LÍ THUYẾT MIXER: Mixer là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa các tần số khác nhau. Trong các hệ thống thông tin, tại phía thu, nhờ mixer như trong hình 1, tần số RF được chuyển xuống tần số IF thấp hơn cho phép tăng tính chọn lọc (bộ lọc) và thiết kế các bộ khuếch đại dễ dàng hơn. Hình 1 – Vai trò của mixer ở máy phát và máy thu Đặc tính phi tuyến của một thiết bị mixer là cơ sở để thực hiện chức năng trộn tần. Những thiết bị này bao gồm FET, diode và các BJT. Mixer thường được dùng để nhân các tín hiệu ở các tần số khác nhau để thực hiện chuyển đổi tần số. Lí do thực hiện chuyển đổi tần số là do nếu thực hiện lọc trực tiếp với tần số trung tâm ở tần số cao tần thì sẽ đòi hỏi các bộ lọc có hệ số phẩm chất rất cao và rất khó thực hiện trong thực tế. Điều này sẽ được giải quyết nếu tần số sóng mang RF được đổi tần xuống trong một hệ thống thông tin. Một hệ thống thường gặp đó là các máy thu đổi tần (máy thu hetorodyne) được minh họa như trong hình 2:
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LÍ THUYẾT MIXER:
Mixer là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa các tần số khác
nhau. Trong các hệ thống thông tin, tại phía thu, nhờ mixer như trong hình 1, tần số RF được
chuyển xuống tần số IF thấp hơn cho phép tăng tính chọn lọc (bộ lọc) và thiết kế các bộ khuếch
đại dễ dàng hơn.
Hình 1 – Vai trò của mixer ở máy phát và máy thu
Đặc tính phi tuyến của một thiết bị mixer là cơ sở để thực hiện chức năng trộn tần. Những
thiết bị này bao gồm FET, diode và các BJT.
Mixer thường được dùng để nhân các tín hiệu ở các tần số khác nhau để thực hiện chuyển
đổi tần số. Lí do thực hiện chuyển đổi tần số là do nếu thực hiện lọc trực tiếp với tần số trung
tâm ở tần số cao tần thì sẽ đòi hỏi các bộ lọc có hệ số phẩm chất rất cao và rất khó thực hiện
trong thực tế. Điều này sẽ được giải quyết nếu tần số sóng mang RF được đổi tần xuống trong
một hệ thống thông tin. Một hệ thống thường gặp đó là các máy thu đổi tần (máy thu
hetorodyne) được minh họa như trong hình 2:
Hình 2 – Hệ thống máy thu đổi tần
Tín hiệu RF sau khi được đưa qua khuếch đại tạp âm thấp, đưa vào mixer như là thành
phần tín hiệu đầu vào, nó sẽ được nhân với tín hiệu có tần số f LO từ bộ tạo dao động nội. Tín
hiệu thu được sau mixer chứa các thành phần tần số fRFfLO sau khi qua lọc thông thấp được
thành phần fRF – fLO được gọi là thành phần tần số trung tần (IF).
Hai thành phần chính cấu tạo nên mixer là bộ kết hợp và bộ phát hiện. Bộ kết hợp sử dụng
các bộ ghép nối định hướng 900 hoặc 180 0. Bộ phát hiện thường sử dụng một diode như một
thiết bị phi tuyến. Tuy nhiên, những cấu hình gồm hai hoặc bốn diode cũng có thể được sử
dụng. Bên cạnh diode, các phần tử phi tuyến khác như BJT, FET với hệ số tạp âm thấp và độ
khuếch đại chuyển đổi cao cũng được sử dụng.
Nguyên lí hoạt động cơ bản của Mixer
Để thực hiện chức năng nhân tần số, phải sử dụng các thiết bị phi tuyến. Hình 3 miêu tả
cách thức chuyển đổi tần số của một mixer với đầu vào là tín hiệu RFF VRF (t) và tín hiệu từ bộ
dao động nội VLO (t) được xem như tín hiệu bơm.
Hình 3 - Sơ đồ mixer, hai thành phần tần số đầu vào tạo các tần số mới ở đầu ra
Cả diode và BJT đều có đặc tính truyền đạt là phi tuyến dạng mũ, biểu diễn như sau:
Điện áp đầu vào được biểu diễn như tổng của tín hiệu RF và tín hiệu
LO và một điện áp phân cực VQ:
Điện áp này đưa vào một thiết bị phi tuyến nên đặc tính dòng đầu ra có thể biểu diễn qua
chuỗi Taylor khai triển quanh điểm hoạt động Q:
Bỏ qua các thành phần phân cực VQ và IQ, thay biểu thức V vào I(V) thu được:
Có thể viết lại như sau:
Như vậy, có thể thấy rằng, đặc tính phi tuyến của diode hoặc transistor tạo các thành phần
tần số mới có dạng . Các biên độ cũng được khuếch đại lên với B là một hệ số phụ
thuộc vào thiết bị.
Ở trên, chuỗi Taylor mới chỉ biểu diễn đến số hạng thứ 3, tức là sản phẩm xuyên nhiễu bậ
hai (V2B) các thành phần bậc cao hơn đã bị loại bỏ. Với diode hay BJT, các thành phần bậc cao
này ảnh hưởng rõ đến hiệu năng của mixer.
Xem xét trong miền tần số:
Giả thiết rằng tần số trung tâm RF có hai thành phần tần số khác cách một khoảng
. Thành phần LO chỉ có một thành phần tần số tại . Sau khi thực hiện trộn tần, biểu diễn phổ
gồm cả các thành phần được nâng tần và hạ tần như trong hình 4.
Thông thường, quá trình đổi tần lên xảy ra ở phía phát và quá trình hạ tần thực hiện ở phía
thu. Một số khái niệm thường được sử dụng như:
- Dải tần dưới (Lower sideband):
- Dải tàn trên (Upper sideband):
- Hai dải tần (DSB): ( , )
Hình 4-Các thành phần sau khi đổi tần lên và đổi tần xuống
Một vấn đề phải xem xét đó là việc xuất hiện tần số ảnh trong cùng dải tần được đổi tần
xuống. Giả thiết một tín hiệu RF được đổi tần xuống với một tần số LO cho trước. Bên cạnh tín
hiệu mong muốn, chúng ta có một thành phần tần số đối xứng với thành phần RF qua tần số IF.
Thành phần RF được đổi tần như sau:
Tuy nhiên, thành phần tần số ảnh cũng được chuyển đổi như sau:
Do vậy, cả hai phổ tần đều bị dịch đến cùng một vị trí tần số. Để tránh hiện tượng này cần
có một bộ lọc loại tần số ảnh đặt trước mixer.
Hình 5 – Vấn đề tần số ảnh
Một số đặc tính quan trọng của Mixer
- Conversion loss: Tỉ số giữa mức tín hiệu đầu ra mong muốn so với mức tín hiệu đầu
vào (thường tính bằng dB) ứng với một mức công suất đầu vào LO.
- High-side injection: khi tần số LO cao hơn so với tần số RF.
- Low-side injection khi tần số LO thấp hơn so với tần số vào RF.
- Hệ số tạp âm (Noise Figure): Tỉ số cường độ tín hiệu trên nhiễu đầu vào chia đầu ra
đo tại 290K.
- Điểm nén 1dB: Đối với các mức tín hiệu đầu vào nhỏ, cường độ đầu ra tăng tuyến tính
theo cường độ tín hiệu đầu vào. Khi cường độ tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng, conversion loss
của mixer sẽ bắt đầu tăng. Điểm nén 1dB là mức cường độ tín hiệu đầu vào mà ở đó
conversion loss được tăng lên 1dB. Mixer cần được dự trữ từ mức điểm nén 1dB này để bảo
đảm tránh nguy cơ xuất hiện thêm các thành phần đầu ra không mong muốn..
- Điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point). Đây là một tham số chất lượng để
đánh giá tính tuyến tính của mixer. Nó được đo bằng cách đưa hai thành phần thử (tone) gần
nhau tại các tần số F1 và F2 vào đầu vào mixer. Các sản phẩm xuyên nhiễu bậc 3 từ các tone này
với thành phần tần số FLO tại các tần số (2F1F2)FLO và (2F2F1)FLO. Trong trường hợp
bộ đổi tần xuống, các sản phẩm xuyên nhiễu bậc ba đáng chú ý là (2F1-F2)- FLO và (2F2-F1)-
FLO do các thành phần này nằm gần với dải trung tần.
Hình 6 - Đo điểm chặn bậc 3
Bản chất của điểm chặn bậc 3 là một điểm tưởng tượng, tại đó các thành phần xuyên nhiễu bậc
3 trở nên đủ lớn so sánh với các sản phẩm đổi tần xuống mong muốn. Mức các thành phần bậc
3 tăng gấp 3 lần so với mức tăng của mức tín hiệu đầu vào và mức các thành phần cơ bản đầu
ra. Cường độ đầu ra tại điểm chặn bậc ba (TOIout) được tính toán như sau: (theo đơn vị dB)
- Tính tuyến tính: Tính tuyến tính của một mixer là khả năng kiểm soát mức tín hiệu của
nó. Một mixer có độ tuyến tính cao đồng nghĩa nó có TOI cao.
- Tần số ảnh: Với các mixer có FLO > FRF thành phần này là FLO + FIF, với các mixer
có FLO < FRF, thành phần này là FLO - FIF. Với các mixer đổi tần xuống, thành phần tần số
ảnh vào mixer sẽ được đổi tần xuống và trùng vào thành phần tần số IF. Với các mixer đổi tần
lên, thành phần này là một dải tần không mong muốn nếu không được lọc thích hợp thường ở
cùng mức năng lượng với tín hiệu mong muốn.
- Interport isolation (cách ly các cổng bên trong) là mức độ xuyên nhiễu giữa các cổng
LO, IF, RF của mixer. Giá trị này tính theo dB, là sự suy giảm tín hiệu của một cổng tại đầu vào
hoặc đầu ra cổng khác. Yếu tố quan trọng nhất của các cách ly này là sự suy giảm tín hiệu LO
tại các cổng IF và RF, xuyên nhiễu LO là khó khăn chính trong việc thiết kế bộ phát và thu của
hệ thống, và cách ly RF-LO ít được quan tâm bởi vì tín hiệu RF có các mức đầu vào thấp.
Thường thì cách ly LO-IF sẽ nằm trong dải từ 0 đến 50dB, phụ thuộc vào cấu trúc mạch và cơ
chế lọc ở các cổng.
Thiết kế mixer một đầu ra (Single-ended Mixer)
Đây là loại mixer đơn giản nhất nhưng hiệu quả không cao. Một ví dụ được minh họa
trong hình 7
Hình 7-Hai loại mixer một đầu ra
Các nguồn tín hiệu RF và LO được đưa vào một diode được phân cực bằng một mạch cộng
hưởng được điều chỉnh đến tần số IF mong muốn.
Một số tham số quan trọng cần lưu ý trong quá trình thiết kế là:
- Tổn hao chuyển đổi (Conversion Loss) hoặc khuếch đại chuyển đổi giữa công
suất tín hiệu RF và IF.
- Hệ số tạp âm
- Cách li giữa các cổng LO và RF
- Tính phi tuyến
Do các tín hiệu LO và RF không được phân cách về điện, nên có khả năng tín hiệu LO có
thể gây nhiễu với sự thu nhận tín hiệu RF. Để đặc trưng cho điều này, người ta đưa ra khái niệm
Conversion loss (CL) của một mixer (được tính bằng dB) là tỉ số giữa công suất cung cấp đầu
vào chia cho công suất đầu ra IF nhận được:
Giá trị Conversion gain là nghịch đảo của giá trị CL.
Bên cạnh, hệ số tạp âm của một mixer thường được định nghĩa tổng quát như sau:
Pnout và Pn in là công suất tạp âm tại đầu ra do tín hiệu đầu vào RF (tại RF) và tổng công suất
tạp âm tại đầu ra (tại IF).
Tính không tuyến tính thường được định lượng dựa vào sự nén chuyển đổi hoặc xuyên
nhiễu. Nén chuyển đổi liên quan đến công suất đầu ra IF chỉ tỉ lệ tuyến tính với công suất đầu
vào RF đến một điểm xác định nào đó rồi giảm dần. Điểm mà sự suy giảm đạt 1dB so với mức
tuyến tính là một tham số quan tâm của mixer. Xuyên nhiễu liên quan đến ảnh hưởng của thành
phần tần số thứ hai trong tín hiệu RF đầu vào. Để đánh giá ảnh hưởng này, hai tín hiệu thử
(tone) được sử dụng. Nếu fRF là tín hiệu mong muốn và f2 là thành phần tín hiệu thứ hai, quá
trình trộn tần tạo ra một thành phần tần số tại 2f2-fRF fLO trong đó dấu biểu diễn đổi tần lên
hoặc xuống. Ảnh hưởng của thành phần xuyên nhiễu này được biểu diễn trong cùng hình vẽ
biểu diễn nén chuyển đổi.
Hình 8 – Biểu diễn điểm nén 1dB và điểm chặn bậc 3
Điểm chặn (cắt) giữa đáp ứng đầu ra tuyến tính và đáp ứng thành phần xuyên nhiễu bậc 3
không mong muôn gọi là điểm chặn bậc ba là một tham số chất lượng chung, chỉ ra khả năng
của một mixer để triệt tiêu ảnh hưởng này.
Một số tham số khác cũng có thể được xem xét như sự cách li giữa các cửa RF và IF và dải
động (dải biên độ mà không có sự suy giảm về hiệu năng).
Việc thiết kế mixer theo cách này dựa trên sơ đồ tổng quát như hình 9. Các tín hiệu RF và
LO được cấp ở đầu vào của một transistor hoặc một diode được phân cực. Các kĩ thuật phối hợp
trở kháng ở đầu vào và đầu ra được thực hiện.
Hình 9– Sơ đồ tổng quát thiết kế một mixer một đầu ra
THIẾT KẾ BJT MIXER MỘT ĐẦU RA VỚI TẦN SỐ RF 1575.42 MHz:
Mô hình sử dụng là BJT Motorola MMBR941. Đây là BJT có hệ số tạp âm thấp, được sử
dụng ở dải tần rộng và tần số cao: có thể lên tới 3GHz.
Tính toán phân cực cho transistor:
VC và IC đã được xác định, chỉ cần tính toán dòng IB.
VCC = 1V, ICE = 500uA và IBB thay đổi từ 1uA đến 10uA.