بیژن بینایی GitHub
بیژن بینایی Rss

یه ترم با میکسر

نوشته شده توسط بیژن | در دسته روزنامه | نوشته شده در ۱۷-۱۰-۱۳۹۵

۰

mixer_mاین ترم از آز مدار مخ تا پروژه آخر مدار مخ :| کارم شده بود ور رفتن با میسکر. میسکری که نه راجع بهش کتابی بود و نه راجع بهش روش طراحی.... میکسری که شاید بالای ۱۸۰ ساعت این ترم روش وقت صرف کردم.

برای همین اینجا تجربیات این همه وقت تلفی رو یادداشت می کنم تا اگر بعدا روزی دوباره سر و کلم به این موجود سه پا افتاد بتونم مثل الان تحلیلش کنم. چون مطالب یکم زیاد هست سعی می کنم توی دو یا سه پست مطالب رو خلاصه کنم. توی این پست یه سری مقدمه که هممون می دونیم رو می گم تا بتونیم وارد طراحی بشیم.

■ تعاریف

میکسر: میکسر موجودی سه پاست که در دو نوع وجود دارد. میکسور Downconverter و میکسر Upconverter. همونطور که از اسم هاشون معلومه یکی با کم کردن فرکانس های ورودی از هم، خروجی رو تشکیل می ده و نوع دوم فرکانس های ورودی رو با هم جمع می کنه. توی این متن فرض می کنیم میکسرمون downconveter هست که نمایش شماتیکش در زیر نمایش داده شده است.

mixer_downconverter

توی این پست ما به طراحی این قطعه گوگولی می پردازیم. برای کاربردش می تونید درس مخاب  ۲ رو هدف بگیرید.

■ روش های طراحی

.
  • روش اول: استفاده از المان غیر خطی

توی این روش ما دو تا سیگنال LO و RF رو با هم جمع می کنیم و می دیمش به یک المان غیر خطی....  بعد هارمونیکی رو که می خوایم (مثلا LO + RF) رو با یه فیلتر جدا می کنیم و می دیم خروجی (IF). نمونه این داستان می شه شکل زیر

Diode

توی شکل بالا با سری کردن منابع ولتاژ دو سیگنال با هم جمع شدند (می شد با دو تا مقاومت و خازن های decoupling هم این کار رو انجام داد) بعد سیگنال مجموع از یک دیود (که المانی غیر خطیه) عبور داده می شه و فرکانس های دلخواه با یک فیلتر LC (چرا LC؟) از هارمونیک های تولید شده جدا می شن. تا اینجا همه چی عالی اما این مدار چهار مشکل بزرگ دارد.

۱. gain حساس به نقطه کار، دما و دامنه سیگنال ورودی

۲. isolation پایین

۳. wide band نبودن

۴. conversion gain مدار به خاطر passive بودن بیش از 3dB- نخواهد شد.

علت وابسته بودن gain به نقطه کار رو با نوشتن بسط تیلور تابع e^x می شه نشون داد (که همون رابطه ولتاژ جریان یک دیود هست) اگر این ضرایب رو بنویسید ضریب تیلور  x^2 که هارمونیک دلخواه رو ایجاد می کنه(چرا؟؟) تابعی هست از x. x چی بود؟ ولتاژ دو سر دیود تقسیم بر V_t. بنابراین میکسر بالا conversion gain ای هم وابسته به بایاس diode و هم وابسته به دما دارد. (conversion gain همون gain میکسر در فرکانس IF (خروجی) هست) پس توی کاربرد های نظامی و هوا فضا که دما بسیار متغییر یک ایراد بزرگ محسوب می شود.

برای درک علت isolation پایین این نوع میکسر ها بیاید دقیق تر به مدار بالا نگاه کنیم. ما در بالا گفتیم که برای جمع کردن سیگنال ها منابع رو با هم سری می کنیم. در صورتی که در عمل می دونیم اگه خروجی دیفرانسیلی نباشه چنین کاری عملی نیست (منابع گراند مشترک دارند!) پس مجبوریم با یه مداری مشابه با شکل زیر سیگنال ها رو جمع کنیم.

Isolation

یه نکته جالب توی مدار بالا استفاده از خازن بجای مقاومت هست. علت اصلی اینکار می تونه بی تلف بودن خازن باشه که از هدر رفتن توان ورودی در مدار جمع کننده جلوگیری بشه. یه نکته دیگه روی انتخاب مقدار  Cb هست. مقدار Cb نباید اونقدر بزرگ باشه که در فرکانس کاری short circuit بشه وگرنه سیگنال های LO و RF اتصال کوتاه می شن و بنگ! مدارتون دود می کنه. حالا تمام این داستان ها رو گفتم که برسیم به ایزولاسیون. توی مدار بالا دقت کنید خب RF به LO که مستقیم با 2Cb متصل هست پس ایزولاسیون LO به RF تقریبا نگیم صفره نزدیک به صفره. از اون طرف IF به ورودی ها هم از لحاظ ایزولاسیون اوضاع خیلی مناسبی ندارد و درنتیجه مدار بالا از لحاظ ایزولاسیون یک شاهکار به تمام معناست.

بقیه مشکلات هم که واضحه و نیازی به توضیح نیست.

در مورد isolation و wide band نبودن می شه با استفاده از balun و بالانس کردن مدار همزمان هم isolation رو افزایش داد و هم با حذف فیلتر LPF یا LC سیستم رو به حداکثر wideband ای رسوند. اما برای حل دو مشکل باقی مونده یعنی gain کم و حساس روش دیگه ای پیشنهاد شده که در قسمت بعدی راجع بهش حرف می زنیم.

  • روش دوم: میکسر های سوییچینگ

این میکسر ها با سوییچ کردن بین دو توپولوژی مختلف موج خروجی رو شبیه به سیگنال مربعی می کنن و بعد دوباره مثل قبل با یه فیلتر فرکانس مطلوب جدا می شه. فایده این روش اینه که دیگه حساسیت به سطح ولتاژ ورودی وجود نداره.

حالا تا اینجا اگه دقت کرده باشین همش ما گفتیم فیلتر.... اما یکم اگه به دور و برتون نگاه کنید این روزا کسی به میکسر تک فرکانسی دو زار پول نمی ده..... در حقیقت یه میکسر واقعی هیچ فیلتری نداره چرا که فیلتر یعنی narrow band. پس چه می کنن؟ می یان یه سری توپولوژی می بندن که به اصطلاح مدار بالانس باشه. توی میکسر های بالانس سیگنالی که ما می خوایم خود به خود بوجود می یاد و باقی هارمونیک ها تا حد خوبی تضعیف می شن.

تا اینجاش رو هم من می دونستم هم شما.... اما بقیش رو که نمی دونیم بمونه برا پست بعد.

■ منابع

منبع، document ای هست ماحصل ارایه دکتر Steve Long در شرکت agilent یا همون HP. این ارایه به طور مبسوط از صقر شروع کرده میکسر رو گفته تا رسیده به اندازه گیری پارامترهایی مثل IIP3 و Noise Figure و ....

نکات عملی بسیاری در تحلیل میکسر ها هست که بهتره با خوندن مرجع بالا اون رو یه دوره ای برای خودتون بکنید. علاوه بر اون یه کتاب device ای هست که یاد می ده چطور میکسر هایی بسازیم که تا ۱۰۰ ها گیگاهرتز رو برامون میکس می کنن. دیدن اینکه ۴۰ سال پیش دانشمندای آمریکایی با GaAs چه شاهکارهایی خلق می کردند واقعا آدم رو به فکر فرو می بره که پیشینیانمون چه میراثی رو برای ما گذاشتند.