Osciladores Oscilador: Definición Capítulo 3 Genera señales periódicas
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Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 GR Capítulo 3 Osciladores 1 Oscilador: Definición Genera señales periódicas Convierte potencia de DC a RF DC v(t)=V0 cos(ω0t) Sv(f)=1/2V02[δ(ω-ω0)+δ(ω+ω0)] DC v(t)=V0 f (t,T0) Sv(f)=1/2Σan2[δ(ω-nω0)+δ(ω+nω0)] Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 2 1 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Estructura de un oscilador Circuito resonante Variación rápida con la frecuencia z Elemento activo Elemento activo Ganancia Resistencia negativa z z RL Acoplamiento A l i Entre ambos A la carga z z Red Resonante Electrónica de Comunicaciones Osciladores 3 Ejemplos de osciladores 20mm Resonador dieléctrico Vcc O il d 100 MHz Oscilador MH 1nF 1k8 Líneas de acoplo 330 1nF 4k7 30pF S FET G 26nH D Vd S Vg 2N5179 160pF 160pF Oscilador 10 GHz Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Out Osciladores 4 2 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Esquema básico de realimentación Circuito activo A(v) + Carga Red de realimentación ( ) B(ω) H (ω ) = A(v ) 1 − A(v )B (ω ) A(v )B (ω ) = 1 Electrónica de Comunicaciones Osciladores 5 Condición de oscilación A(v )B(ω) = 1 G = A(v )B(ω) = 1 Φ = Fase[A(v )B(ω)] = 0 Condición de ganancia Condición de frecuencia Condición de estabilidad ∂G ∂Φ >0 ∂v ∂ω ∂G <0 ∂v Saturación ∂Φ <0 ∂ω Variación de fase Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 6 3 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ejemplo 3.1 Condición de oscilación Zin=∞ V1 Zout=0 v2 A(v) V1 v2 A(v) L C R1 R2 Red de realimentación B v2 A = A(v) B(s) = Elemento activo A L R1 R2 1 + (R1 + R2 )+ Ls Cs C V1 R2 Electrónica de Comunicaciones Osciladores 7 Ejemplo 3.1 Condición de oscilación A = A(v) B(s) = R2 1 + (R1 + R2 )+ Ls Cs G(s,v)|s= jω = A(v)R2 R1 + R2 ⎛ω ω ⎞ 1 + jQ⎜⎜ − 0 ⎟ ⎝ ω0 ω ⎠ 1 1 y Q= (R1 + R2 )ω0C LC donde ω o = ⎡ ⎛ ω ω ⎞⎤ Arg [G( ω , v)]= − a tan ⎢Q⎜⎜ − 0 ⎟⎥ ⎣ ⎝ ω0 ω ⎠ ⎦ R2 1 Mod [G( ω ,v)] = A 2 R1 + R2 ⎡ ⎛ ω ω0 ⎞ ⎤ 1 + ⎢Q⎜⎜ − ⎟⎟⎥ ⎣ ⎝ ω0 ω ⎠ ⎦ Condición de oscilación: ω=ω0 A=(R1+R2)/R2 Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores 1 Osciladores 8 4 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Respuesta de un circuito resonante π/2 dφ 2Q =− dω ω =ω 0 ω0 Φ(ω) ∆ω 0 ∆φ ω ω0 -π/2 Electrónica de Comunicaciones Osciladores 9 Criterio de Nyquist Variación de la función de transferencia en lazo abierto Imag(G) G(ω,v)=A(v)B(ω)=|G| exp(jφ) G (ω , v) = 1 1 v Real(G) ⎛ δ G(v) ⎞ ⎛ δφ ( ω ) ⎞ ⎟⎜ ⎜ ⎟>0 ⎜ δv ⎝ ⎠ ⎝ δδω ⎠ ω Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 10 5 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Diagrama de polos Función de transferencia en lazo l cerrado d s=0+jω0 v 1 H(s,v)= 1-G(s,v) v>v0 v<v0 s=0-jω0 Electrónica de Comunicaciones Modelo M5120-8000 de G. M. z z z z z z z z z z z Frecuencia de oscilación 8000 MHz Margen de sintonía mecánica ±10 MHz Potencia de salida 13 dBm Nivel de 2º armónico -25 dBc Nivel de espurias (no armónicas) -70 dBc Estabilidad térmica 2 ppm/º ppm/ Pulling para ROE 1.5:1 0.15 MHz Pushing 2 kHz/V Ruido de fase • @10kHz de portadora -90 dBc/Hz • @ 100kHz de portadora -120 dBc/Hz Alimentación • Tensión DC 12 a 18 V • Corriente 125 mA Impedancia (Conector SMA hembra) 50 Ohm Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 11 Osciladores 12 6 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Potencia y rendimiento P0=Potencia total de RF a la salida ∞ P0 = P1 + ∑ Pi 2 Nivel de armónicos relativos al principal N i = Pi P1 N i (dBc) = 10Log 10 ⎛ Pi ⎞ ⎜ P ⎟ 1⎠ ⎝ R di i t Rendimiento η= P0 PDC Electrónica de Comunicaciones Osciladores 13 Frecuencia de oscilación Frecuencia de oscilación Fija Patrones Variable Mecánica Continua B/F<10% Electrónica Discreta B/F>10% Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 14 7 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Deriva térmica Variaciones de la frecuencia con la t temperatura. t Oscilador Variación absoluta: df/dT (Hz/K) Variación relativa: 1/f0 df/dT (K-1) Electrónica de Comunicaciones Osciladores 15 "Pulling” o deriva de carga. Variaciones de la frecuencia con la impedancia de carga. Γ= Oscilador ZL=R+jX Z − Z0 Z + Z0 ROE = 1+ Γ 1− Γ (Z0= Impedancia nominal de carga) Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 16 8 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 "Pushing” o deriva de alimentación. Variaciones de la frecuencia con la Tensión de alimentación. VDC Oscilador Variaciones absolutas: df/dV (Hz/V) Variaciones relativas: 1/f0 df/dV (V-1) Electrónica de Comunicaciones Osciladores 17 Variaciones aleatorias de frecuencia. Ruido de fase Consideramos una señal sinusoidal con ruido de amplitud y fase v 0 ( t ) = V 0 (1 + n ( t ) ) cos (ω 0 t + φ n ( t ) ) Suponemos valores pequeños de ruido φn(t)<<1 n(t) <<1 v 0 ( t ) = V 0 [cos (ω 0 t ) + n ( t ) cos (ω 0 t ) − φ n ( t ) sen (ω 0 t )] Nos queda : – Portadora + Bandas laterales moduladas por n(t) y φ(t) Suponemos despreciable el ruido de amplitud v 0 ( t ) ≅ V 0 [cos (ω 0 t ) − φ n ( t ) sen (ω 0 t )] Portadora Tema 3 - Osciladores Bandas de ruido Electrónica de Comunicaciones n(t)<<φ(t) Osciladores 18 9 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Espectro de ruido Máximo en la frecuencia de oscilación Simétrico a ambos lados de la frecuencia de osc. Decrece al separarse de la frecuencia de oscilación Posee un pedestal fijo para |f-f |f f0|=fm grande ⎛ SV ( f m )W / Hz ⎞ ⎟ = 10 log(L( f m ) )(dBc) L( f m ) dBc / Hz = 10 log⎜ ⎜ ⎟ P 0W ⎝ ⎠ SV(f) L(fm)(dBc) fm 1Hz f f0 Electrónica de Comunicaciones Osciladores 19 Densidad espectral de ruido de fase Dada la densidad espectral de potencia de φn(t) S φ ( f ) = F [φ n ( t ) ] 2 La densidad espectral de potencia del oscilador viene dada por : S V ( f ) = F [V ( t ) ] = 2 ⎛ δ ( f − f 0 )+ S φ ( f − f 0 )+ 1 P0 ⎜⎜ 2 ⎝ δ ( f + f 0 )+ S φ ( f + f 0 ) A la inversa, dado el espectro final, la densidad espectral de ruido id d de ffase viene i d dada d por : ((para fm <<f0) Sφ ( f ) = 2 SV ( f m ) P0 con fm = f − f0 y P0 = Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ V 02 2 Osciladores 20 10 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Espectro de ruido de fase Sφ ( f ) = 2 S φ (f) SV ( f m ) = 2L ( f ) P0 Ruido de fase – Ruido de baja frecuencia – Máximo en f=0 con Sf infinito ⎡ Sφ ( f L ( dBc / Hz ) = 10 Log ⎢ ⎣ 2 )⎤ ⎥ ⎦ 1Hz 0 f f Electrónica de Comunicaciones Osciladores 21 Ruido de fase o ruido de frecuencia Modulación de fase equivalente a una banda B ∆ φ rms = 2 L ( f m )B Modulación de frecuencia equivalente a una banda B ∆ f rms = f m 2 L ( f m )B Relación ruido a portadora ⎛ ∆f ⎞ ⎞ ⎛ Pssb ⎛N⎞ ⎟⎟ = 20 Log ⎜ rms ⎟ ⎜ ⎟ = 10 Log ⎜⎜ ⎜ 2f ⎟ ⎝ C ⎠ dBc ⎝ P.Portadora ⎠ m ⎠ ⎝ Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 22 11 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Modelo de Leeson Ruido generado en el componente activo. f figura de ruido. f=figura fc=frecuencia Flicker. Psav=Potencia disponible de entrada al elemento activo. z z z Filtrado por la función de transferencia H(ω). f0=frecuencia de oscilación. Q= factor de calidad del circuito resonante. Q z z 1 kT0 f L( f m ) = 2 P sav 2 ⎛ f c ⎞⎛⎜ ⎛ f o ⎞ ⎞⎟ ⎜ 1+ ⎟ 1+ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎜ 2Q f ⎟ ⎟ f m⎠ m⎠ ⎝ ⎝ ⎝ ⎠ Electrónica de Comunicaciones Osciladores 23 Osciladores de bajo Q Circuitos RC Líneas impresas Varactores Sφ fc < 1/f3 1/f2 f0 2Q fc f0/2Q Osciladores de alto Q Sφ 1/f3 fc > 1/f f0/2Q fc Tema 3 - Osciladores f0 2Q fm Cavidades metálicas Cavidades dieléctricas Cavidades de Onda Acústica (SAW) Cristal de cuarzo Electrónica de Comunicaciones fm Osciladores 24 12 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ruido de fase en algunos osciladores de RF y microondas Cristal 10MHz 80 YIG 8GHz LC 500MHz 100 Coaxial 500MHz 120 LC 40MHz 140 160 10 100 1k 10k 100k 1M Desplazamiento desde la portadora (fm) Electrónica de Comunicaciones Osciladores 25 Componente Activo DIODOS Gunn Impat TRANSISTORES Bipolar FET Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores TUBOS DE VACÍO Triodo Klystron Magnetron TWT Osciladores 26 13 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Componentes activos P o t e n c ia G unn Banda de F r e c u e n c ia 6 -1 0 0 G h z M a lo R u id o 1 /f M uy bueno M a lo Im p a t 6 -1 0 0 G h z A lt a B ip o la r 0 -7 G h z A lt a M uy bueno M uy bueno FET 0 -1 8 G h z M e d ia B ueno R e g u la r M u y a lt a A lt o (2 0 % ) A lt o T r io d o 0 -3 G h z M a lo M a lo K ly s t r o n 5 -2 0 0 G h z A lt a A lt o B ueno Bueno TW T 1 -3 0 G h z M u y a lt a A lt o Bueno M a g n e tro n 1 -3 0 G h z M u y a lt a A lt o M uy bueno M a lo M u y b a ja R e n d im ie n t o B a jo (1 % ) M e d io (1 0 % ) A lt o (2 0 % ) R u id o T é r m ic o B ueno Electrónica de Comunicaciones M a lo Osciladores 27 Estructura Resonante REDES LC DISCRETOS IMPRESOS INTEGRADOS VARACTORES LÍNEAS IMPRESAS TRIPLACA MICROSTRIP COPLANAR SLOT-LINE FIN-LINE LINEAS COAXIALES CIRCULAR CUADRADA BAR-LINE Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores CAVIDADES METÁLICA DIELÉCTRICA YIG CUARZO S.A.W. Osciladores 28 14 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Tipos de Osciladores por su circuito resonante Tipo de Cavidad Circuitos RC (miltivibradores) Circuitos LC Circuitos LC. Integrados de microondas Cristal de Cuarzo Cerámicas de OAS (SAW) Resonadores en Líneas planas. Resonadores en Líneas coaxiales. Cavidades en Guía de Onda Cavidades Dieléctricas Diodos varactores Cavidad YIG Margen de frecuencia DC a 10MHz Factor de calidad < 10 Estabilidad Térmica Mala 1MHz a 1GHz 104 a 102 Mediocre 1GHz a 10GHz 102 a 10 Mala 100kHz a 100MHz 106 a 104 Muy buena 6 10MHz a 1GHz 4 10 a 10 100MHz a 10GHz 3 10 a 10 Mala 100MHz a 10GHz 2 10 a 10 Mediocre 1GHz a 100GHz 105 a 103 Mediocre 1GHz a 20 GHz 105 a 103 Buena 10MHz a 20 GHz 1GHz a 20GHz 4 Muy buena 2 10 a 10 4 3 10 a 10 Otros factores o comentarios Sintonía en 1 a 2 décadas Q limitado por las bobinas Bobinas y capacidades impresas en el AsGa Patrones y osciladores fijos Muy estables. Osciladores fijos. Fáciles de construir en microondas. Fáciles de construir. Mala Poco estable con la temperatura Muy estables Reducido tamaño Sintonía en 1 oct. Mediocre Sintonía en 50% Electrónica de Comunicaciones Osciladores 29 Ejemplo 1 (M-1072 Litton ED) Oscilador con resonador dieléctrico Frecuencia Sintonía mecánica Potencia de salida Segundo armónico Espurios Pulling (VSWR=1.5:1) P hi Pushing Estabilidad(-54 a 85C) FM Noise a 30KHz de f0 6 GHz 10MHz 17dBm -25dBc -70 dBc 2.5MHz 0 5MH /V 0.5MHz/V 2.5MHz -98dBm/Hz Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Transistor FET Frec. Flicker 1MHz Figura de ruido 10 Factor de calidad 1000 (N/C)SSB=-117dBc/Hz 117dB /H Osciladores 30 15 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Osciladores a cristal Xs Rs Cs f Cp fs fp Ls fs = 1 2π Ls Cs f p = fs 1+ Cs Cp Q= Electrónica de Comunicaciones 1 2πf s Cs Rs Osciladores 31 Resonancia serie Amplificador Cuarzo en resonancia serie R1 R3 C1 R2 + + f s= 1 2π LC f s' = f s 1 + ⎛ ⎞ Cs Cs ⎟ ≅ f s ⎜1 + ⎜ + 2( + ) Cp C1 Cp C1 ⎟⎠ ⎝ Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 32 16 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Cuarzo en resonancia paralelo Cp R1 CL=C1C2/(C1+C2) Cs<<C1, C2 C1 Cs R2 C2 R3 ⎛ ⎞ Cs ⎟ f p′ ≅ f s ⎜⎜1 + ⎟ 2( + ) C C p L ⎠ ⎝ Electrónica de Comunicaciones Osciladores 33 Osciladores Controlados por Tensión Cavidades de frecuencia variable variable. z Cavidad YIG controlada por campo magnético. Componentes de valor controlado por tensión. z z Diodo varactor. Transconductancia variable de un FET. Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 34 17 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 El diodo Varactor Cd = Cmin + k (Vd + Φ ) −α Q Cd Ls Vd Cd Rd Vd Rc Electrónica de Comunicaciones Osciladores 35 Oscilador controlado por tensión V.C.O. f0 = 1 f max = f min CC d 2π L C + Cd Cmax (C + Cmin ) Cmin (C + Cmax ) Para C = ∞ ⇒ Cb Vd Cd Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores C max C min RFC L C f max = f min Osciladores 36 18 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ejemplo 3.3: Oscilador LC serie Amplificador Red de sintonía Vd R3 R1 Lp R2 RS L C1 + + CD Tema 3 - Osciladores Electrónica de Comunicaciones Osciladores 37 Electrónica de Comunicaciones Osciladores 38 19 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Variación de la capacidad en un varactor. Electrónica de Comunicaciones Osciladores 39 Variación del Q en un varactor. Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 40 20 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ejercicios 3.1 Un oscilador de gran estabilidad en 1 MHz se puede conseguir con: a) Resonadores de cristal de cuarzo. b) Cavidades dieléctricas. c) Resonadores ópticos. d) Diodos varactores. 3.2 Un oscilador con control electrónico de frecuencia (VCO) puede obtenerse: a) Incluyendo resonadores cerámicos en el circuito de realimentación de un oscilador. b) Realizando una modulación indirecta de FM sobre la señal de salida del oscilador. c) Incluyendo un diodo varactor como capacidad del circuito resonante de un oscilador. d) Desviación máxima de fase cuando filtramos con un Hz de ancho de banda. Electrónica de Comunicaciones Osciladores 41 Ejercicios 3.3 El ruido de fase de un oscilador se mide en dBc/Hz que indica en dB: a) Culombios de carga en la cavidad por unidad de ancho de banda. b)) Potencia ppor unidad de ancho de banda dividida ppor la ppotencia total. c) Desviación máxima de frecuencia para frecuencia moduladora de un Hz. d) Desviación máxima de fase cuando filtramos con un Hz de ancho de banda. 3.4 Un oscilador a 15 GHz de buena estabilidad se realizaría con: a) Resonadores de cristal de cuarzo. b)) Cavidades dieléctricas. c) Circuitos LC. d) Diodos varactores. Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 42 21 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ejercicios 3.5 El ruido de fase de un oscilador puede describirse como: a) Un ruido de baja frecuencia que puede filtrarse fácilmente. b) Una modulación de amplitud sobre la frecuencia de oscilación oscilación. c) Una modulación de frecuencia sobre la frecuencia de oscilación. d) Las dos anteriores simultáneamente. 3.6 Los resonadores de cuarzo se utilizan fundamentalmente en osciladores: a) Por ser un amplificador de muy bajo ruido flicker que produce un ruido de fase despreciable a su salida. b) Para conseguir un amplio margen de sintonía con una respuesta muy lineal. c) Para obtener osciladores de alto rendimiento de potencia, dadas sus bajas pérdidas óhmicas y su alto factor de calidad. d) Para conseguir osciladores muy estables y con bajo ruido de fase. Electrónica de Comunicaciones Osciladores 43 Ejercicios 3.7 La condición de oscilación en un circuito realimentado se resume en estas condiciones: a) La ganancia en lazo abierto es la unidad y la fase nula. nula b) La ganancia en lazo abierto es la unidad y la fase 180º. c) La ganancia en lazo abierto es infinita y la fase nula. d) La ganancia en lazo abierto es infinita y su derivada positiva. 3.8 ¿Cuando consideramos que un oscilador es de alto factor de calidad? a) Cuando el rendimiento en potencia es superior al 90%. b) Cuando la frecuencia Flicker es inferior a f0/2Q. c) Cuando f0/2Q es inferior a la frecuencia Flicker. d) Cuando el factor de calidad es superior a 1000. Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 44 22 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ejercicios 3.9 Si el ruido de fase de un oscilador a 1 kHz es igual a –110 dBc/Hz, ello significa que: a) La densidad de potencia de ruido a 1 kHz de la portadora es 110 dB menor qque la potencia p de salida. b) La potencia de ruido en una banda de 1 kHz es –110 dB menor que la potencia total de salida. c) La ∆f del ruido de FM, para una fm = 1 kHz es 110 dB menor que la frecuencia portadora. d) El índice de modulación del ruido de AM con una frecuencia de modulación de 1 kHz es de 10-9. 3.10 En un oscilador de frecuencia variable con control electrónico entre 100 y 200 MHz utilizaremos: a) Resonadores de cristal de cuarzo. b) Resonadores LC con diodo varactor. c) Resonadores YIG de microondas. d) Cavidades en guía de onda con diodo varactor. Electrónica de Comunicaciones Osciladores 45 Ejercicios 3.11 La cavidad metálica en guía se utiliza en la construcción de osciladores por: a) Su alto factor de calidad y fácil construcción en frecuencias de microondas. b) Su capacidad de sintonía en un margen muy alto de frecuencias. c) Su reducido tamaño en la banda de HF. d) Su aplicación especial en terminales de telefonía móvil. 3.12 El ruido de fase de un oscilador es una forma de medir: a)) L modulación La d l ió aleatoria l i de d fase f sobre b la l frecuencia f i de d oscilación. il ió b) Una modulación que genera un rizado de amplitud. c) Las bandas laterales del espectro en una modulación DBL d) Un ruido Flicker que puede filtrarse fácilmente. Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 46 23 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Ejercicios 3.13 Para conseguir que un circuito oscile al realimentar la salida, la ganancia en lazo abierto debe ser: a)) D amplitud De lit d unidad id d o superior i y de d fase f nula. l b) De amplitud unidad o superior y de fase 180º. c) De amplitud infinita o muy grande y fase cualquiera. d) Muy grande y con derivada negativa respecto a la frecuencia. 3.14 Para construir un VCO entre 200 y 500MHz utilizaremos: a)) R Resonadores d LC con diodo di d varactor. b) Un resonador de cavidad en guía de onda con diodo varactor. c) Resonadores YIG de microondas. d) Un circuito integrado digital aestable. Electrónica de Comunicaciones Osciladores 47 Ejercicios 3.15 El “pulling” o estabilidad con la impedancia de carga en un oscilador,, mide... a) Las variaciones de potencia al variar la relación tensión a corriente de alimentación. b) Las variaciones de frecuencia con la tensión de alimentación. c) Las variaciones de potencia al variar la impedancia de carga en RF. d) Las variaciones de frecuencia al variar la impedancia de carga en RF. Electrónica de Comunicaciones Tema 3 - Osciladores Osciladores 48 24
