ミキサの基礎
Christina Nickolas著
寄稿:Electronic Products
2011-10-20
ミキサは、軍事レーダ、セルラー基地局など、さまざまなRF/マイクロ波アプリケーションで使用されています。RFミキサ は、信号を変調または復調することができる3ポートのパッシブまたはアクティブなデバイスです。その目的は、電磁波信号の周波数を変える一方で、元の信号の位相や振幅などを(うまくいけば)維持することです。周波数変換を行う主な理由は、受信した信号をRFの周波数以外の周波数で増幅できるようにするためです。
図1:ミキサのシンボル図
図1は、ミキサの3つのポートを示しています。fin1とfin2は入力ポートであり、出力ポートには入力の周波数の和と差の両方の周波数が現れます。
fout = fin1 ± fin2
図2:ダウンコンバージョンとアップコンバージョンの説明図
3つのポート(図2)は、RF入力ポート、LO(局部発振器)入力ポート、およびIF(中間周波数)出力ポートと呼ばれます。 ミキサは、受信機の一部として構成されている場合はダウンコンバータ、送信機の一部である場合はアップコンバータとも呼ばれます。
ミキサが使用されているアプリケーションに応じて、LOは正弦波の連続波信号または方形波のいずれかで駆動されるのが一般的です。概念的には、LO信号はミキサのゲートとして働き、LOが大きな電圧の時にミキサはON、小さな電圧の時にOFFと見なされます。LOは入力ポートとしてのみ動作し、RFとIFポートは第2入力または出力ポートに入れ替えることができます。
希望する周波数が第2入力周波数より低い場合、そのプロセスはダウンコンバージョンと呼ばれます。このとき、RFは入力となり、IFは出力となります。希望する出力周波数が第2入力周波数より大きい場合、このプロセスはアップコンバージョンと呼ばれます。ここでは、IFが入力でRFが出力となります。
受信機では、LO周波数がRF周波数より低い場合をローサイドインジェクションと呼び、ミキサはローサイドダウンコンバータになります。LO周波数がRFより高い場合は、ハイサイドインジェクションと呼ばれ、ミキサはハイサイドダウンコンバータとなります。
一般的に、パッシブミキサはダイオードなどのパッシブ素子で構成されています。アクティブミキサは、トランジスタなどのアクティブ素子で構成されています。用途に応じてアクティブ実装とパッシブ実装が使い分けられ、それぞれメリットとデメリットがあります。例えば、非線形素子としてダイオードを用いたり、パッシブスイッチとしてFETを用いたりするパッシブ実装では、ゲインよりも変換ロスが発生します。この場合は、システム全体のノイズ性能に影響を与える可能性があるため、ミキサの前にLNA(ローノイズアンプ)が追加されるのが一般的です。
パッシブミキサは、シンプルで広い帯域幅と良好な相互変調歪み(IMD)性能により、広く使用されています。アクティブミキサは、主にRFICの実装に使用されます。これらは、変換利得が得られ、信号ポート間のアイソレーションが良好で、LOポートの駆動に必要な電力が少なくて済むように構成されています。また、他の信号処理回路とモノリシックに集積でき、負荷マッチングの影響を受けにくくなります。
アクティブおよびパッシブミキサには、アンバランス型、シングルバランス型、ダブルバランス型の3つの基本的なタイプがあります。
データシートに記載されているミキサのパラメータには、以下のようなものがあります。
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変換損失またはゲイン
変換ゲインはアクティブミキサの信号ゲインを、変換損失(CL)はパッシブミキサの挿入損失を表し、それぞれdBで表されます。変換ゲインは、IF出力電力とRF入力電力の比として定義されます。パッシブミキサでは、CLは雑音指数に次いで重要なパラメータです。これは、入力RF電力レベルと希望する出力IF周波数電力レベルとの電力比と定義されます。もちろん、CLは小さい方が望ましいです。変換損失の一般的な値は4.5~9dBです。その他、 伝送路の損失、 バランのミスマッチ、 ダイオードの直列抵抗、 ミキサのアンバランスなどによる損失が発生する可能性があります。また、3ポートの周波数範囲が広ければ広いほど、CLは悪くなります。 -
入力インターセプトポイント(IIP3)
IIP3は、不要な相互変調積の出力電力と目的のIF出力が等しくなるRF入力電力です。 -
スプリアス
外部からのスプリアス信号は、IF帯域に入る可能性のある望ましくない周波数を発生させます。メーカーが提供するスプリアステーブルには、LO駆動条件における各応答の相対的な振幅が示されています。 -
アイソレーション
あるポートから別のポートへの電力リーク量として定義されます。アイソレーションが高ければ、ポート間のリーク量は小さくなります。 -
雑音指数(NF)
ミキサで発生し、IF出力に加わるノイズと定義され、パッシブミキサの2番目に重要なパラメータです(CLが1番目)。パッシブミキサの場合、NFは損失とほぼ等しくなります。 -
ダイナミックレンジ
ミキサが正常に動作する信号電力範囲です。
その他、イメージ信号除去、ゲインコンプレッション、相互変調、DCオフセット、2信号入力3次相互変調、1dBコンプレッション点などのパラメータを熟知しておく必要があります。
ミキサの選択
ミキサの選定は多くの要因に左右されますが、中でもアプリケーションの要件が最も重要です。LO、RF、IFの周波数範囲と、必要なLOドライブ電力を決定します。アプリケーションによっては、 一定量の高調波歪が要求されます。最後に、 ミキサのパッケージの種類を決定します。
弊社では、幅広い ミキサ の選択肢を提供しています。以下はその一例です。
図3:Linear Technology LT5560
Linear Technologyは、低電力で高性能の広帯域アクティブミキサ LT5560を提供しています。 このダブルバランスドミキサは、シングルエンドLOソースで駆動でき、必要なLO電力はわずか–2dBmです。 バランス設計により、出力へのLOリークが少なく、また、入力アンプが内蔵されているため、優れたLO-IN間のアイソレーションを実現しています。信号ポートは広範囲の周波数にインピーダンス整合させることができるため、LT5560は様々なアプリケーションでアップコンバージョンまたはダウンコンバージョン用ミキサとして使用することができます。
図4:Maxim MAX2682の回路
Maxim Integrated Products のMAX2680/MAX2681/MAX2682 は、小型、低コスト、低ノイズのダウンコンバージョン用ミキサで、低電圧動作用に設計されており、ポータブル通信機器での使用に適しています。RF入力ポートの信号は、ダブルバランスドミキサを使用してLOポートの信号と混合されます。RF入力周波数は400MHz~2,500MHzで動作し、IF出力周波数は10~500MHzにダウンコンバートされます。
NXP Semiconductor は、セルラーバンド(900MHz)、PCSバンド(1,900MHz)、WLANバンド(2.4GHz)の広い周波数帯域を特長とする BGA2022 MMICミキサを提供します。仕様(VS = 2.8V、IS = 6mA、PLO = 0dBm、fRF = 1,800MHz、fLO = 2,080MHz、fIF = 280MHz)として、高い変換利得6dB(標準)、雑音指数12dB(DSB)(標準)、出力3次インターセプトポイント7dBmを実現しています。
要約
ミキサの目的は、他の2つのポートに2つの入力周波数が与えられたとき、出力ポートに和周波数と差周波数の両方の信号を提供することです。設計者は、この周波数を効率よく、歪みなく適切に変換するために、すべてのミキサの特性を十分に理解する必要があります。
参考資料
- Mixer Basics Primer, A Tutorial for RF & Microwave Mixers, By Ferenc Marki and Christopher Marki, Ph.D.
- Analog Devices “Mixer and Modulators,” MT-080 Tutorial.