Page 1. Elettronica delle telecomunicazioni ETLCE - A4 18/02/ DDC 1. Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione. Contenuti del Gruppo A

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1 Modulo Politecnico di Torino Facoltà dell Inormazione Elettronica delle telecomunicazioni A - Ampliicatori, oscillatori, mixer A4 - Moltiplicatori e Mixer» parametri di molt/mixer» moltiplicatori a 1/2/4 quadranti,» cella di Gilbert» applicazioni Contenuti del Gruppo A Ampliicatori con transistori rete di polarizzazione analisi con modello lineare e nonlineare BJT e MOS applicazioni della nonlinearità Oscillatori oscillatori sinusoidali Mixer a trasconduttanza, BJT e MOS, a diodi Circuiti nonlineari ampliicatori logaritmici 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Mixer: dove? Contenuti di questa lezione (A4) Mixer a radiorequenza Mixer I/Q (seconda conversione) principio dei moltiplicatori a trasconduttanza, moltiplicatori a 1/2/4 quadranti Rierimenti nel testo moltiplicatori analogici Ri esterni:» RF/Microwave Circuit Design or Wireless Applications, Ulrich L. Rohde e David P. Newkirk, J.Wiley & Sons, /02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Moltiplicatori analogici Eetti degli errori sullo spettro Moltiplicatore ideale Vu = Km Vx Vy Ingressi sinusoidali, requenze Fx e Fy Vu contiene solo Fx-Fy e Fx+Fy Fdt reale Vu = Km Vx Vy + Ex Vx + Ey Vy + Eo Moltiplicatore reale Vu = Km Vx Vy + Ex Vx + Ey Vy + Eo + altri termini ord. >2 x y Ingressi sinusoidali, requenza Fx e Fy Vu contiene Fx-Fy, Fx+Fy, Fx, Fy, DC» eventuali termini di ordine superiore: 2Fx, 2Fx-Fy, 3Fx-2Fy,... o x a b y-x y y+x d 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 1

2 Errori in uscita - 1 Errori in uscita - 2 Errori di eedthrough presenza in uscita di componenti in ingresso dovuti a oset eliminabili correggendo il bilanciamento speciica: livello rispetto a componenti utili Errori di nonlinearità presenza in uscita dei prodotti di ordine superiore» 2x, 2y, 2x+y, 2x-y, 2x+2y, 3x, 3y, 3x+y,.. eliminabili con circuiti accordati speciica: livello rispetto a componenti utili o x y-x y y+x o a b y-x c y+x d 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Circuiti per moltiplicatori moltiplicatori a trasconduttanza, Moltiplicatori su 1/2/4 quadranti Eetti delle nonlinearità Reti nonlineari Trasconduttanza Cella di Gilbert Interruttori 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Moltiplicatori con reti nonlineari Moltiplicatori a trasconduttanza Vi = Vx + Vy (requenza Fx e Fy) Vu = Fnonlin(Vi) sviluppando la nonlinearità in serie di potenze Vu = A 0 + A 1 (Vx + Vy) + A 2 (Vx+Vy) Vu contiene» Vx, Vy requenza Fx e Fy» Vx Vy requenza Fx - Fy e Fx + Fy»Vx 2, Vy 2 requenza 2Fx e 2Fy» altri termini requenza M Fx + N Fy occorre isolare la componente desiderata con un circuito risonante Per un ampliicatore in linearità Vu =Vx g m Rc guadagno legato alla trasconduttanza g m g m dipende da Ic (Id) ampliicatore con Ic (Id) controllata da Vy g m = K Vy Vu = K Rc Vx Vy con 1 transistore Vx, Vy > 0: 1 quadrante con stadi dierenziali può coprire quadranti 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 2

3 Circuiti a trasconduttanza Circuito a 1 quadrante Vu = Vx g m Rc Vu = Vx g m Rc g m = K Vy Vu = K g m Vx Vy Vx e Vy > 0 1 quadrante può essere esteso a 2-4 quadranti 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Circuito a 2 quadranti 2 quadranti: dierenziale su Vx Modulatore bilanciato annulla eedthrough da Vy (modo comune) moltiplicatori a trasconduttanza, Moltiplicatori su 1/2/4 quadranti Eetti delle nonlinearità 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Moltiplicatori a 4 quadranti Cella di Gilbert 4 quadranti: doppio dierenziale: modulatore doppio bilanciato Il doppio dierenziale è noto come Cella di Gilbert Annulla eedthrough da Vx e Vy I1 - I2 =k VY V DD usa g m ; può essere realizzato a MOS o BJT I 1 I 2 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 3

4 Errori con cella di Gilbert Moltiplicatore ad ampia dinamica - a Conversione V I anche con dierenziale è lineare solo per tensioni piccole limitata dinamica (per errori contenuti) Come correggere? linearizzare con controreazione» inserire Re convertitore V I ad ampia dinamica» (ampliicatore da strumentazione) compensare la nonlinearità esponenziale» I = exp(log Vi)» I = K Vi Convertitore V- I = Vx/Rx I ad ampia dinamica 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Moltiplicatore ad ampia dinamica - b Circuito completo ad ampia dinamica Compensazione della non linearità da I creare un V con relazione logaritmica 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Mixer a diodi - singolo bilanciato moltiplicatori a trasconduttanza, Moltiplicatori su 1/2/4 quadranti Eetti delle nonlinearità Ponte di diodi I diodi agiscono come interruttore da Vx a massa comandato da Vy uscitavx/0 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 4

5 Mixer a diodi - doppio bilanciato Mixer a interruttori Coppia di diodi commuta tra due Vx di polarità opposta uscita +Vx/-Vx Ponte di diodi 1 inverte Vx verso l uscita Ponte di diodi 2 Vx sinusoidale, basso livello Vy onda quadra, alto livello Vx + Vy su una diagonale ciascun diodo è un interruttore comandato da Vy Vo dall altra diagonale Ponte di interruttori comandati da Vy che commutano Vx/- Vxsull uscita equivale a moltiplicare per +-1 orte nonlinearità SW a diodi o a MOS Conigurabile come mixer doppio bilanciato per requenze elevate V z 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Mixer a interruttori L ingresso VY è binario, e comanda gli interruttori Interruttori su maglie adiacenti hanno comandi complementari L ingresso VX può essere analogico L uscita è VZ = +/- VX (segno controllato da VY) = H = H V z = V x V z = -V x moltiplicatori a trasconduttanza moltiplicatori a 1/2/4 quadranti Eetti delle nonlinearità 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Applicazioni dei moltiplicatori A cosa serve il prodotto? Mixer o miscelatori: traslatori di requenza» conversioni nei ricevitori e trasmettitori eterodina Moltiplicatori: modulatori» modulazione AM e PAM ampliicatori a guadagno variabile (calcolo analogico) Traslazione di requenza con battimento Relazioni base sena senb = 0,5 [cos(a-b) - cos(a+b)] sena cosb = 0,5 [sen(a-b) + sen(a+b)] cosa cosb = 0,5 [cos(a-b) + cos(a+b)] Ricevitori e trasmettitori eterodina I e II conversione Modulazione AM, AM a portante soppressa (DSB) AM a banda laterale unica (SSB) 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 5

6 Mixer e intermodulazione Mixer e intermodulazione Mixer ideale (lineare) l uscita contiene solo termini somma e dierenza x - y, (x + y) Mixer ideale (lineare) X V Z Mixer reale X - Y X Y X V Z X - Y, ( X + Y ) le nonlinearità aggiungono armoniche agli ingressi l uscita contiene termini di ordine superiore X X, 2 X, 3 X,... X V Z X - Y, 2 X - Y, X -2 Y, 3 X,... 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Parametri dei mixer Intermodulazione nei mixer Parametri dei mixer guadagno di conversione: IFrms/RFrms Cira di rumore (NF) isolamento linearità (visto come un ampliicatore)» dinamica dei segnali di ingresso» intermodulazione» livelli di compressione» Intercept Point Segnali di ingresso: due segnali sinusoidali a requenze 1 e 2 Segnale di uscita segnale utile 2-1 segnali di ingresso 1, 2 armoniche 21, 22, 31,... Battimento somma: battimenti III ord. 21-2, 22-1,... 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Dierenze mixer - ampliicatori Sommario lezione A4 Segnali di ingresso: due segnali sinusoidali a requenze 1 e 2 Uscita ampliicatore: stesse requenze Uscita mixer: requenza dierenza parametri unzionali errori, eetti sullo spettro di uscita principio dei moltiplicatori a trasconduttanza, moltiplicatori a 1/2/4 quadranti mixer bilanciati cella di Gilbert parametri 18/02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 6

7 Veriica lezione A4 Prossima lezione (A5) Cosa dierenzia i moltiplicatori a 2 e 4 quadranti? Cosa è il eedthrough di un moltiplicatore? Come compensare l errore di eedthrough dalla Vx? Ampliicatori logaritmici Analisi unzionale Circuiti Esercitazione di laboratorio Prerequisiti A.O. con reazione equazione della giunzione PN Rierimenti nel testo Ampliicatori logaritmici ed esponenziali /02/ ETLCE - A DDC 18/02/ ETLCE - A DDC Page DDC 7