Частотный смеситель - Frequency mixer

Символ смесителя частоты

В электроника, а Смеситель, или же частотный смеситель, это нелинейный электрическая цепь, которая создает новые частоты из двух приложенных к ней сигналов. В его наиболее распространенном применении два сигнала подаются на смеситель, и он создает новые сигналы на сумме и разнице исходных частот. Другие частотные компоненты также могут быть получены в практическом смесителе частот.

Смесители широко используются для сдвига сигналов из одного частотного диапазона в другой, процесс, известный как гетеродинирование, для удобства передачи или дальнейшей обработки сигнала. Например, ключевой компонент супергетеродинный приемник микшер, используемый для перемещения принимаемых сигналов в общий промежуточная частота. Смесители частоты также используются для модулировать а несущий сигнал в радиопередатчики.

Типы

Существенной характеристикой микшера является то, что он создает на выходе компонент, который является продуктом двух входных сигналов. Устройство с нелинейным (например, экспоненциальный ) характеристика может действовать как смеситель. В пассивных смесителях используется один или несколько диоды и полагаться на их нелинейное соотношение между напряжением и током, чтобы обеспечить умножающий элемент. В пассивном смесителе желаемый выходной сигнал всегда имеет меньшую мощность, чем входные сигналы.

В активных микшерах используется усилительное устройство (например, транзистор или вакуумная труба ) для увеличения силы сигнала продукта. Активные микшеры улучшают изоляцию между портами, но могут иметь более высокий уровень шума и большую потребляемую мощность. Активный смеситель может быть менее устойчивым к перегрузкам.

Смесители могут быть построены из дискретных компонентов, могут быть частью интегральные схемы, или могут поставляться в виде гибридных модулей.

Принципиальная схема пассивного диодного смесителя с двойной балансировкой (также известного как кольцевой модулятор ). Нет выхода, если не присутствуют оба входа f1 и f2, хотя f2 (но не f1) может быть постоянным током.

Смесители также можно классифицировать по их топология:

• An небалансный смеситель, в дополнение к созданию сигнала продукта, позволяет обоим входным сигналам проходить и появляться в качестве компонентов на выходе.
• А одинарный сбалансированный микшер устроен так, что один из его входов подключен к симметричному (дифференциал ) так что либо гетеродин (LO), либо входной сигнал (RF) подавляются на выходе, но не то и другое вместе.
• А двойной сбалансированный смеситель оба входа подключены к дифференциальным схемам, так что на выходе не появляется ни один из входных сигналов, а только сигнал продукта.^[1] Смесители с двойной балансировкой более сложны и требуют более высоких уровней мощности, чем несбалансированные и одинарные балансные конструкции.

Выбор типа миксера зависит от конкретного приложения.

Смесительные схемы характеризуются такими свойствами, как преобразование прирост (или потеря), и коэффициент шума.^[2]

Нелинейные электронные компоненты, которые используются в качестве смесителей, включают: диоды, транзисторы смещен вблизи отсечки и на более низких частотах, аналоговые умножители. Индукторы с ферромагнитным сердечником загнанный в насыщение также использовались. В нелинейная оптика, кристаллы с нелинейными характеристиками используются для смешивания двух частот лазерного света для создания оптические гетеродины.

Диод

А диод может использоваться для создания простого несбалансированного микшера. Этот тип микшера производит исходные частоты, а также их сумму и их разность. Существенным свойством диода здесь является его нелинейность (илиОмический поведение), что означает, что его реакция (ток) не пропорциональна его входу (напряжению). Диод не воспроизводит частоты своего управляющего напряжения в протекающем через него токе, что позволяет изменять нужную частоту. Электрический ток я через идеальный диод в зависимости от напряжения V через это дано

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

где важно то, что V появляется в е 's показатель степени. Экспонента может быть расширенный так как

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

и может быть приближена для малых Икс (то есть небольшие напряжения) первыми членами этого ряда:

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

Предположим, что сумма двух входных сигналов ${ displaystyle v_ {1} + v_ {2}}$ подается на диод, и генерируется выходное напряжение, пропорциональное току через диод (возможно, за счет обеспечения напряжения, которое присутствует на диоде). резистор последовательно с диодом). Тогда без учета постоянных в уравнении диода выходное напряжение будет иметь вид

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

Первый член справа - это два исходных сигнала, как и ожидалось, за которыми следует квадрат суммы, который можно переписать как ${ displaystyle (v_ {1} + v_ {2}) ^ {2} = v_ {1} ^ {2} + 2v_ {1} v_ {2} + v_ {2} ^ {2}}$, где усиленный сигнал очевиден. Многоточие представляет все старшие степени суммы, которой мы считаем пренебрежимо малой для малых сигналов.

Предположим, что на диод подаются две входные синусоиды разной частоты, так что ${ displaystyle v_ {1} = sin at}$ и ${ displaystyle v_ {2} = sin bt}$. Сигнал ${ displaystyle V_ {0}}$ становится:

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

Расширение квадратного члена дает:

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

Игнорирование всех условий, кроме ${ displaystyle sin at sin bt}$ срок и использование протокаферез (произведение к сумме) идентичность,

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

урожайность,

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

демонстрируя, как микшер создает новые частоты.

Переключение

Другой вид смесителя работает путем переключения, при этом меньший входной сигнал проходит инвертированным или неинвертированным в зависимости от фазы гетеродина (LO). Это было бы типично для нормального режима работы блочного смесителя с двойной балансировкой, когда мощность гетеродина значительно превышает амплитуду сигнала.

Назначение переключающего смесителя - добиться линейной работы по уровню сигнала с помощью жесткого переключения, управляемого гетеродином. Математически переключающий микшер мало чем отличается от умножающего микшера. Вместо синусоидального члена LO мы использовали бы сигнум функция. В частотной области операция переключения смесителя приводит к обычным суммарным и разностным частотам, а также к дополнительным членам, например ± 3ж_LO, ±5ж_LOи т. д. Преимущество переключаемого микшера состоит в том, что он может (с теми же усилиями) достичь коэффициент шума (NF) и больший коэффициент преобразования. Это связано с тем, что переключающие диоды или транзисторы действуют либо как небольшой резистор (переключатель замкнут) или как большой резистор (переключатель разомкнут), и в обоих случаях добавляется только минимальный шум. С точки зрения схемы, многие умножающие смесители можно использовать в качестве переключающих смесителей, просто увеличивая амплитуду гетеродина. Поэтому радиотехники просто говорят о микшерах, имея в виду переключаемые микшеры.

Схема смесителя может использоваться не только для сдвига частоты входного сигнала, как в приемнике, но и как детектор продукта, модулятор, фазовый детектор или умножитель частоты.^[3] 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.

Смотрите также

• Умножитель частоты
• Субгармонический смеситель
• Детектор продукта
• Конвертер Pentagrid
• Трубка отклонения луча
• Кольцевая модуляция
• Клетка Гилберта
• Обнаружение оптического гетеродина
• Интермодуляция
• Точка перехвата третьего порядка
• Эффект ржавого болта

Рекомендации

внешняя ссылка

• РЧ-микшеры и руководство по микшированию

Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С».