Mezcladores de Frecuencia

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


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


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.


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.


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


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


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


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

http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_el%C3%A9ctrica

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


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


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

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Circuitos_h%C3%ADbridos&action=edit&redlink=1

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


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.

http://es.wikipedia.org/wiki/Divisor_de_potencia

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


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

http://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo

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


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%.


3.4. Modulación BPSK

3.4.1. Funcionamiento

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.


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.


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.


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.


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

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiofrecuencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Anal%C3%B3gico

http://es.wikipedia.org/wiki/Transmodulador

http://es.wikipedia.org/wiki/Rack

http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Demodulador

http://es.wikipedia.org/wiki/Canal_(comunicaci%C3%B3n)

http://es.wikipedia.org/wiki/Demodulador



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.


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


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


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


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)


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


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



4.2.2. Mezclador a MOSFET

Figura 34. Mezcladores MOSFET



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


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


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

OCW.es. (s.f.). Recuperado el 26 de Abril de 2013, de http://ocw.uc3m.es/teoria-de-la-senal-y-comunicaciones/microondas-y-circuitos-de-alta-frecuencia/temas/mezcladores2009.pdf

Personales.es. (s.f.). Recuperado el 24 de Abril de 2013, de http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH4ST_Web.pdf

Personales.es. (s.f.). Recuperado el 25 de Abril de 2013, de http://personales.alumno.upv.es/~dazapau/mezcladores.pdf

Profesores.edu. (s.f.). Recuperado el 23 de Abril de 2013, de http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap09Mezcladores.pdf

UGR.es. (s.f.). Recuperado el 24 de Abril de 2013, de http://www.ugr.es/~jmolinos/files/p2-mezclador.pdf

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

Mezcladores de Frecuencia

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