خلاط ثنائي القطب RF الترانزستور - Bipolar Transistor RF Mixer

يمكن العثور على الترانزستورات ثنائية القطب في العديد من تطبيقات خلاطات الترددات الراديوية لمجموعة متنوعة من تطبيقات تصميم الدوائر الراديوية وغيرها، حيث تم تمييز خلاط الترانزستور ثنائي القطب من خلال تصميمات الدوائر التي شوهدت في أجهزة الراديو منخفضة التكلفة حيث يتم استخدام ترانزستور واحد، ممّا يوفر أحياناً كسب (RF) ووظائف مذبذب محلي بالإضافة إلى كونه خلاط (RF).

خلاطات الترانزستور BJT الأساسية:

غالبًا ما تستخدم الترانزستورات ثنائية القطب (BJTs) لتوفير أجهزة نشطة بسيطة ومنخفضة التكلفة لخلاطات الترددات اللاسلكية في تصميمات مختلفة لدارات الترددات الراديوية حيث يكون المرشح الموجود على النواتج مطلوباً لإزالة أي من إشارات (LO وRF) عالية التردد، أمّا عادةً ما تُستخدم هذه الدائرة لتحويل الإشارات من تردد عالٍ إلى تردد أقل بكثير، وإذا كان المرشح يتكون من مكثف فيمكن اختيار ذلك لتقديم دائرة كهربائية قصيرة لمدخلات (LO وRF)، بينما لا تؤثر على إشارات (IF).

بالإضافة إلى ذلك، تمنع الدوائر المضبوطة عند المدخلات اقتران إشارات (LO وRF) بالمصادر المعاكسة حيث يمكن ملاحظة أن هاتين الدائرتين عبارة عن طنين متسلسل، ممّا يسمح للإشارات بالمرور على تردد الرنين الخاص بها، ونتيجة لذلك يجب ضبطها على تردد الإشارة المتصلة بها أي إدخال (RF) أو مذبذب محلي حيث سيؤدي هذا أيضاً إلى منع (RF وLo) من التسرب مرة أخرى إلى منفذ الإدخال الآخر.

تقوم بعض الدوائر لخلاط الترانزستور بتطبيق مذبذب محلي على القاعدة ومدخل الترددات اللاسلكية إلى باعث الترانزستور حيث تجدر الإشارة إلى أنّ مدخلات (LO وRF) متبادلة في بعض الدوائر حيث ستحتاج مستويات (LO) ودائرة الإدخال للإشارتين إلى التعديل وفقاً لذلك داخل تصميم دائرة التردد اللاسلكي.

من الممكن استخدام مجموعة متنوعة من تكوينات الدوائر المختلفة لخلاط الترانزستور، وربما تكون الطريقة الأكثر وضوحاً هي تطبيق كلتا الإشارتين على قاعدة الترانزستور، وعلى الرغم من انخفاض عدد المكونات الإلكترونية والتكلفة لهذه الوظيفة، إلّا أنّ الأداء ضعيف أيضاً حيث يمكن العثور على خلاطات الترانزستور ثنائية القطب في بعض الدوائر المتكاملة للترددات الراديوية، وغالباً ما توفر هذه الخلاطات مستويات جيدة من الأداء حتى أنّها تشكل أساساً للخلاطات المزدوجة المتوازنة، والترانزستورات ثنائية القطب مفيدة للغاية كأساس للترددات اللاسلكية.

يتم استخدام المحول لجمع إشارات (LO وRF) عند الإدخال حيث يتم استخدام محاثة اللف لتكوين خزانات طنين بترددات (LO وRF)، كما يتم ضبط خزان النواتج على تردد (IF) حيث تستخدم المكثفات الكبيرة لتكوين أرضيات التيار المتردد.

دوائر خلاط RF الترانزستور ثنائي القطب:

يتم استخدام الترانزستور (BJT) أو ثنائي القطب في العديد من التطبيقات منخفضة التكلفة حيث يشكل الترانزستور الفردي أساس الخلاط في العديد من أجهزة الراديو المحمولة الترانزستور القديمة، كما كان خلاط الترانزستور ثنائي القطب مثالياً لأنّه يستخدم مكونات إلكترونية قليلة نسبياً ولم يكن أي منها مكلفاً بشكل خاص، وكما تطلبت محركاً مذبذباً محلياً قليلاً نسبياً وهي ميزة في العديد من تطبيقات تصميم الترددات اللاسلكية.

ومع ذلك، فإنّ أداء الخالط الأساسي للترانزستور (RF) ليس جيداً بشكل خاص ولكنّه يخدم بشكل جيد في العديد من أجهزة الراديو المحلية حيث يكون أدائه مناسباً تماماً، وترى الدائرة الأساسية للخلاط ترانزستور متحيزاً باستخدام شبكة مقسم محتملة للقاعدة، حيث يتم أيضاً تطبيق الإشارة الداخلة للتردد اللاسلكي على القاعدة، كما يتم حقن إشارة المذبذب المحلي في اتصال الباعث لتصميم الدائرة، وبالتالي لا يوجد تجاوز للباعث للحصول على كسب تردد لاسلكي إضافي.

يحتوي جامع تصميم دائرة التردد اللاسلكي لخلاط الترانزستور الفردي على دائرة مضبوطة، وعادةً ما يكون هذا هو أول محول (IF) ويوفر انتقائية لإزالة الإشارات غير المرغوب فيها، وهذه الدائرة غير متوازنة ونتيجة لذلك وستظهر مستويات عالية من كل من المذبذب المحلي وإشارة التردد اللاسلكي عند النواتج، ولأنّها غير مطلوبة تتم إزالتها عن طريق ضبط التردد اللاسلكي على النواتج.

في كثير من الأحيان بالنسبة لأجهزة الراديو المحلية ذات الموجات الطويلة والمتوسطة، كان ترانزستور الواجهة الأمامية متعدد الأغراض ممّا يوفر بعض كسب الترددات الراديوية ومذبذب محلي وخلاط حيث إنّ دائرة خلاط الترانزستور هذه هي التي تشكل أساس العديد من الدوائر داخل أجهزة الراديو الترانزستور باستخدام الترانزستورات المنفصلة، وغالباً ما يتم استخدام خلاط ذاتي التذبذب حيث تعمل دائرة ترانزستور مفردة حول هذا التكوين كمضخم (RF) مع الاختيار المسبق والمذبذب والخلاط.

في تصميم دائرة التردد الراديوي عادةً ما يتم التقاط الإشارة بواسطة هوائي قضيب من الفريت، حيث يشكل ملف هذا المكون الإلكتروني مع المكثف المتغير دائرة مضبوطة لتمكين ضبط المدخلات والحد من استقبال الإشارات خارج النطاق، كما يتم تطبيق هذا على قاعدة الترانزستور حيث يتم تضخيمه وحيث يدخل في عملية الخلط.

يتم إنشاء إشارة المذبذب المحلي بواسطة مجموعة الملف المتصلة بدوائر الباعث والمجمع حيث يتم ضبط ردود الفعل من المجمع إلى الباعث عبر دائرة الطنين الإضافية، كما يتم ربط المكثف المتغير لهذا مع الطرف الأمامي للتردد اللاسلكي بحيث عند ضبط الراديو، ويبقى كل من المذبذب المحلي وضبط التردد اللاسلكي تقريباً محسنين للتردد المستخدم، ويتم ضبط المحول في دارة المجمع على التردد الوسيط للراديو وبهذه الطريقة يتم إزالة إشارات التردد اللاسلكي والمذبذب المحلي وكذلك توفير انتقائية القناة المجاورة للراديو مع الانتقائية التي توفرها مراحل (IF) أخرى.

توفر هذه الدائرة مستوى عالياً من كسب التحويل، ممّا يجعلها مثالية لأجهزة الراديو المحلية منخفضة التكلفة للغاية، ومع ذلك فإنّ عملية الخلط ليست خطية وتولد الكثير من الإشارات الزائفة، وهو أمر لا يثير الدهشة لأنّ تصميم الدائرة يجب أن يؤدي العديد من الوظائف ولا يمكن تحسينها لأي منها.

تكوينات خلاط الترانزستور:

على الرغم من أنّه من غير المتوقع أن توفر خلاطات الترانزستور المبنية حول ترانزستور واحد أعلى مستوى من الأداء، إلّا أنّه من الممكن تحسين أداء خلاط الترانزستور ثنائي القطب بشكل كبير باستخدام طبولوجيا دوائر أكثر تقدماً، ويُعرف أحد أشكال خلاطات الترانزستور التي تعمل جيداً باسم خلية جيلبرت حيث تم تطوير طوبولوجيا خلاط الترددات اللاسلكية في الستينيات من القرن الماضي ولكنّها تستخدم عدداً من الترانزستورات والمكونات الإلكترونية الأخرى.

باستخدام مناهج مزدوجة متوازنة فإنّ خلية جيلبرت قادرة على تقديم مستويات عالية جداً من الأداء، ولقد أصبح خلاط خلية (Gilbert) بمفرده حيث تم دمجه في العديد من الدوائر المتكاملة، حيث تتيح الدوائر الخاصة به دمجها بسهولة بالغة.

يمكن استخدام ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب بنجاح كبير كخلاط تردد أو (RF) حيث يعتمد الأداء بشكل طبيعي على تصميم الدائرة الإلكترونية المستخدمة وتوفر تصميمات دارة مذبذب الخلاط البسيطة جداً أداءً مناسباً ولا سيما بالنظر إلى عدد المكونات الإلكترونية المستخدمة لكل هذه الوظائف، وللحصول على أداء أفضل هناك حاجة إلى دوائر أكثر تعقيداً باستخدام مكونات إلكترونية إضافية، وتكوينات الدوائر التي توفر قدرات خلاط مزدوجة متوازنة وما شابه ذلك ممكنة وفي ظل هذه الظروف تكون ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب قادرة على تقديم أداء ممتاز في تصميمات دوائر خلاط الترددات اللاسلكية.

جيلبرت خلاط خلية Gilbert Cell RF – RF:

خلاط خلية جيلبرت (Gilbert Cell RF): هو شكل من أشكال خلاط مزدوج متوازن قادر على استغلال الهيكل المتماثل لإزالة إشارات ناتج (RF وLO) غير المرغوب فيها من (IF) عن طريق الإلغاء، ونظراً لأنّه من المحتمل أن يكون أداء المكونات المجاورة داخل دائرة متكاملة متطابقاً بشكل جيد، فستكون الدائرة متوازنة جيداً وسيكون قمع مكونات الإشارة غير المرغوب فيها مرتفعاً.

دائرة خلاط (Gilbert Cell RF) قادرة على توفير أداء فائق وتستخدم على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة، وخلاط خلية جيلبرت أو مضاعفها هو شكل من أشكال دائرة خلاط الترددات اللاسلكية التي تستخدم على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة، والدائرة قادرة على توفير أداء ممتاز على الرغم من أنّها تتطلب عدداً أكبر من المكونات مقارنة بالعديد من أشكال الخلاط الأخرى، ولهذه الأسباب يعد خلاط خلية (Gilbert) هو الشكل الأكثر استخداماً للخلاط أو المضاعف الموجود داخل الدوائر المتكاملة للترددات اللاسلكية.

بدايات خلية جيلبرت:

كان مفهوم الدائرة الأساسية المستخدم في خلاط خلية جيلبرت في الأصل عبارة عن أجهزة بواسطة (H E Jones)، ولكنّه تم استخدامه في تطبيقات أخرى حيث تم استخدام طوبولوجيا خلاطة خلية جيلبرت لأول مرة كخلاط بواسطة باري جيلبرت حوالي عام (1967م / 1968م) وعلى الرغم من أنّ جيلبرت نفسه لم يقترح استخدام الاسم إلّا أنّه يستخدم على نطاق واسع لوصف طوبولوجيا دائرة الخلاط هذه، ومنذ نشأتها تم استخدام خلية جيلبرت ضمن تقنية الدوائر المتكاملة لتوفير خلاط عالي الأداء لا يحتاج إلى استخدام محاثات من أي شكل والتي يصعب دمجها داخل شريحة سيليكون.

 أساسيات خلاطة خلية جيلبرت:

يتكون خلاط خلية (Gilbert) بشكل أساسي من زوجي ترانزستور تفاضلي يتم التحكم فيهما عن طريق إحدى إشارات الدخل حيث تقود إشارة الإدخال الأخرى الأقطاب الكهربائية الأساسية للترانزستورات الزوجية التفاضلية، والناتج من خلاط أو مضاعف خلية جيلبرت هو ضرب دقيق لإشارات الإدخال حيث يمكن ملاحظة أنّ هناك الكثير من التناظر في دارة خلاط خلية جيلبرت وهذا يتيح الحصول على التوازن ورفض إشارات (LO وRF) عند النواتج.

أوضاع خلاط خلية جيلبرت:

• تبديل خلاط خلية جيلبرت: عند استخدام دائرة خلية جيلبرت كخلاط تبديل يجب أن يكون إدخال المذبذب المحلي للخلاط عبارة عن موجة مربعة وليست هناك حاجة لدائرة التشويه المسبق، كخلاط تبديل حيث يعمل منفذ (RF) كمدخل خطي.

عند استخدامه في وضع التبديل فإنّه يحتوي خلاط خلية (Gilbert) على إشارة تبديل يتم تغذيتها في منفذ المذبذب المحلي، كما يعمل هذا على مضاعفة الإشارة على منفذ التردد اللاسلكي إمّا عن طريق (+1 أو -1) حيث يؤدي ضربها بمقدار (+1) إلى نقل مستوى إدخال التردد اللاسلكي إلى منفذ الانتاج دون تغيير، كما يؤدي ضربه في (-1) إلى عكس الانتاج أي تغيير طور 180 درجة.

أمّا عند استخدامه في وضع التبديل، فلا يحتاج إدخال (LO) لخلاط خلية (Gilbert) إلى إظهار خطية عالية أي تشويه منخفض للتشكيل البيني والتشويه التوافقي؛ لأنّه مجرد إشارة تبديل حيث لا يحتاج إلى توفير وقت التبديل السريع، وإنّ إدخال التردد اللاسلكي لخلاط خلية جيلبرت الذي يحتاج إلى توفير الخطية.

• خلاطة خلية جيلبرت التناظرية: عند استخدامها كخلاط تناظري حيث تتطلب خلية جيلبرت أن يكون أحد المدخلات مشوهاً مسبقاً باستخدام دائرة الصمام الثنائي، كما يستخدم هذا لإضافة مستوى تشويه مساوٍ ومعاكس لذلك المتأصل في الزوج التفاضلي.

جهاز خلط جيلبرت النشط:

يمكن لخلاط جيلبرت الخلوي استخدام ترانزستورات التأثير الميداني بشكل جيد حيث تنطبق نفس المفاهيم الأساسية أي الاختلاف الحقيقي الوحيد هو في ترتيبات التحيز المستخدمة، ولاستخدام خلاط خلية جيلبرت داخل دائرة متكاملة، سيعتمد اختيار نوع الجهاز إلى حد كبير على العملية المستخدمة لتصنيع (IC)، فإذا كانت (MOS) قابلة للتطبيق فسيتم استخدام (FETs) وبالمثل إذا كان الجزء المتبقي من (IC) هو ثنائي القطب فسيتم استخدام هذه التقنية للأجهزة.

تُستخدم خلية جيلبرت على نطاق أوسع بكثير ممّا كان يعتقد في البداية حيث لا يتم استخدامه على نطاق واسع داخل الأنظمة التي تستخدم مكونات منفصلة نظراً لأنّ عدد المكونات المطلوبة مرتفع، ومع ذلك بالنسبة للدوائر المتكاملة تُعد خلاطات جيلبرت الخلوية مثالية لأنّ عدد المكونات ليس مهماً بشكل خاص، فهي لا تتطلب مكونات الجرح مثل المحولات أو المحاثات الأخرى وهي قادرة على تقديم مستوى عالٍ من الأداء.