Расчёт и моделирование смесителя

Преобразователь частоты (смеситель) осуществляет преобразование высокочастотного входного сигнала приёмника в низкочастотный сигнал промежуточной частоты. В современных системах связи наибольшее распространение получили МОП-смесители по схеме Гильберта. Структурная схема двойного балансного смесителя по схеме Гильберта показана на рис. 9.

Рис. 9. Структурная схема преобразователя Гильберта

I. Расчёт элементов схемы смесителя по постоянному току. Используем типовые параметры 0.35 мкм КМОП-технологии. Зададим параметры:

• Напряжение питания: E_ПИТ = 2.5 В

• Ток через токовое зеркало: 1 мА

• Минимальная длина каналов транзисторов: L = 0.4 мкм

• Напряжение отпирания: U₀ = 0.465 В

Расчёт параметров элементов схемы смесителя. Выберем для всех транзисторов:

Для всех транзисторов:

Тогда

1. Для транзисторов T7 и T8: ; при длине канала L = 0.4 мкм ширина канала W = 640 мкм.

2. Для транзисторов T3 и T6: ; при длине канала L = 0.4 мкм ширина канала W = 320 мкм.

3. Амплитуда сигнала гетеродина должна быть не ниже

4. Для транзисторов T1, T2, T4, T5: ; при длине канала L = 0.4 мкм ширина канала W = 160 мкм.

5. Определим рабочую точку транзисторов T1, T2, T4, T5:

Для достижения необходимого коэффициента передачи смесителя выберем

Выберем рабочую точку посередине между полученными значениями:

6. Определим рабочую точку транзисторов T3, T6:

Выберем рабочую точку между полученными значениями:

7. Рассчитаем цепь питания по постоянному току на транзисторах T7, T8:

II. Расчёт коэффициента передачи смесителя:

Или 20.1 дБ (что и требовалось по заданию)

III. Расчёт шумового спектра:

1. Спектральная плотность средней мощности шума входного каскада.

2. Спектральная плотность средней мощности шума сопротивления нагрузки:

3. Спектральная плотность средней мощности шума гетеродина:

4. Спектральной плотностью средней мощности шума внутреннего сопротивления источника гетеродина пренебрегаем.

Спектральная мощность средней мощности шума напряжения на выходе смесителя Гильберта:

IV. Расчёт уровня третьей гармоники:

Тогда амплитуда третьей гармоники выходного сигнала равна (при U_вхm = 5 мВ):

Проверка работы смесителя на МОП-транзисторах тестовым сигналом (гармонический сигнал на частоте 60 МГц и с амплитудой 5 мВ).

Сигнал на входе смесителя:

Смеситель на выходе смесителя (перемещенный на ПЧ (5 МГц) и усиленный (76.3 мВ)):

Коэффициент усиления смесителя равен:

Расчётный коэффициент усиления:

Схема для моделирования приведена на рис. 10.

Рис. 10. Схема смесителя

С пектр выходного колебания смесителя на промежуточной частоте представляет собой усиленное исходное ЧМ-колебание на промежуточной частоте (рис. 11).

Рис. 11. Спектр выходного колебания смесителя на ПЧ

Рис. 12. Спектральные составляющие на выходе смесителя

Спектральные составляющие на выходе смесителя представлены на рис. 12.