias práctico.

Los mezcladores se utilizan ampliamente para cambiar señales de un rango de frecuencia a otro, un proceso conocido como heterodinación , para facilitar la transmisión o el procesamiento posterior de la señal. Por ejemplo, un componente clave de un receptor superheterodino es un mezclador que se utiliza 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. Tanto los circuitos activos como los pasivos pueden realizar mezcladores. Los mezcladores pasivos utilizan uno o más diodos y se basan en su relación corriente-voltaje no lineal para proporcionar el elemento multiplicador. En un mezclador pasivo, la señal de salida deseada siempre es de menor potencia que las señales de entrada.

Los mezcladores activos utilizan un dispositivo amplificador (como un transistor o un tubo de vacío ) que puede aumentar la intensidad de la señal del producto. Los mezcladores activos mejoran el aislamiento entre los puertos, pero pueden tener mayor ruido y 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 balance (también conocido como modulador en anillo ). No hay salida a menos que estén presentes las entradas f1 y f2, aunque f2 (pero no f1) puede ser CC.

Los mezcladores también pueden clasificarse 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 mezclador balanceado simple se organiza 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 doblemente balanceado tiene ambas entradas aplicadas a circuitos diferenciales, de modo que ninguna de las señales de entrada y solo la señal del producto aparecen en la salida. ^[1] Los mezcladores doblemente balanceados son más complejos y requieren niveles de control más altos que los diseños no balanceados y simplemente balanceados.

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

Los circuitos mezcladores se caracterizan por sus propiedades, como la ganancia (o pérdida) de conversión, el factor de ruido y la no linealidad. ^[3]

Los componentes electrónicos no lineales que se utilizan como mezcladores incluyen diodos y transistores polarizados cerca del punto de corte. Los dispositivos lineales que varían con el tiempo, como los multiplicadores analógicos , proporcionan un rendimiento superior, ya que solo en los multiplicadores verdaderos la amplitud de salida es proporcional a la amplitud de entrada, como se requiere para la conversión lineal. También se han utilizado inductores de núcleo ferromagnético impulsados ​​hasta la saturación . En óptica no lineal , se utilizan cristales con características no lineales para mezclar dos frecuencias de luz láser para crear heterodinos ópticos .

Diodo

Se puede utilizar un diodo para crear un mezclador desequilibrado simple. La corriente que pasa por un diodo semiconductor ideal es principalmente una función exponencial del voltaje que pasa por él: ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle V_{D}}$

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

donde es la corriente de saturación, es la carga de un electrón , es el factor de no idealidad, es la constante de Boltzmann y es la temperatura absoluta . La exponencial se puede desarrollar como la serie de potencias ${\displaystyle I_{\mathrm {S} }}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle T}$

${\displaystyle e^{x}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n!}}=1+x+{\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {x^{3}}{6}}+{\frac {x^{4}}{24}}+{\frac {x^{5}}{120}}+\dots }$

Los puntos suspensivos representan todas las potencias superiores de la suma. Como las potencias superiores disminuyen con , se puede suponer que son despreciables para señales pequeñas, por lo que una aproximación que utiliza solo los primeros tres términos es: ${\displaystyle {\tfrac {1}{n!}}}$

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

Supongamos 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 que pasa por el diodo (quizás proporcionando el voltaje que está presente en una resistencia en serie con el diodo). Entonces, sin tener en cuenta las constantes en la ecuación del diodo, el voltaje de salida será proporcional a: ${\displaystyle v_{1}{+}v_{2}}$

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

Además de las dos señales originales , este voltaje de salida tiene , que cuando se reescribe como se revela que contiene la multiplicación de las dos señales originales . ${\displaystyle v_{1}{+}v_{2}}$ ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}(v_{1}+v_{2})^{2}}$ ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}v_{1}^{2}+v_{1}v_{2}+{\tfrac {1}{2}}v_{2}^{2}}$ ${\displaystyle v_{1}v_{2}}$

Si se introducen como entrada al diodo dos senoides de diferentes frecuencias, tales que y , entonces la salida se convierte en: ${\displaystyle v_{1}{=}\sin at}$ ${\displaystyle v_{2}{=}\sin bt}$ ${\displaystyle v_{\text{o}}}$

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

Ampliando el término cuadrado obtenemos:

${\displaystyle {\begin{aligned}v_{\mathrm {o} }&=(\sin at+\sin bt)+{\frac {1}{2}}(\sin ^{2}at+2\sin at\cdot \sin bt+\sin ^{2}bt)+\dots \\&=(\sin at+\sin bt)+{\frac {1}{2}}\sin ^{2}at+\color {blue}\sin at\cdot \sin bt\color {black}+{\frac {1}{2}}\sin ^{2}bt+\dots \end{aligned}}}$

De acuerdo con la identidad del producto de prostaféresis para la suma , el producto se puede expresar como la suma de dos sinusoides en las frecuencias de suma y diferencia de y : ${\displaystyle (\sin a\sin b={\tfrac {\cos(a-b)-\cos(a+b)}{2}})}$ ${\displaystyle \color {blue}\sin at\cdot \sin bt}$ ${\displaystyle a{+}b}$ ${\displaystyle a{-}b}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\color {blue}\sin at\sin bt\color {black}&={\tfrac {1}{2}}\cos[(a-b)t]-{\tfrac {1}{2}}\cos[(a+b)t]\\&={\tfrac {1}{2}}\sin[(a-b)t+{\tfrac {\pi }{2}}]+{\tfrac {1}{2}}\sin[(a+b)t-{\tfrac {\pi }{2}}]\,.\end{aligned}}}$

Estas nuevas frecuencias se suman a las frecuencias originales de y . Se puede utilizar un filtro de banda estrecha para eliminar frecuencias no deseadas de la señal de salida. ^[4] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$

Traspuesta

Otra forma de mezclador funciona por conmutación, lo que equivale a multiplicar una señal de entrada por una onda cuadrada. En un mezclador doblemente balanceado, la señal de entrada (más pequeña) se invierte o no se invierte de manera alternada según la fase del oscilador local (LO). Es decir, la señal de entrada se multiplica efectivamente por una onda cuadrada que alterna entre +1 y -1 a la velocidad del LO.

En un mezclador de conmutación monobalanceado, la señal de entrada se pasa o se bloquea de forma alternada. De este modo, la señal de entrada se multiplica de forma efectiva por una onda cuadrada que alterna entre 0 y +1. Esto da como resultado que los componentes de frecuencia de la señal de entrada estén presentes en la salida junto con el producto, ^[5] ya que la señal multiplicadora puede considerarse como una onda cuadrada con un desplazamiento de CC (es decir, un componente de frecuencia cero).

El objetivo de un mezclador de conmutación es lograr la operación lineal por medio de una conmutación dura, impulsada por el oscilador local. En el dominio de la frecuencia, la operación del mezclador de conmutación conduce a las frecuencias de suma y diferencia habituales, pero también a términos adicionales, p. ej. ±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 (NF) más baja y una ganancia de conversión mayor. Esto se debe a que los diodos o transistores de conmutación actúan como una resistencia pequeña (interruptor cerrado) o 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 quieren decir mezcladores de conmutación.

El circuito mezclador se puede utilizar no sólo 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. ^[6] Por ejemplo, un receptor de comunicaciones podría 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.

Véase también

• Portal de electrónica

• Multiplicador de frecuencia
• Mezclador subarmónico
• Detector de productos
• Convertidor Pentagrid
• Tubo deflector de haz
• Modulación en anillo
• Célula de Gilbert
• Detección heterodina óptica
• Intermodulación
• Punto de intersección de tercer orden
• Efecto de perno oxidado

Referencias

1. Poole, Ian. "Tutorial de mezclador de doble balance". Adrio Communications . Consultado el 30 de julio de 2012 .
2. APITech. "Mezcladores de RF". info.apitech.com . Consultado el 24 de junio de 2021 .
3. DS Evans, GR Jessop, Manual VHF-UHF, tercera edición , Radio Society of Great Britain , 1976, página 4-12
4. Cox, Kit (7 de marzo de 2022). "Una guía rápida sobre topologías de mezcladores - Blog de Mini-Circuits". blog.minicircuits.com . Archivado desde el original el 28 de agosto de 2024 . Consultado el 24 de septiembre de 2024 .
5. "Diferencia entre mezcladores desequilibrados, simple y doblemente equilibrados".
6. Paul Horowitz, Winfred Hill El arte de la electrónica Segunda edición , Cambridge University Press 1989, págs. 885–887.

Enlaces externos

• Mezcladores de RF y tutorial de mezclas

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