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ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONESOSCILADORES DE RF
Prohibida la reproducción de cualquier parte de este documento, por cualquier medio y, especialmente para su empleo en la impartición de cursos o seminarios sin permiso por escrito del autor.
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Área de Tecnología ElectrónicaDpto. de Ingeniería Electrónica y ComunicacionesUNIVERSIDAD DE ZARAGOZA · ESPAÑA
Electrónica de Comunicaciones
Osciladores de RF
© 2011 · Arturo MEDIANO · Carlos BERNAL - cbernal@unizar.es
Arturo MEDIANOa.mediano@ieee.org
Diseño electrónico para comunicaciones en RF
Índice
INTRODUCCIÓN A LA ELECTRONICA DE COMUNICACIONES.
• Introducción y revisión de conceptos básicos.
• Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones.
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO DE TRANSMISOR Y RECEPTOR.
• Especificaciones del transmisor.• Especificaciones del receptor.
TÉCNICAS DE DISEÑO EN ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONES.
• Adaptación de impedancias en RF.• Filtros de RF.• Amplificadores de RF.• Osciladores de RF.• Mezcladores de RF.• Moduladores analógicos y digitales.• Bucles enganchados en fase (PLLs).• Demoduladores analógicos y digitales.• Ruido en electrónica de comunicaciones.
TÉCNICAS ESPECIALES Y APLICACIONES
• Técnicas especiales.
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Diseño electrónico para comunicaciones en RF
Objetivos del tema
Comprender el principio de funcionamiento de un oscilador en RF.Conocer los parámetros y especificaciones propias de los osciladores de RF.• Frequencia (MHz) · Estabilidad (PPM) · Rango de temperatura de trabajo (ºC) ·
Phase jitter · Armónicos (dBc) · Consumo (mA) · Alimentación (V).
Así como del caso particular de los VCOs:• Rango de frecuencias (MHz) · Ruido de fase (dBc/Hz) SSB @10kHz · Rango de
tensiones de sintonía (Vtuning(min) - Vtuning(max)).
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Diseño electrónico para comunicaciones en RF
¿Qué es un oscilador de RF?
Circuito electrónico capaz de generar una señal periódica (normalmente senoidal) a partir de su alimentación. Se emplea en numerosos bloques de un sistema de comunicaciones.
A
AMOD
MfBB
ANTENA
FILTRO
FILTROAMP
A
RF OSC(LO)
Generación de la portadora
AA
MEZCLADOR
ANTENAFILTRO
DEMOD
DM
AMP
AfBB
RF OSC(LO) Oscilador local para mezclar con
la RF de entrada.
A. M
edia
no 2
007
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Estructura básica
“No se requiere entrada”para
“disponer de salida”
F
AAMPRF OSC
(LO)
ENTRADA
REALIMENTACIÓNCIRCUITO SINTONIZADO LC
O CRISTAL
PARÁMETROS BÁSICOS• Frecuencia.• Pout.• Estabilidad en frecuencia.• Estabilidad de amplitud.• Pureza espectral.
Vdc
ZL
F
AZL
F
AZL
Zin
FA
ZLZin
Vin
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¿Por qué se produce la oscilación?
Debe existir larealimentación.1º La señal realimentada ha
de ser mayor y en fasecon la entrada
2º
Sistema enreposo ...
... el osciladorarranca (se dan las
condiciones de oscilación)...
... la amplitud se limita cuando el amplificador se satura (ya no hay ganancia).
AF
A
S
S
Dificultad de predecir matemáticamente estado final.
PARTE ACTIVA CARGA
Re{ZOUT}<0OTRA PERSPECTIVA
Capacidad de dar potencia.
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Tipos de osciladoresOsciladores de realimentación LC.• Utilizan un circuito resonante LC en la red de realimentación.
Otros bloques relacionados:• Sintetizadores.
− Permiten obtener una señal de salida de buena precisión controlada electrónicamente en pasos discretos.
• Multivibradores.− Obtienen a su salida una señal cuadrada o triangular.
Osciladores de cristal.• Un cristal forma parte del bloque resonante de realimentación
logrando mayor estabilidad de frecuencia.
Osciladores controlados por tensión (VCOs).• Cuentan con algún elemento ajustable electrónicamente a través
de una tensión que permite controlar la frecuencia de salida. Normalmente ese elemento es un diodo varicap.
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Osciladores LC
Estructura básica• Amplificador con BJT o FET.
− Típ. BC, EC, GC, SC.
Oscilador COLPITTS
Rt L
C1C2
Oscilador HARTLEY
L2
Rt C
L1
Amplificador
Red LC resonante
ZL
Carga• menor realimentación interna.• ganancia cte hasta f↑↑• desfase cero en ganancia
Mayores limitacionesconstructivas que el Colpitts para determinadas frecuencias.
Incluye diversos efectos resistivos que luego veremos.
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ωo 1
Lt Co CF+C1 C2⋅
C1 C2+⎛⎜⎝
⎞⎟⎠
+⎡⎢⎣
⎤⎥⎦
⋅
⎡⎢⎢⎣
⎤⎥⎥⎦
1
2:=
Análisis oscilador Colpitts (1)
Vi
VoRL L
C1
C2
CF
Re
GdB CARGA
REALIM
re
αIe
Co
Vi Vo
IS
Re+
re
C2
C1
αIe
Co
CF
L RLRp
Rp Qc2
rc⋅:=
Si se resuelve ese circuito y se aplican las dos condiciones de oscilaciónRef. 1, se pueden estimar:1) la frecuencia de oscilación ...
Ref. 1: “Solid State Radio Engineering” · Krauss, Bostian and Raab.
re k T⋅q Ie⋅
:= (decenas de Ω)
2) la ganancia mínima (dispositivo) a emplear ...
αmin 1
1 C2C1
+
⎛⎜⎜⎝
⎞⎟⎟⎠
re Re+Rt
⎛⎜⎝
⎞⎟⎠
1 C2C1
+⎛⎜⎝
⎞⎟⎠
⋅+:=
Para “absorber” las variaciones de re (dispositivo, punto Q, Tª, etc) y evitar que modifiquen la frecuencia de salida deseada. Suele ser de centenares de ohmios ya que re es decenas de ohmios.
Factible si se trabaja hasta fα/2 y Rt es grande (>1k).
N2(Re+re)
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Análisis oscilador Colpitts (2)
IS Vi Vo
Re+re
E C
B
αIE
Co
C1
C2Re+re
CFL
Excitación para el análisis
Modelo delbloque
amplificador
Ajuste defrecuencia
Bobina del circuito resonante de salida (factor de calidad Qc)
Entrada bloque
amplificador
Carga
RL
Rp Qc2 rc⋅:=
N2(Re+re)
Rp
Sólo aportada por LContribuyen RL//Rp//N2(Re+re)
Contribuyen Co, C1, C2 y CF
αIE
Ct Lt
Q, fo, BW
C1
C2 R2
Rt
L
Repasar red “tapped-C” en tema de Adaptación de Impedancias.
Rt
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Análisis oscilador Colpitts (3)
vCB
iC
Q
t
ICQ
Ipk
VCBQ
Vpk
Recta estática
CORTE
SATURACIÓN
Criterios de diseño:• Máxima excursión de señalNOTA 1:
VCBQ = Rt * ICQ · Vpk = 2 * VCBQ · Ipk = 2 * ICQ
• Máxima transferencia de potencia a carga:Rp//N2(Re+re) = RL; es decir, Rt = RL/2
Vpk VCBQ ICQ Rt⋅+:=
Ipk ICQ VCBQRt
+:=
RL
Rp//N2(Re+re) = RL
@fo
ic
ic/2
Valor de pico:IpkValor RMS:Irms = Ipk/√2
ic/2
Rt
PLmax RL ICQ2
8⋅:=
Pdc RL ICQ2
2⋅:=
POTENCIA MÁXIMAA LA CARGA:
CONSUMO DC:
η 25%:=
Recta dinámica RD(pendiente -1/Rt)
Nota 1: Q en punto medio RD.Nota 2: Escoger dispositivo que soporte 4 × Pout deseada.Nota 3: Pdc=VCBQxICQNota 4: Recomendable deducir ambas expresiones.
En condiciones de máxima transferencia de potencia:
NOTA 2
NOTA 3NOTA 4
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PRL_max12
Rt⋅
Ipk
2
2
⎛⎜⎜⎝
⎞⎟⎟⎠
2
⋅:=
Potencia máxima (detalle)
vCB
iC
QICQ
Ipk
VCBQ Vpk
Rectaestática
Vpk VCBQ ICQ Rt⋅+:=
Ipk ICQ VCBQRt
+:= RL
Rp//N2(Re+re) = RLDesaparece@ fo
ic
Pdc RL ICQ2
2⋅:= η 25%:=
Recta dinámica RD(pendiente -1/Rt)
Ipk2
iC t( ) ICQIpk2
cos ω t⋅( )⋅+:=
BIASSEÑALNo puede pasar a
la carga por el condensador de desacoplo
Rt
ic2
ic2
MÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA A LA CARGA: Rt = RL/2
Pt Rt
Ipk
2
2
⎛⎜⎜⎝
⎞⎟⎟⎠
2
⋅:=Potencia a la resistencia total del circuito tanque.
Pt Rt irms2
⋅:=
Para Máxima Transferencia de Potencia:
Máxima ExcursiónIpk 2 ICQ⋅:=RtRL2
:=
PRL_max12
Pt⋅:=
PRL_max12
RL2
⋅
2 ICQ⋅
2
2
⎛⎜⎜⎝
⎞⎟⎟⎠
2
⋅:=
PRL_max18
RL⋅ ICQ2
⋅:=Vpk VCBQ ICQ Rt⋅+:=
Vpk 2 VCBQ⋅:= Rt RL2
:=
Pdc VCBQ ICQ⋅:=
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Resumiendo ...Un oscilador es un circuito NO LINEAL.• Se aplican técnicas de pequeña señal (circuito
equivalente del transistor, parámetros S o Y, etc) sólo de forma parcial, para estimar el arranque.
La estructura de un oscilador consta de una etapa amplificadora y una red de realimentación.
F
AZL
El criterio de oscilación:• Nyquist: Ganancia en lazo abierto
mayor que la unidad y desfase salida-entrada de 0º.
• Factor de Stern K < 1.
FZL
A+
+
Xe Xo
XfGanancia en lazo abierto
1 - A·F = 0 ⇒ G = ∞ ⇒ xo finita con Xe = 01 - A·F = 0 ⇒ |A·F|=1 y Fase(A·F) = 0º
G xoxe
:=
G A1 A F⋅−
:=
Funcionamiento:
Pequeño ruido a la entrada ...
... es amplificado ...... y se realimenta en fasecon la entrada a la frecuencia en quese cumplen las condiciones de oscilación.
Métodos de análisis ...• Abrir bucle y estudiar las condiciones de oscilación.
FAZL
ZinVin
Zin
Nota 1: Técnica no presentada en este curso. Se ve en optativa.
• Utilizando parámetros S o Y NOTA 1.
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Otros osciladores LC
Oscilador CLAPP
• Basado en Colpitts (cambiar L por Lc-Cx serie).
• La red Lc-Cx se hace inductiva a la frecuencia deseada y con valor igual a la L del Colpitts (Lc>L).
• A menudo Cx es variable para sintonizar/ajustar.
• Cx puede ser un varicap (para construir un VCO).
• Mayor estabilidad en frecuencia porque la rama L-Cx es más abrupta en impedancia.
Lc
Cx
Rt
C1
C2
Oscilador SEILER
• Si Lc en el Clapp se hace demasiado grande, aparecen efectos parásitos importantes y limitaciones constructivas.
• Para resolverlo, la inductancia del Clapp es sustituida por un conjunto Lp-Cp paralelo con Lp<Lc.
Rt
C1
C2Lp
Cx
Cp
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Recordando el diodo varicap
Varicaps ...• VARIABLE CAPACITOR: Capacidad
variable con la tensión inversa.
Modelos para el varicap ...• Simple.
• Complejo.
C↑↑ C↓↓
P N P N
C R
C Rs Ls
CpRp
PIN = “RF SWITCH”• P-I-N Diode: Capa de aislante
(Insulator) entre P y N..
P NI
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Empleando varicaps ...
El objetivo ...• Disponer de un oscilador cuya frecuencia de salida sea controlable electrónicamente.
La técnica ...• Tener control sobre alguno de los elementos de la red de realimentación.
El componente clave ...• El varicap: un diodo polarizado en inversa.
Aplicación más habitual ...• Moduladores de frecuencia.
Nota 1: VCO = Voltage Controlled Oscillator
NOTA 1
vc
CHOKE
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p
|ZIN[1]| (L)Cristal
Ang(ZIN[1]) (R, Deg)Cristal
Art
2002
|Z|
Fase
fkHz
Oscilador Pierce
Osciladores con cristalObjetivo:
• Mayor estabilidad en la frecuencia de salida.
Cp
Ls CsR
fs
fs1
2 π⋅ Ls Cs⋅⋅:=
Se coloca el cristal en la red de realimentación del oscilador y se hace trabajar normalmente en fs (impedancia mínima) o en la zona entre fp y fs (comportamiento inductivo).
Q↑↑
Cambio muy brusco favorece estabilidad
fp
fp fs 1 CsCp
+⋅:=
VDC
RL
CDCG
XTAL
RG
Z↓↓↓ @ fo
Inductivo
Si se desea que IDC no circule por RL
Cdg
Cgs
Cds
Co
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R1
R2RE
L
VDC
Co
C1
C2
RL
COLPITTS Ejemplo 1
R1
R2RE
L
VDC
Co
C1
C2
RL
CB
COLPITTS Ejemplo 2
Colpitts con cristal
Rs↓↓↓@fs Rs↓↓↓@fs