6.3: Mezcladores de un solo extremo, balanceado y doble equilibrado

En la Figura se muestran mezcladores de diodo de extremo único, equilibrado y doble equilibrado\(\PageIndex{1}\). El tipo de mezclador más simple que se ha considerado es el mezclador de diodo de extremo único o desequilibrado de la Figura 6.2.2 (a). Esto se muestra como un mezclador de conversión descendente donde la señal de RF\(f_{\text{RF}}\) se mezcla con el LO en\(f_{\text{LO}}\) para producir una señal IF convertida descendentemente en\(f_{\text{LO}} − f_{\text{RF}}\). La señal de imagen at\(f_{\text{LO}} + (f_{\text{LO}} − f_{\text{RF}})=2f_{\text{LO}} − f_{\text{RF}}\) será convertida a la misma señal IF. Por supuesto, no es deseable convertir a la baja la señal de imagen y podría prevenirse mediante el uso de filtros como se muestra, pero el uso de filtros hace que el filtro sea bastante grande. Hay muchas frecuencias espurias con el mezclador de un solo extremo como se ve en la Figura 6.2.5. La mayoría de estos se pueden eliminar con filtrado, pero el uso de filtros es indeseable y ciertamente no es compatible con implementaciones en chip. La solución es usar la simetría para cancelar muchos de los tonos espurios. La figura\(\PageIndex{1}\) (b y c) muestra dos tipos de simetría, mezcladores balanceados y dobles balanceados. Se podría usar otro nivel de simetría (aplicándolo al IF) en el mezclador doble balanceado y luego podría llamarse un mezclador triple balanceado. Los mezcladores triples balanceados casi siempre se conocen como un mezclador de doble equilibrado. No se puede decir si un mezclador está equilibrado, o incluso doble equilibrado sin rastrear a través del proceso de cancelación. Con cada grado creciente de simetría se obtiene mayor linealidad del proceso de conversión. El mezclador de doble equilibrado en forma de FET es particularmente atractivo ya que los FET no necesitan estar sesgados. Excepto a frecuencias de onda milimétrica muy altas y frecuencias de terahercios, todos los mezcladores hoy en día son de la forma balanceada doble o triple. Sin embargo, puede haber mezcla involuntaria por lo que se debe estudiar el mezclador desequilibrado para que se pueda identificar la mezcla no deseada.

6.3.1 Mezcladores RFIC

Los mezcladores RFIC por debajo de las frecuencias de onda milimétrica utilizan el transistor como un interruptor, ya sea con conductancia finita cuando el interruptor está cerrado y prácticamente cero conductancia cuando el interruptor está abierto. El primer mezclador a considerar se basa en el mezclador de conmutación que se muestra en la Figura 6.2.12.

Figura\(\PageIndex{1}\): Mezcladores de diodos de conversión descendente desequilibrados (también conocidos como de extremo único), balanceados y doblemente equilibrados que mezclan un LO con una RF para producir filtros de paso de banda IF de menor frecuencia.

Figura\(\PageIndex{2}\): Modelo de la celda Gilbert y modelos de circuito equivalente. El circuito se utiliza como mezclador donde\(v_{y}\) está el LO y\(v_{x}\) es el RF. (Esto se conoce como un mezclador de doble equilibrado pero estrictamente es un mezclador triple balanceado ya que hay simetrías RF, IF y LO que resultan en un alto nivel de cancelación de tonos espurios).

6.3.2 Celda Gilbert

La celda Gilbert se basa en el circuito mezclador de conmutación de la Figura 6.2.2. El mezclador de conmutación conduce corriente en la pata IF (con RIF solo durante la mitad de la forma de onda LO. Se obtiene una mejora inmediata modificando el circuito para proporcionar conductancia conmutada durante ambas mitades de la forma de onda LO. Además, la RF y la IF en el mezclador de conmutación son cantidades de un solo extremo mientras que con un IC de silicio se prefieren las señales diferenciales. La celda Gilbert más simple se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a), que tiene todas las propiedades deseadas. \(M_{2}\)y\(M_{3}\) están diseñados como un par de amplificadores diferenciales con\(M_{4}\) y que\(M_{5}\) funcionan como cargas variables en el tiempo para\(M_{2}\),\(M_{6}\) y\(M_{7}\) funcionan como cargas variables en el tiempo para\(M_{3}\). Esto lleva al modelo equivalente de la celda Gilbert que se muestra en las Figuras\(\PageIndex{2}\) (b y c).

La celda Gilbert no siempre se usa como mezcladora. Si ambos\(v_{y}\) y\(v_{x}\) son señales pequeñas, entonces la celda Gilbert se convierte en un buen multiplicador analógico con la salida\(v_{o} = v_{x}\times v_{y}\). Cuando se usa como mezclador,\(v_{y}\) es un LO grande y la celda Gilbert se denomina mezcladora Gilbert. El mezclador Gilbert es el núcleo funcional de prácticamente todos los mezcladores integrados, especialmente en la tecnología CMOS donde se prefiere el funcionamiento diferencial.

6.3.3 Mezclador integrado basado en células Gilbert

El rendimiento de un mezclador Gilbert se mejora al reemplazar la resistencia fuente\(R_{S}\), de\(M_{2}\) y\(M_{3}\) en la celda Gilbert básica de la Figura 6.2.2 por una fuente de corriente, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (a). Esta es la variación más común de la mezcladora Gilbert utilizada en los RFIC. En la Figura\(\PageIndex{3}\) (a) se muestra un mezclador de celdas Gilbert de doble equilibrado. Cuando el LO es pequeño, el mezclador Gilbert tiene una respuesta multiplicadora casi ideal con un rendimiento limitado por qué tan cerca se pueden emparejar los transistores [5]. En los RFIC los transistores pueden ser

Figura\(\PageIndex{3}\): Mezclador doble balanceado de celdas Gilbert.

Figura\(\PageIndex{4}\): Circuito de transistor simple (polarización no mostrada).

emparejado muy bien. Cuando el LO es suficientemente grande para producir una conductancia de conmutación, hay una tolerancia mucho mayor a la coincidencia imperfecta. Este circuito tiene un buen rendimiento y rechaza la alimentación de RF y LO a la salida, y el grado de rechazo depende de la calidad de la coincidencia del transistor.

Antes de continuar con la discusión se introducirán las características brutas de un circuito transistor. El circuito transistor más simple es el amplificador que se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) (a). Con una señal de entrada de RF, el condensador grande en la puerta del transistor se convierte en un cortocircuito y la trayectoria de los voltajes y corrientes del transistor sigue una línea de carga como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) (b). En forma de función de transferencia, la característica del amplificador es como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) (c). Este tipo de característica es típico de circuitos de transistores con los niveles de saturación de la tensión de salida establecidos por la tensión de alimentación y tierra. La característica mostrada en la Figura\(\PageIndex{4}\) (c) se asemeja mucho a la función tanh trigonométrica, por lo que a menudo se dice que la característica de un circuito de transistor es similar a un tanh. También se obtiene una respuesta tanh-like con un circuito mezclador Gilbert.

Un problema con el circuito mezclador Gilbert de la Figura\(\PageIndex{3}\) (a) es la oscilación de voltaje reducida resultante de tres caídas de voltaje drenaje-fuente entre los rieles de suministro. La técnica clásica para resolver este problema es utilizar un diseño de cascode plegado. El mezclador doble equilibrado de celdas Gilbert plegadas se convierte entonces en el circuito de la Figura\(\PageIndex{3}\) (b) [6, 7]. Esto fusiona un diseño de amplificador cascode con el mezclador de celdas Gilbert de doble equilibrio en la Figura\(\PageIndex{3}\) (a). El resultado es un mezclador que puede tener una oscilación de voltaje mayor.

Los mezcladores Gilbert, tal como se han mejorado hasta ahora, pueden tener poca linealidad en el sentido de que la salida IF es lineal solo para pequeñas señales de entrada de RF. Este problema se ve exasperado por la tendencia a reducir la tensión de alimentación de los circuitos integrados. La solución utilizada es reemplazar cada uno de los transistores de amplificación (\(M_{2}\)y\(M_{3}\) en las figuras\(\PageIndex{3}\) (a y b)) por múltiples transistores con polarización progresivamente desplazada que escalona la característica de transferencia tipo tanh de un circuito de transistores para realizar un transistor efectivo con más lineal características [6, 8]. Este diseño se utiliza en el mezclador de conversión ascendente mostrado en la Figura\(\PageIndex{5}\), de un transmisor WCDMA RFIC. y la variación en la polarización de los múltiples transistores de amplificación se logra utilizando el dimensionamiento de cada uno de los transistores de fuente de corriente en la fila inferior. Alternativamente, se podría aplicar polarización separada a cada transistor de fuente de corriente. Además, el mezclador de celdas Gilbert de doble equilibrado en la Figura\(\PageIndex{3}\) (a) se duplica para realizar un mezclador de cuadratura.

El mezclador CMOS ha evolucionado a partir del concepto de núcleo basado en el mezclador de anillo de diodos, primero reemplazando los diodos por transistores, y luego introduciendo estructuras de transistores que hacen frente a la fuente de voltaje limitada y las no dealidades del transistor. Este proceso es la esencia del diseño de circuitos integrados de RF.

6.3.4 Mezcladores a base de anillo

Los mezcladores de anillo de diodos se discutieron en la Sección 6.2.4 y las implementaciones de circuitos se mostraron en las Figuras 6.2.9 y 6.2.10. Las implementaciones de mezcladores basados en transistores que utilizan el concepto mezclador de anillo se muestran en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Figura\(\PageIndex{5}\): Mezclador de conversión hacia arriba en cuadratura de un transmisor WCDMA. \(\text{BB}\)es la señal de banda base de baja frecuencia con componentes (I) y (Q). \(\overline{\text{BB}}\)es el inverso (negativo) de\(\text{BB}\). \(\text{LO}\)y\(\overline{\text{LO}}\) son la señal diferencial del oscilador local, y\(\text{RF}\) es la señal de salida de un solo extremo. El LO está en\(2\text{ GHz}\), la frecuencia de entrada de banda base es\(5\pm 1.72\text{ MHz}\), y la frecuencia de salida es\(1.95\text{ MHz}\). Después de Yang y Gard [6] y Yang [7]. Copyright K. Gard y X. Yang, utilizados con permiso.

6.3.5 Resumen

Tipo de Mezclador	Característica	Desventajas
Mezclador desequilibrado	Muy sencillo. Adecuado para frecuencias altas de onda milimétrica y terahercios.	Requiere filtros voluminosos para separar las señales. Grandes señales espurias.
Mezclador balanceado simple	Supresión de muchos tonos espurios. Supresión de ruido de amplitud modulada en LO. Aumento de la linealidad en comparación con el mezclador desequilibrado.	Requiere un alto nivel de conducción LO.
Mezclador doble balanceado	Aumento de la linealidad en comparación con el mezclador monobalanceado. Todos los puertos del mezclador están intrínsecamente aislados entre sí. Se puede implementar con elementos de mezcla pasivos que no requieran polarización. Inherentemente banda ancha.	Se basa en simetría y diodos y/o transistores emparejados. En la calibración RFIC se utiliza para equilibrar el mezclador.
Mezclador triple balanceado	Proporciona linealidad incrementada. El tipo más comúnmente utilizado en los RFIC aunque comúnmente se conoce como un mezclador de doble equilibrado.	Circuitos cada vez más complejos.

Mesa\(\PageIndex{1}\)

Figura\(\PageIndex{6}\): Mezcladores tipo anillo transistor.