MEZCLADORES
ÍNDICE
1. El mezclador dentro del sistema de
comunicaciones.
2. El multiplicador ideal.
3. Mezcladores reales. Mezcladores pasivos.
Funcionamiento.
Características.
EL MEZCLADOR DENTRO DEL
SISTEMA DE COMUNICACIONES
T R A N SM ISO R
CAN AL
R E C E PT O R
Fig u ra 1 . D iag ram a d e bloq u es d e u n sistem a d e com u n icacion es en su form a m ás sim p le.
 Transmisor: Adecuar las señales al canal.
 Receptor: Traducir la información para el usuario.
 Canal: Medio transmisor.
EL MEZCLADOR DENTRO DEL
SISTEMA DE COMUNICACIONES
FU E N T E
DE
IN FO R M A C IÓ N
M O D ULAD O R
A M PL IFIC A D O R
DE
PO T E N C IA
SIN T E T IZ A D O R
CAN AL
D EM O D ULAD O R
A M PL IFIC A D O R
D E F.I.
SIN C R O N IZ A D O R
M EZCLAD O R
A M PL IF IC A D O R
D E R .F.
SIN T E T IZ A D O R
F igura 2. D ia gra m a de bloques de un sistem a de com un ica cion es m odern o.
 El mezclador forma parte de cualquier sistema de comunicaciones.
 Es un dispositivo no lineal que desplaza la señal recibida a fRF a la
frecuencia intermedia fIF.
EL MEZCLADOR IDEAL
Figura 3. M ultiplicador ideal.
Figura 4. E spectro de las señ ales de en trada y salida en un m ultiplicador ideal.
 El multiplicador efectúa la siguiente operación:
s = Ke1e2 = K A1 sin ω1t A2 sin ω2t =
= K A1 A2 [cos (ω1-ω2)t - cos (ω1+ω2)t]
EL MEZCLADOR IDEAL
F igura 5. E spectro de las señ ales de en trada y de salida para el m ultiplicador ideal
y un a señ al a la frecuen cia f 1 m odulada en am plitud.
 La portadora modulada se traspone hacia arriba y
hacia abajo.
 Se facilita la amplificación trasponiendo una señal
de alta frecuencia hacia una frecuencia más baja.
MEZCLADORES REALES
 Dos categorías:
- Pasivos: utilizan diodos.
- Activos: emplean transistores.
 El espectro de salida se compone también de los
armónicos de las señales incidentes.
 La diferencia entre el mezclador ideal y el real se
debe a la no linealidad del dispositivo.
MEZCLADORES REALES
Si V = e1 + e2, la corriente de salida se expresa:
I = a2 (A1 sin ω1 t + A2 sin ω2 t)2 =
= a2 A12 sin2 ω1 t + a2 A22 sin2 ω2 t + 2 A1 A2 a2 sin ω1 t sin ω2 t =
= a2 (A12 + A22) /2 – (a2 A12 /2) cos 2ω1 t - (a2 A22 /2) cos 2ω2 t +
Figura 6. Fun ción de tran sferen cia de la form a I = a 2 V
2
+ A1 A2 a2 [cos (ω1-ω2)t - cos (ω1+ω2)t]
 La expresión general:
I = a0 + a1 V + a2 V2+ a3 V3 + ...
 Aparecen los armónicos de la forma mω1-nω2 y mω1+nω2,
con m, n = 0, 1, 2, ...
MEZCLADORES PASIVOS
 Aprovechan la no linealidad de los diodos.
 El uso más típico es trasponer la frecuencia
RF que entra, a una intermedia IF mediante
un oscilador local a frecuencia OL.
 Las entradas son RF y OL y la salida IF.
MEZCLADORES PASIVOS
 El DBM (Double Balanced
Mixer) es la configuración más
utilizada.
F igura 7. C on figuración del m ezclador doble equilibrado.
 Para estudiar el funcionamiento,
se emplea el modelo
simplificado.
Figura 8. E squem a sim plificado de un m ezclador sim ple equilibrado.
Funcionamiento del mezclador
 Si iOL1 = iOL2 y iRF1 = iRF2, el aislamiento entre puertas es
perfecto.
 En la práctica, los diodos no son idénticos y el
transformador no es ideal. El aislamiento es defectuoso.
Características
 Pérdida de conversión
Pc = PIF / PRF
|Pc|dB = |PIF|dBm - |PRF|dBm
Características
 Distorsión de intermodulación de orden 3
I = a0 + a1 V + a2 V2+ a3 V3 + ...
V = e1 + e2 = A1 cos ω1 t + A2 cos ω2 t.
Las componentes de la salida serán:
- Lineal: a1 V
- Segundo orden:
a2 /2 [A12 cos 2ω1 t + A22 cos 2ω2 t] + a2 A1 A2 [cos(ω1+ω2)t + cos(ω1-ω2)t]
- Tercer orden:
3/4 a3 A12 A2 cos(2ω1+ω2)t + 3/4 a3 A1 A22 cos(2ω2+ω1)t
3/4 a3 A12 A2 cos(2ω1 -ω2)t + 3/4 a3 A1 A22 cos(2ω2 -ω1)t
Características
 Distorsión de intermodulación de orden 3
- Las componentes de tercer orden son
más difíciles de filtrar.
- La amplitud de los productos de
intermodulación de tercer orden aumentan
con el cubo de la señal de entrada.
CONCLUSIONES
 Ventajas de los mezcladores simétricos:
- Excelentes prestaciones
- Bajo precio
 Inconvenientes:
- Pérdida de conversión de unos 6 dB.
- Su factor de ruido es igual a su pérdida de
conversión.
- El nivel POL será más elevado cuanto más alto
sea el punto de intersección de tercer orden.
Mezclador con supresión de imagen
P ara
R F1 : e R F 1 = e = cos ω R F t
P ara
R F2 : e R F 2 = cos ( ω R F t +
P ara
O L 1 : eO L 1 = cos ω O L t
P ara
O L2 : eO L 2 = cos ç ω O L 2 t +
P ara
IF1 : e IF 1 = cos ω R F t cos ω O L t =
P ara
IF2 : e IF 2
æ
è
π
) = sen ω R F t
2
πö
= sen ω O L 2 t
2 ÷ø
1
écos( ω
+ ω O L ) t + cos( ω R F - ω O L ) t ùû
RF
2ë
1
= sen ω R F t sen ω O L t = éëcos( ω R F - ω O L ) t - cos( ω R F + ω O L ) t ùû
2
S A LID A S :
e IF 1 + e IF 2 = cos( ω R F - ω O L ) t
e IF 1 - e IF 2 = cos( ω R F + ω O L ) t
Mezcladores Activos.
Objetivo: subsanar algunos inconvenientes
de los mezcladores pasivos.
•
•
•
•
Pérdida de conversión.
Nivel alto necesario en el O.L.
Presencia de transformadores.
Limitación de la posibilidad de integración.
Mezcladores Activos.
 Resultados:
• Ganancia de conversión. (PIF > PRF).
• Evitaremos distorsiones:
o Saturación de la respuesta en potencia del mezclador.
o Por productos de intermodulación.
• Nivel O.L. Bajo.
• Sin transformador.
 Todo esto:
• Facilita la integración.
• Reduce costes.
• Reduce tamaño.
• Elemento fundamental:
• Transistor FET y BJT.
Mezcladores activos con BJT.
VDC= Voltaje de polarización.
VL= Voltaje del O.L.
Vi=Voltaje de radiofrecuencia
(RF).
Vbe = VDC + Vi - VL
Figura 1. Mezclador BJT básico
 Corriente de colector: Ic = Is*exp (Vbe/Vt)
 Obtenemos:
Ic = Is*exp (VDC/VT)*exp (Vi/VT)*exp (-VL/VT)
 Señales a la entrada:
o Vi = V1*cos(wi*t)
o VL = VL*cos(wOL*t)
Mezcladores activos con BJT.
 Expandimos en funciones de Bessel modificadas:
y = V1/VT
x = VL/VT
 Se observa que:
ic(t)= Componente continua (Io) + componentes a wi + componentes a
wL + componentes a |wo + wi| + componentes a |w0 - wi| + infinitas
frecuencias altas.
Mezcladores activos con BJT.
 Operando:
 gm = Ic/VT es la transconductancia.
 La respuesta será lineal: I  gmV1.
 La ganancia de conversión: G = gmRL.

RL= resistencia de carga equivalente a la frecuencia de interés.
 Ventajas sobre el mezclador de diodos:
–
–
–
–
Cierta ganancia de conversión. (PIF > PRF).
Nivel O.L. necesario mucho más bajo.
Reduce el tiempo de diseño del O..L.
Reduce requisitos de aislamiento del sistema.
Mezcladores activos con FET.
Corriente de drenador:
Se puede ver como:
Figura2. Mezclador FET básico.
Si tenemos como señales de entrada:
Vi = VRF = VRF*sen (wRFt)
VL = VOL = VOL*sen (wOLt)
Observamos:
Vgs = VRF – VOL
Así, la corriente de drenador será una expresión de la forma:
ID= a + bvRF – bvOL + cvRF2 + cvOL2– 2cvRFvOL
Mezcladores activos con FET.
 Comparación con mezcladores pasivos y con BJT.
 Mayor rango en voltaje de entrada. 10 veces superior
para mismo nivel O.L.
 Mayor figura de ruido.
 Características adicionales.
 Poco aislamiento entre puertas.
 Filtros paso banda para RF y OL.
 Filtro en salida IF.
 Uso en banda estrecha.
 Impedancia de carga elevada a frecuencia de interés.
 Impedancia de carga mínima para el resto.
 Carga = circuito sintonizado.
Mezcladores activos con FET.
Bajo coste.
Simplicidad.
Permitirá ganancia de conversión (PIF > PRF).
Necesidad de otras configuraciones más
eficientes.
Mezcladores con FET.
 Señal RF en entrada inferior.
– Evita reducción de la ganancia de salida.
– Evita gran capacidad drenador-fuente.
 Aislamiento RF-OL garantizado.
 Mayor rango de frecuencias de RF y OL
Figura 3. Mezclador MOSFET de puerta doble.
 Uso en aplicaciones de banda estrecha.
 Corriente de drenador:
– id = gm1Vg1 + gm2Vg2
– gm1 = a0 + a1Vg1 – a2Vg2
– gm2 = b0 + b1Vg1 + b2Vg2
 Operando:
Mezcladores simétricos activos.
 3 transistores bipolares multiplican OL y RF.
 TR1 y TR2 de banda ancha.
 Señal RF en T1 y T2 con 180º de desfase.
 Señales combinadas en fase en TR2.
 No existe aislamiento RF-IF.
 Uso con FET o BJT hasta VHF.
 Mayor rango para RF y OL.
 Búsqueda de otras soluciones por
falta de aislamiento RF-IF y OL-IF
Figura 4. Mezclador simétrico activo.
Mezcladores simétricos equilibrados activos.






R1, R3, R4 y C polarizan los transistores.
T1 y T2 relación 4:1
T3 relación 25:1 (alta impedancia de salida de transistores)
Salida IF se carga a 50.
Transistores de iguales características. Emparejados.
Características:
–
–
–
–
POL = 7 dBm
PC = 1 dB
F = 5,5 dB
IP3 = 22 dBm.
Figura 5. Doble mezclador simétrico activo
Mezclador basado en célula de Gilbert.
Figura 6. Célula de Gilbert.





Multiplicador de 4 cuadrantes de OL y RF.
VPB1 a VPB4 polarizan los transistores.
Estructura integrable en un circuito.
Filtros y transformadores exteriores.
Aislamiento OL-IF y RF-IF perfecto.
Mezclador basado en célula de Gilbert.
 Reducen potencia necesaria en O.L.
 Aislamiento constante
niveles inferiores en RF e IF.
 Peor en P1 dB e IP3 respecto mezcladores doblemente
balanceados en anillo.
Figura 7. Diferentes configuraciones para las puertas
de entrada y salida de la célula de Gilbert.
Conclusión.
 Mezcladores con características muy
diferentes.
 Uso según el tipo de aplicación.
 Solución de compromiso entre:
–
–
–
–
–
Complejidad.
Coste.
Tamaño.
Consumo.
Características: P1dB, IP2, IP3 y aislamiento.
APLICACIONES DE LOS
MEZCLADORES
Aplicaciones de los mezcladores
reales
 Multiplicador de señales.
 Cambiadores de frecuencia.
 Moduladores.
 Demoduladores
 Otras aplicaciones:
– Detectores de fase.
– Recuperadores de portadora.
– CAG.
– (...)
Índice
 Cambiadores de frecuencia.
 Uso en modulaciones concretas:
– Ejemplo analógico: Modulación en amplitud.
– Ejemplo digital: BPSK.
 Uso en una demodulaciones digitales:
– Ejemplo analógico: Demodulación en frecuencia y
amplitud.
– Ejemplo digital: BPSK.
 Detectores de fase.
 Atenuador programable por corriente.
Mezcladores como cambiadores
de frecuencia. 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
Mezcladores como cambiadores
de frecuencia. 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 FFol 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.
Mezcladores como cambiadores
de frecuencia. Funcionamiento.
 En la figura se ve la salida del multiplicador.
 Quedaría filtrar adecuadamente para obtener el convertidor
de frecuencia.
Modulación en amplitud.
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.
Modulación en amplitud con
supresión de portadora.
 En el primer caso tenemos aislada la entrada RF de la salida OL,
y no transmitimos la portadora junto a la modulación.
 En el segundo caso sí transmitimos la portadora, pero con un
índice de modulación muy superior a uno, con lo que el esquema
no es válido.
Modulación en amplitud.
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%.
Modulación BPSK.
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.
Modulación BPSK. Funcionamiento.
 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.
Modulación BPSK. 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.
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 como recuperar la portadora de una
señal BPSK. Dividimos por dos la frecuencia previamente
duplicada, obteniendo la portadora con fase 0 constante.
Demodulación BPSK.
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.
Demodulador de frecuencia.
Funcionamiento.
 Consideramos para simplificar la portadora
m ( t ) = sen ω t
 La señal modulada será
æ
ö
ΔF
v ( t ) = A sen ç Ω t +
sen ω t ÷ , donde ω = 2 πf
è
f
ø
con Asen( t) como portadora.
 Aplicaremos al mezclador la señal y ella misma con un retardo 
función de m(t).
 A la salida obtendremos el producto de estas señales
s(t)=(A2/2) [cos - cos(2t + 2F/f + )].
 Hacemos el retardo una función lineal m(t), por ejemplo
=π /2 - m(t).
Filtramos la componente de frecuencia 2.
Demodulador de frecuencia.
Funcionamiento.
 Obtendremos
(A2/2)cos[π /2 - m(t)] = (A2/2)sen(m(t)).
 Si m(t) es pequeño sen(m(t)) es aproximadamente
m(t).
 La señal de salida será casi proporcional a m(t) , es decir,
está demodulada
Demodulador de amplitud.
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).
Demodulación de
amplitud.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.
Mezcladores como detectores de
fase. 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.
Detectores de fase.
 Señales de entrada:
V rf = V1 cos( ω t + Θ )
V O 1 = V 2 cos( ω t + Ψ )
 Efectuamos su producto:
V IF =
V1V 2
2
écos (( 2 ω + Ψ + Θ ) t ) + cos(Ψ - Θ ) ù
ë
û
 Filtramos la componente a 2ω .
 Obtenemos una señal a la salida proporcional a cos( - ).
Atenuador programable por corriente.
 Fundamento: Respuesta de ciertos mezcladores con
atenuación distinta de una de las señales de entrada en
función de la corriente introducida por la otra entrada.
 En la siguiente figura vemos algunas respuestas reales.
 Atenuaciones de 6-40db para 20mA-10μ A.
Atenuador programable por corriente.
Aplicaciones.
 Aplicación principal son los controladores automáticos de
ganancia.
 Un ejemplo se ve en la siguiente figura.
Conclusiones.
 Los mezcladores son componentes
esenciales en radiocomunicaciones.
 Activos o pasivos se usan en todas las
etapas de una cadena de emisión o
recepción.
 Las aplicaciones principales son cambiar de
frecuencia la señal, modulaciones y
demodulaciones.
 No son las únicas aplicaciones.
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Mezcladores Activos.