6.8 Активный двухбалансный смеситель.

Для того чтобы предотвратить появление в выходном сигнале составляющих с частотами, кратными частотам сигнала, можно скомбинировать два балансных смесителя, получив, таким образом, двухбалансный смеситель или смеситель Гильберта (рис. 6.16). Предположим, еще раз, что управляющийсигнал достаточно велик, чтобы дифференциальные пары работали как токовые ключи. Такой смеситель обеспечивает высокую степень подавления высших гармоники требует небольшую фильтрацию выходного сигнала. Интегральная реализация этой схемы обеспечивает подавление до 60dB.

Рис 6.16 Схема смесителя Гильберта на МОП транзисторах.

Рис. 6.17 Линеаризованный V-Iконвертер

Также как и у балансного смесителя, его динамический диапазон ограничен линейностью V-I конвертера RF порта смесителя. Поэтому при проектировании основные усилия прилагаются к тому, чтобы найти лучший способ V-I конвертирования. Основные методы, используемые при линеаризации в балансных смесителях, могут быть применимы для двухбалансного смесителя рис.(6.17).

Для малого сигнала источник DCтока может быть замещен параллельнымLCконтуром. Резонансная частота контура выбирается так, чтобы ослабить любые синфазные компоненты. Если существует несколько таких компонент, то можно использовать несколько параллельныхLCцепочек. Законченный двухбалансный смеситель показан на рис.(6.18). Крутизна двухбалансного смесителя определяется так же, как и для балансного смесителя.

6.9 Коэффициент шума в смесителях Гильберта.

Перечислим основные источники шума в схеме Гильберта:

- одним из источников шума является, конечно, сам конвертор. Из этого следует, что его коэффициент шума задает нижний уровень коэффициента шума смесителя. Подход, который использован в вычислении коэффициента шума LNA, может быть использован для того, чтобы вычислить коэффициент шума конвертера.

- дифференциальный каскад также ухудшает шумовые характеристики смесителя. Одна из составляющих коэффициента шума появляется из-за не идеальности переключений, что, конечно, ослабляет сигнал. Поэтому одна из проблем в смесителях это проектирование ключей с малым ослаблением сигнала.

Рис 6.18 Схема смесителя Гильберта.

- другая составляющая коэффициента шума появляется при переключениях транзисторов, в интервале времени, когда оба транзистора проводят ток и, следовательно, порождают шум. Кроме

того, любой шум в гетеродине также усиливается во время этого активного интервала усиления. Минимизация интервала одновременного включения транзисторов уменьшает этот эффект, поэтому, чтобы дифференциальный каскад приблизить к идеальному достаточно LO сигнал прикладывать к бесконечно быстрым ключам.

В результате на практике токовые смесители проявляют коэффициент шума SSB не мене10dB.

6.10 Линейность смесителей Гильберта

IP3 такого типа смесителей ограничена конвертером, поэтому метод трех точек, используемый при оценке IP3 обычных усилителей может быть использован для оценки IP3 конвертера. Если транзисторы, управляемые LO сигналом работают как хорошие ключи, то IP3 всего смесителя почти не отличается от IP3 конвертера. Чтобы гарантировать хорошее переключение, необходимо, чтобы управляющий сигнал LO был достаточно большой, но однако следует избегать чрезмерного LO сигнала. Например, для дифференциального каскада с общим истоком при управлении по затвору быстрее, чем необходимо для хорошего переключения, напряжение общего истока начинает повторять переключения. В результате возникает перепад тока. В худшем случае, этот перепад может привести к тому, что транзисторы выйдут из пологой области. Даже если этого не произойдет, в выходном спектре могут стать доминирующими компоненты, связанные с перепадом, а не преобразованная частота RF. Следовательно, нужно использовать только достаточный LO сигнал, чтобы гарантировать надежное переключение, и не больше.

6.11 Дополнительные способы линеаризации

Так как линейность токовых смесителей определяется главным образом качеством конвертера, рассмотрим дополнительные способы повышения линейности. Существует четыре способа линеаризации: предварительная коррекция, обратная связь, упреждение и кусочно-линейная аппроксимация. Эти методы могут применяться по отдельности или в комбинации.

Предварительная коррекция актуальна повсеместно, это принцип, лежащий в основе работы токового зеркала. В токовом зеркале входной сигнал преобразуется в напряжение затвор-исток через некоторую нелинейную функцию, это приводит к тому, что входной ток не точно пропорционален выходному. Предварительная коррекция основа работы смесителей типа Гильберта, где пара переходов вычисляет обратный гиперболический тангенс от разности входных токов, и в последствии дифференциальная пара устраняет такую нелинейность.

Отрицательная обратная связь подсчитывает ошибку, инвертирует ее и возвращает обратно на вход, таким образом, помогает отменить ошибки, оставшиеся после предварительной коррекции. Подавление искажений тем больше, чем больше коэффициент передачи обратной связи. Примеры с обратными связями, рассмотренные в этой главе являются популярными методами для линеаризации высокочастотных конвертеров.

Вопреки общему предубеждению, положительная обратная связь не может быть рассмотрена как метод линеаризации. Как пример рассмотрим схему перекрестного соединения, полученную из биполярного предшественника, использующую положительную обратную связь (рис. 6.19). Чтобы показать что такое соединение представляет собой короткую цепь с приложенным током , рассмотрим как меняется напряжение истоков М1 и М2 при изменении тока.

Если возрастает, напряжение на затворахM4 и M2 возрастает, в то время как напряжение на затворах M1 и M3 падает на ту же величину. Напряжение в точке А равно:

(6.18)

Аналогично, напряжение в точке B равно:

(6.19)

Таким образом, напряжение на каждом истоке меньше, чем на величину, равную суммеверхнего и нижнего транзисторов. Следовательно напряжения истоков всегда одинаковы, то есть в схеме образуется виртуальная короткая цепь.

Такая короткая цепь может быть использована для того, чтобы сместить проблему линейности с пассивных элементов на активные, такие как сопротивление; это показано на рис. 6.19. Так как узлы A и B с одинаковыми потенциалами, ток, втекающий в узел A равен . Этот втекающий ток пропорционален входному напряжению, и проявляется, как разница выходных токов стоков транзисторов М3 и М4.

Упреждение это метод линеаризации, при котором нет проблем, связанных со стабильностью обратной связи. Однако вычисление и исправление ошибок прохождения сигнала зависит от согласования, поэтому на практике максимально возможное исправление искажений в этом методе значительно меньше, чем можно достигнуть с помощью отрицательной обратной связи. Упреждение более подходящий метод для высоких частот, при которых обратная связь менее эффективна вследствие недостаточного коэффициента обратной связи.

Рис. 6.19 Схема перекрестного конвертера

Пример коррекции методом упреждения, применяемого для конвертера это преобразование по принципу каскодной схемы (рис. 6.20). Как можно увидеть, этот конвертер содержит каскодную дифференциальную пару, к которой добавлен дополнительный дифференциальный каскад. Линеаризация проводится с помощью сопротивления R , но в конвертере остается значительная нелинейность за счет дифференциальной пары M1-M2. Чтобы это лучше увидеть, заметим, что напряжение на сопротивлении есть входное напряжение минус разность напряжений затвор-исток транзисторов M1 и M2:

(6.20)

Целью является достижение того, чтобы разностный выходной ток был точно пропорционален , поэтому присутствиеявляется ошибкой. Ток пропорциональный этой ошибке удаляется из общего тока с помощью линеаризации конвертера. Имя “каскомп” образовано комбинацией каскода и компенсации ошибки. Хотя внутренняя пара для простоты показана как обычный дифференциальный каскад, тем не менее, она обладает лучшими частотными свойствами, что позволяет расширить диапазон.

Другое способ линеаризации без обратной связи это кусочно-линейная аппроксимация, допускающая, что любая система линейна в каком-то достаточно малом диапазоне. В этом случае ответственность за линейность разделяется среди нескольких систем, каждая из которых активна только в течение достаточно малого диапазона, в котором она линейна.

Примером кусочно-линейного приближения служит схема представленная на рис.6.21. Каждая из трех дифференциальных пар ведет себя как линейный конвертер. Для малых входных сигналов конвертирование осуществляется средней парой. Если входное напряжение достаточно сильно отличается от нуля, ток практически полностью перетекает в одно плечо средней пары. Однако при соответствующем выборе напряжения , одна из внешних дифференциальных пар берет на себя функцию преобразования напряжения в ток.

Общее конвертирование складывается из нескольких отдельных преобразований и может быть почти постоянным в большом диапазоне, если использовать достаточное число дополнительных

Рис. 6.20 Схема “ каскомпа”

Рис. 6.21 Схема многокаскадного конвертера

дифференциальных пар. При этом происходит увеличение рассеиваемой мощности и входного емкостного сопротивления.