Mezclador de frecuencia

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

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 dependen de su relación no lineal entre voltaje y corriente 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.

Los mezcladores también pueden clasificarse por su topología:

• An mezclador desequilibrado, Además de producir una señal de producto, permite que ambas señales de entrada pasen y aparezcan como componentes en la salida.
• A único mezclador equilibrado se arregla con una de sus entradas aplicadas a un circuito equilibrado (diferencial) para que el oscilador local (LO) o la entrada de señal (RF) se suprima en la salida, pero no ambos.
• A mezclador doble equilibrado tiene sus entradas aplicadas a circuitos diferenciales, de modo que ninguna de las señales de entrada y sólo la señal de producto aparece en la salida. Los mezcladores doblemente equilibrados son más complejos y requieren mayores niveles de conducción que los diseños desequilibrados y simples.

La selección de un tipo de mezclador es una compensación para una aplicación particular.

Los circuitos mezcladores se caracterizan por sus propiedades como ganancia (o pérdida) de conversión, figura de ruido y no linealidad.

Los componentes electrónicos no lineales que se utilizan como mezcladores incluyen diodos y transistores polarizados cerca del corte. Los dispositivos lineales que varían en el tiempo, como los multiplicadores analógicos, proporcionan un rendimiento superior, ya que sólo 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 saturados. En óptica no lineal, se utilizan cristales con características no lineales para mezclar dos frecuencias de luz láser para crear heterodinos ópticos.

Diodo

Un diodo se puede utilizar para crear un simple mezclador desequilibrado. Este tipo de mezclador produce las frecuencias originales, así como su suma y su diferencia. La propiedad importante del diodo es su no linearidad (o comportamiento no-Ohmico), lo que significa que su respuesta (actual) no es proporcional a su entrada (voltaje). El diodo no reproduce las frecuencias de su voltaje de conducción en la corriente a través de ella, lo que permite la manipulación de frecuencia deseada. La corriente ${displaystyle Yo...$ a través de un diodo ideal como función del voltaje ${displaystyle V_{D}$ se da por

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

donde la propiedad importante de la no linealidad resulta de ${displaystyle V_{D}$ estar en ${displaystyle e}$Es exponente. El exponencial se puede ampliar como

${displaystyle e^{x}=sum _{n=0}{infty ¡No!$

y puede ser aproximado para pequeño ${displaystyle x}$ (es decir, pequeños voltajes) por los primeros pocos términos de esa serie:

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

Supongamos que la suma de las dos señales de entrada ${displaystyle v_{1}+v_{2}$ se aplica a un diodo, y que se genera un voltaje de salida que es proporcional a la corriente a través del diodo (tal vez proporcionando el voltaje que está presente a través de un resistor en serie con el diodo). Luego, ignorando las constantes en la ecuación del diodo, el voltaje de salida tendrá la forma

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

El primer término a la derecha son las dos señales originales, como se esperaba, seguidas por la plaza de la suma, que puede ser reescrita como ${displaystyle (v_{1}+v_{2}}{2}=v_{2}{2}+2v_{1}v_{2}+v_{2} {2}} {2}}} {2}}}}$, donde la señal multiplicada es obvia. La elipsis representa todos los poderes superiores de la suma que suponemos que son insignificantes para pequeñas señales.

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

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

Al expandir el término cuadrado se obtiene:

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

Ignorando todos los términos excepto los ${displaystyle sin atsin bt}$ término y utilización de la identidad prosthaphaeresis (producto a suma),

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

rendimiento,

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

mostrando cómo se crean nuevas frecuencias desde el mezclador.

Cambiar

Otra forma de mezclador funciona mediante conmutación, lo que equivale a la multiplicación de una señal de entrada por una onda cuadrada. En un mezclador doble balanceado, la señal de entrada (más pequeña) se invierte o no se invierte alternativamente 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 LO.

En un mezclador de conmutación monobalanceado, la señal de entrada se pasa o se bloquea alternativamente. De este modo, la señal de entrada se multiplica efectivamente 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, ya que la señal multiplicadora puede verse 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 el funcionamiento lineal mediante conmutación dura, impulsada por el oscilador local. En el dominio de la frecuencia, el funcionamiento del mezclador de conmutación conduce a las habituales sumas y diferencias de frecuencias, pero también a otros términos, p. ±3f_LO, ±5f_LO, etc. La ventaja de un mezclador conmutado es que puede lograr (con el mismo esfuerzo) una figura de ruido (NF) más baja y una mayor ganancia de conversión. 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 utilizar como mezcladores de conmutación, simplemente aumentando la amplitud del LO. Entonces, los ingenieros de RF simplemente hablan de mezcladores, cuando se refieren a cambiar de mezclador.

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. Por ejemplo, un receptor de comunicaciones podría contener dos etapas mezcladoras para convertir la señal de entrada a una frecuencia intermedia y otro mezclador empleado como detector para la demodulación de la señal.