電子ミキサー

電子ミキサーは、2 つ以上の電気信号または電子 信号を 1 つまたは 2 つの複合出力信号に結合するデバイスです。ミキサーという用語を使用する基本的な回路は 2 つありますが、これらは非常に異なる種類の回路です。加算ミキサーと乗算ミキサーです。加算ミキサーは、関連するデジタル加算回路と区別するためにアナログ加算器とも呼ばれます。

単純な加算ミキサーは、キルヒホッフの回路法則を使用して2 つ以上の信号の電流を加算します。この用語 (「ミキサー」) は、音声信号、音楽信号、効果音などのオーディオ信号を加算するためにオーディオミキサーが使用されるオーディオ エレクトロニクスの分野でのみ使用されます。

乗法ミキサーは、時間によって変化する 2 つの入力信号を瞬時に(瞬間ごとに)乗算します。2 つの入力信号が両方とも指定された周波数f ₁と f _2の正弦波である場合、ミキサーの出力には、周波数の合計が f ₁ + f ₂で、差周波数の絶対値が|f ₁ - f ₂ | である 2 つの新しい正弦波が含まれます。

_{周波数 f 1}と f _{2 の}2 つの信号によって駆動される非線形電子ブロックは、相互変調 (混合) 生成物を生成します。乗算器 (非線形デバイス) は、理想的には和と差の周波数のみを生成しますが、任意の非線形ブロックは 2·f ₁ -3·f ₂などの信号も生成します。したがって、より複雑な乗算器の代わりに、通常の非線形増幅器または単一のダイオードがミキサーとして使用されてきました。乗算器には通常、望ましくない高次の相互変調を少なくとも部分的に排除し、変換ゲインを大きくできるという利点があります。

加法ミキサーは2 つ以上の信号を加算し、各ソース信号の周波数成分を含む複合信号を生成します。最も単純な加法ミキサーは抵抗ネットワークであるため、完全に受動的ですが、より複雑なマトリックスミキサーでは、インピーダンス整合と優れた分離のためにバッファアンプなどの能動コンポーネントが使用されます。

理想的な乗法ミキサーは、2 つの入力信号の積に等しい出力信号を生成します。通信では、乗法ミキサーは信号周波数を変調するために発振器と一緒に使用されることがよくあります。乗法ミキサーは、入力信号周波数をアップコンバートまたはダウンコンバートするためにフィルターと組み合わせることができますが、スーパーヘテロダイン受信機で行われるように、より単純なフィルター設計を可能にするために、より低い周波数にダウンコンバートするために使用されることがより一般的です。多くの一般的な回路では、単一の出力信号に実際には複数の波形、つまり 2 つの入力周波数の和と差の波形と高調波波形が含まれています。出力信号は、フィルターを使用して他の信号成分を除去することによって取得できます。

受信信号は次のように表される。

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

局部発振器の周波数は次のように表される。

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

簡単にするために、検出器の出力Iは振幅の 2 乗に比例すると仮定します。

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

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

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

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

${\displaystyle =\underbrace {\frac {E_{\mathrm {sig} }^{2}+E_{\mathrm {LO} }^{2}}{2}} _{定数\;コンポーネント}+\アンダーブレース{{\frac {E_{\mathrm {sig} }^{2}}{2}}\cos(2\omega _{\mathrm {sig} }t+2\varphi )+{\frac {E_{\mathrm {LO} }^{2}}{2}}\cos(2\omega _{\mathrm {LO} }t)+E_{\mathrm {sig} }E_{\mathrm {LO} }\cos((\omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )} _{高周波成分}}$

${\displaystyle +\underbrace {E_{\mathrm {sig} }E_{\mathrm {LO} }\cos((\omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} })t+ \varphi )} _{beat\;コンポーネント}.}$

出力には高周波成分（、）と定数成分があります。ヘテロダイン検出では、高周波成分と通常は定数成分が除去され、中間（ビート）周波数が に残ります。この最後の成分の振幅は、信号放射の振幅に比例します。適切な信号解析により、信号の位相も復元できます。 ${\displaystyle 2\omega _{\mathrm {sig} }}$${\displaystyle 2\omega _{\mathrm {LO} }}$${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} }}$${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} }}$

が に等しい場合、ビート成分は元の信号の復元バージョンであり、振幅はとの積に等しくなります。つまり、受信信号は局部発振器と混合することによって増幅されます^{[説明が必要] 。これが}ダイレクトコンバージョン受信機の基礎です。 ${\displaystyle \omega _{\mathrm {LO} }}$${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }}$${\displaystyle E_{\mathrm {sig} }}$${\displaystyle E_{\mathrm {LO} }}$

乗法ミキサーはさまざまな方法で実装されてきました。最も一般的なのは、ギルバート セルミキサー、ダイオードミキサー、ダイオード リング ミキサー (リング変調)、スイッチング ミキサーです。ダイオード ミキサーは、ダイオード デバイスの非線形性を利用して、2 乗項で必要な乗算を生成します。電力出力のほとんどがフィルタリングを必要とする他の不要な項であるため、非常に非効率的です。安価な AM ラジオでは、今でもダイオード ミキサーが使用されています。

電子ミキサーは、通常、トランジスタやダイオードをバランス回路または二重バランス回路に配置して作られています。モノリシック集積回路またはハイブリッド集積回路として容易に製造できます。さまざまな周波数範囲に対応するように設計されており、数十万個単位で厳しい許容誤差で大量生産されるため、比較的安価です。

ダブルバランスミキサーは、マイクロ波通信、衛星通信、極超短波(UHF) 通信送信機、無線受信機、レーダーシステムなどで広く使用されています。

ギルバート セル ミキサーは、 2 つの信号を乗算するトランジスタの配置です。

スイッチング ミキサーは、電界効果トランジスタまたは真空管のアレイを使用します。これらは、信号の方向を切り替えるための電子スイッチとして使用されます。これらは、混合される信号によって制御されます。これらは、デジタル制御のラジオで特に人気があります。スイッチング ミキサーは、ギルバート セル ミキサーよりも多くの電力を通過させ、通常、歪みが少なくなります。