پروژه بررسی طراحی میکسرها و کاربردهای آنها در 42 صفحه ورد قابل ویرایش

فهرست

عنوان                                                                                                              صفحه

مقدمه..................................................................................................................... 1

ویژگی اساسی میکسرها........................................................................................ 3

الماسهای اساسی................................................................................................... 5

تکنیک های میکسر کردن....................................................................................... 8

طراحی میکسر single- ended................................................................................ 13

میکسرهای Double- balanced............................................................................... 25

ترانس کنداکتانس در میکسرهای FET.................................................................. 25

میکسرهای ترانزیستور دو قطبی........................................................................... 28

حالت کلی میکسرها................................................................................................ 30

مدارهای مخلوط کننده عملی................................................................................. 31

مدارهای مبدل نیمه هادی...................................................................................... 37

نتیجه گیری............................................................................................................ 39

 

 

 مقدمه:

در طراحی گیرنده معمولاً از مدار آشکارساز استفاده می کنیم. بیشتر مدارهای آشکارساز در حضور نویز یا سیگنالهای تداخلی به خوبی عمل نمی کنند و بسیاری از آنها در صورت کمتر بودن دامنة سیگنال ورودی از چند ولت اصلا کار نمی کنند در صورتی که سیگنال مطلوب در ورودی گیرنده ممکن است شدت میدانی در حدود میکرولت/متر داشته باشد. در صورتیکه rms نویز و شدت سیگنال تداخلی آنتن در حد ولت/متر است. واضح است که هم بهره و هم قدرت انتخاب در جلوی آشکارساز موردنیاز است.

در قسمت گیرنده چون خیلی ضعیف است و دارای نویز نیز می‎باشد و مدوله شده هم است. بنابراین یک تقویت کننده قرار می‎دهیم که هم سیگنال دریافتی را تقویت کند و هم نویز را از بین ببرد. چون دامنه سیگنال ورودی در حدود میکروولت است و ما دامنه ای در حدود ولت داریم بنابراین بهرة تقویت کننده باید حدود 10⁶ باشد. بعد از تقویت کننده باید یک فیلتر قرار دهیم تا سیگنال نامطلوب را از بین ببریم.

ساختن مداری به این صورت دو مشکل دارد:

1- ساختن فیلتری که بر روی فرکانسهای  و … باشد و دارای گین موردنظر باشد مشکل است. یعنی این فیلتر نمی تواند روی باندی وسیع از فرکانسها قرار بگیرد.

2-   اگر مدار گین بالا داشته باشد و دارای باند باریک نیز باشد به صورت زیر

 

 

 

 

اگر  ترانزیستور بتواند با  یک حلقه درست کند این مدار شروع به نوسان می‌کند و در ورودی و قبل از تقویت کننده یک موج سینوسی مستقل از فرکانس داریم که اصلا فرکانس در آن دخالت ندارد.

فرض کنید آشکارساز یک مدار RC باشد.

 

 

 

 

شکل (1)

یک رابطه باید بین RC و فرکانسها برقرار باشد تا این مدار آشکارساز پوش باشد. یعنی آشکارسازی این مدار بر فرکانس v_I و فرکانس carrier بستگی دارد. طراحی آشکارساز بستگی به فرکانس carrier دارد و طراحی آن بر روی باند وسیعی از فرکانس محال است.

ایده: خواسته شد که فیلتر و تقویت کننده بر روی یک فرکانس یکسان ساخته شوند.

بنابراین متوجه می شویم که مشکلات مهمی که در تقویت کننده فرکانس حامل یا RF برگیرنده فرکانس ثابت وجود دارند عبارتند از:

1-   کنترل نویز خروجی چنانچه به حد کافی از سطح سیگنال ورودی کمتر باشد.

2-   کنترل غیرخطی عنصر فعال برای جلوگیری از اعوجاج سیگنال و برهم کنش با سیگنال ناخواسته.

3-   برای جلوگیری از نوسان تقویت کننده باند باریک بهره- بالای طبقه آخر.

علاوه بر مشکلات فوق باید بتوانیم روی باند وسیعی از فرکانس طراحی کنیم.

در ابتدا تصمیم گرفته شد که آشکارساز و کل بهره و قابلیت انتخاب همگی براساس فرکانس- ثابت باشند و همه سیگنالهای مدوله شده ورودی را به یک فرکانس میانی یا IF که ثابت است انتقال دهیم که برای این کار یک گیرنده سوپرهترودین پیشنهاد شد. این گیرنده شامل Mixer است.

ویژگیهای اساسی میکسرها:

میکسرها عموماً برای مالتی پلکس کردن سیگنالهایی با فرکانسهای مختلف در انتقال فرکانسی به کار می رود.

با توجه به اینکه سیگنالهای RF ورودی در فاصلة بسیار نزدیک و متراکم قرار دارند برای فیلتر کردن سیگنال مطلوب به یک فیلتر با Q بسیار بالا نیاز داریم. اما اگر فرکانس سیگنال RF بتواند کاهش یابد یا در میان سیستمهای مخابراتی down convert شده خیلی بیشتر قابل کنترل خواهد بود.

یکی از بهترین سیستمهای شناخته شده down convert گیرندة سوپر هیترودین است که در شکل (2) نمای کلی آن آمده است.

 

 

 

 

شکل (2) گیرندة سوپرهیترودین شامل میکسر

بعد از دریافت سیگنال RF به وسیله آنتن و تقویت در تقویت کننده (LNA) low- noise یک میکسر که وظیفه آن ضرب سیگنال ورودی که بر روی فرکانس f_RF متمرکز شده با یک سیگنال از اسیلاتور محلی با فرکانس مرکزی f_LO می‎باشد. سیگنالی که بعد از میکسر حاصل می‎شود شامل فرکانسهای  می‎باشد. و بعد از عبور از یک فیلتر پائین گذر سیگنالی با فرکانس پائین تر یعنی  به دست می‎آید که این سیگنال را با عنوان فرکانس میانی (IF) نشان می دهند. که این سیگنال برای پروسه های دیگری مورد استفاده قرار می‎گیرد.

دو عضو اساسی در میکسرها عبارتند از ترکیب کننده و آشکارساز. ترکیب کننده می‎تواند از یک تزویجگر جهت دار (directional coupler) با زاویه 90 درجه (یا 180 درجه) استفاده کند.

آشکارسازهای قدیمی یک دیود تنها را به عنوان عنصر غیرخطی به کار می بردند. اما دیودهای دوبل غیرموازی و ترکیبات دیودی تعادلی دوبل بیشتر استفاده می‎شود.

علاوه بر دیودها، میکسرهای MOSFET , BJT با عدد نویز پائین و گین تبدیل بالا در باند X طراحی شده اند.

اما مشکلاتی که گیرندة سوپر هیترودین اضافه می‌کند عبارتند از:

-    میکسر و نوسان کننده محلی را باید طراحی نمود و نوسان کننده محلی باید مدارهای غیرخطی جلوی میکسر را تعقیب کند.

_-    چون غالباً میکسرها نویز بیشتری نسبت به تقویت کننده ها تولید می‌کنند و چون با توجه به طبیعتشان دارای خواص غیرخطی هستند حتما نیاز به تقویت کننده RF در جلوی میکسر داریم.

المانهای اساسی

قبل از وارد شدن به طراحی مدار میکسر، قابلیت یک میکسر را با در نظر گرفتن اینکه میکسر دو فرکانس در ورودی را گرفته و یک فرکانس که از حاصل ضرب دو سیگنال ورودی به وجود می‎آید مختصراً مرور کنیم.

به روشنی مشخص است که یک سیستم خطی نمی تواند تمام وظایف را برآورده کند و ما نیاز به انتخاب یک وسیله غیرخطی مثل دیود، FET یا BJT داریم که بتوانند حاصل ضرب هارمونیکها را تولید کند.

شکل (3) ترتیب قرار گرفتن سیستم یک میکسر متصل به سیگنال RF را شرح می‎دهد. V_RF(t) و سیگنال اسیلاتور محلی V_LO(t) که به عنوان سیگنال PWMP شناخته می‎شود نشان داده شده است.

 

مدارهای مخلوط کننده عملی

قبل از بررسی مدارهای خاص بهتر است مشکلات احتمالی را بررسی کنیم تا بتوانیم با آنها مقابله کنیم.

مشکلات مخلوط کننده

1-   سیگنال های خروجی در فرکانس IF که منشا آنها غیر از سیگنال ورودی مطلوب است.

2-   اعوجاج و مدولاسیون سیگنال ورودی مطلوب

3- انتقال فرکانس نوسان ساز محلی بر ورودی مدار (اگر سیگنال نوسان ساز محلی به آنتن برسد ممکن است پخش شود و درگیرنده های دیگر مثل سیگنال تداخلی عمل کند)

4-   نوینر تولید شده در طبقه مخلوط کننده

5-   بهره ناکافی در طبقه مخلوط کننده

شکل (20) نشانگر طیف فرکانسی و تعدادی از سیگنالهای ممکنی است که می توانند سبب مولفه های ناخواسته در فرکانس IF شوند.

 

 

 

شکل (20)

الف: اگر سیگنالی W=W₀+W_IF به میکسر برسد تفاضل فرکانسی W_IF خواهد بود. علاج کار یک فیلتر در جلوی میکسر است. در یک سیستم جدید حداکثر شدن فرکانس IF مشکل حذف تصویر را آسان می کند.

ب: اگر طبقه RF دارای اعوجاج کافی برای تولید هارمونیک مرتبه دوم باشد یا اگر مخلوط کننده فرکانس نوسانی بین W₀ و هارمونیک دوم سیگنال ورودی داشته باشد آنگاه سیگنال  ممکن است تولید مشکل کند برای حذف مجلات نیم- فرکانسی بعد از تقویت کننده های FET باید فیلتر کافی صورت گیرد. این فیلتر باید در RF باشد چون در صورت نبودن فیلتر، عناصر فرکانسی را دو برابر می کند و هیچ طبقه ای بعد از اینها سبب حذف آن نخواهد شد. در تقویت کننده های RF خطی فیلتر پیش از میکسر در کاهش جملات زیر هارمونیکی موثر است.

ج: سیگنال W_x در W₀ + W_S است. در هر سیستمی که فرکانس نوسان 2W₀ موجود باشد باعث دردسر خواهد شد. این فرکانس در میکسرهای ترانزیستور سبب مشکل می شود ولی در مدارهای FET واقعا توان دومی یا در زوج تفاضلی که ولتاژ محرک نوسان ساز خاصی از هارمونیک دوم است مشکلی تولید نمی کند.

د : سیگنال W_y در تصویر W/2 قرار دارد لذا تقویت کننده های RF به صورت FET سبب تغییر تصویر W می گردد و جز در حالتی که فیلتر بین این تقویت کننده RF و مخلوط کننده این اعوجاج را حذف کند در خروجی نوسان نامطلوب داریم. میکسر ترانزیستور دو قطبی تک سرخروجی نظیر W_S/2 را تولید می کند.

از دید سیگنالهای نامطلوب مخلوط کننده FET یا زوج تفاضلی بر مخلوط کنندة دو قطبی برتری دارد. بعد از میکسر حداقل دو طبقه فیلتر موردنیاز است. بعد از میکسر یک تقویت کننده خطی RF با بهره کنترل شده اتوماتیک قرار می گیرد. بهره، نویز مخلوط کننده را کاهش می دهد. و کنترل بهره از رسیدن سیگنالهای اضافی به مخلوط کننده جلوگیری می کند. سیگنالهای اضافی سبب افزایش اعوجاج خواهند شد.

چنانچه ذکر شد مطلوب است که از رسیدن هرگونه سیگنال بزرگی و جدا از نوسان کننده محلی بر میکسر جلوگیری شود. بنابراین کنترل بهره میکسرها یا ترانس کنداکتانس تبدیل مثلاً با کنترل IEQ کافی نیست. لذا در این مدار از یک تضعیف کننده نیز استفاده می شود به شکل زیر دقت کنید.