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Mezcladores de Frecuencia
CURSO: 5º Semestre
Ingeniería en Sistemas Electrónicos
ALUMNO: M. Leonardo Manzaneda Laura
CI: 6108465 Lp.
ASIGNATURA: Electrónica Lineal II
CATEDRÁTICO: Ing. José Arturo Ríos Altamirano
La Paz - Bolivia
Índice
Introducción.......................................................................................................................................1
1. Conceptos...................................................................................................................................2
1.1. Mezcladores de Frecuencia....................................................................................................2
1.2. Características de un Mezclador de Frecuencia....................................................................4
1.2.1. Ganancia de conversión......................................................................................................4
1.2.2. Factor de Ruido..................................................................................................................4
1.2.3. Nivel de compresión y punto de intercepción.....................................................................5
1.3. Parámetros Básicos de un Mezclador.....................................................................................5
1.4. Terminología de mezcladores.................................................................................................6
1.5. Funcionamiento del mezclador...............................................................................................8
1.6. Problemas Básicos de un Mezclador....................................................................................11
1.7. Conceptos básicos de los mezcladores.................................................................................12
1.8. Análisis espectral..................................................................................................................17
2. Tipos........................................................................................................................................19
2.1. Según las ganancias o pérdidas de conversión......................................................................19
2.1.1. Mezcladores pasivos.........................................................................................................19
2.1.1.1. Ganancia (o pérdida) de conversión.............................................................................22
2.1.2. Mezcladores activos.........................................................................................................22
2.2. Según la estructura utilizada en la implementación..............................................................24
2.2.1. Mezclador simple.............................................................................................................24
2.2.2. Mezclador equilibrado......................................................................................................24
2.2.3. Mezclador doblemente equilibrado..................................................................................25
2.2.4. Mezclador con rechazo de frecuencia imagen..................................................................27
2.3. Otros tipos de mezcladores...................................................................................................27
3. Aplicaciones.............................................................................................................................28
3.1. Multiplicador analógico........................................................................................................29
3.2. Mezcladores como cambiadores de frecuencia.....................................................................30
3.2.1. Introducción.....................................................................................................................30
3.2.2. Funcionamiento................................................................................................................30
3.3. Modulación en amplitud.......................................................................................................31
3.3.1. Introducción.....................................................................................................................31
3.3.2. Modulación con portadora................................................................................................31
3.4. Modulación BPSK................................................................................................................33
3.4.1. Funcionamiento................................................................................................................33
3.4.2. Un caso más general.........................................................................................................34
3.5. Mezclador como duplicador de frecuencia...........................................................................34
3.6. Demodulación BPSK...........................................................................................................35
3.6.1. Funcionamiento................................................................................................................35
3.7. Demodulador de amplitud....................................................................................................36
3.7.1. Funcionamiento................................................................................................................36
3.7.2. Estudio gráfico.................................................................................................................36
3.8. Mezcladores como detectores de fase...................................................................................37
3.8.1. Introducción.....................................................................................................................37
3.9. Modulador............................................................................................................................38
3.9.1. Tipos de moduladores según su montaje..........................................................................38
4. Circuitos...................................................................................................................................39
4.1. Mezcladores con diodos.......................................................................................................39
4.2. Mezcladores FET y BJT......................................................................................................51
4.2.1. Mezclador JFET..............................................................................................................52
4.2.2. Mezclador a MOSFET.....................................................................................................53
4.2.3. Mezcladores basados en BJT............................................................................................54
4.3. Otros Circuitos Mezcladores................................................................................................58
Bibliografía
Índice de Figuras
Figura 1: Símbolo del mezclador (Vega)........................................................................................1
Figura 2: Estructura Interna del Mezclador......................................................................................3Figura 3: Ilustración de las definiciones de terminología de operación de mezcladores......5Figura 4. Circuito mezcladora diodo único.......................................................................................6Figura 5 Mezcladores a FET de terminación única:...................................................................7Figura 6.Banda de Imagen en Mezcladores de Frecuencia....................................................11Figura 7.Señales, en el dominio del tiempo, en un sumador............................................................13Figura 8 Señales en el dominio del tiempo en un mezclador...........................................................14Figura 9. Dispositivo no lineal usado como mezclador...................................................................17Figura 10. Mezclador con un diodo.................................................................................................20Figura 11. Mezclador balanceado simple.........................................................................................21Figura 12. Mezclador activo con transistor bipolar........................................................................22Figura 13. Conversor de frecuencia................................................................................................23Figura 14.Mezclador doblemente equilibrado..................................................................................26Figura 15. Otra versión del mezclador con un diodo......................................................................28Figura 16. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES............................................................31Figura 17. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES......................................................32Figura 18.TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES...........................................................33Figura 19. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES..........................................................34Figura 20 . TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES.........................................................35Figura 21. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES..........................................................35Figura 22. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES.........................................................36Figura 23. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES..........................................................37Figura 24. Circuito mezclador sencillo basado en un diodo...........................................................39Figura 25. Circuito mezclador basado en un par de diodos...........................................................41Figura 26. Malla superior del circuito para valores positivos de VOL............................................42Figura 27. Malla inferior del circuito para valores positivos de VOL..............................................42Figura 28. Circuito resultante.........................................................................................................43Figura 29. Circuito mezclador basado en 4 diodos (Mezclador en anillo).....................................46Figura 30. Mezclador activo con transistor bipolar...................................................................49Figura 31. Conversor de frecuencia............................................................................................50Figura 32. Mezcladores de Frecuencia.....................................................................................51Figura 33. Mezclador JFET..........................................................................................................52Figura 34. Mezcladores MOSFET...............................................................................................53Figura 35. Circuito mezclador basado en un par diferencial..........................................................54Figura 36. Evolución de las intensidades de colector.....................................................................55Figura 37. Mezclador Doble Balance con BJT..........................................................................58Figura 38. Mezclador de Frecuencias con MOSFET de Doble Compuerta..........................59
Introducción.
Los mezcladores, al igual que los amplificadores y osciladores, constituyen
elementos indispensables de los sistemas de comunicaciones. Se emplean tanto en banda
base a una de banda de paso (modulación) o de una banda de paso a otra banda de paso
(conversión).
Un mezclador es un dispositivo al que se aplican dos señales de entrada, de anchos
de banda diferentes, y produce una señal de salida de otro ancho de banda, generalmente
en dos bandas o más, una igual a la suma y otra a la diferencia de los anchos de banda de
las señales de entrada. Esto es cierto a medias y válido sólo si a la salida del mezclador se
utilizan filtros adecuados, ya que un mezclador produce por lo general, un número de
señales de salida que se designan como espurios, que es necesario eliminar.
El mezclador es un dispositivo no lineal que traslada y modifica el espectro de las
señales mezcladas, pero no las suma, las multiplica en el dominio del tiempo. Esto es algo,
conceptualmente muy importante y con frecuencia suelen mezclarse o confundirse estos
conceptos.
Figura 1: Símbolo del mezclador (Vega)
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega.
Pág. 143
Mezcladores de Frecuencia
1. Conceptos
1.1. Mezcladores de Frecuencia
Los mezcladores son circuitos básicos en electrónica de comunicaciones que permiten
la traslación de frecuencia de las señales eléctricas, operación importante tanto para la
transmisión como para la recepción. El objetivo del mezclador es multiplicar dos señales
de entrada. Si se introducen, en cada una de las entradas, tonos puros de frecuencias ωs y
ωLO respectivamente, el mezclador generará una señal:
Es decir, multiplicar una señal vs (t) por una señal senoidal de frecuencia ωs
equivale a trasladar el espectro de la señal original en una frecuencia ωLO.
El mezclador se utiliza bien para la modulación en amplitud, bien para la
demodulación o bien para la traslación en frecuencia de las señales (para pasar las señales
de radio frecuencia a frecuencia intermedia en un receptor heterodino).
Cuando se utiliza para modulación, en una de las entradas se introduce una señal
generada por un oscilador local (LO), y en la otra, la señal modulante en banda base,
obteniéndose una señal modulada, cuya portadora corresponde con la frecuencia del
oscilador local.
Cuando se utiliza para demodulación, se conecta el oscilador local a una entrada
(Con la misma frecuencia de la portadora), y la señal de radio frecuencia (RF) en la otra
entrada. Gracias a la traslación de frecuencias se obtiene, a la salida, la señal en banda
base.
Para la traslación de frecuencias, se introduce en una entrada la señal de radio frecuencia y
en la otra el oscilador local con una frecuencia ωLO = (ωRF − ωIF ) ó ωLO = (ωRF + ωIF )
donde ωI F es la frecuencia intermedia a la que queremos trasladar el espectro de la señal
de entrada.
En general, además de la componente a la frecuencia deseada, a la salida del
mezclador nos vamos a encontrar con componentes no deseadas en otras frecuencias
(repeticiones del espectro de la señal de interés en frecuencias no deseadas). Este efecto se
debe fundamentalmente a 3 causas:
La respuesta del mezclador no es exactamente el producto de las dos entradas, sino
una función más compleja de éstas, que se puede expresar de forma general del modo
siguiente:
Y donde los distintos términos darán lugar a la aparición de componentes en
determinadas frecuencias.
Figura 2: Estructura Interna del Mezclador
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega.
Pág. 144
1.2. Características de un Mezclador de Frecuencia
Ahora estudiaremos los parámetros más importantes a tener en cuenta para poder
caracterizar un mezclador y así ser capaces de elegir el más adecuado para cada
aplicación.
1.2.1. Ganancia de conversión
Se define como el cociente entre la potencia de salida asociada al armónico de
frecuencia intermedia -el que nos interesa- y la potencia de la señal de radiofrecuencia.
Consideraremos que la ganancia de conversión es constante dentro de la banda de
frecuencias que vayamos a utilizar.
1.2.2. Factor de Ruido
Es el cociente entre la relación Señal/Ruido a la entrada y la relación Señal/Ruido a la
salida. Cuanto más cercano a la unidad mejor será el mezclador.
El mezclador posee el factor de ruido más alto de toda la cadena de recepción.
1.2.3. Nivel de compresión y punto de intercepción.
El nivel de compresión es el valor de potencia de entrada que provoca una caída de
3dB entre la recta teórica de la ganancia de conversión y la curva real.
Por otra parte, el punto de intercepción es donde se cortan la recta teórica de ganancia
de conversión y la de la variación de la potencia del producto de intermodulación de tercer
orden en función de la potencia de entrada.
Figura 3: Ilustración de las definiciones de terminología de operación de mezcladores
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez Vega.
Pág. 149
1.3. Parámetros Básicos de un Mezclador
La frecuencia portadora (fp) y los márgenes en los que puede variar manteniendo
un funcionamiento correcto.
La frecuencia intermedia (fFI).
La frecuencia del oscilador local pues podemos elegirla mayor o menor que la de
portadora, para evitar problemas de banda imagen.
El ancho de banda de radiofrecuencia (BRF) para la elección del filtro selectivo
del mezclador.
El ancho de banda de salida (BFI).
1.4. Terminología de mezcladores.
Un mezclador de terminación única muy sencillo, se puede construir, como un diodo
en serie con las entradas de RF y de oscilador local (LO), una fuente de polarización y
un circuito sintonizado a la frecuencia de FI deseada.
Sin embargo, un mezclador como el mencionado tiene bastantes desventajas. Posee:
a) una cifra de ruido relativamente alta
b) pérdida por conversión es decir, la salida de potencia de señal FI es menor que
la entrada de potencia de señal (RF)
c) no linealidades de orden superior, dada la característica brusca de corte del
diodo
d) ningún aislamiento entre el LO y las entradas de RF, incrementando así la
posibilidad de que la señal del LO puede inyectarse a la antena receptora
e) una corriente de salida relativamente intensa en la frecuencia del LO, tiende a
sobrecargar la etapa de entrada de FI.
Figura 4. Circuito mezcladora diodo único
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores
(a) (b)
(c)
Figura 5 Mezcladores a FET de terminación única:
(a) mezclador JFET con inyección de LO y RF en la compuerta;(b) mezclador JFET con inyección LO en la terminal de fuente (c), mezclador a compuerta dual a
MOSFET con señales de LO y RF inyectadas en compuertas separadas.
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores
El circuito de la figura 6b ofrece mejor aislamiento entre las entradas de LO y RF. Sin
embargo, como la fuente (o emisor en el caso de un BJT) es un punto de baja
impedancia, se requiere más potencia del LO. El circuito de la figura 6c utiliza un
MOSFET de compuerta dual para dar mejor aislamiento entre los puertos del LO y
RF, aunque la ganancia es menor que la de los circuitos a FET.
Un mezclador de balance único usa dos (o más) dispositivos no lineales con la señal
de LO o la RF aplicada en "pushpull" de tal suerte que esta componente de frecuencia
y sus armónicas impares no aparecen en el puerto de FI, simplificándose así el
problema de filtrado.
Con circuitos más complicados, el mezclador de doble balance tiene entradas de RF y
LO aplicadas en contrafase a puertos separados de tal manera que ninguna señal
aparezca en los otros dos puertos; esto es, la señal LO no aparece en los puertos RF o
LO y así sucesivamente. Estos circuitos generalmente requieren transformadores de
entrada y salida bien balanceados y un acoplamiento exacto de las características del
dispositivo activo.
1.5. Funcionamiento del mezclador
Los siguientes términos se usan para describir el funcionamiento del mezclador:
Ganancia (o pérdida) de conversión es la razón de la potencia de señal de salida
(FI) a la de entrada (RF)
Cifra de ruido es la SNR (relación señal-a-ruido) en el puerto de entrada (RF)
dividida entre el SNR en el puerto de salida (FI).
El aislamiento representa la cantidad de "fuga" o "paso de alimentación" entre los
puertos del mezclador.
o Sea fRF la frecuencia en el puerto de RF, fLO la del oscilador local y fIF la
de FI. Entonces “el aislamiento en el puerto RF en f L O ” es la cantidad en
que la señal de nivel de excitación se atenúa cuando se mide en el puerto de
RF. El “aislamiento en el puerto FI en f L O“ es la cantidad en que la señal
de nivel de excitación se atenúa cuando se mide en el puerto FI.
La compresión de conversión se refiere al nivel de potencia de entrada RF arriba
del cual la curva de potencia de salida FI vs potencia de entrada RF se desvía de la
linealidad. Arriba de este nivel, un aumento adicional en el nivel de entrada RF no
se traduce en un aumento proporcional en el nivel de salida
o Cuantitativamente, la compresión de conversión es la reducción del nivel
de salida en dB abajo de la característica lineal. Usualmente, el nivel de
entrada en el que la compresión es de 1 o 3 dB se da en las especificaciones
del mezclador (ver figura 7.5)
El rango dinámico es el rango de amplitud dentro del cual el mezclador puede
trabajar sin degradación en la operación. Depende del punto de compresión de
conversión y de la cifra de ruido del mezclador.
La distorsión de intermodulación de tercer orden en dos tonos es la cantidad de
distorsión de tercer orden causado por la presencia de una señal secundaria
recibida en el puerto de RF. Matemáticamente, la distorsión de tercer orden se
define en términos de la componente de frecuencia en 2f2 - f ± fo, donde f1 es la
señal de entrada deseada y f2 es la señal de entrada secundaria. Por lo general,
mientras más alta sea la compresión de conversión o punto de interceptación del
mezclador, más alta será la superficie de este producto.
Punto de interceptación es el punto en el que la curva de respuesta fundamental y
la de respuesta espuria de tercer orden se interceptan (ver figura 7.5) A menudo, se
usa para especificar la supresión de tercer orden en dos tonos del mezclador.
Mientras más alto esté el punto interceptación, será mejor la supresión de tercer
orden.
Desensitización es la compresión en la frecuencia de señal deseada, causada por
una señal de interferencia fuerte en una frecuencia adyacente.
La distorsión de intermodulación armónica resulta del mezclado de armónicas de
las señales de entrada generadas por el mezclador.
Estos productos de distorsión tienen frecuencias mfLO ± nfRF, donde m y n
representan el orden de armónicas.
Distorsión por modulación cruzada es la cantidad de modulación transferida de
una portadora modulada a una sin modular, cuando ambas señales se aplican al
puerto de RF. Mientras más elevada sea la compresión de conversión, o el punto de
interceptación de un mezclador, mayor será la atenuación del producto de
modulación cruzada.
o Algunas de estas definiciones se ilustran en la figura 7.5, que muestra la
característica de un mezclador hipotético.
o A la entrada de cero dBm la salida es de 6dBm, indicando una ganancia de
conversión de 6 dB. En este nivel de entrada, el producto de
intermodulación de dos tonos y tercer orden está 30 dB abajo de la salida
deseada. En un valor de entrada más alto, el punto de compresión de 3 dB
está indicado (los 3 dB de salida deseada abajo del valor de línea recta); y a
un nivel de entrada aún más alto, el punto de interceptación se muestra
donde se interceptan las curvas proyectadas de la salida deseada y las del
producto de intermodulación de tercer orden.
1.6. Problemas Básicos de un Mezclador
Sabemos que mezclar señales genera ciertos problemas inherentes al propio proceso
tales como los productos de intermodulación, pero además pueden surgir otros
inconvenientes asociados con la recepción de señales indeseadas. Algunos de los
problemas más destacables son:
Aparición de productos de intermodulación asociados a las señales de
entrada de la forma | mf ol ± nf RF | . Si éstos se encuentran lejos de la banda
que nos interesa no tendremos problemas, pero si están cerca tendremos que
eliminarlos.
Podemos recibir señales de frecuencia fy distinta a la de la señal información
que genere productos de intermodulación cerca de la frecuencia intermedia
| mf ol ± nf y |= f FI .
Banda imagen: se sitúa a f RF ± 2f FI y es idéntica a la señal deseada pero
desplazada en frecuencia, por lo que convendrá situar un filtro de rechazo de
banda por si se sitúa cerca de la señal información. En ocasiones el problema
puede solucionarse eligiendo adecuadamente la frecuencia del oscilador local
de forma que la banda imagen que de lo suficientemente lejos de la de interés
pero, otras veces tendremos que recurrir al filtro elimina-banda.
Figura 6.Banda de Imagen en Mezcladores de Frecuencia
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores (Cruz)
1.7. Conceptos básicos de los mezcladores.
Los mezcladores, según se mencionó, son dispositivos no lineales, cuyas
características pueden ser diferentes, dependiendo de los dispositivos particulares
empleados.
Independientemente de ello, la característica de transferencia de un mezclador
puede expresarse como:
(1)
Donde el exponente, n, no es necesariamente entero. V puede ser un voltaje de c.c.
o puede ser cero y los voltajes de señal v1 y v2 en el caso más simple pueden
expresarse como:
(1.a.)
Si n = 1, el dispositivo es lineal y es un sumador, no un mezclador y, a la salida,
como se ilustra en la figura 2, están presentes las dos señales de entrada sumadas o
superpuestas, sin otras componentes espectrales más que las originales.
Para el caso en que n = 2, (1) puede escribirse como:
(2)
Figura 7.Señales, en el dominio del tiempo, en un sumador.
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 145
Esta señal de salida sería la que se obtendría con un dispositivo de característica
cuadrática como un diodo. Un valor diferente de n daría como resultado la generación
de otros productos de mezcla, pero lo anterior es suficiente para comprender el
proceso. Desarrollando (2) se tiene:
(3)
La salida incluye un término de corriente continua y un cierto número de componentes
espectrales, de las cuales en este caso, no son de interés ni la componente de c.c. ni las
que sólo contienen las frecuencias ω1 u ω2, ya presentes en la entrada.
Ignorando estos términos a la salida y asumiendo, sin pérdida de generalidad que el
voltaje V de c.c. es cero, la salida a frecuencia intermedia está dada por:
(4)
En la figura 3 se ilustra un mezclador, a cuya entrada están presentes señales a las
frecuencias ω1 y ω2 con amplitudes V1 y V2 respectivamente. A la salida, las
frecuencias ω1+ω2 y ω1 -ω2 centradas alrededor de la mayor de las dos y cada una de
amplitud kV1V2/2, donde k es el factor de atenuación (o ganancia) del mezclador.
En la figura se ilustra la función del mezclador en el dominio del tiempo. El circuito es
muy similar al del sumador de la figura 2, excepto por el elemento no lineal, en este
caso un diodo. La señal en el punto de unión de las dos resistencias de entrada es la
misma que se tiene a la salida del sumador, es decir, la suma de las dos señales. Sin
embargo al pasar por el diodo, las dos señales de entrada de hecho se multiplican, de
modo que la señal de salida no contiene componentes espectrales a las frecuencias de
las señales de entrada. Las componentes espectrales de la señal de salida son las de
suma y diferencia de las frecuencias de entrada. La señal, en el dominio del tiempo,
tiene la forma mostrada en la figura 3
Figura 8 Señales en el dominio del tiempo en un mezclador.
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 146
Si las señales de entrada son de la misma frecuencia y difieren sólo en el ángulo de
fase, φ, la salida del mezclador es 1/2 kV1V2 cosφ. Un circuito de este tipo, en que las
señales de entrada son de la misma frecuencia, pero de fase diferente, se designa como
detector de fase y su salida, filtrada a baja frecuencia, es una señal de corriente
continua, variable y proporcional a la diferencia de fase entre las señales de entrada.
Otra forma, quizá más adecuada, para expresar la característica de transferencia de un
mezclador es mediante el modelo polinomial (5) en que no se considera la componente
de c.c.
(5)
Si en (5) se substituyen v1 y v2 por las expresiones (1), se puede ver que, además de
los términos a frecuencias ω1 y ω2, aparecen términos de múltiples frecuencias, del
tipo dado por (4) y de la forma:
(6)
Donde m y n son enteros. Por consecuencia, la salida contendrá no sólo dos bandas
laterales, sino un gran número de ellas. Estas señales, de múltiples frecuencias, son los
productos de intermodulación o señales espurias y son consecuencia de que el
mezclador es un dispositivo no lineal. Por lo general sólo una de las bandas laterales, o
un par simétrico de ellas es deseable a la salida y es necesario eliminar las señales
espurias restantes, por lo que a la salida del mezclador suele conectarse un filtro de
paso de banda que sólo deja pasar la o las señales a las frecuencias deseadas y elimina
las restantes.
En el caso más general, las señales de entrada al mezclador son de frecuencia
diferente.
Usualmente una de las señales de entrada es una señal modulada, con un cierto ancho
de banda y la otra, de frecuencia fija. Si el mezclador es ideal, la señal de salida estará
formada por dos bandas, una a la frecuencia de suma de las dos señales de entrada y
otra, a la frecuencia de diferencia. En la práctica ningún mezclador es ideal y no se ha
encontrado ningún dispositivo que, utilizado como mezclador, produzca sólo espurios
de segundo orden.
La mayor parte de los mezcladores, si la amplitud de las señales de entrada es
relativamente grande, producen espurios de órdenes elevados. Según se mencionó
antes, de todas las frecuencias a la salida del mezclador, sólo las contenidas en una
determinada banda de paso son las deseables. Las señales en esa banda se pueden
recuperar mediante un filtro de paso de banda a la salida del mezclador que elimine
todas señales fuera de esa banda.
Sin embargo, puede ocurrir y con frecuencia ocurre, que algunos de los productos
espurios de intermodulación caen dentro de la banda de paso deseada y no pueden
eliminarse con el filtrado. La presencia de esos productos de intermodulación en la
banda de paso degradará inevitablemente la señal. Cuando estos espurios dentro de la
banda se deben al propio mezclador, es necesario elegir una frecuencia del oscilador
local y de salida del mezclador, tales que en la medida posible todos los espurios
queden fuera de la banda de paso.
En los circuitos de comunicaciones la intermodulación no se produce sólo en el
mezclador. También es causada por no linealidades en otros circuitos, particularmente
en amplificadores de potencia que funcionan parcialmente en zonas no lineales de su
característica y que, combinados con los espurios del mezclador suelen dar lugar a
productos de intermodulación dentro de la banda de paso. En realidad, cualquier
dispositivo con una característica no lineal de transferencia puede actuar como
mezclador y se han dado casos de antenas que, construidas con metales diferentes y
conexiones defectuosas, producen distorsión no lineal y actúan como diodos
mezcladores.
La señal de salida de cualquier mezclador real incluye un gran número de señales
indeseables, los productos de intermodulación, que contienen señales a las frecuencias
fundamentales del oscilador local y de la señal de RF y sus armónicos. Esto produce
distorsión por intermodulación entre las múltiples señales, que puede comprometer el
correcto funcionamiento del sistema.
1.8. Análisis espectral
La figura 4 ilustra un mezclador sencillo formado por un dispositivo no lineal con dos
voltajes de entrada v1(t) y v2(t) de diferentes frecuencias f1 y f2, respectivamente. Si
el dispositivo fuera perfectamente lineal, el voltaje o corriente de salida contendría
sólo las frecuencias f1 y f2. La naturaleza no lineal determina qué otras frecuencias se
generan.
Figura 9. Dispositivo no lineal usado como mezclador
ELECTRÓNICA APLICADA III. Ing. Oscar M. Santa Cruz. Cap.9 Mezcladores
En general, la relación entrada salida en el dominio del tiempo se puede expresar por
la serie de Taylor:
(7)
Donde: Io es la corriente de salida en reposo y vi(t) representa la suma de los efectos
de todas las señales de entrada.
Si la entrada contiene sólo una frecuencia, la no linealidad generará armónicas de esta
frecuencia y alterará la componente de c.c.
Si se tienen varias frecuencias de entrada, se generarán frecuencias suma y diferencia,
así como armónicas. Las frecuencias de suma y diferencia generadas por el término
cuadrático en (7) se llaman productos de intermodulación de segundo orden; las
originadas por el término cúbico, productos de tercer orden.
Un dispositivo de ley cuadrática es ideal para servicio de mezclador, pues se produce
el número mínimo de frecuencias indeseables. Si el dispositivo tiene la característica
de transferencia
(8)
Y la entrada es:
(9)
Y la corriente de salida se hace:
(10)
Los dos primeros términos en (10) carecen de interés para la acción del mezclador,
salvo que en un circuito práctico puede ser necesario filtrarlos. Mediante la igualdad
trigonométrica
se ve que los términos tercero y cuarto representan una componente de c.c. y segundas
armónicas de las frecuencias de entrada. El término final en (10) es llamado el término
producto de la salida deseada:
(11)
Obsérvese que las amplitudes de las componentes de frecuencias suma y diferencia,
son proporcionales al producto ViV2 de las amplitudes de las señales de entrada.
Por lo general, en mezcladores de recepción, sólo se desea la componente de salida de
frecuencia diferencia, de tal suerte que deben eliminarse las frecuencias originales, las
armónicas y su suma, mediante filtrado o por otros medios. Antes de analizar los
circuitos reales, se dará un tratamiento general del análisis espectral de las salidas de
mezclador. Esto es deseable, pues el método dado en el párrafo precedente resultaría
muy complicado si se extendiera a señales de entrada moduladas y no linealidades de
orden superior.
2. Tipos
Hay dos tipos de clasificaciones para los mezcladores, dependiendo de la ganancia o
pérdida de conversión y dependiendo de la estructura utilizada para la implementación:
2.1. Según las ganancias o pérdidas de conversión
2.1.1. Mezcladores pasivos
Utilizan diodos como dispositivos de mezcla. Describiremos ahora brevemente el
funcionamiento de algunos mezcladores pasivos, con diodos, que suelen utilizarse
frecuentemente. El circuito más simple, mostrado en la figura, se ilustra
funcionalmente en la figura 8.
Figura 10. Mezclador con un diodo
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 148
En el circuito de la figura, las señales de RF y del oscilador local, OL, se aplican al
diodo de forma que se suman. Suponiendo en el caso más simple que estas señales
sean de forma senoidal y frecuencia única:
(12)
Y el voltaje aplicado al diodo será v1 = vRF + vOL. También, si en el caso más
simple, suponemos que la característica del diodo es solamente cuadrática, el
voltaje de salida será de forma:
(13)
Con lo que, substituyendo vi por la suma de las expresiones (12) y siguiendo el
mismo procedimiento utilizado para obtener la expresión (4), el voltaje sobre la
resistencia R puede expresarse como:
(14)
Que, como puede verse de (4) es el producto de las dos señales de entrada sumadas
en serie, pero que aplicadas a un dispositivo de característica cuadrática como el
diodo, genera una señal de salida que es, en realidad, el producto de las dos señales
de entrada.
La forma de onda de la señal de salida es como la mostrada en la figura 3.
El mezclador anterior es de dos puertos, es decir, de una entrada y una salida y
muy sencillo de implementar, aunque tiene limitaciones y un rendimiento inferior
al de otros mezcladores. Un tipo de mezclador, mejor que el anterior, es el
ilustrado en la figura 9. Se trata también de un mezclador pasivo, con dos diodos y
designado como mezclador balanceado.
Figura 11. Mezclador balanceado simple
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 149
La señal de RF se aplica al primario del transformador de entrada, en tanto que la
del oscilador local se aplica en los puntos AB, mediante otro transformador, a las
derivaciones centrales de los transformadores de entrada y salida. En los semiciclos
de la portadora en que el punto A es positivo respecto al B, los diodos quedan
polarizados directamente y constituyen, prácticamente, un cortocircuito, por lo que
la señal de RF pasa directamente hasta el secundario del transformador de salida.
Conviene notar que, aunque el mezclador es un circuito no lineal, la función de
transferencia total del circuito, vFI/vRF es lineal. En otras palabras, de manera
similar a un amplificador, un aumento en el nivel de la señal de entrada de RF
produce un aumento similar en el nivel de salida de FI. Por otra parte, el voltaje de
salida de FI es proporcional a la mitad del voltaje de entrada de RF, como se puede
ver de (14), de modo que la potencia de salida de FI es, cuando más, 20log (1/2) =
-6 dB respecto a la potencia de entrada de RF
2.1.1.1. Ganancia (o pérdida) de conversión.
El grado en que la señal de salida, desplazada en frecuencia, se amplifica o atenúa,
es una propiedad importante de los mezcladores y se designa como ganancia de
conversión, si la señal es amplificada o pérdida de conversión, si es atenuada en el
proceso de mezcla. En el caso de mezcladores pasivos, la señal de salida siempre
está atenuada, a causa de las pérdidas inherentes al circuito.
2.1.2. Mezcladores activos.
Están basados en transistores los cuales requieren una polarización, tienen
ganancia de conversión (la potencia de salida es superior a la de entrada), requieren
un menor nivel de señal del OL y el Factor de ruido es independiente de las
ganancias de conversión, lo da el fabricante.
En la figura 10 se ilustra un mezclador activo con un transistor bipolar. La
diferencia entre este tipo de mezcladores y los pasivos, es que en estos últimos
siempre se tiene pérdida de conversión, en tanto que en los mezcladores activos, se
tiene amplificación que se traduce en una ganancia neta de conversión.
Figura 12. Mezclador activo con transistor bipolar
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 151
La unión base-emisor del transistor se polariza para funcionamiento conmutado en
la región no lineal, mediante una señal del OL de amplitud grande. La mezcla
ocurre en la unión de entrada y la ganancia de corriente que proporciona el
transistor, así como el circuito sintonizado de salida, producen como resultado
ganancia de potencia a FI. La ganancia total del circuito es 6 dB menos que la que
se tendría con una señal de FI a la entrada, ya que según se mencionó, la potencia
de FI es 6 dB menor que la de RF. Este tipo de circuito es semejante a los
empleados en la porción frontal de los receptores de radio.
Finalmente, en la figura 11 se ilustra un convertidor o conversor. Este término se
emplea para designar a los circuitos que incorporan al mezclador y al oscilador
local en un mismo conjunto.
Figura 13. Conversor de frecuencia
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 152
El circuito sintonizado de salida, a la frecuencia intermedia, formado por C1 y L
tiene una trayectoria de realimentación al oscilador local, a través de C2.
Por otra parte, la impedancia del circuito de FI ofrece baja impedancia a la
frecuencia del oscilador local, principalmente debido a C1, en tanto que el circuito
sintonizado del oscilador, formado por L1 y el condensador en paralelo, es
esencialmente un corto circuito a FI, a causa de L1. Todo esto se traduce en una
baja impedancia en el circuito del emisor, con lo que se consigue una buena
ganancia.
2.2. Según la estructura utilizada en la implementación
2.2.1. Mezclador simple
Este tipo de mezcladores se utilizan en diseños a muy altas frecuencias donde
se requiere simplicidad en el circuito o en aplicaciones en las que sea más
importante el precio que las prestaciones técnicas. Solo se utiliza un elemento
no lineal como mezclador de señal y unos filtros para seleccionar la señal útil.
2.2.2. Mezclador equilibrado
A diferencia de los mezcladores simples en los que utilizamos filtros para
separar las frecuencias, en un mezclador equilibrado, para separar señales de
entrada en RF y oscilador local y evitar o eliminar los productos de
intermodulación no deseados, se utilizan dos o más mezcladores simples
conectados a través de circuitos híbridos. De esta forma, las señales deseadas
se suman en fase a la salida y las indeseadas en contrafase, consiguiendo
eliminarlas. La principal característica de estas estructuras es que suprimen
los armónicos pares de OL-RF y mejoran el aislamiento OL-RF y OL-FI sin
necesidad de filtros. La expresión de salida de la señal es:
Observando la expresión de la señal de salida, vemos que solo genera
armónicos y productos de intermodulación impares
con , por lo tanto, no tan
cercanos a la señal útil que se encontraría en . Para
obtener la señal útil se aplica un filtro paso bajo centrado en la frecuencia de
FI.
2.2.3. Mezclador doblemente equilibrado.
Este tipo de mezclador emplea cuatro elementos no lineales combinados de tal
forma que consigue eliminar los productos de mezcla correspondientes a todos
los armónicos pares tanto de la señal de RF como del oscilador local.
Desarrollando la tensión a la salida en función de las tensiones de entrada, se
comprueba que sólo incluye los términos de frecuencia de la forma:
Se utilizan circuitos integrados con transistores bipolares como elementos
activos, en frecuencias inferiores a unos 100MHz. Es difícil encontrar
mezcladores doblemente equilibrados a frecuencias superiores a algunas
decenas de gigahercios.
Un mezclador con diodos frecuentemente utilizado es el ilustrado en la figura
14.
Este mezclador se designa como doblemente balanceado, un tipo de mezclador
abundante en el mercado. Una característica importante de este mezclador es el
buen aislamiento que proporciona entre las tres señales, tanto entre OL y RF,
como entre éstas y la FI.
Figura 14.Mezclador doblemente equilibrado
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 151
2.2.4. Mezclador con rechazo de frecuencia imagen
Estos mezcladores son útiles cuando resulta difícil filtrar la frecuencia
imagen (frecuencia simétrica de la señal respecto a la señal del OL) a la
entrada del mezclador. En la imagen podemos ver que se compone de dos
mezcladores doblemente equilibrados a los que se aplica la señal a a través de
un híbrido de 90º y el oscilador local a través de un divisor de potencia. La
salida de cada uno de los mezcladores se combina en un híbrido de 90º para
obtener la frecuencia intermedia. Si la frecuencia del oscilador local es superior
a la de la señal, la mezcla deseada (mezcla diferencia) aparece a la salida de
frecuencia intermedia, mientras que la banda imagen es rechazada. En la otra
puerta del híbrido aparece la mezcla suma que es llevada a la carga.
2.3. Otros tipos de mezcladores.
Las configuraciones de los circuitos mezcladores son muy numerosas y no es
posible aquí entrar, no ya en el análisis, sino en la simple descripción de los
posibles circuitos. Por ello, se han elegido cuatro circuitos que ilustran algunas de
las diferentes técnicas empleadas en los circuitos mezcladores, bien sea con
elementos discretos, o con circuitos integrados.
El mezclador de la figura 13, es una variante del mezclador con un solo diodo. En
este caso la entrada del oscilador local está acoplada capacitivamente y la de RF
mediante un transformador. El condensador de acoplamiento del OL suele ser de
pequeña capacidad, ya que por lo general, la frecuencia del oscilador local es
mayor que la de RF.
Figura 15. Otra versión del mezclador con un diodo
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 150
El condensador de acoplamiento del oscilador local, por su pequeña capacidad,
presenta una impedancia elevada, tanto a la señal de RF como a la FI, lo que
permite conseguir un buen aislamiento entre el oscilador local y el mezclador. Por
otra parte, el transformador a cuyo primario se aplica la señal de RF, proporciona
el acoplamiento adecuado entre ésta y el mezclador.
3. Aplicaciones Algunas de las aplicaciones para los mezcladores de frecuencia son:
Multiplicador de señales.
Cambiadores de frecuencia.
Moduladores.
Demoduladores
Otras aplicaciones:
– Detectores de fase.
– Recuperadores de portadora.
– CAG.
3.1. Multiplicador analógico
Es un dispositivo que toma dos señales eléctricas analógicas y produce una
salida cuyo valor es el producto de las entradas. Dichos circuitos pueden ser
utilizados para implementar funciones relacionadas tales como los cuadrados
(aplica la señal a ambas entradas) y las raíces cuadradas.
Un multiplicador analógico electrónico puede ser denominado de diversas
maneras, dependiendo de su función
En la mayoría de los casos las funciones realizadas por un multiplicador
analógico se pueden realizar mejor y a coste más bajo utilizando las técnicas
Digitales de Procesamiento de Señal. En frecuencias bajas, una solución digital
será más barata y más efectiva, y permite que la función de circuito para ser
modificada por las micro-instrucciones. A frecuencias más altas, el coste de aplicar
las soluciones digitales aumenta mucho más rápidamente que las soluciones
analógicas. Cuando los avances digitales de la tecnología, el uso de
multiplicadores analógicos tiende a ser marginado siempre más hacia circuitos más
altos de frecuencia o muy aplicaciones de especialista.
Además, la mayoría de las señales ahora se destinan a llegar a ser
digitalizadas eventualmente en el sendero de señal, y si en todas posibles las
funciones que requerirían un multiplicador.
3.2. Mezcladores como cambiadores de frecuencia
3.2.1. Introducción.
Se usan mezcladores junto con un filtro paso banda.
Trasposición de frecuencias hacia arriba (UP converter), o hacia abajo (DOWN
converter).
En emisores y receptores para poder operar en frecuencia intermedia y
transmitir en radio frecuencia.
Emisor -> UP Converter.
Receptor -> DOWN converter
3.2.2. Funcionamiento
Señal de RF a frecuencia F y BW Af.
La multiplicamos por tono puro a frecuencia Fol.
Obtenemos la misma señal RF, pero a frecuencias F–Fol y F+Fol.
Filtramos y dejamos parar las componentes a F-Fol y conseguimos un DOWN
converter.
Respectivamente el UP-Converter.
Con una ganancia de conversión igual para todas las frecuencias las
características de una modulación en fase, frecuencia o amplitud.
En la figura se ve la salida del multiplicador.
Quedaría filtrar adecuadamente para obtener el convertidor de frecuencia
Figura 16. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES. Constantino Pérez
Vega. Pág. 160
3.3. Modulación en amplitud
3.3.1. Introducción
Se basan en hacer pasar señales a través de elementos no lineales.
Se usan los mezcladores de diodos y un filtrado adecuado.
Podemos realizar modulaciones con y sin transmisión de la portadora.
3.3.2. Modulación con portadora
El esquema muestra una modulación en amplitud de doble banda con inserción
de portadora.
Se basa en insertar la portadora en el espectro de salida para que el índice de
modulación no supere el 100%. Para el esquema, y una Pif=1dBm se cumple
que m=100%.
Aplicamos una señal cuadrada en una entrada.
Aplicamos un tono a la frecuencia que deseemos modular por la otra entrada.
Cuando queramos transmitir un uno. Ponemos un voltaje positivo en ese ciclo y
el tono pasará multiplicado por uno.
Cuando queramos transmitir un cero. Ponemos un voltaje negativo y el tono
será multiplicado por –1, es decir, toma una fase de pi.
La figura muestra un posible esquema para realizar dicha modulación.
Interesante ver qué diodos quedan bloqueados en función de IF.
Con IF controlamos la fase de RF, 0 o π radianes.
Figura 18.TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.4.2. Un caso más general
Problema de la configuración anterior: Las señales de entrada han de tener misma
frecuencia y fase.
En el siguiente esquema partimos de señales IF y RF de frecuencias distintas.
Con ayuda de un basculador tipo D conseguimos a la entrada la misma fase para
las dos señales. Luego aplicamos el esquema anterior.
Figura 19. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.5. Mezclador como duplicador de frecuencia
El primer esquema multiplica la señal por sí misma. Si tras este dispositivo
filtrásemos la componente a 0Hz obtendríamos la señal al doble de frecuencia.
El segundo caso muestra cómo recuperar la portadora de una señal BPSK.
Dividimos por dos la frecuencia previamente duplicada, obteniendo la portadora
con fase 0 constante.
Figura 20 . TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.6. Demodulación BPSK
3.6.1. Funcionamiento Se basa en combinar el esquema previo de detección de portadora de BPSK y el
esquema de detector de fase.
La idea es que al pasar por un detector de fase la señal BPSK se irá detectando una
fase de cero o π, según se transmitiese un uno o un cero.
Figura 21. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.7. Demodulador de amplitud
3.7.1. Funcionamiento Podemos demodular banda lateral única, reducida, doble, con o sin portadora
con este esquema.
Es muy similar a un cambio de frecuencias.
Multiplicamos la señal recibida por una señal local con la misma frecuencia
que la portadora.
Aparecen términos a 0, ω y 2ω Hz.
Filtramos y eliminamos las componentes de altas frecuencias.
La señal ya es proporcional a la moduladora m(t)
3.7.2. Estudio gráfico
Como se ve en la figura, esta modulación es un caso particular de transposición de
frecuencias.
Cuando la demodulación se hace gracias a una señal anexa generada localmente se
denomina coherente.
Figura 22. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
3.8. Mezcladores como detectores de fase
3.8.1. Introducción
Componentes básicos de los PLL.
A su entrada tienen: dos señales con la misma frecuencia y distinta fase.
A la salida tienen: una señal función de la diferencia de fase de las dos señales de
entrada.
También se basan en la multiplicación de señales y en la aplicación de filtros para
seleccionar las componentes deseadas.
Figura 23. TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES
a ser movido al lado digital. Por ejemplo, en multímetros Digitales tempranos, las
funciones verdaderas de RMS fueron proporcionadas por circuitos analógicos
externos de multiplicador. Actualmente (a excepción de medidas de alta
frecuencia) la tendencia deberá aumentar la tasa de muestreo del DAC para
Digitialise que la señal de entrada que permite RMS y una gama entera de otras
funciones para ser llevados a cabo por un procesador digital.
Además, reóstatos digitalmente controlados permiten microcontroladores para
aplicaciones tales como el control del tono y CAG sin tener que procesar la señal
digital directamente.
3.9. Modulador
Dispositivo electrónico que varía la forma de onda de una señal (modula) de
acuerdo a una técnica específica, para poder ser enviada por un canal de
transmisión hasta un dispositivo o dispositivos que incorporen un demodulador
apto para dicha técnica. Dispositivo electrónico que varía la forma de onda de una
señal (modula) de acuerdo a una técnica específica, para poder ser enviada por un
canal de transmisión hasta un dispositivo o dispositivos que incorporen un
demodulador apto para dicha técnica.
3.9.1. Tipos de moduladores según su montaje
Modulador en rack
Utilizados principalmente por proveedores de telecomunicaciones. Se construyen
de acuerdo a unas medidas normalizadas de forma que pueden ser montadas en
bastidores rack. Esto permite apilar múltiples moduladores e interconectarlos
entre ellos y a otros dispositivos (p. ej., transmoduladores) aún manteniendo cierto
orden en el cableado.
Modulador doméstico
Dispositivos compactos que normalmente se utilizan para modular en UHF
(analógico) señales de RF (radiofrecuencia) que provienen de señales audio/vídeo
separadas.
Modulador electrónico
Abarca, de forma genérica, los moduladores que incorporan los equipos
electrónicos, por ejemplo, el modulador interno UHF que incorpora un reproductor
de vídeo.
4. Circuitos
4.1. Mezcladores con diodos
En ellos los diodos se comportan como conmutadores, conduciendo o no con cierta
periodicidad, controlados por el oscilador local por lo que el modelo de no
linealidad utilizado es el de no linealidad por conmutación.
A continuación estudiaremos diversas configuraciones según la posición de los
diodos y las entradas al circuito.
Empezaremos por el más sencillo mostrado en la figura 24:
Figura 24. Circuito mezclador sencillo basado en un diodo.
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 8
En este tipo de circuitos asumiremos que la tensión del oscilador local (VOL) es
mucho mayor que la de la señal de radiofrecuencia (VRF) puesto que ésta suele ser
del orden de mili voltios o incluso menos. Partiendo de esta base pasamos a
analizar el funcionamiento del circuito:
Si VOL >> VRF la conducción del diodo dependerá básicamente de la tensión
VOL siendo la salida del circuito de la forma:
Es decir, sólo conducirá cuando la tensión del oscilador local sea positiva y siendo
nula para los intervalos negativos. Ello nos permite expresar la tensión de salida en
función de una señal que denominaremos p(t) y que toma los valores “1” ó “0”
según VOL:
La nueva expresión para la tensión de salida será:
A simple vista esa ecuación no da la sensación de que corresponda a la de un
mezclador tal y como la conocemos ya que no aparece ningún término suma o
diferencia de frecuencias. Necesitamos desarrollarla un poco más y lo haremos
calculando el desarrollo en serie de Fourier del pulso p(t):
Veamos cómo queda ahora la expresión de la tensión de salida:
En los montajes que estudiaremos a continuación intentaremos corregir estas
deficiencias.
Una de las novedades que van a presentar estos circuitos va a ser la utilización de
transformadores, aportando todas las ventajas que ello representa.
Con los transformadores conseguimos:
1. Eliminar la posible corriente continua que se fugue del amplificador de
radiofrecuencia.
2. Aislar los tres terminales los que reduce notablemente los acoplamientos
entre entrada-salida.
3. Obtener adaptación de impedancias lo que permite una mejora en la
transferencia de potencia útil evitando pérdidas.
El primero de estos circuitos que vamos a estudiar es el mostrado en la figura 25:
Figura 25. Circuito mezclador basado en un par de diodos.
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 11
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores se resuelve que para tensiones
positivas del oscilador local los diodos D1 y D2 están en conducción, mientras que
para tensiones negativas no conducen.
A esta conclusión se llega por observación del circuito ya que VOL es mucho
mayor que U1 y Us, tal que si recorremos el circuito por la rama superior
tendríamos:
Figura 26. Malla superior del circuito para valores positivos de VOL
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 12
La tensión en el nudo “A” será A OL s V = U +V >U 1 por lo que el diodo está
claramente en conducción. Si VOL fuera negativa la tensión en A también lo sería,
entonces V <U y el diodo estaría en corte.
Y si lo hiciésemos por abajo:
Figura 27. Malla inferior del circuito para valores positivos de VOL
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 13
En esta ocasión B OL V = -U +V 1 , pero como 1 V U OL >> , B V sigue siendo
muy positiva, superior a s -U , que es la tensión existente en el cátodo del diodo.
De nuevo, si VOL fuera negativa, la tensión en B sería mucho más negativa que s -
U , no conduciendo el diodo.
A partir de ahora no realizaremos este análisis tan detallado de las tensiones en
bornes del diodo por ser todos análogos. Insistimos en la especial atención que se
debe prestar a los sentidos de las intensidades y la polaridad de las tensiones, en
función de la indicación de acoplamiento.
El circuito resultante para tensiones positivas del oscilador local es:
Figura 28. Circuito resultante
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 13
Analizado la malla interior obtenemos las relaciones:
De nuevo vamos a utilizar el pulso p(t) y su desarrollo en serie de Fourier para
expresar la señal de salida del circuito:
Según esta expresión de la tensión de salida el mezclador es simplemente
balanceado al no presentar términos a la frecuencia del OL. pero sí en
radiofrecuencia.
Hemos introducido una primera mejora con respecto al circuito anterior, aunque
deberemos prestar especial atención a este armónico de radiofrecuencia pues su
amplitud (V1/2) puede ser mayor que la de la señal de interés (V1/p) y eso no es
nada conveniente.
La ganancia de conversión del circuito la calcularemos a partir de su expresión
teórica:
Teniendo en cuenta que debemos trabajar con tensiones eficaces de pico, la
potencia a frecuencia intermedia es:
Llegando finalmente al valor:
La potencia de salida es tan solo un 10% de la potencia de entrada lo que supone
un rendimiento muy bajo. El resto de potencia es disipado por los productos de
intermodulación.
Con este mezclador basado en un par de diodos conseguimos reducir el número de
armónicos (es simplemente balanceado) pero su rendimiento es muy bajo.
Veamos si con el circuito de la figura 18 conseguimos mejorar estos aspectos.
Figura 29. Circuito mezclador basado en 4 diodos (Mezclador en anillo)
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 15
Ahora tenemos cuatro diodos cuyo estado de conducción debemos analizar
partiendo de que el oscilador local controlará la conmutación.
En el semi ciclo positivo los diodos D1 y D2 estarán en conducción mientras que
D3 y D4 permanecerán cortados. El circuito resultante para el semi ciclo positivo
es idéntico al analizado en el punto anterior así que obviaremos su análisis.
Centrémonos pues en el semi ciclo negativo.
Si los diodos en conducción son D3 y D4 un análisis de las tensiones nos
proporciona las ecuaciones –recordando siempre la suposición VOL >> V1 :
Por las propiedades de los transformadores, la intensidad i L:
Sustituyendo en la ecuación de la malla:
Finalmente
Durante los semiciclos positivos de tensión del oscilador local la tensión de salida
es V1(t) , mientras que para los negativos obtenemos - ( ) 1 v t . Podemos
expresarla entonces mediante el pulso p(t), aunque ahora definido de la forma:
Como hemos hecho con anterioridad calcularemos el desarrollo en serie de Fourier
de este nuevo pulso:
La tensión de salida atenderá a la expresión:
Que desarrollada proporciona
El armónico de la frecuencia intermedia tendrá la amplitud:
Por lo que la ganancia de conversión del mezclador es:
La potencia de salida es el 40% de la potencia de señal de RF lo que no supone un
rendimiento demasiado elevado pero mejora el del montaje anterior. Quizás lo
más notable sea la eliminación de armónicos convirtiéndolo en un mezclador
doblemente balanceado.
Figura 30. Mezclador activo con transistor bipolar
http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH4ST_Web.pdf
La unión base-emisor del transistor se polariza para funcionamiento conmutado en
la región no lineal, mediante una señal del OL de amplitud grande. La mezcla
ocurre en la unión de entrada y la ganancia de corriente que proporciona el
transistor, así como el circuito sintonizado de salida, producen como resultado
ganancia de potencia a FI. La ganancia total del circuito es 6 dB menos que la que
se tendría con una señal de FI a la entrada, ya que según se mencionó, la potencia
de FI es 6dB menor que la de RF. Este tipo de circuito es semejante a los
empleados en la porción frontal de los receptores de radio.
Figura 31. Conversor de frecuencia
http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH4ST_Web.pdf
El circuito sintonizado de salida, a la frecuencia intermedia, formado por C1 y L
tiene una trayectoria de realimentación al oscilador local, a través de C2. Por otra
parte, la impedancia del circuito de FI ofrece baja impedancia a la frecuencia del
oscilador local, principalmente debido a C1, en tanto que el circuito sintonizado
del oscilador, formado por L1 y el condensador en paralelo, es esencialmente un
corto circuito a FI, a causa de L1. Todo esto se traduce en una baja impedancia en
el circuito del emisor, con lo que se consigue una buena ganancia.
4.2. Mezcladores FET y BJT
Figura 32. Mezcladores de Frecuencia
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/
Aplicada/Cap09Mezcladores.pdf
4.2.1. Mezclador JFET
Figura 33. Mezclador JFET
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/
Aplicada/Cap09Mezcladores.pdf
4.2.2. Mezclador a MOSFET
Figura 34. Mezcladores MOSFET
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/
Aplicada/Cap09Mezcladores.pdf
4.2.3. Mezcladores basados en BJT
Una de las características más destacables de este tipo de mezcladores es la de
poder obtener ganancias de conversión mayores que la unidad, permitiendo
amplificaciones de la señal de radiofrecuecia. Estudiaremos la configuración
denominada par diferencial que consigue una buena relación entre la ganancia
obtenida y los productos de intermodulación creados.
El circuito es el siguiente:
Figura 35. Circuito mezclador basado en un par diferencial
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 18
Al igual que ocurría con los circuitos basados en diodos, el funcionamiento del par
diferencial lo va a controlar la tensión de oscilador local (U2 en el esquema) y su
amplitud deberá ser suficiente para permitir que los transistores funcionen en
conmutación.
Empezaremos por analizar la malla
Debemos recordar la expresión de la corriente en función de las tensiones de base
de los transistores para poder determinar que:
Podemos conseguir una relación entre i1(t) e i2(t) simplemente dividiendo ambas
expresiones:
Puede resultar interesante representar gráficamente estas dos expresiones para
hacernos una idea de su evolución:
Figura 36. Evolución de las intensidades de colector
MEZCLADORES. David Bruno Zaragoza Paula. Pág. 19
Una vez calculadas las intensidades de colector expresaremos la señal de salida:
Si la amplitud de la tensión del oscilador local es adecuada, la señal de salida
variará en función de ésta mediante la relación:
Analizando las mallas de base de los transistores se aprecia cómo para tensiones
positivas el transistor Q2 se encuentra cortado por lo que
Del mismo modo ocurre con Q1 en los semiciclos negativos.
Todo ello nos permite expresar de nuevo la señal de salida en función del pulso
p(t) y su DSF:
La señal de salida será:
La aparición del término p(t) provoca que la calidad en cuanto al nivel de
armónicos sea peor que la del circuito basado en 4 diodos (anillo de diodos), sin
embargo su ganancia de conversión va a ser mucho mejor.
La amplitud correspondiente a la frecuencia intermedia es:
A pesar de que la resistencia de carga suele venir prefijada por las características
de los dispositivos, podemos modificar la ganancia de conversión ajustando el
valor de la resistencia de emisor (RE), siempre con la precaución de respetar la
polarización del par diferencial.
Como conclusión más destacable resalta el compromiso entre los armónicos
obtenidos y la ganancia de conversión.
4.3. Otros Circuitos Mezcladores
Figura 37. Mezclador Doble Balance con BJT
http://www.desi.iteso.mx/telecom/comunicaciones_2/apuntes/
procesa_frecuencia_mezcla.ppt
Figura 38. Mezclador de Frecuencias con MOSFET de Doble Compuerta
http://www.desi.iteso.mx/telecom/comunicaciones_2/apuntes/
procesa_frecuencia_mezcla.ppt
BibliografíaVega, C. P. AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES.
Cruz, I. O. Electrónica Aplicada III.
Direcciones de Internet
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Personales.es. (s.f.). Recuperado el 24 de Abril de 2013, de http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH4ST_Web.pdf
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Vega, C. P. AMPLIFICADORES, OSCILADORES Y MEZCLADORES.
Wikipedia. (s.f.). Recuperado el 22 de Abril de 2013, de http://es.wikipedia.org/wiki/Mezclador_de_frecuencias