6. kapitola: Směšovače (rozšířená osnova)

Transkript

1 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 6. kaptola: Směšovač rozšířná osnova Čas k studu: 4 hodny Cíl: Po prostudování této kaptoly budt umět dfnovat prncp adtvního směšování dfnovat prncp multplkatvního směšování popsat základní obvodové ralzac adtvního směšovač popsat základní obvodové ralzac multplkatvního směšovač popsat funkc Glbrtovy buňky ýklad lká většna komrčních profsonálních přjímačů s v současné době konstruuj jako suprhtrodyn. Tn j založn na kmtočtové přměně kmtočtu sgnálu fs na vhodnější kmtočt mzfrkvnční f mf pomocí sgnálu htrodynu o kmtočtu f h. Př této kmtočtové přměně nsmí dojít k narušní nformačního obsahu, obsažnému v sgnálu na kmtočtu fs. K vlastnímu procsu směšování dochází v nlnárním nbo paramtrckém obvodu - směšovač. své podstatě vytváří každý měnč kmtočtu njrůznější kombnac obou vstupních sgnálů fs a fh. Pro výstupní sgnál pak platí kd k a jsou kofcnty, ktré mohou nabývat hodnot clých čísl. Pokud k a -, přjd vztah 4.35 na tvar fmf fh - fs, ktrý s označuj jako rozdílový směšovací produkt. Součtu absolutních hodnot kofcntů k a l s říká řád směšovacího produktu, prostému sřazní kofcntů k, l s znaménkm s říká vd směšovacího produktu. Zmíněný rozdílový směšovací produkt j tdy druhého řádu a vdu, -. Rozdílový směšovací produkt fh - fs s většnou používá v přjímačové tchnc, protož vytváří nízký kmtočt fmf a dobř s v násldujících obvodch přjímač zpracovává. Naprot tomu, např. v vysílačové tchnc, j často třba z sgnálu s nízkým kmtočtm vytvořt sgnál s kmtočtm vysokým a pak j vhodné použít produkt součtový. Exstují dvě základní možnost jak směšovací produkt získat. první z nch s na prvk s vhodným nlnárním průběhm jho přvodní charaktrstky přvádějí v součtu sgnály na kmtočtch fs a fh. Protož na nlnární prvk působí součt obou napětí, nazývá s uvdný směšovač směšovač adtvní. Toto směšování j výhodné svou obvodovou jdnoduchostí, má však řadu nvýhodných vlastností. Pokud použjm pro směšování lnární paramtrcký prvk, u ktrého např. sgnál htrodynu fh bud měnt strmost přvodní charaktrstky směšovač strmost tdy bud proměnný paramtr a na jhož vstup přvdm napětí sgnálu fs, dojd rovněž k vytvořní směšovacích produktů. Protož však výsldný směšovací produkt

2 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola j v tomto případě rovn součnu napětí s kmtočty fs a fh, mluvím o směšovač multplkatvním. Snadno lz ukázat, ž výstupní spktrum adtvních směšovačů j vlm bohaté na nžádoucí směšovací produkty a proto s používají pouz u jdnoduchých přjímačů. kvaltních přjímačích na nízkých, střdních vysokých kmtočtch s používají směšovač multplkatvní. ýjmkou můž být případ vlm vysokých kmtočtů, kdy j problmatcké vhodný multplkatvní směšovač ralzovat. Adtvní směšovač adtvního směšovač vznkají směšovací produkty njvýš toho řádu, ktrý odpovídá njvyššímu xponntu mocnnné řady popsující nlnartu směšovacího prvku. Nžádoucí produkty směšování pak musí být potlačny fltrm na výstupu směšovač. Aby vůbc došlo k vytvořní užtčného produktu, musí mít směšovací prvk zakřvní charaktrstky alspoň druhého stupně. Ampltuda žádaného směšovacího produktu j lnárně úměrná součnu ampltud obou vstupních sgnálů. Protož ampltuda sgnálu na kmtočtu fs j obvykl vlm malá, musí být použta vlká úrovň sgnálu htrodynu. Njjdnodušším prvkm pro adtvní směšovač j polovodčová doda. Jdnoduchý dodový směšovač j na Obr J zřjmé, ž na dodu D působí napětí Přdpokládám, ž výstupní kmtavý okruh směšovač CL j naladěn na mzfrkvnční úhlový kmtočt ωmf ωh - ωs. Pro tnto kmtočt vykazuj kmtavý okruh rálnou hodnotu odporu R a pro všchny ostatní kmtočtové složky přdstavuj zkrat. važujm, ž ampérvoltovou charaktrstku dody j možné vyjádřt mocnnným mnohočlnm druhého stupně tvaru Po dosazní 4.36 do 4.37 a po příslušných úpravách zjstím, ž mzfrkvnční složka proudu na kmtočtu ωmf j dána vztahm Tnto proud vyvolá na odporu R napětí

3 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 3 s ampltudou kd čntl K závsí na ampltudě napětí htrodynu, na vlastnostch použté dody daných kofcnty a a a a na dynamckém odporu vyladěného výstupního kmtavého okruhu. Pokud j na výstup přpojna zátěž RZ, musím místo R uvažovat parallní kombnac odporů R a RZ. Nvýhodou dodového směšovač j jho přnos, ktrý j mnší nž. současné radokomunkac jsou však dodové směšovač vsměs s Schottkyho dodam nzastuptlné př kmtočtch vyšších nž as GHz, kd zatím an njlpší tranzstory njsou pro směšování použtlné. Dodové směšovač však nacházjí uplatnění v oblast mnohm nžších kmtočtů, a to hlavně tam, kd s vyžaduj co njvětší dynamcký rozsah, tdy například u profsonálních komunkačních přjímačů, u spktrálních analyzátorů apod. Tam kd j potřba určtý směšovací zsk, používají s v funkc adtvních směšovačů bpolární a unpolární tranzstory. Možná dová zapojní směšovačů s spolčným mtorm jsou na Obr. 4.4a, b a s spolčnou bází na Obr. 4.4c, d. směšovačů s za spolčnou lktrodu tranzstoru pokládá ta, ktrá j spolčná sgnálům na kmtočtch fs a fmf. Nsouměrné směšovač s jdním bpolárním tranzstorm nálžly k njrozšířnějším typům, ačkolv většna jjch vlastností j npříznvá. Přchod PN mz bází a mtorm má xponncální charaktrstku, což vd k vznku nkončně mnoho paraztních směšovacích produktů. zolac mz osclační bránou a zbývajícím branam j malá. Dynamcký rozsah j značně omzný, bod P3. npřsáhn úrovň as 5 dbm. Tyto směšovač mají dns své uplatnění jn v několka málo aplkacích, zjména tam kd j úrovň vstupního sgnálu vlm malá a navíc s přílš nmění.

4 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 4 Příznvější j stuac u směšovačů s tranzstory JFET. Ty mají zhruba kvadratckou přvodní charaktrstku, ktrá dostačuj k vytvořní požadovaného směšovacího produktu a přtom vznká mnmum složk nžádoucích. souladu s Obr. 4.4a lz ralzovat směšovač tak, ž s na jho hradlo G s přvádí součt vstupního a osclačního sgnálu. Rlatvně vlký osclační sgnál moduluj strmost tranzstoru a tím jho zsílní pro užtčný sgnál, čímž dochází k fktu směšování. Směšovač tohoto typu s nazývají transkonduktanční. Pro dosažní co njvětšího směšovacího zsílní př co njmnším šumovém čísl j vhodné nastavt stjnosměrné přdpětí hradla a ampltudu osclačního sgnálu tak, aby tranzstor pracoval v spínacím ržmu. Pro zvýšní zolac mz osclátorovou a vstupní bránou s často používá varanta směšovač podl Obr. 4.6a, kd vstupní sgnál přchází na hradlo G, avšak osclační sgnál j přvdn do mtoru S. Analogcké zapojní bylo njčastější u bpolárních tranzstorů. Multplkatvní směšovač Přvdm-l harmoncký sgnál o kmtočtu fs a harmoncký sgnál o kmtočtu fh na vstupy analogové násobčky, dostanm výstupní napětí v tvaru

5 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 5 kd K j konstanta daná vlastnostm násobčky a s a h jsou ampltudy násobných napětí a ωs rsp. ωh jsou jjch úhlové kmtočty. v tomto případě u rálného multplkatvního směšovač vlvm ndálních vlastností násobčky vznkají paraztní směšovací produkty. ýstupní spktrum j však podstatně chudší, nž u směšovačů adtvních. Jako směšovací prvk můžm použít dvojhradlový tranzstor MOSFET. Podstatu čnnost lz podl Obr objasnt tak, ž s tranzstor MOSFET nahradí dvěma pomyslným kaskádně spojným tranzstory. Horní z nch, buzný osclačním sgnálm htrodynu, působí jako mtorový sldovač, přnášjící tnto sgnál na kolktor D dolního tranzstoru. lastní směšování potom uskutčňuj dolní tranzstor, působící jako kolktorově buzný směšovač. Horní tranzstor potom pracuj jště jako zslovač takto vznklého mzfrkvnčního sgnálu, a to v zapojní SG. Proto musí být jho hradlo G pro tnto sgnál důkladně uzmněno, což ralzuj fltr sérový rzonanční obvod, laděný na mzfrkvnc fmf. Podobně můž být fltrm uzmněn pro sgnály fh a fs kolktor D, takž j dosažno dokonalé zolac mz vstupní a osclační bránou a bránou mzfrkvnční. Konkrétní zapojní tohoto typu směšovač j uvdno na Obr. 4.6b. Multplkatvní směšovač j však možné vytvořt s bpolárním tranzstory. Pak s jdná o tzv. složná zapojní o nchž bud pojdnáno v násldujících odstavcích. yvážné směšovač Úrovň směšovacích produktů j úměrná druhé, třtí, čtvrté, atd. mocnně napětí podl toho, zda příslušný produkt vznkl jako násldk nlnarty druhého, třtího, čtvrtého, atd. řádu určného kofcnty a, a 3, a 4, atd. Snížím-l napětí dvakrát, sníží s produkt třtího řádu osmkrát, protož jho ampltuda j úměrná 3. Směšovač tdy musí být tím dokonaljší, čím vyšší úrovň napětí s na něm mohou objvt, protož tím větší j nbzpčí vznku paraztních směšovacích produktů vyšších řádů. Žádoucím směšovacím produktm j obvykl složka fh - fs. Ostatní složky jsou paraztní směšovací produkty a mohou být odstraněny. Potlační něktrých složk j možné dosáhn pomocí vyvážných směšovačů. Hlavní výhodou dodového směšovač j vlký dynamcký rozsah sgnál kolm jště nzpůsobuj nlnární zkrslní. Bod P3 má běžně hodnotu kolm 5 dbm. Jjch nvýhodou j požadavk vlké úrovně napětí htrodynu a s tím souvsjící možnost jho pronkání do ostatních část přjímač. Na Obr. 4.8 j dvojdodový vyvážný směšovač.

6 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 6 vyvážného dodového směšovač j sgnálové napětí přváděno na dody v protfáz, osclátorové v fáz. ýsldný produkt j z obou dod odváděn rovněž v protfáz. důsldku toho potlačuj uvdný směšovač sgnál htrodynu na výstupu vstupu. Potlační napětí htrodynu j podl dosažné symtr zapojní 3 4 db. Transformátory TR a TR mají skundární vnutí vnuta bflárně. TR transformuj odpor zdroj sgnálu R na potřbnou vlkost R, podobně TR transformuj RZ na RZ'. Př tom R a RZ' závsí na odporch dod v přblžně podl vztahu kd Rp j odpor dody v propustném směru a Rzp j odpor dody v závěrném směru. Protož Rp 5 Ω a Rzp 5 kω a protož obvykl R Rz jsou rzstory o odporu as,5 kω, musí mít přvody vzstupný poměr. Pro stav výkonového přzpůsobní daného podmínkou 4.47 dostanm tzv. směšovací účnnost, což j poměr výkonu žádaného směšovacího produktu k výkonu, ktrý směšovač odbírá z zdroj sgnálu. Lz pro n odvodt vztah Bud-l poměr RzpRp hodně vlký, směšovací účnnost dosáhn svého optma: ýstupní spktrum nobsahuj sudé harmoncké vstupního sgnálu an s nm vázané ntrmodulační produkty. Dál nobsahuj lché harmoncké kmtočtu fh. nuté transformátory s v oblast HF nahrazují hybrdním člny. Směšovač s pak stávají šrokopásmovým. Dody jsou většnou spcálního typu nbo typu Schottky, ktré mají

7 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 7 výhodu rprodukovatlnost charaktrstk, malý odpor Rp a výborné šumové a kmtočtové vlastnost. Kromě uvdných směšovačů lz použít něktré z vyvážných nbo dvojtě vyvážných varant monoltckých směšovačů. Těmto směšovačům s říká složné. Jsou to vsměs směšovač multplkatvní. Njjdnodušší z nch j směšovač tvořný dfrnčním zslovačm z dvou nbo čtyř tranzstorů s spolčným proudovým zdrojm. Tranzstory dfrnčního zslovač zslují sgnálové napětí, přčmž strmost jjch přvodních charaktrstk j řízna proudovým zdrojm, ktrý j ovládán napětím htrodynu. Ndostatkm těchto zapojní j požadavk použtí dvou dokonal symtrckých vysokofrkvnčních transformátorů s vyvdným střdm, jjchž výroba j obtížná. Proto byly hldány jné varanty zapojní. Jdno z možných řšní přnáší dvojtě vyvážný směšovač z Obr. 4.9 nazývaný Glbrtova buňka, ktrý bývá součástí složtějších ntgrovaných obvodů nbo bývá ralzován jako samostatný směšovač. Skutčnost ž dvojtý vyvážný směšovač poskytuj výstupní mzfrkvnční sgnál nsouměrný vzhldm k spolčné svorc zm a vstupní sgnál osclační sgnál lz k němu přvádět také jako nsouměrný j značnou výhodou nboť odpadn nutnost použtí drahých a rozměrných symtrzačních transformátorů. ýhodou Glbrtovy buňky j snadná ntgrovatlnost a vlká zolac sgnálů mz branam, nvýhodou j pak nžší dynamcký rozsah a nžší pracovní kmtočt. ry oftn Glbrt-cll s fgur blow s usd as a multplr crcut modulators, dmodulators, mxrs. t ncluds a tal currnt sourc Q7, a dffrntal transconductanc stag Q, Q, and a swtchng quad Q3-Q6. Th put can b drvn to a rsstv or ractv tund load.

8 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 8 BJT Glbrt cll W wll nvstgat larg sgnal proprts. Th mxng prncpl of a Glbrt cll s basd on so calld controlld transconductanc mxr; s smplfd basc crcut n fgur blow. For a down-convrson applcaton, nformaton carryng hgh frquncy RF sgnal s appld as a voltag at modulats currnt sourc w quscnt currnt o. Frst, assumng no RF sgnal, currnt s dvdd up n currnts and dpndng on appld voltag rough from xponntal voltag to currnt rlaton of bpolar transstor. Hr, ktq dnots rmal voltag 6m at room tmpratur. BOX E E xp BE E E xp BE ; E E xp BE BE ln E ; BE ln E t s vdnt at: BE BE BE BE ln E ln E ln xp xp ; xp t s vdnt at: xp xp

9 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola 9 BASC GLBERT CELL PRNCPLE T T T3 RF

10 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola Th dffrntal put currnt s n gvn by tanh f s small <<, tanh and so put currnt s approxmatly lnarly proportonal to mxr s sad to b workng n multplcaton rgon ; n oppost cas tanh ± t mans swtchng rgon: Now, f RF s a small sgnal voltag and transconductanc of currnt sourc T3 s g m, s rplacd by g m RF and RF m RF m g g Th frst trm s calld lakag or fd-rough and scond trm s wantd on. Th frst trm can b canclld by mployng a scond, dntcal, crcut, drvn by, whch put currnt s RF m g and put currnt s takn as dffrnc btwn and : RF m F g BOX tanh

11 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola S fgur blow and compar w Glbrt cll dscrbd abov. Alough Glbrt-cll was ntally dsgnd w bpolar transstors, ts opraton prncpl s smlar usng CMOS tchnology s fgur blow. MOSFET Glbrt cll

12 Punčochář, J: AEO; 6. kaptola Txt k prostudování [] Žalud,.: Modrní radolktronka, BEN - tchncká ltratura Praha, SBN [3] Prokš, A.: Rádové přjímač a vysílač. T v Brně, 5, SBN Další studjní txty Otázky Pro ověřní, ž jst dobř a úplně látku kaptoly zvládl, mát k dspozc několk tortckých otázk.. Prncpální funkc význam, přínos směšování.. Jaký j nutný mnmální řád aproxmačního polynomu pro adtvní směšování? 3. Lz lnarzovat nlnární prvk v směšovač? 4. Prncp multplkatvního směšování. 5. Co j to směšovací účnnost? 6. Základní zapojní směšovačů adtvních. 7. Základní zapojní směšovačů multplkatvních. 8. Jaké výhody má vyvážný směšovač? 9. Prncp Glbrtovy buňky. Odpověd nalznt v uvdné ltratuř. Úlohy k řšní Klíč k řšní Autokontrola Pokud vyřšít správně víc nž 3 problémů a otázk, můžt přjít k studu dalšího tématu.