5-2022

HF-Technik Bild 4:

HF-Technik Bild 4: Konzeptionelle Topologie single-ended Mischer halten und hohe Frequenzflexibilität von größter Bedeutung sind [2]. Komponenten zur Frequenzerzeugung werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, die unterschiedliche Anforderungen an ihre Leistung stellen. So erfordern beispielsweise Kommunikationssysteme ein geringes Inband-Rauschen, um eine niedrige Fehlervektorgröße (EVM) aufrechtzuerhalten, Spektrumanalysatoren sind auf lokale Oszillatoren mit schneller Verriegelungszeit angewiesen, um einen schnellen Frequenz-Sweep zu realisieren, und Hochgeschwindigkeitswandler benötigen einen Takt mit geringem Jitter, um ein hohes SNR zu gewährleisten. Frequenzvervielfacher Diese Komponenten nutzen die nichtlinearen Eigenschaften ihrer Elemente, um eine Harmonische des Eingangssignals zu erzeugen (Verdoppler, Verdreifacher, Vervierfacher...). Bei den nichtlinearen Elementen kann man zwischen passiven (Dioden) und aktiven (Transistoren) unterscheiden. Letztere bieten trotz erforderlicher Versorgungsspannung eine Reihe von Vorteilen gegenüber passiven, darunter die Wandlungsverstärkung, niedrigere mögliche Eingangspegel und eine bessere Unterdrückung der Grundfrequenz. Frequenzvervielfacher-ICs werden häufig in Verbindung mit VCOs, in PLL-Synthesizer-Designs oder als Teil eines lokalen Oszillatorsignalpfads eingesetzt, da sie eine einfache und kostengünstige Lösung zur Erhöhung der Frequenzen bieten. Alle Arten von Frequenzvervielfachern haben jedoch denselben Nachteil: Sie verschlechtern das Phasenrauschen um mindestens 20 log(N) dB, wobei N der Multiplikationsfaktor ist. Ein Verdoppler beispielsweise erhöht den Phasenrauschpegel um mindestens 6 dB, was bei der Taktung von schnellen Wandlern und anderen Anwendungen, die auf Phasenrauschen und Jitter empfindlich reagieren, kritisch sein kann [3]. Frequenzteiler und Prescaler Frequenzteiler sind meist digitale Schaltungen (Binärzähler oder Schieberegister). Sie sind in Taktverteilungsschaltungen und PLL-Synthesizer-Designs weit verbreitet und werden in vielen Anwendungen eingesetzt. Frequenzteiler können ein festes Teilungsverhältnis haben (Prescaler) oder ein programmierbares Teilungsverhältnis. Die Frequenzteilung durch N verbessert das Phasenrauschen des Ausgangssignals um 20 log(N) dB. Diese Verbesserung wird jedoch durch die additive Phase eines Frequenzteilers selbst begrenzt, die in seinem aktiven Schaltkreis entsteht und sich zu seinem Ausgangssignal hinzuaddiert. Ein guter Frequenzteiler hat eine niedrige additive Phase, die zusammen mit einem geringen Oberwellengehalt zu seinen wichtigsten Merkmalen gehört. HF-Mischer Ein additiver Mischer hat nur einen Eingang, an dem sich zwei Signale überlagern. Ein multiplikativer Mischer hat drei Anschlüsse. Jeweils wird ein nichtlineares oder zeitveränderliches Element verwendet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Summe und die Differenz der Frequenzen zweier Eingangssignale enthält. Passive Mischer verwenden Dioden oder einen FET (ohne Betriebsspannung) als Schalter. Aktive Mischer sind transistorbasiert und verlangen eine Betriebsspannung. Passive Mischer bieten eine große Bandbreite und eine sukzessive mit der Oszillatorleistung mitgehende hohe Linearität, weisen jedoch einen Umwandlungsverlust auf, während aktive Mischer eine Verstärkung bieten und deutlich niedrigere LO-Ansteuerungspegel benötigen. Alternative Designs, die als Abwärts- oder Aufwärtswandler realisiert werden, können einen passiven Mischerkern und eine aktive Schaltung kombinieren, um eine Wandlungsverstärkung zu erzielen, ohne Kompromisse bei NF und Linearität einzugehen [4]. Mischer-ICs gibt es in verschiedensten Ausführungen. Einen diodenbasierten unsymmetrischen Mischer skizziert Bild 4. Single-Ended-Mischer verwenden nur ein nichtlineares Element, was zwar eine einfache Lösung darstellt, aber eine schlechte Isolation zwischen den Ports (LO-RF) und eine hohe Anzahl von Störstellen bedeutet. Symmetrische Mischer haben diese Einschränkungen nicht. Sie lassen sich in einfach, doppelt und dreifach symmetrische Mischer einteilen. Erstere (Bild 5) bestehen aus zwei unsymmetrischen Mischern, die entweder mit einem 90°- oder 180°-Hybrid kombiniert sind. Dieser Mischertyp bietet eine hohe LO-RF- Isolation, gute Unterdrückung von HF- oder LO-Signalen und Unterdrückung selbst von LO- Oberwellen im Ausgang. Eine weitere Performance-Verbesserung kann mit verschiedenen Bild 5: Konzeptionelle Topologie single-balanced Mischer Arten von doppelt symmetrischen Mischern erreicht werden. Ein gängiges Beispiel, das in Bild 6 dargestellt ist, verwendet vier Schottky-Dioden in einer Brückenkonfiguration mit Hybriden an den HF- und LO-Ports. Doppelt symmetrische Mischer bieten eine hohe Gesamt-Performance, was sie zu einem weitverbreiteten Typ von HF-Mischer-IC macht [5]. Eine noch höhere Isolation und Linearität liefern dreifach symmetrische Mischer; hier werden zwei doppelt symmetrische Designs kombiniert. In-Phase-Quadratur-Mischer (I/Q-Mischer) stellen eine eigene Kategorie von symmetrischen Designs dar. I/Q-Mischer nutzen die Phasenauslöschung, um unerwünschte Spiegelfrequenzen ohne externe Filterung zu eliminieren. Ein gewöhnlicher I/Q-Mischer kann in der Regel als Spiegelfrequenz-Unterdrückungsmischer (Image Reject Mixer, IRM) bei der Abwärtsmischung (Bild 7) oder als Einseitenbandmischer (Single-Side Band, SSB) bei der Aufwärtsmischung betrieben werden. Die I/Q-Mischer mit integriertem Puffer- und Treiberverstärker sind nur für eine der beiden Betriebsarten ausgelegt, was sie in Abwärts- und Aufwärtswandler einteilt. Diese Mischer sind eng verwandt mit einer anderen Art von Frequenzwandler- ICs, den I/Q-Modulatoren und -Demodulatoren. Beide bieten eine hochohmige differentielle Basisbandschnittstelle für die Verwendung mit Datenkonvertern, wodurch sie sich ideal für Transceiver mit Direktumsetzung eignen [6]. Kurz erwähnen wollen wir noch den subharmonischen Mischer. 18 hf-praxis 5/2022

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