INGENIERÍA ELECTRÓNICA - CIRCUITOS ANALÓGICOS

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Un simple mezclador aditivo pasivo de tres canales. Se pueden agregar más canales simplemente agregando más tomas de entrada y resistencias de mezcla.

Un mezclador de aditivos activos de "suelo virtual". Los amplificadores de búfer sirven para reducir la interferencia y la distorsión.

Un mezclador electrónico es un dispositivo que combina dos o más señales eléctricas o electrónicas en una o dos señales de salida compuestas. Hay dos circuitos básicos que usan el término mezclador , pero son tipos de circuitos muy diferentes: mezcladores aditivos y mezcladores multiplicativos. Los mezcladores aditivos también se conocen como " sumadores analógicos " para distinguirlos de los circuitos de sumadores digitales relacionados .

Los mezcladores aditivos simples utilizan las leyes de circuito de Kirchhoff para sumar las corrientes de dos o más señales, y esta terminología ("mezclador") solo se usa en el ámbito de la electrónicade audio donde los mezcladores de audio se usan para sumar señales de audio como señales de voz , Señales musicales , y efectos de sonido .

Los mezcladores multiplicativos multiplican juntas dos señales de entrada que varían en el tiempo instantáneamente (instante a instante). Si las dos señales de entrada son sinusoides de frecuencias especificadas f ₁ y f ₂ , entonces la salida del mezclador contendrá dos nuevos sinusoides que tienen la suma f ₁ + f _{2 de}frecuencia y la diferencia de frecuencia valor absoluto | f ₁ - f ₂ |.

Cualquier bloque electrónico no lineal accionado por dos señales con frecuencias f ₁ y f ₂ generaría productos de intermodulación (mezcla). Un multiplicador (que es un dispositivo no lineal) generará idealmente solo las frecuencias de suma y diferencia, mientras que un bloque no lineal arbitrario también generará señales en 2 · f ₁ -3 · f ₂ , etc. Por lo tanto, los amplificadores normales no lineales o solo diodos simples Se han utilizado como mezcladores, en lugar de un multiplicador más complejo. Un multiplicador generalmente tiene la ventaja de rechazar, al menos en parte, intermodulaciones de orden superior no deseadas y una mayor ganancia de conversión.

Mezcladores Aditivos [ editar ]

Ver también: mesa de mezclas.

Los mezcladores aditivos agregan dos o más señales , dando una señal compuesta que contiene los componentes de frecuencia de cada una de las señales fuente. Los mezcladores aditivos más simples son redes de resistencias y, por lo tanto, puramente pasivos , mientras que los mezcladores de matriz más complejos emplean componentes activos , como amplificadores de búfer, para la comparación de impedancias y un mejor aislamiento.

Mezcladores multiplicativos [ editar ]

Artículo principal: Mezclador de frecuencia

Un mezclador multiplicativo ideal produce una señal de salida igual al producto de las dos señales de entrada. En las comunicaciones, un mezclador multiplicativo se usa a menudo junto con un oscilador para modular las frecuencias de la señal. Un mezclador multiplicativo se puede acoplar con un filtro para convertir o convertir una frecuencia de señal de entrada, pero se usan más comúnmente para convertir a una frecuencia más baja para permitir diseños de filtros más simples, como lo hacen los receptores superheterodinos . En muchos circuitos típicos, la señal de salida única en realidad contiene múltiples formas de onda, es decir, aquellas en la suma y diferencia de las dos frecuencias de entrada y las formas de onda armónicas. La señal de salida se puede obtener eliminando los otros componentes de la señal con un filtro.

Más información: Frecuencia intermedia.

El tratamiento matemático [ editar ]

La señal recibida se puede representar como

$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {sig}} \ cos (\ omega _ {\ mathrm {sig}} t + \ varphi) \,}

y el del oscilador local se puede representar como

$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {LO}} \ cos (\ omega _ {\ mathrm {LO}} t). \,}

Para simplificar, suponga que la salida I del detector es proporcional al cuadrado de la amplitud:

$${\ displaystyle I \ propto \ left (E _ {\ mathrm {sig}} \ cos (\ omega _ {\ mathrm {sig}} t + \ varphi) + E _ {\ mathrm {LO}} \ cos (\ omega _ { \ mathrm {LO} t) \ right) ^ {2}}

$${\ displaystyle = {\ frac {E _ {\ mathrm {sig}} ^ {2}} {2}} \ left (1+ \ cos (2 \ omega _ {\ mathrm {sig}} t + 2 \ varphi) \Correcto)}

$${\ displaystyle + {\ frac {E _ {\ mathrm {LO}} ^ {2}} {2}} (1+ \ cos (2 \ omega _ {\ mathrm {LO}} t))}

$${\ displaystyle + E _ {\ mathrm {sig}} E _ {\ mathrm {LO}} \ left [\ cos ((\ omega _ {\ mathrm {sig}} + \ omega _ {\ mathrm {LO}}) t + \ varphi) + \ cos ((\ omega _ {\ mathrm {sig}} - \ omega _ {\ mathrm {LO}}) t + \ varphi) \ right]}

$${\ displaystyle = \ underbrace {\ frac {E _ {\ mathrm {sig}} ^ {2} + E _ {\ mathrm {LO}} ^ {2}} {2}} _ {constant \; component} + \ underbrace {{\ frac {E _ {\ mathrm {sig}} ^ {2}} {2}} \ cos (2 \ omega _ {\ mathrm {sig}} t + 2 \ varphi) + {\ frac {E _ {\ mathrm {LO}} ^ {2}} {2}} \ cos (2 \ omega _ {\ mathrm {LO}} t) + E _ {\ mathrm {sig}} E _ {\ mathrm {LO}} \ cos ( (\ omega _ {\ mathrm {sig}} + \ omega _ {\ mathrm {LO}} t + \ varphi)} _ {high \; frequency \; component}}

$${\ displaystyle + \ underbrace {E _ {\ mathrm {sig}} E _ {\ mathrm {LO}} \ cos ((\ omega _ {\ mathrm {sig}} - \ omega _ {\ mathrm {LO}}) t + \ varphi)} _ {beat \; component}.}

La salida tiene alta frecuencia ($${\ displaystyle 2 \ omega _ {\ mathrm {sig}}}, $${\ displaystyle 2 \ omega _ {\ mathrm {LO}}} y $${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {sig}} + \ omega _ {\ mathrm {LO}}}) y componentes constantes. En la detección heterodina, los componentes de alta frecuencia y, por lo general, los componentes constantes se filtran, dejando la frecuencia intermedia (latido) en$${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {sig}} - \ omega _ {\ mathrm {LO}}}. La amplitud de este último componente es proporcional a la amplitud de la señal de radiación. Con un análisis de señal apropiado , la fase de la señal también se puede recuperar.

Si $${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {LO}}} es igual a $${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {sig}}} entonces el componente de tiempo es una versión recuperada de la señal original, con la amplitud igual al producto de $${\ displaystyle E _ {\ mathrm {sig}}} y $${\ displaystyle E _ {\ mathrm {LO}}}; es decir, la señal recibida se amplifica mezclando con el oscilador local ^{[se necesita aclaración ]} . Esta es la base para un receptor de conversión directa .

Implementaciones [ editar ]

Los mezcladores multiplicativos se han implementado de muchas maneras. Los más populares son losmezcladores de células Gilbert, los mezcladores de diodos , los mezcladores de anillo de diodo ( modulación en anillo ) y los mezcladores de conmutación. Los mezcladores de diodos aprovechan la no linealidad de los dispositivos de diodo para producir la multiplicación deseada en el término cuadrado. Son muy ineficientes ya que la mayor parte de la potencia de salida se encuentra en otros términos no deseados que deben filtrarse. Las radios AM baratas todavía usan mezcladores de diodos.

Los mezcladores electrónicos se hacen generalmente con transistores y / o diodos dispuestos en un circuito balanceado o incluso en un circuito doblemente balanceado. Se fabrican fácilmente como circuitos integrados monolíticos o circuitos integrados híbridos . Están diseñados para una amplia variedad de rangos de frecuencia, y se producen en serie con tolerancias ajustadas de cientos de miles, lo que los hace relativamente baratos.

Mezcladores dobles equilibrado están muy ampliamente utilizados en comunicaciones de microondas , comunicaciones por satélite , de frecuencia ultra alta (UHF) de comunicaciones transmisores , receptores de radio y sistemas de radar .

Los mezcladores de células Gilbert son una disposición de transistores que multiplica las dos señales.

Los mezcladores de conmutación utilizan matrices de transistores de efecto de campo o tubos de vacío . Estos se utilizan como interruptores electrónicos, para alternar la dirección de la señal. Están controlados por la señal que se mezcla. Son especialmente populares con las radios controladas digitalmente. Los mezcladores de conmutación pasan más potencia y usualmente insertan menos distorsión que los mezcladores de células Gilbert.

matriz analógica programable en campo ( FPAA ) es un dispositivo de circuito integrado que contiene bloques analógicos computacionales (CAB) ^[1] [2] e interconexiones entre estos bloques que ofrecen capacidad de programación en campo . A diferencia de su digitales primo, el FPGA , los dispositivos tienden a ser más aplicación impulsada de propósito general, ya que pueden ser de modo actuales dispositivos o en el modo de voltaje. Para los dispositivos en modo de voltaje, cada bloque generalmente contiene un amplificador operacionalen combinación con la configuración programable de componentes pasivos. Los bloques pueden, por ejemplo, actuar como veranos.o integradores .

Los FPAA generalmente operan en uno de dos modos: tiempo continuo y tiempo discreto .

• Los dispositivos de tiempo discreto poseen un reloj de muestra del sistema . En un diseño de capacitor conmutado , todos los bloques muestrean sus señales de entrada con un circuito de muestreo y retencióncompuesto por un interruptor semiconductor y un capacitor. Esto alimenta una sección de amplificador operacional programable que se puede enrutar a una cantidad de otros bloques. Este diseño requiere una construcción semiconductora más compleja . Un diseño alternativo de corriente conmutada ofrece una construcción más simple y no requiere el capacitor de entrada, pero puede ser menos preciso y tiene menos abanico- Solo puede conducir un bloque siguiente. Ambos tipos de dispositivos de tiempo discreto deben compensar el ruido de conmutación, el alias a la frecuencia de muestreo del sistema y el ancho de banda limitado de la frecuencia de muestreo durante la fase de diseño.
• Los dispositivos de tiempo continuo funcionan más como una serie de transistores o amplificadores operacionales que pueden funcionar en todo su ancho de banda . Los componentes están conectados en una disposición particular a través de una matriz configurable de interruptores. Durante el diseño del circuito , se deben tener en cuenta las contribuciones de inductancia parásita , capacitancia y ruido de la matriz de conmutación .

Actualmente hay muy pocos fabricantes de FPAAs. Los recursos en chip aún son muy limitados en comparación con los de un FPGA. Este déficit de recursos es a menudo citado por los investigadores como un factor limitante en su investigación.

Herramientas de desarrollo [ editar ]

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Software AnadigmDesigner®2 EDA [ editar ]

AnadigmDesigner®2 es el software EDA de segunda generación que permite a los ingenieros diseñar e implementar circuitos analógicos reconfigurables dinámicamente en cuestión de minutos. Incluye un simulador funcional de dominio de tiempo. El software toma el diseño y lo traduce en código C para que pueda utilizarse dentro de un sistema integrado .

Software DynAMx Design Lab [ editar ]

DynAMX Design Lab se utiliza para configurar y simular un chip FPAA. Pone un entorno analógico comparable a un FPGA en manos de los ingenieros. Los ingenieros pueden diseñar rápidamente funciones analógicas complejas en un chip totalmente calificado. El software permite a los ingenieros ajustar la configuración sobre la marcha. Está diseñado específicamente para ser reconfigurable y reprogramable en tiempo real, ya sea en el laboratorio, en el campo o en producción.

Software ICE LAB [ editar ]

Este es un software de código abierto desarrollado en Georgia Tech que usa la herramienta de lugar y ruta para un FPGA desarrollado en UToronto . ^[3] También usa scilab de código abierto y Xcos para la interfaz. ^[4]

Historia [ editar ]

El término FPAA fue utilizado por primera vez en 1991 por Lee y Gulak. ^[5] Presentan el concepto de CABs que están conectados a través de una red de enrutamiento y configurados digitalmente. Posteriormente, en 1992 ^[6] y 1995 ^[7] , desarrollaron el concepto con la inclusión de amplificadores operacionales, condensadores y resistencias. Este chip original se fabricó con tecnología CMOS de 1,2 µm y opera en el rango de 20 kHz con un consumo de energía de 80 mW.

Pierzchala et al introdujeron un concepto similar denominado circuito analógico programable electrónicamente ( EPAC ). ^[8] Tenía un solo integrador. Sin embargo, propusieron una arquitectura deinterconexión local para intentar evitar las limitaciones de ancho de banda.

El procesador de señal analógica reconfigurable ( RASP ) y una segunda versión fueron introducidos en 2002 por Hall et al. ^[9] [10] Su diseño incorporó elementos de alto nivel como filtros de paso de banda de segundo orden y multiplicadores de matriz de 4 por 4 vectores en los CAB. Debido a su arquitectura, se limita a alrededor de 100 kHz y el chip en sí no es capaz de admitir la reconfiguración independiente.

La placa de circuito LYAPUNOV-1, implementando un conjunto de 32 FPAA y soportando la infraestructura ADC / DAC y FPGA, realiza efectivamente una computadora analógica en forma de una tarjeta enchufable para una tarjeta digital estándar. ^[11]

En 2004, Joachim Becker recogió la conexión paralela de OTA (amplificadores operacionales de transconductancia) y propuso su uso en una arquitectura de interconexión local hexagonal. ^[12]No requería una red de enrutamiento y eliminó el cambio de la ruta de la señal que mejora la respuesta de frecuencia.

En 2005, Fabian Henrici trabajó con Joachim Becker para desarrollar una OTA conmutable e invertible que duplicó el ancho de banda máximo de FPAA. ^[13] Esta colaboración resultó en la primera FPAA fabricada en una tecnología CMOS de 0.13 µm

En 2015, se desarrolló una placa de circuito de fuente completamente abierta que implementa una matriz de FPAA, ADC / DAC y una infraestructura FPGA para su uso en experimentos en dinámica y complejidad no lineales. El diseño ejemplifica el posible uso de FPAA para implementar formas de cómputo analógico emergente en forma de complemento para una computadora digital estándar, y se usó para descubrir un tipo de fenómeno de sincronización remota, así como para realizar un controlador bioinspirado para un robot parecido a un insecto.