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Experiencia N.ª 05: EL MEZCLADOR CON PAR DIFERENCIAL Dennys Rivas Astuhuaman Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú [email protected]

INTRODUCCIÓN En este capítulo no se pretende hacer un tratamiento detallado de los componentes y circuitos empleados en comunicaciones, de los que los estudiantes tienen ya conocimientos básicos. El objetivo es hacer un repaso de estos temas, orientado básicamente a las necesidades del curso, en algunos aspectos directamente relacionados con las aplicaciones en los sistemas de comunicaciones.

I.

OBJETIVO

El laboratorio deacuerdo a sus experimentos tiene como finalidad: 

Verificar el funcionamiento de un mixer con nuestro oscilador local elaborado en la experiencia numero 4 .

II.

TEORÍA

A. Mezcladores Los mezcladores, al igual que los amplificadores y osciladores, constituyen elementos indispensables de los sistemas de comunicaciones. Se emplean tanto en transmisores como en receptores, cuando es necesario trasladar las señales 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 no lineal, 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. En el Capítulo 1 se trataron, de forma muy breve, los mezcladores, para ilustrar el proceso de modulación. Aquí, abundaremos un poco

más sobre el tema, como siempre en el contexto de estas notas, desde un punto de vista básicamente conceptual. Un concepto importante en este tema, es que no debe confundirse un mezclador con un sumador. Este último, es un dispositivo lineal que puede considerarse como un combinador de señales, bien sea en potencia o en voltaje, pero manteniendo el espectro de cada una de las señales sumadas. 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

v1

v0

v2 Fig. Símbolo del Mezclador

Esto es algo, conceptualmente muy importante y con frecuencia suelen mezclarse o confundirse estos conceptos. Un mezclador tiene dos puertos de entrada y uno de salida. En una de las entradas se aplica, por lo general, la señal de un oscilador local y en la otra, la señal que se desea trasladar en el espectro de frecuencia y que puede ser o bien una señal en banda base o una señal modulada de radiofrecuencia. Una forma simple de interpretar el comportamiento de un mezclador es como un multiplicador, en que la señal de salida es el

producto de las dos señales de entrada. Los mezcladores se emplean para trasladar señales en una banda del espectro a otra banda. Si la señal de entrada es una señal en banda base, el mezclador es, esencialmente, el modulador. Aunque los mezcladores son igualmente importantes en los transmisores y en los receptores, la terminología tradicionalmente utilizada se refiere más a los receptores, ya que fue en estos equipos en que se comenzaron a utilizar extensamente en los inicios de la radio, con la invención del receptor superheterodino. Así a la señal modulada de entrada se le designa como RF y la otra señal de entrada, de frecuencia fija, utilizada para trasladar el espectro de frecuencia de la señal de RF a otra banda, se la designa como portadora local y es generada por un oscilador local (LO o OL). La salida del mezclador se designa como frecuencia intermedia (FI). Si la FI de salida es inferior a la de RF de entrada, se dice que el mezclador realiza una conversión descendente, en caso contrario, la conversión es ascendente. El término conversor o convertidor se emplea para designar un circuito que contiene al mezclador y al oscilador local. Todos los mezcladores son multiplicadores, en el sentido de que la señal de salida que producen puede describirse matemáticamente como productos de las señales de entrada. Sin embargo, desde el punto de vista de implementación, un mezclador dado puede caracterizarse como aditivo o multiplicativo, dependiendo de la forma en que se le apliquen las señales de RF y OL. La mezcla aditiva ocurre cuando las señales de RF y OL se aplican en serie al mismo puerto de entrada. En realidad, esta mezcla aditiva pasa luego por un dispositivo no lineal, como un diodo, que produce una respuesta multiplicativa. La mezcla directamente multiplicativa ocurre cuando las señales de RF y OL se aplican a puertos separados. B. Tipos de mezcladores Desde el punto de vista de su implementación, puede hablarse de tres tipos principales de mezcladores:  



Mezcladores pasivos. Utilizan diodos como dispositivos de mezcla. Mezcladores activos, que utilizan dispositivos con ganancia, como transistores bipolares o de efecto de campo. Mezcladores conmutados, en los que la amplitud de la señal del oscilador local o bien es mucho mayor que la requerida por el mezclador o es una señal pulsante, rectangular, de modo que los dispositivos del mezclador funcionan esencialmente entre un estado de conducción y uno de no conducción.

III.

RESPUESTAS A PREGUNTAS

A. Diseñar la red de polarizacion del circuito de la figura para 𝐼𝐸𝑄 = 0.1𝑚𝐴. Eligir valores adecuados de condensadores.

VBB − VBE = IE (R E +

R BB ) β

R BB = R 7 //R 8 VBB =

VCC R 8 (R 7 + R 8 )

Remplazando valores VCC = 12 V R E = R 4 = 470Ω IE = 0.1 mA 12 R 8 R 7 //R 8 − 0.6 = 0.1 mA . (0.47 + ) (R 7 + R 8 ) β

R 7 //R 8 ≪ β 12 R 8 − 0.6 = 0.1 mA x 0.47 K (R 7 + R 8 ) 12 R 8 − 0.6 = 0.047 (R 7 + R 8 ) R7 = 17.5 R8 R 7 = 47 K R 8 = 2.7 K

B. Determinar expresiones generales para 𝑉0(𝑡) , 𝑉𝐴(𝑡) , 𝑉𝐵(𝑡) . Asumir los datos de la bobina amarilla (𝑄𝑇 alto) y del transistor conocidos. 𝐼𝐾(𝑡) = 𝐼𝐾 𝐷𝐶 (1 + ∑ 2 𝑛

𝑖𝑐1(𝑡)

𝐼𝑛(𝑦) cos(𝑛𝑤1 𝑡)) 𝐼0(𝑦)

para x = 6 a1(X) = 0.5995 GC (x) = 0.5995.

0.4 0.42 0.44 0.1 𝑚𝐴 (1 − + ) 2 8 16 150𝑚𝑉

GC (x) = 7.846 . 10−5 Ω−1

𝐼𝐾(𝑡) = (1 − ∑ 2 𝑎2𝑛−1 2

(𝑥)

𝐼𝐾(𝑡) (1 + ∑ 2 𝑎2𝑛−1 2

(𝑥)

cos((2𝑛 − 1)𝑤2 𝑡))

D. Diseñar el oscilador Colpitts mostrado en la figura cuyas caracteristicas son: 𝐼𝐸𝑄 = 1.4𝑀𝐻𝑧;THD%

IEK 25 mV

GL + n2 GE n

n(1 − ) α

Para 𝑛 ≪ 1 GmQ >

GL n

GmQ 1 > GL n

y=

10 mV = 0.4 25 mV

x=

150 mV =6 25 mV

GmQ g mQ 1 . > g mQ GL n

Del Libro de Clarke and Hess. La figura 5.4-5 Se encuentra la grafica

𝐺𝑚𝑄

𝑉𝑆 𝑋

𝑔𝑚𝑄

1

*Diseñamos para

𝑛

= 31

n=

1 ≪1 31

1 𝐶1 + 𝐶2 = 31 = 𝑛 𝐶1 Entonces: C2 = 1000 pF , C1 = 33 pF ∗ Por diseño se requiere f0 = 1.4 MHz f0 = 1.4 MHz =

C= Diseñamos para como máximo un X =6, esto nos permite posible obtener hasta 𝑉1 = 150 𝑚𝑉 en el oscilador. (En la experiencia de laboratorio utilizaremos solo 20 mV) 𝐺𝑚𝑄 𝑔𝑚𝑄 1 . > 𝑔𝑚𝑄 𝐺𝐿 𝑛

1 2π√LC

C1 C2 33 pF . 1000 pF = = 32 pF C1 + C2 33 pF + 1000 pF

1.4 𝑀𝐻𝑧 =

1 2𝜋√𝐿 .32 𝑝𝐹

L= 400 µH *Verificamos ahora que el 𝑇𝐻𝐷 < 2% Del Libro de Clarke and Hess. La figura 6.5-3

Por diseño los voltajes de trabajo pueden variar en el emisor, regulando el potenciómetro de 100K, 𝑉𝐸 de 1.2 Volt a 5.4 Volt. para X = 6 de la grafica

Se encuentra la grafica 𝐷(𝑋) 𝑉𝑆 𝑋

GmQ = 0.30 g mQ

Entonces: 0.30.

0.30

𝑔𝑚𝑄 1 > 𝐺𝐿 𝑛

𝐼𝐸𝐾 25 𝑚𝑉

>

1 22 .103 Ω

1 𝑛

Por diseño las corrientes de trabajo pueden variar en el emisor, regulando el potenciómetro de 100K, 𝐼𝐸𝐾 de 0.12 mA hasta 0.54 mA

para X = 6 de la grafica D(X) = 0.088

Entonces debe cumplirse:

𝐷(𝑋) . 100 < 2% 𝑄𝑇

0.30.

0.12 mA 25 𝑚𝑉

33 >

1 22 .103 Ω

1 n

>

1 𝑛

Entonces:

0.088 . 100 < 2% 𝑄𝑇 𝑄𝑇 > 5 𝑄𝐵 = 𝑄𝑇 .

𝑅𝐿 𝑅𝐿 //𝑅𝑃

𝑄𝐵 = 𝑄𝑇 .

22 𝐾 22 𝐾//𝑅𝑃

𝑅𝑃 ≫ 22 𝐾 𝑄𝐵 = 𝑄𝑇 > 5 *Lo cual es satisfecho fácilmente Entonces 𝑇𝐻𝐷 < 2%

IV.

EQUIPOS Y MATERIALES

Los materiales a utilizar en el laboratorio son:          

Transistores BF494 Bobinas de FI de AM (amarilla y roja) Resistencias 5x10, 1x5, 2x1K, 3x10, 1x22K Ω de 0.5W Potenciometro 10 y 100KΩ de 0.5W Condensadores ceramicos 1x10uF 1X0.68nF 47pF Fuente doble de aliemntacion Osciloscopio y dos puntas de prueba 1 multímetro 1 generador de ondas Panel de conexiones

V. [1] [2]

BIBLIOGRAFÍA

Libro de Clarke and Hess. Fuente del navegador http://personales.unican.es/perezvr/pdf /CH4ST_Web.pdf