Doppel-Balance-Mischer mit hohem Dynamikbereich
Mischer mit gutem Großsignalverhalten sind für die moderne Empfangstechnik unumgänglich notwendig. Mit ganz erstaunlichen Daten kann ein neuer monolithischer FET-Mischer aufwarten.
Der Si-8901 von Siliconix ist ein monolithischer FET-RingModulator, der aus vier gepaarten DMOS-FETs besteht. Er kann bis 150 MHz eingesetzt werden und ermöglicht bei Frequenzen bis 100 MHz eine Rauschzahl von 8 dB. Bei einer Oszillatorleistung von + 17 dBm wurdeein Intercept-Punkt 3. Ordnung von + 36 dBm gemessen! Das bedeutet in der Praxis, daß zwei schon sehr starke Signale mit jeweils -20 dBm Leistung lediglich Intermodulationsprodukte erzeugen, die um 110 dB unter dem ZF-Ausgangssignal liegen.
Aufbau des Mischers
Bild 1 zeigt das funktionelle Blockdiagramm des im TO78-Metallgehäuse bzw. im SO14-Gehäuse für SMD-Anwendungen lieferbaren Mischers. Dieser FET-Mischer beruht ebenso wie der konventionelle Dioden-Ringmischer auf der Schalterfunktion der Vierfach FET-Elemente. Es handelt sich also auch bei diesem Mischer zunächst im Prinzip um nichts anderes als ein Schalterpaar, das die Phase des Signalträgers mit der Frequenz des Mischer-Oszillators umschaltet. Der Mischer liefert keine Verstärkung sondern bewirkt eine Dämpfung, die aus dem endlichen Einschaltwiderstand der einzelnen FETs resultiert, die sich hier wie ein geschaltetes Dämpfungsglied verhalten.
Bild 1: Funktionelles Blockdiagramm des Si-8901
Für geringe Verzerrungen beim Mischvorgang ist sowohl bei Dioden, wie auch bei aktiven FET-Mischern herkömmlicher Bauweise, die quadratische Kennlinie verantwortlich. Für einen großen Dynamikbereich muß der Mischer aber auch entsprechend über-lastbar sein. Zu geringe Belastbarkeit wurde inzwischen als ein wesentlicher Grund für Verzerrungen bei Mischern erkannt. Bei einigen passiven Dioden-Ringmischern wurden daher zur Erhöhung der maximalen Strombelastbarkeit mehrere Dioden parallelgeschaltet. Das führt aber zu einem drastischen Ansteigen des Oszillatorleistungsbedarfs, der ein wesentliches Problem beim Aufbau von High-Level-Mischern darstellt.
Hier unterscheidet sich der monolithische Vierfach-MOS-FET-Mischer Si-8901 nun deutlich von früheren Entwicklungen, denn er erreicht einen hohen Dynamikbereich, ohne daß er eine derart große Oszillatorleistung benötigt. Das Diagramm in Bild 2 zeigt in einem Vergleich das Großsignalverhalten im Vergleich mit einem aktiven FET-Mischer vom Typ U-350 (Siliconix) sowie einem herkömmlichen Dioden-Ringmischer. Dies wird durch eine spezielle Resonanzanpassung der Oszillatorspannungseinkopplung erreicht, die noch näher erläutert werden soll.
Wichtig für einen hohen Dynamikbereich und geringe Mischerdämpfung ist aber auch der zeitliche Verlauf der Oszillatorspannung, die möglichst Rechteck form mit einem lastverhältnis von 50010 aufweisen sollte. Bei einer sinusförmigen Oszillatorspannung können nämlich schon relativ kleine Signalspannungen zu einer überlastung des FETs führen und zwar immer dann, wenn die Spannung sich ihrem Nullpunkt nähert. Diese Forderungen können näherungsweise durch eine sinusförmige Spannung mit ausreichend hoher Amplitude erfüllt werden. Sie garantiert auch geringst-mögliche Einschaltwiderstände und damit minimale Mi scherdämpfung.
Bild 2: Vergleich der Interceptpunkte verschiedener Mischertypen in Abhängigkeit von der Oszillatorleistung
Bild 3 zeigt den üblichen Aufbau eines Mischers mit einem Diodenquartett bzw. mit vier geschalteten FETs, die über Breitband-Übertrager angesteuert werden. Für Dioden-Ringmischer, bei denen der Schaltvorgang als Funktion de Schleifenstroms erfolgt, bzw. für aktive FET-Mischer, die nur geringe Gate-Spannungen benötigen, reicht dieser Breitband-Transformator aus. Für Mischer mit vier geschalteten MOS-FETs wie den Si-8901 würde dagegen eine sehr hohe Schaltleistung von mindestens 2 W benötigt werden. Ältere Mischer, die nach diesem Prinzip mit P-Kanal-MOS-FETs arbeiteten, erforderten auf Grund der niederohmigen Anpassung sogar Leistungen bis zu 5 W!
Bild 3: Mischerschaltung mit Vierfach-FET-Mischer und Ansteuerung über konventionelle Breit band-Transformatoren
Um die zum Schalten der MOS-FETs benötigte hohe Spannung zu erzeugen, wurde daher beim Si-8901 ein anderer Weg gewählt und eine Schaltung mit einem auf der Oszillatorfrequenz in Resonanz befindlichen Gate-Tankkreis gemäß Bild 4 vorgesehen. Die Wirkung der Resonanzabstimmung verdeutlicht Tabelle 1, aus der hervorgeht, welche Spannungen sich an den Gates bei konventioneller Speisung über einen 50 zu 1000-100-Ohm-Transformator mit und ohne Resonanzabstimmung einstellen. Dabei hatte der belastete Oszillatorkreis eine Güte von Q = 14.
Bild 4: Gate-Ansteuerung über Resonanzkreis; T2 wird mit Cgs des Si-8901 auf Resonanz abgestimmt
Die Gate-Ansteuerung über einen resonanten Kreis kann auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise läßt sich der resonante Tank-Kreis gleich mit dem Oszillator koppeln, oder es kann sich um eine varaktor-abgestimmte KlasseB-Stufe oder auch einen unabhängigen resonanten Tankkreis handeln, wie er in Bild 4 dargestellt wird. Hier ist T2 so abgestimmt, daß zusammen mit der Kapazität Cg5 des Si-8901 Resonanz auftritt. Mit wachsender Gate-Spannung verbessert sich das Intermodulationsverhalten dieses Mischers, wie das Diagramm in Bild 5 zeigt.
Bild 5: Einfluß der Gate-Spannung auf das Intermodulationsverhalten
| Leistung in mW | Gatespannung ohne Resonanz (V) | Gatespannungen bei Resonanz (V) |
|---|---|---|
| 10 | 0,2 | 5,4 |
| 20 | 0,29 | 7,7 |
| 30 | 0,33 | 9,4 |
| 60 | 0,44 | 13,3 |
Praktischer Aufbau
Der Versuchsaufbau des Mischers gemäß Bild 6 (Platinen-Layout Bild 7) wurde auf zweiseitigem Epoxymaterial vorgenommen. Für die Signal und ZF-Ports wurden fertige übertrager von Mini-Circuits verwendet (ZF: T4-1, Signal: T1-1T). Der Resonanzkreis selbst wurde auf einen kernlosen Spulenkörper mit 6 mm Durchmesser gewickelt. Als Übertrager zur unsymmetrischen Einspeisung des Oszillatorsignals diente ein T4-1. Der Mischer wurde in dieser Form auf 60 MHz getestet. Sein Verhalten zeigt das Diagramm in Bild 8, in dem der Eingangs-Intercept-Punkt und die Mischdämpfung in Abhängigkeit von der Oszillatorleistung aufgetragen wurden. Bei einer Oszillatorleistung von 17 dBm = 50 mW lag der 2-dB-Kompressionspunkt bei + 30 dBm. Bei der gleichen Leistung wurde eine Rauschzahl von 7,95 dB gemessen.
Bild 6: Prototyp eines Mischers asrit Si-8901
Bild 7: Platinenlayout des Mischers in Bild 6
Bild 8: Intercept-Punkt und Mischerdämpfung in Abhängigkeit von der Oszillatorleistung
Literaturhinweise
- Si-8901 - Ring Demodulator, Balance-Mischer, Datenblatt und Applikationsbericht, Siliconics GmbH.