Überblick über Mixer

Transkript

1 Überblick über Mixer Transmitter (Sender) Receiver (Empfänger) Basisbandsignal Modulator Pfad Demodulator Basisbandsignal LO LO BB RF RF BB Roland Pfeiffer 12. Vorlesung

2 Design eines Mixers Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, einen Down-Conversion-Mixer als zweite Stufe im Empfängerpfad zu designen. Idealerweise sollte diesselbe Mixerstruktur auch als Up-Conversion-Mixer im Sendepfad verwendet werden. Ihre Aufgabe: -Aufgaben des Mixers -Meßgrößen des Mixers -verschiedene Mixer-Architekturen aus Veröffentlichungen Design eines Mixers

3 TX/RX Aufgaben eines Mixers Mixer als Stufe des Hochfrequenz-Empfängers und -Senders Station LO- Signalerzeug. Verstärker LNA Down-conv. Mixer zu RX DSP Sender PA Up-conv. Mixer von TX DSP LO- Signalerzeug.

4 Prinzip eines Mixers Mathematische Beschreibung (allgemein, ideal ): Multiplikation der Eingänge: Ausgang: A F A ta cos t F 1 cos F1 F 2 F 2 unteres Seitenband 1 AF 2 cos F1 F 2 cos 2 oberes Seitenband t F1 F 2 t Eingang (ideal): F1 Ausgang (ideal): F2 F 2 F1 F 2 F1 F1 F 2

5 Prinzip eines Mixers Anwendung eines Mixers : Transmitter (Sender) Receiver (Empfänger) Basisbandsignal Modulator Pfad Demodulator Basisbandsignal LO LO BB RF RF BB up-conversion mixer Summenfrequenz down-conversion mixer Differenzfrequenz

6 Aufgaben und Meßgrößen eines Mixers Ein Mixer soll die Differenz- und Additionsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: Balancing von Mixern

7 Balancing eines Mixers Balancing von Mixern: Ausgangssignal unbalanced : beide zu mischenden Frequenzen F1 F1 F 2 F 2 F1 F1 F 2 F 2 Schaltungstechnik: beide Mischsignale single-ended am Eingang

8 Balancing eines Mixers Balancing von Mixern: Ausgangssignal single-balanced : eine zu mischenden Frequenzen F1 F1 F 2 F1 F1 F 2 F 2 oder F 2 F 2 F1 F1 F 2 Schaltungstechnik: ein Mischsignal single-ended, das andere differentiell am Eingang ( Auslöschung )

9 Balancing eines Mixers Balancing von Mixern: Ausgangssignal double-balanced : keine zu mischenden Frequenzen F1 F 2 F1 F1 F 2 F 2 Schaltungstechnik: beide Mischsignale differentiell am Eingang ( Auslöschung )

10 Aufgaben und Meßgrößen eines Mixers Ein Mixer soll die Differenz- und Additionsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: Balancing von Mixern die Differenz- bzw. Additionsfrequenzen verstärken Meßgröße: aktiver/passiver Mixer, conversation gain/loss

11 Aktive Mixer Aktive Mixer: Mixer + Verstärker Leistungsgewinn bei der Frequenzumsetzung ( conversion gain ). F1 F 2 F1 F1 F 2 F 2

12 Passive Mixer Passive Mixer: Mixer + Dämpfung Leistungsverlust bei der Frequenzumsetzung ( conversion loss ) F1 F 2 F1 F1 F 2 F 2

13 Conversation gain/loss Conversation gain/loss Messung: F1 F 2 F1 F1 F 2 F 2 bei konstantem LO-Signal!! Bemerkung: Voltage (conversation) gain/loss, Current (conversation) gain/loss auch verbreitet Conversion gain/loss P P RF IF / BB

14 Aufgaben und Meßgrößen eines Mixers Ein Mixer soll die Differenz- und Additionsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: Balancing von Mixern die Differenz- bzw. Additionsfrequenzen verstärken Meßgröße: aktiver/passiver Mixer, conversation gain/loss selbst minimal rauschen Meßgröße: Single/Double-Sideband Noise figure

15 Noise factor bei Mixern Noise factor bei Mixern, z.bsp. Down-Conversion Mixer: Signal/Rausch-Leistungsverhältnis am RF-Eingang geteilt Signal/Rausch-Leistungsverhältnis am IF/BB-Ausgang S / N RF S / N IF / BB bei konstantem LO-Signal!! S / N RF S / NIF / BB LO-Signal=konstant Noise factor beschreibt, wieviel der Mixer durch sein Eigenrauschen das Signal verschlechert möglichst kleine Werte!!

16 Noise figure bei Mixern Noise Figure NF bei Mixern, z.bsp. Down-Conversion Mixer: NF 1log S S / / N N RF IF / BB db 2 unterschiedliche Definitionen: Single-Side-Band NF (SSB-NF) oder Double-Side-Band NF (DSB-NF) Unterschied zwischen beiden??

17 Single-Sideband Noise figure Single-Side-Band NF (SSB-NF) bei Heterodyne-Empfang: RF LO LO IF IF IM kein sinnvolles Signal bei IM IM RF IM RF LO Rauschen LO IF SSB NF S N 1log RF RF IM S / N IF /

18 Single/Double-Sideband Noise figure Prinzip des Homodyne-Empfangs RF IF LO BB IM Hz!! IM RF LO

19 Double-Sideband Noise figure Double-Side-Band NF (DSB-NF) bei Homodyne-Empfang RF LO IM!! sinnvolles Signal bei IM RF LO IM Rauschen BB DSB NF S N 1log RF / IM RF IM S / N IF

20 Fazit: Single/Double-Sideband Noise figure Single-Side-Band NF (SSB-NF) = Double-Side-Band NF (DSB-NF) +3dB Beispiel: rauschfreier Mixer (hypothetischer Fall): DSB NF SRF IM / NRF IM 1log S / N IF db SSB NF SRF / NRF IM 1log S / N IF 3 db!!!

21 Aufgaben und Meßgrößen eines Mixers Ein Mixer soll die Differenz- und Additionsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: Balancing von Mixern die Differenz- bzw. Additionsfrequenzen verstärken Meßgröße: aktiver/passiver Mixer, conversation gain/loss selbst minimal rauschen Meßgröße: Single/Double-Sideband Noise figure geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wie Handys) eine weiten input dynamic range aufweisen, d.h. gute Linearität und Trennschärfe besitzen Meßgröße: 1dB-compression point, second/third-order intercept point

22 Ausgangsleistung (dbm) IF/BB-Ausgang Leistungsänderung (db) Linearität eines Mixers 1dB compression point : Angabe der Eingangsleistung, bei der die Leistungsänderung um 1dB abgesunken ist gegenüber der conversion gain/loss in der linear region compressed falsch linear Eingangsleistung (dbm) RF-Eingang Ausgangsleistung(dBm)/ Eingangsleitung (dbm) = conversion gain/loss(db) falsch 1 db 1 db compression point Eingangsleistung (dbm) RF-Eingang kennzeichnet die Linearität eines Mixers je höher der Wert, desto besser ist die Linearität

23 Trennschärfe eines Mixers Trennschärfe: der Mixer soll ein schwaches Signal auch dann linear umsetzen, wenn zwei starke Signale mit ungefähr derselben Frequenz vorhanden ist (sonst: blocking, cross-modulation ). RX Duplexer gewünschter Kanal BPF LNA RX Band f Achtung: nur out-of-band, nicht aber die in-band, aber out-of-channel werden durch den RX-Duplexer unterdrückt wichtig für Mixer!! RX Band f

24 Trennschärfe eines Mixers Trennschärfe: der Mixer soll ein schwaches Signal auch dann umsetzen, wenn zwei starke Signale mit ungefähr derselben Frequenz vorhanden sind Beispiel: Down-Conversion Mixer Störer Interferers gewünschter Kanal LNA Ursache für begrenzte Trennschärfe: Nichtlinearitäten zum Beispiel in der Transistorkennlinie Achtung: Frequenzumsetzung Meßgröße: Third-order intercept point (IP3), ( Second-order intercept point (IP2) )

25 Second-order intercept point (IP2) Zusätzlich bei homodyne Empfänger: Meßgröße: Second-order intercept point (IP2) Nichtlinearitäten im Mixer erzeugen im RF-Signal Anteile, die durch self-mixing einen DC-Offset hervorrufen LNA Störer Kopplung B cos LO t LPF self-mixing DC-Offset

26 Secondd-order intercept point (IP2) Meßbedingungen: ein Signal als RF-Eingangssignal: V RF Acos 2 f t V RF Effektives Eingangssignal darstellbar als f f V 2 3 RF, eff c c1 VRF c2 VRF c3 VRF...

27 Second-order intercept point (IP2) Messung Second-order intercept point : Frage: welche Signalanteile tauchen im Basisband-Ausgangssignal auf (d.h.werden durch den Mixer geleitet) unter Beachtung der Rechenregeln für Cosinusschwingungen z.bsp. V RF 2 2 A Acos 2 f t 1 cos2 f t DC-Anteil

28 Second-order intercept point (IP2) Messung Second-order intercept point : Frage: welche Signalanteile tauchen im Basisband-Ausgangssignal auf (d.h. werden durch den Mixer geleitet)? c 2 A cos f nicht interessierend, da außerhalb des Basisbandes!! c 2 A 2 2 DC-Offset innerhalb des Basisbandes!!

29 Ausgangsleistung (dbm) BB-Ausgang Second-order intercept point (IP2) Messung Second order intercept point P f-f LO = Hz IP2 c 2 A 2 2 Basisband-Ausgang f Eingangsleistung (dbm) RF-Eingang Bemerkungen zu Eingangs-/Ausgangsleistungs-Diagramm: - wegen Angabe in dbm: zweifache Steigung Linie 2f gegenüber f erzwungener Schnittpunkt!! - aus Messungen extrapoliert

30 Ausgangsleistung (dbm) BB-Ausgang Second-order intercept point (IP2) Messung Second order intercept point : Input-referred oder output-referred IP2 Input-referred IP2 Output-referred falsch Eingangsleistung (dbm) RF-Eingang

31 Aufgaben und Meßgrößen eines Mixers Ein Mixer soll die Differenz- und Additionsfrequenzen ohne Störfrequenzen bilden Meßgröße: Balancing von Mixern die Differenz- bzw. Additionsfrequenzen verstärken Meßgröße: aktiver/passiver Mixer, conversation gain/loss selbst minimal rauschen Meßgröße: Single/Double-Sideband Noise figure geringe Leistungsaufnahme aufweisen (insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wie Handys) eine weiten input dynamic range aufweisen, d.h. gute Linearität und Trennschärfe besitzen Meßgröße: 1dB-compression point, second/third-order intercept point eine Isolation zwischen Eingängen und Ausgang aufweisen Meßgröße: Port-to-Port Isolation/Feedthrough

32 Isolation Isolation zwischen RF- und LO-Eingang: Begründung: ein starkes LO-Signal kann bei ungenügender LO/RF- Isolation (und ungenügender LNA-Rückwärts-Isolation) über die Antenne abstrahlen LNA LO-Signal

33 Isolation Isolation zwischen den Eingängen sowie dem Ausgang für homodyne Empfänger: ein starkes LO-Signal kann bei nicht genügender LO/RF-Isolation mit sich selbst gemischt werden DC-Offset self-mixing DC-Offset LNA DC-Offset LO-Signal

34 Design eines Mixers Ihr Chef stellt Ihnen die Aufgabe, einen Down-Conversion-Mixer als zweite Stufe im Empfängerpfad zu designen. Idealerweise sollte diesselbe Mixerstruktur auch als Up-Conversion-Mixer im Sendepfad verwendet werden. Ihre Aufgabe: -Aufgaben des Mixers -Meßgrößen des Mixers -verschiedene Mixer-Architekturen aus Veröffentlichungen Design eines Mixers

35 Gliederung Problemstellung Mixerschaltungen Nichtlinearitäten als Mixer Multiplizierer-Mixer: Verstärker -Mixer, Gilbert-Mixer Lineare Mixer, Ring-Mixer auf anderen Effekten basierende Mixer Image-Reject-Mixer, Single-Sideband-Mixer Mixer mit Stromeingang Zusammenfassung Literaturverzeichnis

36 Nichtlinearitäten als Mixer Nichtlinearitäten als Mixer Jede Diode und Transistor weist in ihrer Übertragungskennlinie Nichtlinearitäten bei genügend hohen Eingangspegeln auf R S V IF/BB (t) V LO V RF (t) (t) (t) V IN R L für die Multiplikation verantwortlich V 2 3 IF / BB c c1 VIN c2 VIN c3 VIN Bauteile: Diode, Bipolar-Transistor, MOS-Transistor......

37 Nichtlinearitäten als Mixer MOS-Transistor als Mixer V IF / BB V DD R L I DS I DS f V IN U GS I DS a a 1 U GS a 2 U GS 2... V DD für die Multiplikation verantwortlich R L V RF V LO V IF/BB Sättigungsbereich, Annahme Langkanal: V Bias I DS k N 2 W L V V 2 GS TN

38 Nichtlinearitäten als Mixer MOS-Transistor als Mixer V IF / BB V DD Potenz-Reihe: I DS k N 2 W L I V DS TN R 2 L k N W L V TN I V DS GS k k N 2 N 2 W L W L V V 2 V GS GS 2 TN für die Multiplikation verantwortlich V DD R L V RF V LO V IF/BB V Bias

39 Nichtlinearitäten als Mixer MOS-Transistor als Mixer Nachteil: V DD R L V RF V LO V IF/BB V Bias Ein einziger Eingang für LO und RF keine Port-to-Port Isolation! Alternativen?

40 Nichtlinearitäten als Mixer MOS-Transistor als Mixer V DD R L C RF V IF C LO R Bias1 R Bias2 V RF V Bias1 V Bias2 V LO Nachteil: durch C GS und C GD schlechte Port-to-Port Isolation!

41 Nichtlinearitäten als Mixer Beurteilung des Nichtlinearitäten-Mixers: Vorteil: -einfache Schaltungen -aktive Mixer im MOS conversion gain Nachteil: -unbalanced mixer -schlechte Port-to-Port Isolation

43 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer: z.bsp. Schalter = V IN (t)=v RF (t) cos RF (t) multiplizieren mit LO Rechteckfunktion T(t) R S V IN (t) V IF/BB (t) V RF (t) T(t) R L T(t) Fourier: T( t) sin LO t sin 3 3 LO t sin 5 5 LO t keine geraden Harmonischen!!... Rechteckfunktion zum schnellen Öffnen/Schließen des Schalters

44 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer: Simulationergebnis am Ausgang Beispiel: unbalanced Heterodyne-Mixer (infradyne) V IF / BB... crf cos RF... V IF unerwünscht Nachteil: RF-LO RF RF+LO 3 LO-RF 3 LO 3 LO-RF -RF feedthrough wegen DC-Komponente in Fourier-Reihe f

45 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren unbalanced Mixer V DD Schalter R L C RF V IF/BB C LO R Bias R Bias2 V RF V Bias1 V Bias2 Nachteil: V IF / BB... clo cos LO... -LO feedthrough wegen unbalanced Mixer Biasspannung Schalter

46 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren Simulationergebnis am Ausgang Beispiel: unbalanced Heterodyne-Mixer (infradyne) V IF unerwünscht RF-LO LO RF RF+LO 3 LO-RF 3 LO 3 LO-RF f

47 Balancing eines Mixers -unbalanced F1 F 2 jetziger Stand!! F 2 F1 F1 F 2 -single-balanced F1 oder F 2 F 2 F1 F1 F 2 F 2 F1 F1 F 2 -double-balanced F 2 F1 F1 F 2

48 Multiplizierer-Mixer Verbesserung des Multiplizierer-Mixers: kein RF feedtrough, da kein DC-Anteil in der Fourier-Reihe!! differentielles LO-Signal single-balanced Mixer

49 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren single-balanced Mixer V DD V DD R L+ R L- C LO+ V IF+ Schalter V IF- C LO- R Bias2+ R Bias2- V LO+ V Bias2+ V Bias2- V LO- C RF R Bias1 V RF V Bias1

50 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer: single-balanced Mixer bei LO-Bias +V R L R L IF Output LO Input +g m RF Input

51 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren Simulationergebnis am Ausgang single-balanced Heterodyne-Mixer (infradyne) V IF unerwünscht RF-LO LO RF+LO 3 LO-RF 3 LO 3 LO-RF f Nachteil: -LO feedtrough wegen single-balanced mixer Alternative??

52 Multiplizierer-Mixer Verbesserung des Multiplizierer-Mixer: double-balanced Mixer +V R L R L IF Output LO Input -g m +g m RF Input

53 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren: double-balanced Mixer Gilbert-Mixer V DD V DD R L+ R L- C LO+ V IF+ Schalter Schalter V IF- C LO- R Bias2+ R Bias2- V LO+ V Bias2+ V Bias2- V LO- C RF+ C RF- R Bias1+ R Bias1- V RF+ V Bias1+ I Bias V Bias1- V RF-

54 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren: Simulationergebnis am Ausgang (double-balanced mixer, Gilbert-Mixer) Differentielle Ausgangsspannung kein RF- und LO-Feedtrough!! Spiegel- linie t [nsec] f [GHz] LO-Polaritätswechsel leicht erkennbar!! f LO = 2 MHz f RF = 1. GHz f IF = GHz

55 Multiplizierer-Mixer Prinzip des Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren Simulationergebnis am Ausgang double-balanced Heterodyne-Mixer (infradyne) V IF unerwünscht RF-LO RF+LO 3 LO-RF 3 LO 3 LO-RF f

56 Multiplizierer-Mixer Frage: Idee zur Unterdrückung der unerwünschten Frequenzen? Antwort:?? V DD V DD R L+ R L- C LO+ V IF+ V IF- C LO- R Bias2+ R Bias2- V LO+ V Bias2+ V Bias2- V LO- C RF+ C RF- R Bias1+ R Bias1- V RF+ V Bias1+ I Bias V Bias1- V RF-

57 Multiplizierer-Mixer Frage: Idee zur Unterdrückung der unerwünschten Frequenzen? Antwort: R L parallel C C Tiefpaßverhalten V DD V DD R L+ C C+ C C- R L- C LO+ V IF+ V IF- C LO- R Bias2+ R Bias2- V LO+ V Bias2+ V Bias2- V LO- C RF+ C RF- R Bias1+ R Bias1- V RF+ V Bias1+ I Bias V Bias1- V RF-

58 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren double-balanced Mixer CMOS-Gilbert-Mixer common-source V DD V DD R L+ R L- C LO+ V IF+ V IF- C LO- R Bias2+ R Bias2- V LO+ V Bias2+ V Bias2- V LO- C RF+ C RF- R Bias1+ R Bias1- V RF+ V Bias1+ I Bias V Bias1- V RF-

59 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren double-balanced Mixer CMOS-Gilbert-Mixer common-source V IF+ V DD R L+ V DD R L- V IF- V LO- V LO- V RF+ V LO+ V RF- I Bias

60 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren double-balanced Mixer CMOS-Gilbert-Mixer common-gate V IF+ V DD R L+ V DD R L- V IF- V LO- V LO- V Bias+ V LO+ V Bias- V RF+ V RF- I Bias

61 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren double-balanced Mixer CMOS-Gilbert-Mixer Alternative: V DD V RF+ V DD V RF- V LO- V LO- V LO+ V IF+ V IF- I Bias+ I Bias-

62 Multiplizierer-Mixer Multiplizierer-Mixer mit MOS-Transistoren double-balanced Mixer CMOS-Gilbert-Mixer Alternative: I Bias V DD V RF V LO- V LO+ V IF+ V IF- V LO+ V LO- V RF I Bias

64 Multiplizierer-Mixer Linearität des Multiplizierer-Mixer: double-balanced mixer Widerstand keine Linearitätsprobleme!! +V R L R L IF Output LO Input -g m +g m Steilheit Linearitätsprobleme!! Abhilfe: Source-Widerstand RF Input

66 Multiplizierer-Mixer Beurteilung des Multiplizierer-Mixers: R S V IN (t) + (t) - V O V RF (t) R L Vorteil: T(t) - aktive Mixer conversion gain Nachteil: - Kenngrößen abhängig einstellbar (Bsp. conversion gain vs. Linearität) - hoher Leistungsbedarf für LO-Signal - starkes Rechteckssignal LO-feedtrough - Rechtecksignal: 3. Harmonische -1dB, 5. Harmonische -14dB, Filter nötig

68 Linearer Mixer NMOS im linearem Bereich (Widerstandsbereich) I-V-Zusammenhang: 2 U DS U GS UTN U DS W I DS kn für kleine U DS!! L 2 Channel resistance gesteuert von U GS : I DS U GS U GS I DS U DS U DS

69 Linearer Mixer I-V-Zusammenhang: I DS Idee: k N W L 2 U DS U GS UTN U DS 2 I DS U GS U DS -Gate-Source-Spannung: eine zu mischende Frequenz -Drain-Source Spannung: die andere zu mischende Frequenz!

70 Linearer Mixer NMOS im linearem Bereich als down-conversion Mixer (infradyne): C RF I DS Widerstandsbereich U DS V! C LO R Bias V RF V LO V Bias Stromquelle

71 Linearer Mixer Frage: Ist der lineare Mixer ein aktiver oder passiver Mixer? Antwort:?? C RF I DS C LO R Bias V RF V LO V Bias

72 Linearer Mixer Frage: Ist der lineare Mixer ein aktiver oder passiver Mixer? Antwort: passiver Mixer, da U DS Volt C RF I DS C LO R Bias V RF V LO V Bias

73 Linearer Mixer Prinzip des linearen Mixer mit MOS-Transistor Simulationergebnis am Ausgang RF=U DS, LO=U GS, infradyne V IF 2 U DS U GS UTN U DS W I DS kn für kleine U DS!! L 2 unerwünscht RF-LO RF RF+LO 2 RF f Vorteil: -wenig Störendes Nachteil: -störender Term: Drain-Source-Spannung im Quadrat, RF

74 Linearer Mixer NMOS im linearem Bereich als down-conversion Mixer: C RF I DS V RF V LO C LO R Bias V Bias Design-Problem: Stromquelle mit Spannungsabfall Volt C GD Port-to-Port Feedtrough 3 Anschlüsse single MOS: 2 Möglichkeiten Alternativen??

75 Linearer Mixer Alternative: -double-balanced Anordnung!!

76 Ring-Mixer Idee "Ring-Mixer": Beispiel: Down-Conversion Mixer (infradyne) V LO+ Gate-Source-Spannung (viermal): LO+/- V RF- I IF- Drain-Source-Spannung (zweimal): RF+/- keine Drain-Source-DC-Spannung!! V LO- V LO- Drain-Source-Spannung (zweimal): IF/BB+/- I IF+ V LO+ V RF+ nach Addition der Ströme: I IF proportional V RF V LO, Widerstand V IF Auslöschung der störenden Quadrate und Spannung durch Überlapp-Cs!!

77 Ring-Mixer Funktionsweise des Ring-Mixers: durch Schalter LO+/- wird das RF+/- abwechselnd an die IF+/- -Ausgänge gelegt Differentielle Ausgangsspannung V LO+ Spiegel- linie V RF- V LO- I IF- V LO- LO-Polaritätswechsel leicht erkennbar I IF+ V LO+ V RF+ Auslöschung der störenden Quadrate und Spannung durch Überlapp-Cs!!

78 Ring-Mixer Virtuelle Masse (=Analog Ground) - differentielles Signal (ein Eingang) differentielles Signal gleiche Amplitude, Phasenverschiebung 18 bei Addition destruktiv virtuelle Masse!! + - Möglichkeit zum Auffinden der virtuelle Massepunkte dieses Effektes bei differentieller Signalen: alle Schaltungspunkte, die über gleiche Impedanzen mit den differentiellen Punkten verbunden ist Beispiel: Analog Ground

79 Ring-Mixer Virtuelle Masse bei Mixern - differentielles Signal (mehrere Eingänge, zeitvariant) Auffinden der virtuelle Masse bei differentieller Signalen eines bestimmten Eingangs: alle Schaltungspunkte, die über gleiche Impedanzen mit den differentiellen Punkten verbunden sind zu allen Zeiten Beispiel: Balun R R

80 Ring-Mixer Balun R R R R Beispiel: Ring-Mixer unbeteiligte Spannungsquellen: feste Spannung V RF- V LO+ I IF- z.bsp. Eingang V RF+/- : virtuelle Masse? V LO- V LO- V LO+/- feste Spannung V IF+/- virtuelle Masse! I IF+ V LO+ V RF+

81 Ring-Mixer Isolation des Ring-Mixers: Eingang RF+/- Eingang IF+/- Eingang LO+/- virtuelle Masse: IF+/- virtuelle Masse: RF+/- virtuelle Masse: Source/Drain theoretisch perfekte Isolation der Ports wegen Vertauschung der jeweiligen Massepunkte!! V LO+ V RF- I IF- V LO- V LO- I IF+ V LO+ V RF+

82 Ring-Mixer Frage: Ist der Ring-Mixer ein aktiver oder passiver Mixer? Antwort:?? V LO+ V RF- I IF- V LO- V LO- I IF+ V LO+ V RF+

83 Ring-Mixer Frage: Ist der Ring-Mixer ein aktiver oder passiver Mixer? Antwort: passiver Mixer, da U DS Volt bei allen Transistoren!! V LO+ V RF- I IF- V LO- V LO- I IF+ V LO+ V RF+

84 Ring-Mixer Vorteil: Nachteil: -theoretisch perfekte Isolation der Ports wegen Vertauschung der jeweiligen Massepunkte - schwache Signale sehr viel conversion loss - Widerstand Rauschen V LO+ V RF- I IF- V LO- V LO- I IF+ V LO+ V RF+

85 Linearer Mixer, Ring-Mixer Beurteilung des linearen Mixers und des Ring-Mixers: Vorteil: - Betrieb mit niedriger Versorgungsspannung - Kenngrößen unabhängig einstellbar bei Verstärkerbetrieb Nachteil: -passiver Mixer conversion loss ohne Verstärkerbetrieb -starkes LO-Signal V LO+ V RF- I IF- V LO- V LO- I IF+ V LO+ V RF+

87 Substrateffekt-Mixer Idee: MOS eigentlich 4 Anschlüsse: +Bulk Substratsteuereffekt wirkt auf Einsatzspannung: U I DS U FB k 2 N Potenz-Reihe vom Wurzelausdruck 2 1 U SB 1 U SB 2 F 2 F F I-V-Zusammenhang in Sättigung: I TN DS U k 2 FB N W L W L Mixer-Funktion: 2F 2F U SB U U ( U ) 2 GS... k U GS TN U SB SB... für die Multiplikation verantwortlich... 3/ 2 F für Mixerfunktion verantwortlich

88 Substrateffekt-Mixer Beispiel: Down-Conversion-Mixer (infradyne) Gate-Source-Spannung: RF Bulk-Source Spannung: LO V DD R L C RF V IF C LO R Bias1 R Bias2 V RF V Bias1 V Bias2 V LO

89 Substrateffekt-Mixer Frage: Könnte die RF- und LO-Anschlüsse ausgetauscht werden? Antwort:?? V DD R L C RF V IF C LO R Bias1 R Bias2 V RF V Bias1 V Bias2 V LO

90 Substrateffekt-Mixer Frage: Könnte die RF- und LO-Anschlüsse ausgetauscht werden? Antwort: nicht vertauschbar, da g M,Gate >>g M,Bulk frei bestimmbare Amplitude von LO an Bulk, nicht frei bestimmbare Amplitude von RF am Gate!! V DD R L C RF V IF C LO R Bias1 R Bias2 V RF V Bias1 V Bias2 V LO

91 Substrateffekt-Mixer Beurteilung des Substrateffekt-Mischers: Vorteil: -wenig Parasitäres -Betrieb mit niedriger Versorgungsspannung Nachteil: -viele unerwünschte Frequenzen am Ausgang V DD R L C RF V IF C LO R Bias1 R Bias2 V RF V Bias1 V Bias2 V LO

93 Subsampling-Mixer Prinzip des Subsampling-Mixer: Track-and-Hold (T/H)-Schaltung als Down Conversion-Mixer Eingangsfrequenz (RF) T/H-Sampling-Frequenz ( LO-Frequenz ) LO-Frequenz Sampling Instants RF In IF Out Vorteil: LO-Frequenz niederfrequent!! Nachteil: Reaktionszeit der T/H-Schaltung (Umschalten auf Hold-Modus muß sehr schnell geschehen)

94 Subsampling-Mixer Einfache Track-and-Hold (T/H)-Schaltung in MOS-Technologie: Track: NMOS Hold: NMOS Sampling Instants LO-Frequenz Sampling Instants RF In C + - IF Out

95 Subsampling-Mixer Einfache Track-and-Hold (T/H)-Schaltung in MOS-Technologie: LO-Erzeugung L. Maurer, "Adaptive Digital Front-End enhanced CMOS-based RF transceivers: A brief overview", Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimetre-Wave Circuits, 28

96 Weitere Mixer Weitere Mixer: - (Sub-)Harmonic-Mixer - Star-Mixer - Distributed Mixer - Vier-Quadranten-Mixer usw. aber in MOS-Technologie die gebräuchlichsten aufgeführt!!

98 (Super-)Heterodyne-Empfänger optimale Empfängerschaltung für ein Single-Chip-Handy?? andere Lösungen: Image Reject Empfänger ( Image Reject Mixer ) Antenne Image Reject Empfänger IM LO RF RF LO RF LO IF Image Reject Empfänger Näheres in Mixer-Vorlesung!!

99 Image-Reject-Mixer Untersuchung der 9 -Grad-Drehung: 9 9 sin t -cos t

100 Image-Reject-Mixer Image Reject Empfänger nach Hartley: (ohne Amplitudenbetrachtung) cos RF t + cos IM t sin ( LO - RF ) t +sin ( LO - IM ) t = - sin ( RF - LO ) t +sin ( LO - IM ) t RF Input sin cos LO LO t t LPF A 9 C cos ( RF - LO ) t -cos ( LO - IM ) t = cos ( LO - RF ) t -cos ( LO - IM ) t IF Output LPF B cos ( RF - LO ) t cos ( LO - RF ) t +cos ( LO - IM ) t

101 Heterodyne-Sender optimale Senderschaltung für ein Single-Chip-Handy?? andere Lösungen: Single-Sideband-Sender ( Single-Sideband-Mixer ) Antenne Single-Sideband Sender IF IF LO IF LO Single-Sideband-Sender Näheres in Mixer-Vorlesung!!

102 Single-Sideband-Mixer Untersuchung der 9 -Grad-Drehung: 9 9 cos t sin t

103 Single-Sideband-Mixer Single-Sideband Mixer: (ohne Amplitudenbetrachtung) cos ( LO - IF ) t +cos ( LO + IF ) t cos IF t RF Input cos t LO sin t LO 9 cos ( LO - IF ) t sin IF t cos ( LO - IF ) t -cos ( LO + IF ) t

104 Image-Reject-Mixer, Single-Sideband Mixer Single-Sideband-Mixer und Image-Reject-Mixer auf demselben Prinzip: 9 -Verschiebung sowohl bei LO-Signal als auch beim Signal selbst!! RF Input sin cos LO LO t t LPF LPF A B 9 C IF Output IF Input 9 cos t LO sin t LO RF Output Idealfall: gleiche Verstärkung in den Armen, 9 -Phasenverschiebung

105 Image-Reject-Mixer, Single-Sideband Mixer Frage: Wie macht diese 9 -Verschiebung sowohl bei LO-Signal als auch beim Signal selbst?? Antwort:?? RF Input sin cos LO LO t t LPF A 9 C IF Output IF Input cos t LO sin t LO RF Output LPF B 9

106 Image-Reject-Mixer, Single-Sideband Mixer Frage: Wie macht diese 9 -Verschiebung sowohl bei LO-Signal als auch beim Signal selbst?? Antwort: durch Hoch- und Tiefpässe als einfachste Lösung!! RF Input sin LO t cos LO t LPF A 9 C IF Output IF Input cos t LO sin t LO RF Output LPF B 9 Idealfall: gleiche Verstärkung in den Armen, 9 -Phasenverschiebung

107 RC-CR-Schaltung RC-Tiefpaß -45 bei Zeitkonstante A db -2 1,1, f f g R -4,1 U e (t) C I C U a (t) -45, f f g -9 CR-Hochpaß +45 bei Zeitkonstante A db 1, f f g C -2,1 U e (t) R U a (t) -4-9,1-45, f f g

108 RC-CR-Schaltung Beispiel RC-CR-Schaltung bei Image Rejection Mixer und LO-I/Q-Erzeugung: RF Input sin cos LO LO t t LPF LPF A B 9 C IF Output LO R C I RF Input sin cos LO LO t t LPF R C R IF Output C R Q LPF C

109 RC-CR-Schaltung RC-CR-Netzwerk zur 9 -Verschiebung: - einfache Schaltung A db ,1-4,1, , f f g f f g bei gleicher Grenzfrequenz: - 9 -Verschiebung für alle Frequenzen - gleiche Verstärkung für eine einzige Frequenz gültig - Matching-Abhängigkeit A db,1 1-2,1-4, f f g, f f g 9 R C C R M N cos t LO sin t LO X Y C C R I 9 Phasenverschiebung Q

111 Prinzip Transceiver ohne SAW-Filter? besser für Linearität: so wenig Spannung/Strom und Strom/Spannung Umwandlung wie möglich!!

112 Prinzip LNTA (Transconductance) "Gm-Amplifier" Spannung V S Drain-Strom über G m,eff L D M2 C K I OUT Down-conv. Mixer mit Stromeingang V Bias = V S 5Ω R S L G M1 L S Koppel-C?

113 Ring-Mixer RF-Eingang: Strom vs Spannung V LO+ V LO+ V RF- I IF- I RF- I IF- V LO- V LO- V LO- V LO- I IF+ V LO+ V RF+ I IF+ V LO+ I RF+ U GS I DS U DS

114 Ring-Mixer mit Strom-Eingang V LO+ I RF- I IF- V LO- V LO- I RF- V LO- I IF+ I IF+ V LO+ V LO+ V LO+ I IF- V LO- I RF+ I RF+ TIA: TransImpedance Amplifier (Transimpedanzverstärker) + Filterung Additionsfrequenz

115 Ring-Mixer mit Strom-Eingang V LO+ I RF- I IF- V LO- V LO- I IF+ V LO+ I RF+ I RF- I RF+

116 Passiver Mixer TIA: TransImpedance Amplifier (Transimpedanzverstärker)

117 Passiver Mixer

118 Passiver Mixer

119 Zusammenfassung Problemstellung Mixerschaltungen Nichtlinearitäten als Mixer Multiplizierer-Mixer: Verstärker -Mixer, Gilbert-Mixer Lineare Mixer, Ring-Mixer auf anderen Effekten basierende Mixer Image-Reject-Mixer, Single-Sideband-Mixer Mixer mit Stromeingang Zusammenfassung Literaturverzeichnis

120 Literaturhinweise Bücher: -Stephen A. Maas, Microwave Mixers,Artech, 1993, ISBN B. Razavi, RF Microelectronics,Prentice Hall, 1998, ISBN T.H.Lee, The design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits, Cambridge University Press, 1998, ISBN Agilent DesignSeminar Fundamentals of Mixer Design und RFIC MOS Gilbert Cell Mixer Design -Asad A.Abidi, Short Course on Mixer Design -viele Mixer-Veröffentlichungen

121 Literaturhinweise Veröffentlichungen: - Darabi, H. et. al. Highly Integrated and Tunable RF Front Ends for Reconfigurable Multiband Transceivers: A Tutorial : Regular Papers, IEEE Transactions on Circuits and Systems I September 211 -Edward A. Keehr, Ali Hajimiri: A Wide-Swing Low-Noise Transconductance Amplifier and the Enabling of Large-Signal Handling Direct-Conversion Receivers : Regular Papers, IEEE Transactions on Circuits and Systems I January 212 -M. Valla et al.: A 72-mW CMOS 82.11a direct conversion front-end with 3.5-dB NF and 2-kHz 1/f noise corner, IEEE Journal of Solid-State Circuits April 25 -Chi-Yao Yu et al.: A SAW-Less GSM/GPRS/EDGE Receiver Embedded in 65-nm SoC, IEEE Journal of Solid-State Circuits October 211 -viele Mixer-Veröffentlichungen