MISTURADORES DE RF MONOLÍTICOS

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1 MISTURADORES DE RF MONOLÍTICOS Profª. Maria João Rosário Instituto de Telecomunicações Av. Rovisco Pais, Lisboa 1

2 Introdução A maioria dos circuitos é analisada supondo o circuito linear e invariante no tempo. Desvios a esse modo de funcionamento são, usualmente, tratados como efeitos indesejáveis. MAS, a maioria - se não todos - os equipamentos de comunicações necessitam de circuitos não-lineares ou variantes no tempo. Por exemplo, o receptor superheterodino usa um misturador para transpor o sinal de entrada para uma frequência mais baixa. 2

3 Introdução Sistemas lineares, invariantes no tempo não conseguem produzir na saída sinais com componentes espectrais diferentes das do sinal de entrada Então, os misturadores têm de ser circuitos não-lineares ou variantes no tempo de modo a obter alteração (conversão) da frequência. 3

4 Objectivo Específico Introdução Transposição na frequência de um sinal com informação (f in f out ) para aproveitar a melhor eficiência da transmissão de sinais em alta frequência em espaço livre (via rádio terrestre ou via satélite) ou guiada (via cabo eléctrico ou fibra óptica). Vantagens: - maior largura de banda disponível - antenas menores e com mais eficiência - melhores condições de propagação Desvantagens: - maior dificuldade em processar os sinais em alta frequência 4

5 Introdução Princípio de funcionamento Excitação dum circuito com dispositivos não lineares por um ou mais sinais (através de redes de adaptação e filtragem) e filtragem na saída dos produtos de intermodulação indesejados. f in Filtro e adaptação de entrada Dispositivo não linear Filtro e adaptação de saída f out f OL Filtro e adaptação de OL 5

6 Introdução Pelo menos um dos sinais terá que ser forte (sinal auxiliar - f OL ) e apenas um contem informação (sinal de entrada - f in ) Na saída, no caso geral, teremos: fout mfin nfol m,n 0,1,2,... Exemplos: - conversor de frequências na recepção conversor inferior (-) na emissão conversor superior (+) - modulador OL =portadora e in =modulante - desmodulador OL =portadora de in - multiplicador só um sinal forte (n=0 e m>1) - detector só um sinal forte (n=0 e m=0) 6

7 Introdução A maioria dos misturadores usam a multiplicação de dois sinais no domínio do tempo. Modulação cruzada se B não for constante Amplitude proporcional à entrada se B for constante (Acos 1 t)(bcos 2 t)=(ab/2)[cos( 1-2 )t+cos( )t] Diferença Soma 7

8 Introdução S RF = V RF cos ( RF t) S OL = V OL cos ( OL t) RF OL S FI = S RF S OL = 1/2V RF V OL [cos ( RF - OL )t+cos ( RF + OL )t] FI OL RF FI MHz 930.7MHz 10.7MHz MHz

9 Classificação de misturadores misturadores forma de variação tipo de dispositivo nº de dispositivos passivo activo analógicos amostragem equilibrado simples interrupção comutação simplesmente equilibrado duplamente equilibrado 9

10 Carcterização de misturadores Ganho de Conversão RF FI OL Ganho de tensão de conversão do misturador: (valor eficaz eficaz da tensão do sinal de FI) / (valor eficaz da tensão do sinal de RF) Ganho de potência de conversão do misturador: (potência entregue à carga à frequência FI) / (potência disponível da fonte de RF) Geralmente não são iguais pois as impedâncias dos portos de RF e FI são diferentes 10

11 Carcterização de misturadores Factor de Ruído O factor de ruído de um misturador define-se como seria de esperar: A relação sinal/ruído na entrada (RF) a dividir pela relação sinal/ruído na saída (FI). No entanto, o factor de ruído em misturadores tem sido uma grande fonte de confusões. Talvez porque o misturador tem duas frequências de entrada (ou bandas laterais) que produzem a mesma saída. 11

12 Carcterização de misturadores Bandas Laterais 1 B A FI FI IM OL des Sinais desejado e imagem são transpostos para a frequência FI. RF OL FI (Acos des t)(cos OL t)= (A/2)[cos( des - OL )t+cos( des + OL )t] = (A/2)[cos( FI )t+cos(2 OL + FI )t] (Bcos IM t)(cos OL t)= (B/2)[cos( IM - OL )t+cos( IM + OL )t] = (B/2)[cos( FI )t+cos(2 OL - FI )t] 12

13 Carcterização de misturadores Factores de Ruído SSB e DSB Factor de Ruído em Banda Lateral Única (SSB) Deve-se usar quando o sinal desejado está numa banda lateral. O ruído vem a dobrar, o sinal não relação sinal/ruído 3dB pior. Factor de Ruído em Banda Lateral Dupla (DSB) Deve-se usar quando o sinal desejado está em duas bandas i.e. só em conversão directa! O ruído vem a dobrar mas o sinal também relação sinal/ruído igual Ruído térmico de R s RF OL im Misturador de ganho unitário e sem ruído R s 0 FI RF ~ OL FI 13

14 Carcterização de misturadores Factores de Ruído SSB e DSB O factor de ruído em banda lateral simples é 3dBs superior ao factor de ruído em banda lateral dupla!! 14

15 Isolamento Carcterização de misturadores De um modo geral é desejável maximizar o isolamento entre os três portos: RF, OL e FI. O sinal de OL que aparece na saída de FI pode causar saturação nos circuitos seguintes. O sinal de OL que aparece na entrada de RF pode chegar à antena e ser transmitido (sinal interferente). Em receptores de conversão directa o sinal de OL que aparece na entrada de RF ou o sinal de RF que aparece no porto de OL conduz a auto-mistura e gera desvios em dc ou mesmo desvios variáveis no tempo 15

16 Carcterização de misturadores Linearidade de Transposição Quando um sinal desejado chega ao misturador já foi amplificado por um ou mais LNAs. Isto significa que pode haver imposições na linearidade dos misturadores! Mas nós acabamos de ver que os misturadores tinham de ser circuitos não-lineares ou variáveis no tempo para funcionarem. Então o que é que queremos dizer? 16

17 Carcterização de misturadores Linearidade de Transposição Os misturadores, tal como os amplificadores, têm um nível do sinal de entrada para o qual o ganho baixa de 1dB, e a partir do qual a distorção na modulação do sinal de entrada começa a ser apreciável. Pretende-se que o ponto de compressão do ganho (P 1dB ) seja elevado. A distorção de terceira ordem produz componentes de intermodulação em 2 RF2 +/- RF1 e 2 RF1 +/- RF2. Os termos da diferença podem facilmente cair na frequência de FI e corromper o sinal desejado. Em conformidade, pretende-se um ponto de intersecção de intermodulação na entrada (IIP3) baixo ou do mesmo modo o referido à saída (OIP3) 17

18 Funcionamento Sistemas Não-Lineares como Misturadores Lineares Diporto não linear V in F(V in ) V out Se a não linearidade for descrita como: V out = c 0 + c 1 (V in ) + c 2 (V in ) 2 + c 3 (V in ) Então a saída consiste em três tipos de produtos: termos dc, harmónicas das entradas e produtos de intermodulação das referidas harmónicas Usualmente, só a intermodulação de segunda ordem interessa pelo que o desafio está em maximizar este termo e eliminar os restantes. 18

19 Simulação de misturadores No domínio do tempo (SPICE) os sinais de entrada têm geralmente: amplitudes muito diferentes tolerâncias numéricas mais apertadas frequências muito próximas espectro muito largo e tempos de simulação muito elevados SpectreS - Regime permanente periódico (PSS) Análise tempo - frequência (Balanço Harmónico) ADS e Microwave Office tempo de cálculo mais reduzido só dá regime final 19

20 Simulação de misturadores Sinais fortes / sinais fracos excitação monotal com apenas um sinal forte 1. Análise em sinais fortes e dc (temporal ou tempo-frequência) 2. Análise em sinais fracos - generalização da linearização em torno do PFR para polarização dinâmica (dc+sf) g( t ) Gn exp( n jnolt ) Matriz de conversão IN I N1... IN G0 G 1... G2N G1 G0 G1 G2N G0... G2N VN G 2N1 V N G0 VN 20

21 Misturadores a Díodos Misturadores a díodos simples Os primeiros misturadores para altas frequências eram todos deste tipo pois não havia transístores com ganho a estas frequências. Ainda hoje são comercializados para diversas aplicações e são utilizados em circuitos monolíticos (GaAs) a frequências superiores a 70GHz V in V out 21

22 Misturadores a Díodos Misturadores a díodos simples 430MHz 400MHz f RF L bloq a 430 MHz f FI 30MHz rejeição de f OL f OL V D DC f FI =f RF -f OL Circuito típico dum misturador simples de RF (UHF) 22

23 Misturadores a Díodos Misturadores a díodos equilibrados V OL V RF V FI Mais perdas e pior factor de ruído Isolamento Cancelamento de alguns produtos de intermodulação 23

24 Misturadores a Díodos Misturadores a díodos equilibrados 1 3 D 1 v RF ~ R 1 R D 2 R L v OL ~ Mais perdas e pior factor de ruído Isolamento Cancelamento de alguns produtos de intermodulação 24

25 Misturadores a Díodos Misturadores a díodos equilibrados FI díodos cc de RF OL Acoplador de Lange RF Máscara para fabrico de um misturador monolítico a díodos simplesmente equilibrado 25

26 Misturador Simples Misturadores com CMOS Se considerarmos o transístor MOS ideal obtemos um misturador quadrático LC sintonizado para a frequência soma ou para a frequência diferença V BIAS + - L v RF v OL M 1 ~ ~ V DD C v FI Não há isolamento entre os portos de RF e OL! 26

27 Misturadores com CMOS Misturador Simples CoxW id 2L CoxW id 2L V V 2 GS th V v cos t v cos t V 2 BIAS RF RF OL OL th V DD gc id( FI vrf ) CoxW 2L vol L C CB v FI Transcondutância de conversão proporcional à amplitude do oscilador local e independente da polarização v RF M 1 R BIAS V BIAS + - I BIAS C B v OL 27

28 28 Concretização em BiCMOS Misturador Simples Transcondutância de conversão proporcional à transcondutância de sinais fracos e à amplitude do oscilador local BE V T / v S C e i I 2 T RF T RF C C V v 2 1 V v 1 I i T OL 1 T OL 0 m T OL 1 T OL 0 T C c V v I V v I g V v I V v I V I g C L + - V BIAS v RF T 1 v OL v FI CB I BIAS R BIAS C B V CC RF RF C c v ) ( i g

29 Concretização em CMOS Misturador Simplesmente Equilibrado Converte a tensão de RF em corrente e realiza uma multiplicação de correntes R V FI R O OL aparece directamente na saída! V OL I BIAS + I RF cos( RF t) v FI (t) = R sgn [cos( OL t) ] [I BIAS + I RF cos( RF t) ] 29

30 Concretização em CMOS Misturador Simplesmente Equilibrado OL deve ser suficientemente elevado para que M 1 e M 2 funcionem como interruptores R V FI R V OL M 1 M 2 V RF cos( RF t) M 3 Ganho de conversão G C = (2/)*g m *R OL aparece no porto de FI e no de RF IIP3 do misturador ao IIP3 de M 3 V dsat impõe IIP3 30

31 Concretização em CMOS Misturador Simplesmente Equilibrado Como manter esta multiplicação directa dos dois sinais sem obter também o sinal do oscilador local na saída? 31

32 Concretização em CMOS Misturador Duplamente Equilibrado R V FI R V OL + M 3 M 4 M 5 M 6 V OL + V RF cos( RF t) M 1 V LO - M 2 -V RF cos( RF t) Anti-paralelo para OL Paralelo para RF Isolamento OL-FI>40dB 32

33 Concretização em CMOS Misturador Duplamente Equilibrado R V FI R V OL + M 3 M 4 M 5 M 6 V OL + V RF cos( RF t) M 1 V LO - M 2 -V RF cos( RF t) Rejeição de modo comum 33

34 Concretização em CMOS Misturador Duplamente Equilibrado Esta é a estrutura mais utilizada, com transístores MOS ou com bipolares (célula de Gilbert) V OL + R M 3 M 4 V FI R M 5 M 6 V OL + V RF cos( RF t) M 1 V LO - M 2 -V RF cos( RF t) 34

35 Concretização em CMOS Misturador Duplamente Equilibrado Podem-se usar bobinas exteriores para adaptação ao filtro de FI exterior (ou balun) V FI + V DD 2R V DD V FI - Pode-se ter um R elevado sem queda de tensão em dc V OL + M 3 M 4 M 5 M 6 V OL + V LO - V RF cos( RF t) M 1 M 2 -V RF cos( RF t) Ganho de conversão: G C = (2/)*g m1 *R Idealmente o oscilador local não aparece nos portos de RF ou de FI V BIAS M 7 35

36 Concretização em CMOS Misturador Duplamente Equilibrado sem entrada diferencial e baixa impedância G C = (2/)*g m *R V FI + V DD R R V DD V FI - V OL + M 3 M 4 M 5 M 6 V OL + Z IN 1/g m1 V LO - V BIAS2 M 1 V RF M 2 V BIAS1 M 7 Fonte de corrente 36

37 Concretização em CMOS Misturadores Duplamente Equilibrados (Baseados na célula de Gilbert) Isolamento elevado entre todos os portos (RF, OL, FI) O misturador tem ganho Factor de ruído baixo devido a haver amplificação antes da mistura 37

38 Concretização em CMOS Misturadores Duplamente Equilibrados Vdd (Baseados na célula de Gilbert) 0.8mm R Vo+ R V1- Vo- V1+ M1 M2 M3 M4 0.8mm V2- VBias M5 M6 V2+ Iref M7 M8 IBias Layout do Circuito 38

39 Concretização em GaAs Misturador a frio monolítico com um FET para ondas milimétricas (64GHz 7GHz) 39

40 Concretização em GaAs Misturador com injecção pela porta (quente) monolítico com um FET para ondas 40

41 Concretização com elementos concentrados Misturador com injecção pela porta em fonte comum (Motorola Application) 41