Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely) ELEC-C5070 Elektroniikkapaja, 21.9.2015 Huom: Kurssissa on myöhemmin erikseen 19.10. apul.prof. Ville Viikarin laajempi esitys radiotekniikasta ja sen tarjoamista mahdollisuuksista Elektroniikassa epälineaaristen komponenttien tärkeitä käyttösovelluksia liittyy signaalitehon siirtämiseen taajuuksilta toisille Elektroniikan osa-alueista radiotekniikassa varsinkin taajuuksien sekoitus on tärkeä käytettävä ilmiö Epälineaarisina komponentteina toimivat diodit ja transistorit Tavallinen epälineaarisuuden muoto on esimerkiksi eksponentiaalinen riippuvuus Piirejä ovat sekoittimet, taajuuskertojat ja ilmaisimet Epälineaarisuudella on käytännössä usein myös haittapuolia: esim. häiriöiden ja kohinan lisääntyminen elektroniikkapiireissä ja radiospektrissä 2 1
Käyttötarkoituksia: Signaalin sekoitus ylös korkealle taajuudelle lähetettäväksi Signaalin sekoitus vastaanotossa alas välitaajuudelle ja/tai kantataajuudelle Sekoitusta voidaan käyttää apuna myös tiedon liittämiseksi kantoaaltoon (modulointi) tai erottamiseksi siitä (demodulointi, ilmaisu) Suurtaajuisen tehon ilmaisu Tehon tai taajuusviitetiedon tuottaminen jonkin perustaajuuden monikerroille taajuutta kertomalla 3 Epälineaarinen piiri voi tapauksesta riippuen tuottaa paljonkin erilaisia taajuuskomponentteja Yksinkertaista epälineaarista vastetta kuvataan usein potenssisarjalla V 2 3 o = avi + bvi + cvi Sijoitetaan sinimuotoisten jännitteiden summia V i :hin => kahden lähtötaajuuden tapauksessa V o :ssa esiintyville taajuuksille pätee f = mf 1 nf 2 +... (m,n kokonaislukuja) Näitä ovat myös sekoitinpiireissä hyödynnettävät taajuudet, joista perustapaus liittyy kertoimiin m = 1 ja n = 1 Sovelluksissa epätoivottujen taajuuksien tulokset pyritään pitämään pieninä sopivalla suunnittelulla ja mm. suodatuksella 4 2
Sekoitinpiirin perustoiminta vastaa matemaattista kertolaskua, esim.: V1 cos( 2pf1t + q1) V2 cos(2pf 2t + q2) = [ 2p ( f - f ) t + q -q ] + 0,5V V cos[ 2p ( f + f t + q + ] 0,5V V q 1 2 cos 1 2 1 2 1 2 1 2 ) Sekoitustuloksissa näkyvät myös sekä amplitudit että vaiheet => signaalien ominaisuuksissa oleva tieto säilyy Sovelluksissa suodatetaan tavallisesti toinen sekoitustuloksista käyttöön 1 2 5 Esim.: Syötetään ideaaliseen sekoittimeen kaksi sinivärähtelyä hieman eri taajuuksilla Sekoitus => taajuustason summa- ja erotustaajuiset tulokset ovat selvästi myös aikatason aaltomuodon osina Käytännön sekoittimien ulostulossa esiintyy muitakin taajuuksia, joten silloin aaltomuoto ei ole näin yksinkertaisen selkeä 6 3
Yleisin esimerkki sekoitusilmiön käytöstä: sekoitin radiovastaanottimessa Perinteinen superheterodynevastaanotin => sekoitin siirtää paikallisoskillaattorin ohjaamana signaalin matalalle välitaajuudelle käsiteltäväksi 7 Vastaanottimissa superheterodyne vs. suoramuunnos: Superheterodynevastaanottimessa signaalin sekoitetaan välitaajuudelle paikallisoskillaattoritaajuuden ylä- ja/tai alapuolella olevalta sivukaistalta Yleensä vain toinen sivukaista on haluttu => toinen on ns. peilitaajuudella => sille vaimennusta suodatuksella ennen sekoitinta Signaalin käsittely välitaajuudella Suoramuunnosvastaanottimessa sekoitetaan suoraan kantataajuudelle eli signaalin tiedon varsinaiselle taajuudelle Nollavälitaajuusvastaanotin Etenkin tietoliikennekäytössä 8 4
Eksponentiaalisuus on tavallinen komponenttien epälineaarisuus ( qvj )/( hkt ) ( qvj ) /( hkt ) VJ /( hvt Diodeissa I ( VJ ) = I S ( e -1)» I Se = I Se Myös bipolaaritransistoreissa V BE / V T I ( V )» I e C BE S ) Tietenkin komponentin toiminnassa piirissä on usein muutakin huomioitavaa epälineaarisuutta 9 Eksponenttifunktion tilalle voidaan yksinkertaisesti 1 2 1 3 sijoittaa tuttu sarjakehitelmä e x = 1+ x + x + x +... 2 6 => Eri termeistä saadaan vaihtojännitteille esiin mm. vahvistus, taajuuksien kerrannaisten syntyminen, kahden taajuuden sekoitusilmiö Esijännite eli komponentin ohjauksen tasajänniteosa vaikuttaa toimintapisteeseen: siis kuinka jyrkässä kohdassa eksponenttifunktiota piiriin syötettävät vaihtojännitteet vaikuttavat => vaikutus esimerkiksi siihen kuinka suureksi vahvistus tai sekoitusvahvistus muodostuu 10 5
Bipolaaritransistori voisi siis olla sekoitinkomponenttina esimerkiksi perinteisessä radiovastaanottimessa Paikallisoskillaattorijännite ja signaalijännite voidaan kytkeä transistorin kannalle Kollektorivirrasta saadaan sekoitustulos välitaajuudelle Käytännön välitaajuuksia: 455 khz (AMradio); 10,7 MHz (FM-radio) => näillä voidaan käyttää esimerkiksi rinnakkaisresonanssipiiriä välitaajuudella olevan signaalin erottamiseksi jatkokäsittelyyn C f IF L w IF 1 = = 2p 2p LC 11 Sekoittimia toteutetaan hyvin monella tavalla => eräitä vaihtoehtoja transistorisekoittimiin radioelektroniikassa: Kanavatransistori (nieluvirran neliöllinen riippuvuus hila-lähde jännitteestä) Sekoitettavat jännitteet voidaan syöttää transistorin eri elektrodeille Voidaan käyttää myös esim. kaksi kanavatransistoria sisältävää kaksoishila- MOSFET:ia Monimutkaisemmat toteutukset, varsinkin integroiduissa piireissä Myös diodisekoittimia käytetään, koska ne ovat tarkoituksenmukaisia monissa sovelluksissa + 12 6
Vaihtoehtoinen sekoitinperiaate: jaksollisesti ohjattu kytkimen tavoin toimiva piiri Kytkentä muuttaa aaltomuotoa jaksollisesti => sekoitus Myös mittaustekniikassa käytetään on-off -kytkentää siirtämään mittaussignaali suurelle taajuudelle Esimerkki diodien käytöstä kytkiminä voimakkaan LOohjauksen avulla: radiolaitteissa yleisesti käytetty kaksoisbalansoitu diodisekoitin 13 Sekoituksen sovellus mittaustekniikassa: Lock-in - vahvistin eli vaiheherkkä vahvistin tai ilmaisin Lock-in vahvistin ilmaisee hyvin herkästi vahvistimen oskillaattorin taajuudella f ref olevan signaalin kohinaisestakin mittausjännitteestä Tämän hyödyntämistä varten mittausjärjestelyssä myös moduloidaan mitattavaa kohdetta taajuudella f ref => kiinnostava mittaustieto on vastaavassa taajuuskomponentissa mittausanturin jännitteessä Valitsemalla sopiva f ref päästään eroon matalien taajuuksien 1/f-kohinasta ja häiriöistä Sekoitin on hyvin ideaalisesti toimiva Kapeakaistainen alipäästösuodatin erottelee signaalin ilmaisutuloksena olevan tasajännitteen Sama vaihe modulaatiossa ja ilmaisussa on optimitilanne tuloksen kannalta signaali + kohinaa V in sinijännite f ref ilmaisun tulos V out 14 7
Epälineaarinen toiminta näkyy aikatason aaltomuodossa ja taajuustasoon syntyvinä spektrikomponentteina => Sekä oskilloskooppi että spektrianalysaattori ovat hyödyllisiä mittausten peruslaitteita Aikatason ja taajuustason asioiden yhteyksiä voidaan ymmärtää tutun Fourier-sarjan tai -muunnoksen avulla 15 Oskilloskooppi Näyttää jännitteen aikatasossa Mittaus mittapään avulla Mittapää vaimentaa esim. 1:10 tai 1:100 Mittapäällä on suuri impedanssi => suhteellisen pieni kuormitus mittauskohteelle Digitaalinen oskilloskooppi ottaa näytteitä jännitteestä => FFTtoiminnon avulla on mahdollisuus tutkia myös spektriä eli taajuustasoa 16 8
Spektrianalysaattori Näyttää signaalin taajuuskomponentit Kaistanleveyden asetusarvo vaikuttaa erottelukykyyn Herkkä laite => voidaan saada esille myös heikkoja signaaleja ja taajuuskomponentteja db-asteikolla on nähtävissä hyvin laaja tehoalue Rajallinen tehonsieto (esim. 100 mw) Sisäänmeno 50 mittaustaajuuksilla => sopiva 50 :n liitäntä on tarpeen mittauskohteessa 17 TYÖ 2: Käytetään tavallista bipolaaritransistoria pienessä kokeilupiirissä epälineaarisuuden ilmiöiden ja toiminnan tutkimiseksi mittauksien avulla R1 100 kw Vs_tr C1 47 nf R2 10 kw B C2 1 mf E +5 V R4 51 W (BNC OUT) V u1 (TP3) R3 510 W C V u2 (TP4) TR1 2N2219A (GND) Syötetään generaattoreista suurtaajuusjännitteitä sisäänmenoon vasemmalla Mitataan ulostuloista oikealta oskilloskoopilla ja spektrianalysaattorilla; saadaan aikatason ja taajuustason tuloksia mm. sekoitusilmiöön liittyen 18 9
Signaalien syöttöä varten kahden funktiogeneraattorin jännitteiden yhdistämisen avuksi on tehty vaimentava vastuspiiri: V g1 Rb Rb (BNC IN 1) (TP1) Ra Ra => V s_tr V g2 (BNC IN 2) (TP2) Ra Rb Ra Rb Ra Ra = 56 W Rb = 470 W Esitehtävä (piiriin tutustuminen), mittaukset piirin toiminnasta ja mittausten raportointi Ilmiöinä vahvistus (myös säädettävä vahvistus), taajuuksien kerronta, taajuuksien sekoitus Laajempi kuvaus työstä on erillisessä työohjeessa @ MyCourses 19 Mittauskohde (vastus- ja transistoripiiri yhdessä piirilevyllä) Vasemmalla BNC-sisäänmenot, oikealla 5 V:n käyttöjännitteen syöttö ja BNC-ulostulo Piirilevyllä mittauspisteet TP1-TP4 ja maa (GND) johdinlenkeillä Ylhäällä toimintapisteen säätövastus 20 10
Piirin ohjausta varten on käytössä kaksi funktiogeneraattoria Taajuuden syöttö & näyttö, aaltomuodon valinta, amplitudin säätö jne. Työn mittauksissa on käytössä 50 :n ulostulo Kyseessä on kuitenkin tyypillinen elektroniikkapajan perusgeneraattori => 50 :n ulostulosta saatavan jännitteen amplitudi on mitattava itse erikseen 21 Oskilloskooppi mittakärkineen 22 11
Ulostulon aaltomuoto ja sen taajuuskomponentteja kun piirin kahteen sisäänmenoon on syötetty eritaajuiset jännitteet. Oskilloskoopin näyttöön on valittu sekä aikatason aaltomuoto (ylhäällä) että FFTtoiminnon tuottama spektriesitys (alhaalla). 23 Spektrianalysaattoria on myös mahdollista kokeilla 24 12