Conversión de frecuencias

Circuitos Electrónicos IIIngeniería Electrónica

Ing. Fernando Clara – Ing. Gustavo Meschino

Universidad Nacional de Mar del PlataFacultad de Ingeniería

Multiplicación ideal

Suma en dispositivo alineal

( ) cos( )2

cos( )2

SS S S m

SS m

mVv t V t

mV t

( ) cosC C Cv t V t

( ) ( ) ( )L S Cv t v t v t

Señal de AM

Señal auxiliar (Oscilador Local)

Señales convertidas

Espectro en la entrada Espectro en la salida

2 3( ) ( ) ( ) ( )L S C S C S Ci t A B v v C v v D v v

2 2 2( ) 2S C S C S CC v v Cv v Cv Cv

Conmutación

1 2 2( ) cos cos32 3aux C CF t t t

( ) ( ) ( )L aux Sv t F t v t

2 cos cos1 2( ) cos cos cos32 3S SL S S S S CCv t V t V tV tt t

c s( c) os oS SSL C C S

V Vt tv t Efecto como de multiplicaciónde ambas señales.

Función auxiliar: conmutación.

Transistores en RFParámetros de admitancia

2 1

2 1

1 111 12

1 20 0

2 221 0 22

1 20 0

i rv v

fv v

i iy y y yv v

i iy y y yv v

iyig ib

1i i i

in

y g jbZ

0 0 01

out

y g jbZ

fjf fy y e

rjr ry y e

r fy y

V f LA y R

0y0g 0b

f my g

Input admittance

Output admittance

Forward transfer

Reverse transfer

Amplificador de RF [sintonizado]

1 1 //P gR R R 2 2 //P LR R R

22 0 2

f fceV f

be

y yvA y Rv G g G

1

1r

i

yG g

2 0 1

1f r

i

y yG g G g

Consideramos gananciaen inversa baja

Considerando el modelo del transistor

En resonancia:

2 0G g

Condición de estabilidad

Ganancia en directa Ganancia en inversa

Ganancia de tensión

Circuito amplificador con TRJ o FET( ) ( )C mQ Si t g v t

LV mQ L

S

vA g Rv

( , )mQ Cg F I fMuy bajaamplitud

( )Ci tCQI

( )mg tmQg

t

t

mQ feg y mQ fsg y

'

1

1

CQmQ

CQTbb

T T

Ig IV j r

V

Con el modelo de Giacoletto, en TBJ:

Polarización

Autopolarización

Mezcladores

1 2 2( ) cos cos32 3m mQ C Cg t g t t

( ) ( ) ( )2

cos c2

cos cos

c

os cos3

os cos

2 3

( ) cos2

mQS S C

mQ S m

C m S

m

Q SC S C

Q mQS S S S C

m SS S

QC

i t g t v tg g

V t V tg

V t t

g V g Vt

t

Vi t t

gt

( )( )

C C SmC

S S

IgV

mQmC

gg ( ) ( )L C S mC L S SV g R V

Amplitud de señal convertidaTransconductancia de conversión Este caso:

Bajo nivel

Alto nivelDiscontinuas

Cuando espositivo, el TBJ noestá saturado.

MezcladoresOtras formas de onda de corriente

1 1( ) cos2m mMAX Cg t g t

4mMAX

mC

gg

( ) cosm mQ m Cg t g g t

2m

mC

gg

Clase B

( ) ( ) ( )C m Si t g t v t( )

( )C C S

mCC S

IgV

Transconductancia de conversiónoperando en clase B.

Transconductancia de conversiónoperando en clase A.

Clase A

Transconductancia de conversión general:

Circuitos mezcladoresInyección por base

Inyección por emisor

El OL produce una caídade tensión en el tanque

e irradia.

Disminuye la radiación, pues lacorriente hacia el tanqueva a través de la corriente alternade base.

Antena

Antena

Circuitos mezcladoresConversor

Nivel de inyecciónCQ

fT

Iy

V

Genera el oscilador local y lo mezcla en el mismo circuito.

Cada sintonizadopresentaimpedanciamáxima para sufrecuencia deresonancia y bajapara las demás.

Oscilador con base a masaColector y emisor acoplados

Resuena a lafrecuencia convertida

El valor óptimo de la amplitud deloscilador local debe ser tal que seopere en la zona lineal.

MOSFET doble compuertaConfiguración como amplificador

Polarización

VG2 S = 4.0, 3.5, 3.0, 2.5,2.0, 1.5 y 1.0 V

VDS = 5V, T = 25°C

0.1 a 0.2D S DDI R V

1 1 2 21 3 2 4

DD DDV VV R V RR R R R

1 1 2 2G S GS G S GSV V V V V V

D m Si g v

( , , )m D DSg F I V f

21m fs Sg y y

L m Lv g R

1 2( , )D G S G SI F V V

LR

Mezclador con MOSFET doble compuerta

mQmC

gg

L mC L SV g R V

• Baja ganancia.

• No genera productos de 3erorden o más.

• Se aísla totalmente el circuito deseñal del oscilador local.

Mezclador con multiplicador doble balanceado

Oscilador

Entrada

Salida

MC3359

Mezclador con multiplicador doble balanceado

Mezclador con multiplicador doble balanceado

Circuitocompleto

Oscilador a cristalClapp

0.7 V3.5K

I

1mVSV

3 9 1( ) ( ) ( )C C auxi t i t F t

4 9 2( ) ( ) ( )C C auxi t i t F t

5 10 1( ) ( ) ( )C C auxi t i t F t

6 10 2( ) ( ) ( )C C auxi t i t F t

11 2 2( ) cos cos32 3aux C CF t t t

21 2 2( ) cos cos32 3aux C CF t t t

Funciones auxiliares (conmutación)

9 ( ) cos2 2

SC m S

VIi t g t

10 ( ) cos2 2

SC m S

VIi t g t

3 9 1( ) ( ) ( )

2 cos cos

1 2 2cos cos cos32 2 2 3

2cos cos3 cos4 3 4

2 cos cos32 32

C C

Sm S

aux

Sm S C

C C

SC C m S

Sm S C

I Vg t t t

I I

i t i t F t

Vg

I Vt t g t

Vg t tt t

11 2 2( ) cos cos32 3aux C CF t t t

21 2 2( ) cos cos32 3aux C CF t t t

9 ( ) cos2 2

SC m S

VIi t g t

10 ( ) cos2 2

SC m S

VIi t g t

6 10 2

1 2 2cos cos cos32 2 2

( ) ( ) ( )

2 cos cos

32cos cos3 cos

4 3 42 cos cos3

2 2 3

C C aux

Sm S

Sm S C C

SC C m S

CS

m S C

I Vg t t t

I I

i t i t F t

Vg

I Vt t g t

Vg t tt t

Demostración de que los términos útiles en los dos pares de corrientes son las mismas.

Las componentes de frecuencia son iguales.

3 6( ) ( ) cos( )2m S

C C C Sg Vi t i t t

4 5( ) ( ) cos( )2m S

C C C Sg Vi t i t t

4 3

3 6 4 5

( ) ( ) ( )

2 cos( )

L C C

C C C C L

m SL C S

v t v t v ti i i i Rg V R t

'

12 1

2

mCT

bbT T

Ig IV j rV

Tensión al amplificador diferencial

LR3 5

4 6

( ) 0 conducen y ( ) 0 conducen y

C

C

v t Q Qv t Q Q

Los términos útiles en estos dos pares decorrientes son las mismas.

Conversión de frecuenciasAplicaciones

Conversor de frecuencias inaudibles al espectroaudible en un dispositivo para deficiencias auditivas.

(Tesis de Alejandro Uriz, 2014)

Conversión de frecuenciasObjetivos logrados

• Comprender el proceso de conversión de frecuencias pordiferentes métodos ya empleados para demodulación.

• Recordar los parámetros en alta frecuencia de transistores conel fin de evaluar la ganancia.

• Comprender el concepto de Transconductancia de Conversiónaplicado a diferentes tipos de polarizaciones.

• Ver diferentes formas de mezclar una señal con un osciladorlocal.

• Aplicar un MOSFET de doble compuerta.

• Analizar un circuito integrado real.

Conversión de frecuenciasAutoevaluación

1. Defina las impedancias de entrada, salida y la transconductancia de un transistor dealta frecuencia en base a sus parámetros de admitancia.

2. Dibuje el circuito real completo y polarizado de un amplificador sintonizado.

3. Dibuje el circuito equivalente de un amplificador sintonizado. Calcule su ganancia y suancho de banda.

4. Explique el principio de operación de los mezcladores que operan según el métodode:

a) Multiplicación ideal;b) Suma en dispositivo alineal;c) Conmutación.

5. Calcule la transconductancia de conversión de un transistor que opera como mezcladordel tipo conmutado, cuya señal de oscilador local lo hace operar:

a) con onda cuadrada;b) en clase A;c) en clase B.

Conversión de frecuenciasAutoevaluación

6. Dibuje el esquema de un mezclador con inyección por emisor. Defina las frecuenciasde operación de sus circuitos sintonizados.

7. Explique el principio de funcionamiento de un conversor autooscilante.

8. Considere unmezclador con transistor de efecto de campo de doble compuerta.

a) Dibuje el circuito real completo y polarizado.b) Defina las frecuencias de operación de sus circuitos sintonizados.c) Indique el procedimiento de cálculo de los resistores de autopolarización.d) Indique el procedimiento de cálculo de la transconductancia de conversión.

10. Dado el circuito integrado de un conversor con multiplicador doble balanceado yoscilador a cristal:

a) Explique su funcionamiento.b) Calcule su transconductancia de conversión.