Corso di Elettronica Applicata – SA612, il mini convertitore di frequenza

In questa puntata del Corso di Elettronica Applicata descriveremo la struttura, le funzioni e le potenzialità del circuito integrato SA612. Alla fine della trattazione presenteremo un’applicazione in cui l’SA612 viene utilizzato come convertitore di frequenza.

Introduzione - Il circuito integrato SA612

Il piccolo integrato SA612 è un mixer VHF monolitico a doppio bilanciamento a bassa potenza, con oscillatore e regolatore di tensione integrati. È progettato per sistemi di comunicazione a basso costo ed a bassa potenza con frequenze di segnale fino a 500 MHz e frequenze dell'oscillatore locale fino a 200 MHz. Il mixer è una configurazione moltiplicatrice a "cella di Gilbert" che fornisce un guadagno di oltre 14 dB a 45 MHz. L'oscillatore può essere configurato per funzionare con un quarzo, un circuito accordato o come un oscillatore locale esterno. Il suo basso livello di rumore, con una figura di rumore a 45 MHz tipicamente inferiore a 6 dB, oltre alle sue ridotte dimensioni, rende l’SA612 adatto per la telefonia RF ad alte prestazioni, come i telefoni cordless e cellulari. Il basso consumo energetico rende l'impiego dell’SA612 un’ottima soluzione nei dispositivi a batteria. I dispositivi di rete e altri prodotti di comunicazione possono beneficiare di livelli di energia irradiata molto bassi all'interno dei sistemi. La Figura 1 riporta lo schema a blocchi dell’integrato SA612.

Figura 1: Schema a blocchi dell’integrato SA612

L'SA612A è costituito da una cella di Gilbert, un oscillatore con buffer ed una rete di polarizzazione compensata in temperatura. La cella di Gilbert è un amplificatore differenziale, i cui ingressi sono il pin IN_A e il IN_B, che pilota una cella di commutazione bilanciata che, a sua volta, esegue la moltiplicazione dei due segnali di ingresso. Lo stadio di ingresso differenziale fornisce il guadagno e determina la figura di rumore e le prestazioni di gestione del segnale del sistema.

L'SA612A è in grado di ricevere segnali a -119 dBm con un rapporto segnale/rumore di 12 dB. L'intercetta del terzo ordine è tipicamente a -15 dBm (ovvero circa +5 dBm di intercetta in uscita a causa del guadagno RF). Il progettista del sistema deve tener presente questa limitazione del segnale. Quando si progettano reti LAN o altri sistemi chiusi in cui i livelli di trasmissione sono elevati ed i problemi di rapporto segnale/rumore non sono critici, l'ingresso dell'SA612 deve essere opportunamente dimensionato.

Caratteristiche tecniche

• Tensione di alimentazione: da 4,5 V a 8,2 V
• Corrente assorbita: 2,4 mA/2,8 mA
• Frequenza massima del mixer: 500 MHz
• Frequenza massima dell’oscillatore: 200 MHz
• Guadagno di conversione: da 14 db a 18 db
• Figura di rumore: 5 db
• Capacità d’ingresso ai pin 1 e 2: 3 pF
• Impedenza d’ingresso ai pin 1 e 2: 1,5 kΩ
• Impedenza di uscita ai pin 4 e 5: 1,5 kΩ

N.B. Seppur fuori produzione, l’SA612 si può ancora trovare e acquistare da vari siti di vendita online di componentistica elettronica.

Configurazioni circuitali dell’SA612

Stadio d’ingresso

In riferimento allo schema a blocchi di Figura 1, lo stadio d'ingresso (pin 1 IN_A e pin 2 IN_B) è un amplificatore differenziale bilanciato. Ai due pin d'ingresso viene applicato un segnale RF il cui valore di frequenza sarà convertito in un valore inferiore, in genere nel range delle medie frequenze. Il segnale in ingresso può essere bilanciato o sbilanciato. Nel caso di ingresso sbilanciato, il segnale può essere applicato al pin 1 o al pin 2, ma è consigliabile collegare a massa il pin non utilizzato tramite un condensatore da 10 nF. La massima frequenza del segnale RF applicabile a questi due pin non può essere maggiore di 500 MHz. Oltre alle ottime prestazioni fino alla banda VHF, l'SA612 è molto flessibile. Le porte di ingresso (come anche quelle di uscita e dell'oscillatore) supportano diverse configurazioni, come descritto di seguito.

Gli ingressi RF IN_A e IN_B sono simmetrici, quindi possono essere utilizzati in modo intercambiabile. Inoltre, dato che sono polarizzati internamente, non necessitano di polarizzazione esterna. L'impedenza di ingresso equivalente di questi pin è di circa 1,5 kΩ, mentre la capacità è di circa 3 pF fino a 50 MHz. La Figura 2 mostra alcune tipiche configurazioni di ingresso.

Figura 2: Esempi di configurazioni d’ingresso

La Figura 2a mostra una configurazione d’ingresso sintonizzato sbilanciato (Single-ended). Il segnale d’ingresso è applicato ad un solo pin (pin 1 o pin 2) ponendo a massa in corrente alternata l’altro ingresso, ad esempio collegando fra questo pin e massa un condensatore da 10 nF. Con questa configurazione lo stadio d’ingresso è sensibile al rumore ed al livello del segnale che, se elevato, può produrre distorsioni del segnale di uscita. La Figura 2b è una configurazione d’ingresso bilanciata. Il segnale viene applicato in contro fase ai due pin d’ingresso mediante un trasformatore RF di accoppiamento e sintonizzato mediante il circuito LC costituito dall’avvolgimento secondario del trasformatore e dal condensatore con capacità regolabile posto in parallelo ad esso. Questa soluzione circuitale consente una notevole riduzione del rumore e dei prodotti di intermodulazione che possono generarsi di elevata ampiezza quando il segnale applicato è di forte intensità. Un’altra configurazione dello stadio d’ingresso è mostrata in Figura 2c. E' la più semplice ma meno efficace delle altre precedenti configurazioni. Il segnale è applicato ad un solo pin senza un circuito di sintonizzazione.

Stadio di uscita

Anche lo stadio di uscita del mixer (pin 4 OUT_A e pin 5 OUT_B) è bilanciato. Dall’uscita del mixer si rende disponibile il segnale da inviare al circuito di media frequenza. Dai due pin di uscita si può prelevare un segnale sbilanciato se si utilizza solo un pin lasciando scollegato l’altro pin. Lo stadio di uscita è possibile configurarlo sbilanciato (Single-ended) o bilanciato. In Figura 3 sono mostrate alcune tipologie di configurazioni di uscita.

Figura 3: Esempi di circuiti di uscita

Negli schemi “a-b-c” di Figura 3 sono mostrati alcuni esempi di configurazioni Single-ended, mentre lo stadio di uscita è del tipo bilanciato nello schema “d”.

Uscita sbilanciata

Nello schema di Figura 3a e 3b, l’uscita dell’SA612 in Single-ended prelevata dal pin 5 è filtrata rispettivamente da un filtro ceramico ed a cristallo. In Figura 3c, l’uscita dal pin 4 viene sintonizzata e inviata in uscita mediante un trasformatore IFT (trasformatore a frequenza intermedia).

Riguardo lo schema di Figura 3c, un terminale del primario dell’IFT può essere indifferentemente collegato al pin 5 lasciando scollegato il pin 4, o viceversa. L’eventuale schermo metallico dell’IFT dovrà necessariamente essere collegato a massa. Al posto dell’IFT è possibile collegare un qualsiasi filtro ceramico (come nello schema di Figura 3a). [...]

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