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Mezcladores de señal

Enviado por Pablo Turmero





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Mezcladores Idea fundamental: Obtener una señal cuya frecuencia sea la suma o la diferencia de la frecuencia de otras dos (Gp:) Mezclador (Gp:) Señal de frecuencia f2 (Gp:) Señal de frecuencia f1 Señal de frecuencias (f1+ f2) y ½f1 - f2½ O señal de frecuencia (f1 + f2) O señal de frecuencia ½f1 - f2½ (Gp:) Mucho más difícil

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Mezclador que genera (f1+ f2) y ½f1 - f2½ (Gp:) Mezclador (Gp:) ve2 de frecuencia f2 (Gp:) ve1 de frecuencia f1 (Gp:) vs de frecuencias (f1+ f2) y ½f1 - f2½ (Gp:) ve2 (Gp:) ve1 (Gp:) vs f1 = 3 MHz f2 = 5 MHz f2- f1 = 2 MHz f1+f2 = 8 MHz (Gp:) f1 (Gp:) f2 (Gp:) (f1+ f2) (Gp:) (f2- f1)

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¿Cómo generar una señal con frecuencias (f1+ f2) y ½f1 - f2½ partiendo de dos de frecuencias f1 y de f2? Un poco de trigonometría: sen(A+B) = senA·cosB + senB·cosA sen(A-B) = senA·cosB - senB·cosA Luego: senA·cosB = 0,5[sen(A+B) + sen(A-B)] (3) senB·cosA = 0,5[sen(A+B) - sen(A-B)] (4) cos(A+B) = cosA·cosB - senA·senB cos(A-B) = cosA·cosB + senA·senB Luego: cosA·cosB = 0,5[cos(A+B) + cos(A-B)] (1) senA·senB = 0,5[cos(A-B) - cos(A+B)] (2) cos(2A) = cos2A – sen2A y 1 = cos2A + sen2A Luego: cos2A = 0,5[1 + cos(2A)] (5) sen2A = 0,5[1 - cos(2A)] (6)

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Particularizamos al caso de señales (usando la expresión (1)): cosw1t·cosw2t = 0,5·cos(w1+w2)t + 0,5·cos(w1-w2)t Basta con multiplicar las señales para obtener la señal deseada Lo mismo pasa con (2-4), pero con determinados desfases ¿Qué pasa si las señales que se mezclan no están en fase? (Gp:) Componente de frecuencia f1+f2 (Gp:) Componente de frecuencia ½f1 - f2½ cosw1t·cos(w2t+f) = 0,5·cos[(w1+w2)t+f] + 0,5·cos[(w1-w2)t–f] (Gp:) Componente de frecuencia f1+f2 (Gp:) Componente de frecuencia ½f1 - f2½ El desfase f sólo provoca desfases, no nuevas componentes

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¿Cómo multiplicar dos señales (I)? Usando un multiplicador analógico clásico Þ no adecuado para alta frecuencia. Usando dispositivos de respuesta cuadrática: vs = V0 + k·(V1cosw1t + V2cosw2t)2 = V0 + k·(V12 cos2w1t + V22 cos2w2t + 2V1cosw1t·V2cosw2t); usamos (1) y (5): vs = V0 + 0,5k·V12 + 0,5k·V22 + 0,5k·V12cos(2w1t) + 0,5k·V22cos(2w2t) + k·V1V2cos(w1+w2)t + k·V1V2cos(w1-w2)t (Gp:) Componente de continua (Gp:) Componente de frecuencia 2f1 (Gp:) Componente de frecuencia 2f2 (Gp:) Componente de frecuencia f1+f2 (Gp:) Componente de frecuencia ½f1-f2½ (Gp:) Señal de frecuencia f2 (Gp:) Señal de frecuencia f1 (Gp:) + (Gp:) k·x2 Nos sobran las componentes de continua y de frecuencias 2f1 y 2f2

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Usando dispositivos de respuesta proporcional + cuadrática: vs = V0 + kA·(V1cosw1t + V2cosw2t) + kB·(V1cosw1t + V2cosw2t)2 = V0 + kA·(V1cosw1t + V2cosw2t) + kB·(V12 cos2w1t + V22 cos2w2t + 2V1cosw1t·V2cosw2t); usamos (1) y (5): vs = V0 + 0,5kB·V12 + 0,5kB·V22 + kA·V1cosw1t + kA·V2cosw2t + 0,5kB·V12cos(2w1t) + 0,5kB·V22cos(2w2t) + kB·V1V2cos(w1+w2)t + kB·V1V2cos(w1-w2)t ¿Cómo multiplicar dos señales (II)? (Gp:) Componente de continua (Gp:) Componente de frecuencia f1 (Gp:) Componente de frecuencia 2f2 (Gp:) Componente de frecuencia f1+f2 (Gp:) Componente de frecuencia ½f1-f2½ (Gp:) Señal de frecuencia f2 (Gp:) Señal de frecuencia f1 (Gp:) + (Gp:) kA·x + kB·x2 Nos sobran las componentes de continua y de frecuencias f1, f2 2f1 y 2f2 (Gp:) Componente de frecuencia 2f1 (Gp:) Componente de frecuencia f2

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Usando dispositivos de respuesta no lineal (en general): vs = V0 + kA·(V1cosw1t + V2cosw2t) + kB·(V1cosw1t + V2cosw2t)2 + kC·(V1cosw1t + V2cosw2t)3 + … nos fijamos en el último término: (V1cosw1t + V2cosw2t)3 = V13 cos3w1t + V23 cos3w2t + 3V12cos2w1t·V2cosw2t + 3V1cosw1t·V22cos2w2t; analizamos cada término: cos3w1t = cosw1t·0,5[1+ cos(2w1t)] = 0,75cosw1t + 0,25cos(3w1t) cos3w2t = 0,75cosw2t + 0,25cos(3w2t) cos2w1t·cosw2t = 0,5[1+ cos(2w1t)]·cosw2t = 0,5·cosw2t + 0,5cos(2w1t)·cosw2t = 0,5·cosw2t + 0,25cos(2w1+w2)t + 0,25cos(2w1-w2)t cosw1t·cos2w2t = 0,5·cosw1t + 0,25cos(2w2+w1)t + 0,25cos(2w2-w1)t ¿Cómo multiplicar dos señales (III)? (Gp:) Señal de frecuencia f2 (Gp:) Señal de frecuencia f1 (Gp:) + (Gp:) kA·x + kB·x2 + kC·x3 + … Finalmente habrá componentes: Deseadas: (f1+f2), ½f1-f2½ Indeseadas: f1, f2, 2f1, 2f2, 3f1, 3f2, 4f1, 4f2 …, (2f1+f2), ½2f1-f2½, (2f2+f1), ½2f2-f1½, (3f1+f2), ½3f1-f2½, (3f2+f1), ½3f2-f1½, (2f1+2f2), ½2f1-2f2½...

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Ejemplos (I) Dispositivo cuadrático con: V0 = 0 V1 = V2 k = 0,5 (Gp:) ve1 (Gp:) f1 (Gp:) f1 (Gp:) ve2 (Gp:) f2 (Gp:) f2 (Gp:) 0 (Gp:) 2f1 (Gp:) 2f2 (Gp:) (f1+ f2) (Gp:) (f2- f1) (Gp:) ( dispositivo cuadrático) (Gp:) vs Es más difícil filtrar el caso real (cuadrático) para aislar una única frecuencia (Gp:) vs (ideal) (Gp:) (f1+ f2) (Gp:) (f2- f1)

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Ejemplos (II) Dispositivo proporcional + cuadrático con: V0 = 0 V1 = V2 kA = 0,25 kB = 0,5 (Gp:) ve1 (Gp:) f1 (Gp:) f1 (Gp:) ve2 (Gp:) f2 (Gp:) f2 (Gp:) 0 (Gp:) 2f1 (Gp:) 2f2 Más difícil de filtrar para aislar una única frecuencia (Gp:) vs (ideal) (Gp:) (f1+f2) (Gp:) (f2-f1) (Gp:) (f1+ f2) (Gp:) (f2- f1) (Gp:) ( dispositivo proporcional + cuadrático) (Gp:) vs

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¿Por qué es importante que el mezclador genere el mínimo número posible de componentes en la mezcla? Para facilitar el filtrado. Más importante aún: para facilitar el filtrado cuando las señales de entrada no son señales senoidales puras. (Gp:) ve2 de frecuencia f2 (Gp:) ve1 de frecuencias f1A y f1B (Gp:) Mezclador (Gp:) vs Mezclador ideal. Componentes de frecuencias: (f1A+f2), (f1B+f2), ½f1A-f2½ y ½f1B-f2½ Mezclador cuadrático. Componentes de frecuencias: 0, (f1A+f2), (f1B+f2), ½f1A-f2½, ½f1B-f2½, 2f1A, 2f1B y 2f2 Mezclador proporcional + cuadrático. Componentes de frecuencias: 0, (f1A+f2), (f1B+f2), ½f1A-f2½, ½f1B-f2½, f1A, f1B, f2, 2f1A, 2f1B y 2f2 Aún más difícil de filtrar para aislar una única frecuencia

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Objetivos de la realización física de los mezcladores con dispositivos electrónicos Comportamiento adecuado a las frecuencias de trabajo. Uso de dispositivos con comportamiento lo más parecido a cuadrático, sin términos apreciables en x, x3, x4, etc. Cancelación de componentes indeseadas por simetrías en los circuitos. Pasivos (diodos) Activos (transistores) (Gp:) Simples Equilibrados Doblemente equilibrados (Gp:) Tipos de mezcladores (Gp:) Simples Equilibrados Doblemente equilibrados

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Mezcladores con diodos. Ideas generales (I) (Gp:) 2 (Gp:) 1 (Gp:) 0 (Gp:) -2 (Gp:) -1 (Gp:) 20 (Gp:) 10 (Gp:) 0 (Gp:) 30 (Gp:) -20 (Gp:) -10 (Gp:) -30 (Gp:) iD [mA] (Gp:) vD [mV] (Gp:) Modelo proporcional + cuadrático (Gp:) Modelo exponencial iD = IS·(eVD/VT -1) (Gp:) iD (Gp:) vD (Gp:) + (Gp:) - IS = 1 mA VT = 26 mV iD = kA·vD + kB·vD2 kA = 4,467·10-5 kB = 7,984·10-4 Casi coinciden en este margen de tensiones (± 30 mV)

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(Gp:) iD [mA] (Gp:) 2 (Gp:) 1 (Gp:) 0 (Gp:) -2 (Gp:) -1 (Gp:) 40 (Gp:) 20 (Gp:) 0 (Gp:) 60 (Gp:) -40 (Gp:) -20 (Gp:) -60 (Gp:) vD [mV] (Gp:) Modelo exponencial Mezcladores con diodos. Ideas generales (II) Comportamiento con niveles mayores de tensión (Gp:) Comportamiento muy distinto en este margen. El equivalente tendría un comportamiento más complejo iD = kA·vD + kB·vD2 + kC·vD3 + kD·vD4 + kE·vD5 + ... Es muy importante que los niveles de las señales sean los correctos. Se generarían componentes de otras frecuencias. (Gp:) Modelo proporcional + cuadrático

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Teoría del mezclador con un diodo (Gp:) + (Gp:) v1 = V1cosw1t (Gp:) v2 = V2cosw2t (Gp:) vs (Gp:) Idea general Ecuaciones: vs + vD = v1 + v2 vs = R·iD iD ˜ kA·vD + kB·vD2 vs ˜ R[0,5kBV12 + 0,5kBV22 + kAV1cosw1t + kAV2cosw2t + 0,5kBV12cos(2w1t) + 0,5kBV22cos(2w2t) + kBV1V2cos(w1+w2)t + kBV1V2cos(w1-w2)t] vs

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