Diodi e Mixers RF

I diodi RF sono un dispositivo semiconduttore passivo usato in circuiti a frequenza radio (RF). Hanno una varietà di diversi ruoli riguardanti le loro caratteristiche non lineari e direzionali. Le applicazioni che usano diodi RF includono: mixer diodi, interruttori Tx/Rx, sintonizzazione ricevitori, oscillatori controllati in tensione e blocchi di controllo automatico del guadagno (AGC).

I diodi Schottky sono diodi a portatore caldo con una bassa caduta di tensione e possono funzionare come interruttori rapidi. Sono dispositivi semiconduttori in metallo opposti alle normali giunzioni semiconduttore-semiconduttore del diodo. Hanno un rapido tempo di recupero inverso – il tempo che il diodo passa dallo stato di acceso a spento. Vengono usati nei rilevatori RF e mixer e possono funzionare con frequenze estremamente alte, superiori a 50GHz. Storicamente, i diodi Schottky erano usati come rilevatori a baffo di gatto nelle prime radio.

I diodi di tunneling sono dispositivi a funzionamento rapido con giunzioni del tipo a P ed N così fortemente drogate che la caratteristica della banda proibita del diodo è suddivisa, facilitando l'effetto quantistico del tunneling meccanico. L'operazione di polarizzazione avanzata ha ridotto la corrente con la tensione più alta. Questa viene denominata effetto di resistenza negativa. I diodi di tunneling a polarizzazione inversa funzionano come diodi inversi (una variante del diodo zener) ma con una linearità estremamente alta. Questa caratteristica li rende eccellenti per i rilevatori, i raddrizzatori e gli interruttori ad alta velocità. Sono generalmente costituiti da silicio, germanio o arseniuro di gallio. Vengono usati in: convertitori di frequenza, rilevatori RF, oscillatori e amplificatori. La singolare caratteristica di avere con riserva una resistenza differenziale negativa consente loro di essere impiegati come amplificatori RF. Gli amplificatori a diodo di tunneling microstrip vengono usati in applicazioni RF e microonde ad alta frequenza, come gli amplificatori satellitari, e possono funzionare oltre i 15GHz.

I diodi pin sono usati come contatti non ohmici (giunzioni non rettificanti). La loro caratteristica è di avere regioni del tipo P ed N fortemente drogate, insieme con un'ampia regione intrinseca. Questo migliora la loro capacità di essere usati come attenuatori, interruttori veloci (circa 10ms) e fotorilevatori, ma li rende non idonei come rettificatori. Un diodo PIN si trasforma in un elemento di serie a bassa impedenza quando viene polarizzato direttamente, ma diventa un'alta impedenza di diversi kW quando non è polarizzato. Questo lo rende adatto all'uso come interruttore Rx/Tx. Un diodo pin di serie in un circuito a diodo pin fornisce un isolamento ad alta impedenza al trasmettitore, proteggendolo dai danni. Quando un diodo pin si disinserisce, la sua impedenza aumenta monotonicamente. Questo lo rende adatto ad applicazioni di attenuazione controllata della tensione, come può servire in un AGC RF.

I mixers RF, anche noti come mixer di frequenza, sono dispositivi a semiconduttore non lineari che eseguono la moltiplicazione analogica di due segnali RF e generano il prodotto risultante. Lo scopo principale di un mixer RF è quello di convertire un segnale da una frequenza in un'altra nei circuiti di ricezione e trasmissione. Un segnale RF che viene ricevuto o deve essere trasmesso viene moltiplicato per la frequenza di riferimento di un oscillatore locale. Un ricevitore invierà l'input ad alta frequenza in ricezione e lo convertirà in una bassa frequenza, detta frequenza intermedia (IF, Intermediate Frequency) o 0 Hz (banda base) in un ricevitore di conversione diretta. I trasmettitori utilizzano i mixer al contrario, moltiplicando un segnale IF fino alla frequenza in trasmissione.

Idealmente due vettori modulati vengono moltiplicati (f1 x f2) da un mixer per produrre un segnale con due vettori modulati superimposti con le frequenza di somma (f1 + f2) e differenza (|f1 - f2|). Questi sono detti eterodine o frequenze di immagine della banda laterale alta e bassa. In realtà i mixer presentano peculiarità di trasferimento non ideali e generano altri prodotti di mixing noti come spurie. Le spurie includono vari livelli dei prodotti di mixing armonico, detti prodotti di modulazione. Idealmente è necessario solo un prodotto, ovvero la banda laterale alta o bassa. I mixer che sono ottimizzati per ridurre le spurie e forniscono una banda laterale singola sono noti come mixer a banda laterale singola o a reiezione di immagine. La soppressione di una banda laterale riduce i requisiti di filtraggio del circuito di ricezione o trasmissione.

Verosimilmente i mixer sono bilanciati in riferimento alla loro simmetria. Ne derivano i seguenti vantaggi: isolamento intrinseco, cancellazione dell'intermodulazione, reiezione dei segnali in modalità comune e migliore efficienza della conversione. Per isolare gli ingressi tra loro e l'uscita, viene utilizzato un ibrido a 180o per trasformare il mixer a 3 porte in un dispositivo a 4 porte. Il dispositivo a 4 porte prevede segnali di uscita equamente divisi e fuori fase di 180o. Quando si combinano due mixer singoli bilanciati, il risultato è un mixer doppio bilanciato. Questa topologia può essere configurata in modo che il 75% delle spurie si annulli in corrispondenza della porta IF. Sono possibili altre combinazioni più complesse di mixer bilanciati. Un mixer IQ è una variazione di un mixer RF dotato di due circuiti mixer con una fase dei segnali di riferimento di un oscillatore locale spostata di 90o (quadratura). In seguito allo spostamento della fase dell'uscita di un mixer di 90o e all'aggiunta o alla sottrazione dell'uscita nell'altro mixer, una delle immagini viene cancellata/soppressa a causa delle relazioni trigonometriche. Questo è il cosiddetto mixer a reiezione di immagine Hartley e presenta il vantaggio di ridurre i requisiti di filtraggio.

I mixer RF possono essere dotati di numerose tecnologie, dagli anelli a diodi semplici alle celle di Gilbert composte da transistor bipolari o a effetto di campo disposti in una topologia cascode complessa. Possono essere dotati di elementi PLL e VCO integrati e incorporare i circuiti degli amplificatori. Tra le caratteristiche importanti di un mixer RF figurano la perdita di conversione, l'isolamento, il punto di compressione da 1 dB, la distorsione di intermodulazione (IMD, InterModulation Distortion) e la cifra di rumore. La perdita di conversione corrisponde alla differenza tra i livelli di potenza RF in ingresso e potenza IF in uscita. L'isolamento tra le porte riduce le spurie causate dai segnali che raggiungono la porta errata. Il punto di compressione da 1 dB misura la linearità del mixer ed è la quantità di potenza in ingresso necessaria per aumentare la perdita di conversione di 1 dB. Le IMD combinano i prodotti di mixing creati dalla combinazione di termini di armoniche a causa di peculiarità del mixer non ideali. Questi sono detti termini IMD a tono singolo. La cifra di rumore è una degradazione del rapporto tra segnale e rumore causata dal mixer ed è strettamente associata alla perdita di conversione del mixer. Continua a leggere Meno informazioni