混合器 (ヘテロダイン)

アナログ乗算器としての混合器：周波数の魔術師

アナログ乗算器として機能する混合器は、2つの異なる周波数信号を入力し、それらの信号を乗算することで、新たな周波数成分を生成する回路です。この過程で、ヘテロダインの原理が作用し、入力信号の周波数の和と差に相当する周波数成分が出力されます。混合器は、周波数混合器、ミキサ、周波数変換器などとも呼ばれ、無線通信機器において重要な役割を果たしています。

動作原理：周波数の和と差

混合器は、入力された2つの周波数信号 (f1とf2) を乗算します。この乗算は、トランジスタ、FET、ダイオードなどの非線形素子の特性を利用して実現されます。乗算の結果、出力にはf1 + f2とf1 - f2の周波数成分が現れます。これらの出力成分のうち、必要な周波数成分は、LC共振回路などのフィルタによって選択的に取り出されます。

この原理は、スーパーヘテロダイン受信機などの無線通信システムにおいて、受信信号の周波数を変換する際に活用されます。例えば、受信した高周波信号と局部発振器からの信号を混合器に入力することで、中間周波数（IF）信号に変換し、以降の処理を容易にします。

混合器の種類：受動型と能動型、そしてそのバリエーション

混合器は、大きく分けて受動型と能動型に分類されます。

受動型混合器（パッシブ・ミキサ）: ダイオードなどの受動素子を用いて構成され、利得を持たないのが特徴です。線形性と高速性が求められるマイクロ波回路などで使用されます。
能動型混合器（アクティブ・ミキサ）: トランジスタなどの能動素子を用いて構成され、利得を持つためノイズの影響を低減できます。RFシステムなどで広く採用されています。

さらに、入力信号の結合方法の違いにより、以下の種類に分類されます。

2端子ミキサ: 最もシンプルな構成で、トランジスタ、FET、真空管、またはダイオードを用います。
シングル・バランスド・ミキサ: 入力信号の一方をバランス回路で処理することで、アイソレーションを改善します。
ダブル・バランスド・ミキサ (DBM): 二重平衡変調器とも呼ばれ、入力信号の両方に対してバランス処理を行うため、アイソレーションが最も高く、不要な信号成分の混入を抑えられます。高性能な受信機などで使用されます。

トランジスタを用いた混合器：ベース、エミッタ、コレクタ注入方式

トランジスタを用いた混合器では、入力信号をベース、エミッタ、コレクタのいずれかの端子に注入する方法があります。

ベース注入方式: 入力の信号レベルを小さくできる利点がありますが、強力な信号による引き込み現象が発生する可能性があります。
エミッタ注入方式: 引き込み現象は起こりにくいですが、エミッタに入力する信号レベルを大きくする必要があります。
コレクタ変調方式: コレクタ電流の飽和領域を利用するため、歪みの少ない変調波を得ることができます。ただし、消費電力が大きくなります。

ダイオード・ミキサとアナログスイッチを用いたミキサ

ダイオード単体でも混合器を構成できますが、アイソレーションが悪いため、用途が限られます。近年では、アナログスイッチICを用いた混合器も利用されています。このタイプは、制御信号によってスイッチを切り替えることで混合を行うシンプルな構成です。

ダブル・バランスド・ミキサの構成例：ダイオードと集積回路

DBMは、4つの[ダイオード]]と高周波トランスを用いたリング変調回路として構成できます。この構成では、入力信号の和と差の周波数成分のみが出力されます。また、近年では[[集積回路]上に実装されたDBMも広く利用されています。ギルバートセル型と呼ばれる差動増幅回路を用いたICは、優れたアイソレーション特性を持つため、高性能な混合器として利用されています。

まとめ：多様な用途と進化

混合器は、無線通信システム、測定器など様々な用途で使用されており、その構成や特性は用途に応じて最適化されています。近年では、IC技術の発展により、高性能で小型な混合器が実現され、更なる高性能化と小型化が期待されています。

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