CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
3.2. Bộ trộn cân bằng kép
Có suy hao chuyển đổi cao (hoặc độ lợi chuyển đổi thấp hơn) so với bộ trộn cân bằng đơn và giới hạn thấp hơn ở tần số tối đa, nhưng có băng thông rộng hơn.
Bộ trộn cân bằng kép hoặc vòng điều chế với bốn diode sắp xếp theo một vòng cho thấy một hiệu ứng nhiễu cân bằng tương tự như bộ trộn hai diode.
Hai loại phổ biến nhất của bộ trộn cân bằng kép là bộ trộn vòng và bộ trộn sao.
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
Bộ trộn vòng là phù hợp hơn cho các ứng dụng tần số thấp, trong đó máy biến áp có thể được sử dụng, mà nó cũng là thực tế ở tần số cao.
Hình 3.3: Bộ trộn cân bằng kép (vòng diode, Gilbert BJT, Gilbert FET) Bộ trộn vòng cân bằng kép có thể được mô tả bằng cách xử lý các thành phần phi tuyến tính của nó (diode hoặc transistor) như công tắc, mà được bật ON và OFF của LO.
Cách tiếp cận này giả sử rằng các dạng sóng dẫn của diode là một sóng vuông, xấp xỉ đúng, miễn là mức LO là đủ lớn và tần số của nó không phải là quá cao.
Những lợi thế của một bộ trộn cân bằng kép so một bộ trộn cân bằng đơn là được tăng tuyến tính, cải thiện sự ngăn chặn sản phẩm tạp nhiễu (tất cả các sản phẩm thậm chí của LO hoặc RF bị triệt tiêu) và sự cô lập vốn có giữa tất cả các cổng.
Nhược điểm là đòi hỏi một mức tín hiệu LO cao hơn và yêu cầu hai bộ làm cân bằng biến áp.
Trong bộ trộn diode cân bằng kép do sự đối xứng, các đáp ứng tạp nhiễu bậc chẵn bị loại bỏ.
Hai biến áp gây ra một kích thích cực đất đối xứng trong bốn điốt cho tín hiệu RF và tín hiệu LO. Các phân nhánh trung tâm của biến áp hoạt động như một kết nối thuộc về điện trực tiếp đến các diode cho tần số thấp trung gian IF.
Do điện áp RF được phân chia giữa bốn diode, công suất RF trong mỗi diode là một phần tư của một bộ trộn diode cân bằng đơn, vì vậy điểm nén 1 dB và điểm chặn bậc ba là gần 6 dB cao hơn.
Tuy nhiên, bốn lần so với công suất LO bây giờ cần thiết để bơm các diode cùng một mức điện áp.
Suy hao chuyển đổi là như nhau, vì công suất RF được chia bốn cách và công suất IF kết hợp lại bốn cách; do đó, việc tăng điểm chặn cung cấp một sự gia tăng thực sự trong phạm vi hoạt động do sự gia tăng đầu ra so với một diode duy nhất.
Hiệu suất của bộ trộn diode cân bằng kép phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tần số hoạt động, công suất dao động nội, phối hợp trở kháng và nhiệt độ.
kết hợp thích hợp của đầu ra IF là điều cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu từ bộ trộn diode cân bằng kép. Nếu không sẽ dẫn đến suy hao chuyển đổi cao hơn và tạo ra hài không mong muốn.
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
Ngoài khoảng công suất + 10dBm LO, sự tăng điểm chặn không tăng nhanh như công suất LO, bởi vì các diode ON bắt đầu giới hạn điện áp LO qua diode OFF, mà là song song. Để mỗi diode, dòng RF là không khác gì từ dòng LO, và do đó tổng swing RF được giới hạn trong điều kiện OFF. Điều này có thể được cải thiện bằng cách sử dụng hai hoặc nhiều diode trong loạt ở vị trí của diode đơn thể hiện ra.
Tại các tần số cao hơn, biến áp có thể được thay thế bằng 180 ° - bộ ghép 3dB:
Hình 3.4: Biến áp được thay thế bằng Bộ ghép
Trong hình trên, 180 ° - bộ ghép 3dB được thực hiện bởi bộ ghép 90 ° đường rẽ nhánh với dịch pha thêm 90 ° (PS). Các bộ lọc thông thấp nên có trở kháng cao đối với các tín hiệu RF tại phía diode. Các cổng RF và LO bị cô lập.
Nhiều trong số những ưu điểm của cấu trúc cân bằng, chẳng hạn như cải thiện sự cô lập, giảm đáp ứng tạp, và nâng cao điểm chặn, có thể đạt được cho bộ trộn tích cực trong cách tương tự như đối với bộ trộn diode.
Bộ trộn Gilbert Cell
Cơ bản là một bộ khuếch đại theo sau là một chuyển đổi đảo ngược Pha
Cho hệ số nhiễu và IIP3 tốt nhất, các điện áp LO khiến các transistor nhanh qua điểm chéo, hoặc đảo ngược pha vùng. Lưu ý rằng, trong một diode bộ trộn cân bằng các diode đều OFF tại LO không qua, không có nhiễu gia tăng quá mức. Đầu ra khác biệt loại bỏ ngay bậc chẵn phi tuyến. Ngoài ra, tuyến tính tổng thể được cải thiện bởi vì một nửa của các tín hiệu được xử lý bởi mỗi bên.
Bộ trộn Gilbert điển hình:
F~10dB, G ~12dB, IIP3~2dBm, DC Current~20mA, LO drive~0dBm.
Hình 3.5: Bộ trộn Gilbert Cell BJT
Nhiễu do tải trong một bộ trộn Gilbert: mỗi RL góp phần vào nhiễu nhiệt.
Vì không tương quan với lẫn nhau nên công suất nhiễu được gia tăng.
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
Khi Q2 là OFF và Q1 là ON, hoạt động như một cascode hoặc nhiều hơn như một điện trở nếu LO là mạnh mẽ, có thể cho thấy nhiễu của Q1 có ít ảnh hưởng đến Vout.
Làm thế nào để cải thiện hệ số nhiễu của bộ trộn Gilbert:
- Giảm RL
- Tăng gm của các transistor và giảm rb của QB. - Chuyển đổi tốc độ cao.
- Tăng Dốc hơn hoặc cạnh giảm LO - Ít biến động trong LO
Hệ số nhiễu của Gilbert cell cân bằng kép là cao hơn so với Gilbert cell cân bằng đơn bởi vì không có hủy bỏ xuất hiện.
Những lợi ích của bộ trộn Gilbert cell cân bằng kép là:
- Hoàn toàn khác biệt.
- Không có tín hiệu đầu vào tại ω * LO.
- IIP3 cải thiện bởi 3 dB.
Tiêu chí thiết kế của bộ trộn BJT cân bằng kép là:
- Emitter thoái hóa.
- Điện trở Base.
- Linh kiện Ft.
- Dòng Hoạt động của mạch.
Bộ trộn Gilbert cell đều có thể cũng sử dụng FET transistor. Các khái niệm cơ bản tương tự áp dụng như BJTs, sự khác biệt duy nhất là sự sắp xếp phân cực sử dụng. Cặp đối xứng hoặc chống đối xứng của bộ trộn giống nhau cung cấp một suy hao có hiệu quả của một số thành phần tần số không mong muốn trong phổ của tín hiệu đầu vào và đầu ra.
Sự loại bỏ là đặc biệt cần thiết cho các tín hiệu dao động nội lớn, trong đó có thể bão hòa hoặc nghiêm trọng làm giảm công năng của một bộ khuếch đại IF, nhưng điều quan trọng đối với các thành phần với biên độ nhỏ hơn cũng được.
Điều chế tương hỗ trong các hệ thống bên ngoài của các thành phần không mong muốn có thể trộn với tín hiệu mong muốn và tạo ra được tín hiệu mà có thể can thiệp mạch khác của hệ thống.
Bộ trộn FET cân bằng kép có thể được thiết kế cho cả sử dụng thụ động và tích cực:
Bộ trộn FET tích cực dựa trên kiến trúc Gilbert cell với phân cực các linh kiện bán dẫn, có thể làm việc với mức LO thấp và thường cung cấp được chuyển đổi, nhưng tuyến tính giảm so với bộ trộn thụ động.
Bộ trộn FET thụ động, thường dựa trên quads FET (kết nối vòng), cho tuyến tính tốt mà đòi hỏi mức LO cao và thể hiện suy hao chuyển đổi cao.
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
Hình 3.6: Bộ trộn FET cân bằng kép
Các hoạt động kiểu bộ trộn này là tương tự như của một bộ trộn diode cân bằng kép thông thường dựa (DBM). Sự khác biệt chính là bộ trộn FET có sáu cực, so với bốn đầu của bộ trộn Diode cân bằng kép.
Trong quá trình dương tính nửa chu kỳ của tín hiệu LO để trộn FET, hai trong số những FETs là trong dẫn trong khi hai người khác được chuyển OFF. Kết quả là, những thứ quanh co của bộ làm cân bằng RF được kết nối với cuộn dây thứ cấp của bộ làm cân bằng IF qua FET được chuyển sang ON. Trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu của LO, FETs đó thì khi nửa chu kỳ dương được bật OFF và ngược lại. Điều này dẫn đến một sự đảo ngược của các cực của tín hiệu RF đạt bộ làm cân bằng IF.
Các tần số mà FET được chuyển ON và OFF được xác định bởi tần số của tín hiệu LO. Đây là mặt toán học tương đương với một phép nhân của các tín hiệu RF và LO, dẫn đến việc tạo ra các tổng và trừ tần số tại cổng IF.
So với bộ trộn diode, bộ trộn FET thụ động có điểm nén 1dB cao hơn.
Các điểm nén P1dB của một bộ trộn diode nói chung là 4dB đến 6 dB thấp hơn so với mức công suất của tín hiệu LO, trong khi các điểm nén P1dB của một bộ trộn FET thụ động thường 3dB cao hơn so với mức công suất của tín hiệu LO.
Hiệu suất tuyến tính của một bộ trộn FET điện trở, như đánh giá về điểm chặn bậc ba (IP3), bị ảnh hưởng bởi những biến trong trở kháng tải. Như vậy, hiệu suất dự đoán nhiều nhất xuất hiện với kết cuối trở kháng thuần túy như tải.
Đây là loại kết cuối ổn định có thể đạt được bằng cách chấm dứt các bộ trộn với một bộ lọc, nhưng bộ lọc xuất hiện hoàn toàn trở chỉ trong dải thông 3dB của nó. Như của bộ lọc trở kháng tăng vượt dải thông của nó, hiệu suất chặn của bộ trộn sẽ bị giảm.
Một nguyên tắc chung là bộ trộn thụ động cân bằng kép (không phân biệt, với diode hoặc với FET) nên được kết thúc chính xác từ tần số thấp nhất trong sử dụng, để ít nhất năm lần tần số cao nhất trong sử dụng.
Một giải pháp tốt là sử dụng ở đầu ra của máy trộn một bộ phối hợp (diplexer), cung cấp trở kháng kết thúc đúng trên một dải tần số rộng và cũng cung cấp một mức độ chọn lọc tần số IF.
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
Trong bộ trộn Quad-FET thụ động, các IP3 chủ yếu là một chức năng của công tắc thời gian chuyển đổi.
Thời gian chuyển đổi chủ yếu là một chức năng của điện áp LO, và trong trường hợp của một hộp cộng hưởng cũng là chức năng của các Q của mạch cộng hưởng. Đối với một sức mạnh LO được, cao hơn các Q, cao hơn các IP3.
Bộ trộn Quad-FET thụ động có ưu điểm quan trọng, như đã được đề cập trong các bộ trộn thụ động đơn FET, mà 1/f tạp âm nhấp nháy là thực tế không gây ra.
3.2.1. Bộ trộn JFET
Bộ trộn Junction-FET (JFET) hoạt động cung cấp hiệu năng tiềm năng lớn. Độ lợi chuyển đổi và méo xuyên điều chế (IMD) đặc điểm ưu việt hơn các bộ trộn thụ động điển hình, tương tự như của bộ trộn diode cấp cao.
Trong một bộ trộn JFET hoạt động, các linh kiện không đối xứng cho độ lợi, nhưng tại các chi phí của hiệu quả điểm chặn.
Bộ trộn thụ động yêu cầu mức công suất LO cao hơn, nhưng cung cấp tốt hơn hiệu quả điểm chặn bậc ba.
JFETs có một đáp ứng luật bình phương vốn có mà làm giảm thiểu bậc ba IMD.
Giống như tbộ rộn thụ động, bộ trộn JFET hoạt động có mức burn-out cao.
Nhược điểm chính của trộn JFET là nó cần biến áp phù hợp và họ cũng yêu cầu mức cao tương đối của bộ dao động LO.
Trong bộ trộn JFET tích cực độ lợi công suất tối ưu và nhiễu không xảy ra tại điểm điều hành. Các dòng phân cực, mức điện áp bộ dao động và máy biến áp phù hợp phải là lựa chọn thích hợp để đảm bảo rằng các FET hoạt động trong khu vực luật bình phương và méo được giảm thiểu.
Hệ số nhiễu có thể đạt được thấp nhất của một bộ trộn JFET hoạt động là khoảng 6dB.
Đối với hiệu suất tối ưu của bộ trộn JFET cân bằng kép, các bóng bán dẫn cần được kết hợp một cách hoàn hảo, mà là tương đối khó khăn do đặc điểm giữa các lô.
Ngày nay có sẵn Quad-FET trong đóng gói duy nhất được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng bộ trộn.
Đối với bộ trộn FET cân bằng đơn, các yêu cầu đối với các thành phần phù hợp ít nghiêm ngặt, cho phép sử dụng các bóng bán dẫn phù hợp trong vòng 10%.
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
3.2.2. Bộ trộn Quad MOSFET
Hình 3.7: Mạch bộ trộn Gilbert Quad MOSFET
Nếu có một nhu cầu rất mức hiệu suất cao hơn so với các FET có thể thay thế được cho một trong hai Quads DMOS-FET nguyên khối, hoặc sự kết hợp của RF Power MOSFET.
Bộ trộn MOSFET cân bằng kép có thể hoạt động các bóng bán dẫn như chuyển mạch với không có điện áp D được áp dụng kết quả tổn hao do nối ngoài khoảng -6dB. Ngoài ra, điện áp D cung cấp cho các MOSFET có thể được sử dụng để cung cấp cho bộ trộn độ lợi khoảng +15dB.
Dạng sóng LO áp dụng cho loại bộ trộn là rất quan trọng.
Để đạt được một điểm chặn cao, bộ đẩy LO phải tiếp cận một sóng vuông lý tưởng với một chu kỳ hoạt động 50%.
Một ưu điểm của MOSFET là điện áp G là xấp xỉ như nhau cho các loại MOSFET. Có nghĩa là, công suất LO cần thiết cho một bộ trộn MOSFET rất cao, là ít hơn công suất cần thiết cho một bộ trộn diode tương đương.
Bộ trộn MOSFET bị các vấn đề như trộn JFET về sử dụng máy biến áp và phần cao mạch lân cận, trong đó sử dụng các bảng mạch diện tích lớn.
Loại đó của bộ trộn MOSFET sẽ được tìm thấy trong máy thu HF hiệu năng cao, trong một dải tần số từ 1MHz đến 50MHz.
Các DMOS tốc độ cao điện dung thấp, chuyển mạch cung cấp các cải tiến hiệu suất đáng kể trên JFETs và bộ trộn diode cân bằng khi méo hài bậc ba được yêu cầu. Ví dụ dưới đây sử dụng một quad-ring DMOS chuyển đổi (SD8901).
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
Hình 3.8: So sánh hiệu suất IP3 giữa DMOS (SD8901), JFET (U350), và Diode nhẫn Mixer
3.2.3. Bộ trộn H-Mode
Là một loại bộ trộn sử dụng CMOS bus-switches (ví dụ FSA3157), linh kiện chuyển mạch có tốc độ cao cho phép và vô hiệu hóa lần, và trở thấp ON.
Hình 3.9: Bộ trộn H-Mode sử dụng CMOS high-speed
H-Mode trộn có thể đạt IP3 rất tốt (tốt hơn + 40dBm), và tổn hao do chèn (~
5dB) nếu:
CHƯƠNG III: BỘ TRỘN CÂN BẰNG
- Các mạch sử dụng rất tốt biến áp đối xứng và băng rộng.
- Sử dụng mạch chuyển mạch với khả năng ký sinh thấp, thời gian chuyển đổi nhanh chóng và kháng loạt RDS rất thấp.
- Các thiết bị được cung cấp với VCC cao (khoảng 7V trong ví dụ trên).
- RF và IF cổng được chấm dứt đúng.
Tín hiệu LO vuông cần điều chỉnh 50% chu kỳ hoạt động để cải thiện sự cô lập RF-IF.
3.2.4. Bộ trộn loại bỏ ảnh
Bộ trộn loại bỏ ảnh được thực hiện như các kết nối của một cặp bộ trộn cân bằng. Nó đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng mà các băng ảnh và RF chồng chéo lên nhau hoặc ảnh quá gần với RF để bị loại bỏ bởi một bộ lọc.
Các cổng LO của bộ trộn cân bằng được điều khiển pha, nhưng các tín hiệu áp dụng cho các cổng RF có pha 90° khác nhau. Một bộ ghép 90 ° IF được sử dụng để tách các dải RF và ảnh.
Hình 3.10: Bộ trộn loại bỏ ảnh và đồ thị loại bỏ ảnh và lỗi pha
Đặc điểm của bộ trộn loại bỏ ảnh là:
Hình ảnh Loại bỏ cải thiện với cao LO.
loại bỏ ảnh phụ thuộc nhiều hơn vào Pha không khớp.
Bộ trộn loại bỏ ảnh có thể đạt hơn 20 dB loại bỏ ảnh.
Bộ trộn loại bỏ ảnh nó đặc biệt hữu ích cho tần số IF thấp.
Bộ trộn loại bỏ ảnh nó phức tạp và cần nhiều dòng hơn.
Thông thường có thể tương đương đầu vào RF và dịch pha LO, mà không phải là biên độ rất nhạy.
Các kết quả đầu ra IF có thể được kết hợp với bộ ghép cầu phương. Các tín hiệu và ảnh (USB và LSB) là riêng biệt có sẵn trong trường hợp này, ở 2 cổng ghép.
Nếu hai bộ khuếch đại được sử dụng trên đường RF, ở phía trước của hai máy trộn, nhiễu ảnh được cho vào bởi hai bộ khuếch đại này không phải là loại bỏ.
3.2.5. Bộ trộn đơn biên (SSB) hoặc đồng Pha / vuông pha (IQ)