Çoğaltıcı Olmadan RF Sinyallerini Çoğaltma: Anahtarlama Mikseri
Bu makale, modern RF devrelerinde frekans karıştırma işlemini gerçekleştirmek için kullanılan önemli bir tekniği tanıtmaktadır.
Mikser (karıştırıcı), RF devresi tasarımında temel bir bileşendir. Bir RF mikseri (bir ses mikseri aksine) matematik çarpımı yapar, bunun etkisi frekans dönüştürmedir. Bir "aşağı dönüştürme" mikseri, bir RF alıcısına dahil edilen ve alınan sinyalleri baz bandına veya ara frekanslara kaydırmak için kullanılan bir miksere karşılık gelir.
Matematik alanına girdiğimiz sürece bu tamamen basittir. Trigonometrik özdeşliklere bakın ve iki sinüsoidali çarptığınızda tam olarak ne olacağını göreceksiniz. Bununla
birlikte, elektronik genelde formüllerden ziyade devre yoluyla
uygulanır ve bu, çarpan devresine ihtiyacımız olduğu anlamına gelir. Daha spesifik olarak, yüksek (belki de son derece yüksek) frekanslarda çarpma gerçekleştiren bir devreye ihtiyacımız vardır.
Analog Mikser
İki analog girişi kabul eden ve girişlerin çarpımına karşılık gelen bir çıkış sinyali üreten bir devre tasarlamak mümkündür. Bunlar
diyotların veya transistörlerin etrafında kurulmuştur ve bu cihazların
kendine özgü karakteristiklerinin çarpımsal ilişkilerinden
faydalanmaktadırlar. Çarpma işleminin dijital bir
anahtarlama işlemi içermediğini vurgulamak için bu cihazları "analog"
mikserler olarak adlandırıyoruz.
Karıştırmaya yönelik bu analog yaklaşım sezgiseldir. Ne
yazık ki modern RF alıcıları, güç tüketimini azaltmak için sıklıkla
daha az sezgisel dijital anahtarlama yaklaşımını benimser. Analog
mikserler hiçbir şekilde yararsız değildir ve diyot tabanlı sürümler,
BJT'lerin ve FET'lerin gösterdiği kaçınılmaz bant genişliği
sınırlamaları nedeniyle performansın bozulacağı çok yüksek frekanslı
sistemlerde değerlidir. Yine de, "dijital"
dönüştürme mikserleri veya "anahtarlama" mikserleri veya (bazı
uygulamalarda) "akım değiştiren" mikserler bugünün RF
sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve sonuç olarak bunların ne
olduğunu ve nasıl çalıştıklarını anlamak iyi bir fikirdir .
Anahtarlama Mikseri
Anahtarlama mikseri tarafından sunulan ilk kavramsal engel, yerel osilatör (LO) sinyalidir. Bir kare dalga (veya, eğer bir sinüs dalgası ise, karıştırıcı sanki bir kare dalga gibi davranır) tolare edilmez. RF, analog elektronikler-sinüsoidlerin her yerde, eski moda
matematiksel ilişkilerde, hatta dijital veriler analog dalga formları
kullanılarak aktarılmış sinüsoitlerin öncüsüdür. Bu
anahtarlama mikser işinin sorunsuz bir şekilde değişen RF dünyasına
dalgalı bir dijital sinyal girmesine izin verdiğini kabul ettiğinizde,
açma / kapama anahtarlamasının bir çarpma şekli olduğuna dikkat edilmelidir.
Aşağıdaki diyagram bir aşağı çevirme anahtarlama mikserinin en temel şeklini temsil etmektedir.
Bu, aslında gerilim kontrollü bir anahtardan başka bir şey değildir. Alınan RF sinyali giriş gerilimi olarak, LO da anahtarı kontrol eder. Dolayısıyla burada gerçekten yapmak istediğimiz tek şey LO sinyalinin frekansına göre giriş sinyalini açıp kapatmaktır.
Merak edilen ilk soru: "Bu nasıl mümkün olabilir?" Önce karıştırmanın çarpım olduğunu unutmayın. LO'yı 0 V ile 1 V arasında değişen bir kare dalga olarak düşünürseniz, anahtar, giriş sinyalini LO ile çarpmaktadır: Anahtar kapatıldığında, çıkış, girişin bir ile çarpılmasına eşittir. Anahtar açıkken, çıkış sıfıra çarpan girdiye eşittir.
Sonraki soru: "Bir sinüzoid ile çarpma işlemine eşdeğer olabilir mi?" Elbette, frekanslar aynı olabilir, ancak çarpmanın frekans çevirisi ürettiğini gösteren matematiksel ilişkiler, bir sinüzoid ve bir kare dalga olmak üzere iki sinüzoidona dayanıyor. Ancak bir şeyi unutmamak gerekir: sinüs dalgası içeridedir. Bu bir kare dalga. Eğer bu anahtar düzenlemesi giriş sinyalini LO kare dalga ile çarparsa, aynı zamanda girişin çarpımı da frekansı LO frekansına eşit olan bir sinüzoid olur.
Bu noktada, muhtemelen neden bu tüm harmonik bileşenlerle çoğalmayı bozmak isteyeceğimizi merak ediyorsunuz, ancak harmonik enerji filtreleme yoluyla bastırılabilir ve birçok durumda harmonikler, ortaya çıkan dezavantajlardan daha az sorunludur.
Bu Gerçekten Çalışıyor mu?
Bir örnek inceleyelim. İşte LTspice devresi:
Bu mikserin alınan RF sinyalini ara frekansa (IF) kaydırdığını düşünelim. Alınan sinyal 11 MHz'de ve LO 10 MHz kare dalga. Çarpma, LO sinyaline bağlı bir gerilim kontrollü anahtar vasıtasıyla gerçekleştirilir. Çıkış sinyalinin frekansı giriş frekansından LO frekansının, yani 1 MHz'in çıkarılmasıyla eşit olmalıdır.
Şimdi bazı dalga formlarına göz atalım. Bu ilk şekil, giriş sinyalini ve LO'yu gösterir.
Aynı şekil ancak çıkış ayrı bir bölmede.
Çarpma ilişkisini burada görebilirsiniz, ancak şu ana kadar yaptığımızın tamamı, mükemmel bir sinüs dalgası kırmak gibi görünüyor. Ancak, yakınlaştırdıktan sonra resim çıkmaya başlıyor:
Bütün bu çentiklerin belirsiz bir şekilde sinüsoidal görünen bir sonuç doğurduğunu görebilirsiniz ve bu belirsiz sinüsoidal şey 1 MHz'lik bir frekansa sahip olur. Son onayımız, FFT'den gelir ve bu, 1 MHz'de baskın bir yükseliş gösterir (çok sayıda harmonik içerikle birlikte):
Çarpma ilişkisini burada görebilirsiniz, ancak şu ana kadar yaptığımızın tamamı, mükemmel bir sinüs dalgası kırmak gibi görünüyor. Ancak, yakınlaştırdıktan sonra resim çıkmaya başlıyor:
Bütün bu çentiklerin belirsiz bir şekilde sinüsoidal görünen bir sonuç doğurduğunu görebilirsiniz ve bu belirsiz sinüsoidal şey 1 MHz'lik bir frekansa sahip olur. Son onayımız, FFT'den gelir ve bu, 1 MHz'de baskın bir yükseliş gösterir (çok sayıda harmonik içerikle birlikte):
Yorumlar
Yorum Gönder