Grupo de Radiofrecuencia,...

Microondas-8- 1Grupo de Radiofrecuencia, UC3M

Tema 8: Osciladores en microondas

Osciladores



DEFINICIÓN



CLASIFICACIÓN



PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UN OSCILADOR



Propiedades de los resonadores



Resonadores



FLUJO DE DISEÑO Y MONTAJE DE UN OSCILADOR



TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE UN OSCILADOR



ANALISIS. MÉTODO DE LA GANANCIA DE LAZO



ANALISIS. MÉTODO MATRICIAL



ANALISIS. MÉTODO DE LA RESISTENCIA NEGATIVA



OTROS OSCILADORES L-C



OSCILADORES MICROONDAS

Esquema del oscilador de 2 puertos

RedAmplificadora

RedResonadora

I1

Ie2

I2

Ie1

V1 V2

Ve2Ve1

Esquemas de Kotsebue

B3

B2

B1GL

B3

B2

B1

GL

B3

B2

B1

GL

(a)

X3 X2

RL

X1 X3

RL

X1 X2

RL

X1 X2X3

(b) (c)

(d) (e) (f)

¡¡ Normalmente se usan parámetros S !!



Esquema de oscilador de MicroOndas

ΓG Γ1 ΓLΓ2

Resonador SeriejXG

ΓG

RG RL

jXL

ΓL

Resonador Paralelo

jXG

ΓG

RG RLjXL

ΓL


bG b1

a1Red deGenerador

Cuadripolo del Oscilador

bLb2

a2 Red de Carga

Trt de dos puertos

Z3

Γ3



DRO

Circuito equivalente

d

Zo Zo Zo

R1

C1 Zo

L1

Lr

Cr

Rr

Lm

(a) (b)

Circuito equivalente 2

Zo

R

C

L

Zo

Substrato

Linea microstrip

Resonador dielectrico

Encapsulado metalico

d

Espacio

d

z




Varactor: Ctos equivalentesRp

Cj Rs Ls Ls’

Cc

Rp

Cj Rs

Layout IMPATT

IMPATT

Resonador Acoplamientode salida

Puerto de salida

λ/4λ/4


Esquema oscilador Gunn

Cavidad coaxial

Diodo Gunn

Salida (Guíaonda)



OSCILADORES DE FRECUENCIA VARIABLE (VCO)



ESTABILIDAD EN LOS VCO



Esquema del oscilador de 2 puertos

RUIDO Y OSCILACIONES PARASITAS

(realimentación)

Rin

Rin

C L

Vin 2

Vin 1

(ruido)

ZL

Rloss

Rout BA

Señal de salida

CL(fm)

N

fo fo + fmf

Pot

enci

a de

Sal

ida

(dB

)



Espectro de Lesson

fof

Pot

enci

a de

la s

eñal

(dB

)

fo+fm

1Hz

VavsRMS

VnRMS1VnRMS2

Circuito equivalentede oscilador

Resonador

Amplificador sin ruido

Modulador del ruido de fase

Sθin(fm)

Salida

f

Rui

do a

la S

alid

a (d

B)

fc

C

fo

Ruido a la salida del oscilador

RUIDO EN OSCILADORES



RUIDO EN OSCILADORES



PARÁMETROS EN LOS OSCILADORES



Osciladores a Cristal



PIEZOELECTRICIDAD



CIRCUITO EQUIVALENTE



ENCAPSULADOS



FRECUENCIAS DE RESONANCIA



OSCILADORES A CRISTAL-TOPOLOGÍAS BÁSICAS



OSCILADORES A CRISTAL-PARÁMETROS DEL CRISTAL



OSCILADORES A CRISTAL-PARÁMETROS DEL CRISTALFAMILIAS TECNOLÓGICAS



PLL-PLO(Phased Locked Oscillator

Osciladores Enganchados en Fase



Los sintetizadores de frecuencia pueden definirse como un circuito capaz de generar un conjunto de frecuencias o señales equiespaciadas a partir de una o varias frecuencias de referencia.

Definición:



Aplicaciones:



Estructura general de un Lazo enganchado en fase PLL:



Función de Transferencia de un PLL



Estructura General de Un sintetizador Indirectode Frecuencias



Clasificación de los Lazos Enganchados en Fase



Sintetizador a PLL con Predivisor (Preescaler)



Sintetizador a PLL con doble Bucle



Sintetizador a PLL con Mezcladores



Dispositivos Comerciales:

Motorola:

MC145151 Carga paralelo

Philips: MC145170. Carga Serie

Existen numerosas casas con dispositivos comerciales para formarParte del sintetizador (Siemens,Philips, RFmicrodevices, Raltron …)



DDS(Direct Digital syntetizers)

Sintetizadores digitales directos



Los sintetizadores digitales directos pueden definirse como un circuito digital que genera una señal muy estable y con muy poco ruido espectral, es decir un oscilador digital. Esta señal obtenida puede convertirse en una una señal sinusoidal a su salida mediante el uso de un Convertidor Digital-Analógico (DAC).Este tipo de sintetizadores permiten una precisión muy elevada en el control tanto de la frecuencia como de la fase, del orden de mili Hertzios (mHz) para la frecuencia, e incluso nano radianes (nrad) para la fase.

Definición:



Diagrama de bloques de un DDS:



Diagrama de bloques de un DDS:

Registro de la frecuencia de control: Este dispositivo se encargará detransformar el valor introducido como frecuencia de control (fc), a su valorcorrespondiente en fase. Siendo dicho valor el incremento de fase del sistema,∆Φ La frecuencia de control introducida será una palabra digital.Acumulador de Fase: Este dispositivo se encargará de proporcionar a susalida la fase que tendrá la señal en cada frecuencia de muestreo. Para ello,se sumará el incremento de fase del sistema, ∆Φ, al último valor de fase de laseñal (salida del acumulador de fase).LUT seno: El valor de fase que existe a la entrada de este dispositivo, setransforma a su correspondiente valor en amplitud de la función seno, medianteel uso de unas tablas de conversión.DAC: Este bloque nos convierte la señal digital obtenida a una señal analógica.Otras consideraciones a tener en cuenta son que la señal de muestreo es unaseñal digital, a la que también se le conoce como reloj del sistema. También debemosapreciar que a la salida obtendremos una palabra digital, que representará el valoren amplitud de la señal cada 1/fclk segundos.



Frecuencia de salida:

La frecuencia de la señal de salida dependerá de la frecuencia de muestreo(reloj) y del número de muestras necesarias para obtener un incremento de fase de 2π, lo que nos dará la siguiente ecuación:

Sin embargo al trabajar con señales digitales deberemos modificar el valor de∆Φ y de 2π. De esta forma el valor máximo del incremento de fase pasará devaler 2 π a ser 2N, siendo N el número de bits usados por el acumulador de fase. En esta situación, podemos asignar un valor al incremento de fase, ∆Φdigital, que variará entre 1 y 2 N -1, éste valor será el que nos entrega el registro de la frecuencia de control.De esta forma podemos reescribir la ecuación de la frecuencia de salida, quedará:



Espectro de salida:

En el proceso de conversión de la señal digital obtenida a su equivalente analógico, no sólo se obtendrá un tono a la frecuencia deseada, sino que también se generarán armónicos e imágenes de la frecuencia fundamental debido a la no idealidad de la señal digital generada. La potencia de la señal y de las imágenes obtenidas severán envueltas por una función

Armónicos a frecuencias nfsal, así como las imágenes a frecuencias

Los armónicos generados por las imágenes cuyas frecuencias son

A este efecto se le conoce como aliasing.



Espectro de salida:



La pureza espectral de la señal generada dependerá de diversos factores, tale como :- el ruido de fase que introduce el reloj del sistema, - el número de bits usados para obtener la acumulación de fase (NÁ),- el número de bits que usa el LUT para realizar la conversión de Fase-Amplitud (NLUT y Nsal), - el tipo de conversor Digital-Analógico (DAC) usado - e incluso el layout del circuito.

Pureza espectral:



Señal de reloj La mayor fuente de ruido de fase del sistema es la generada por la señal de reloj, incluso cuando su efecto se ve reducido por el proceso de división en frecuencia del DDS. El ruido de fase a la salida del DDS muestra una mejora respecto al ruido de fase del reloj del sistema de

La precisión del reloj se irá propagando a través del DDS, de esta forma se puede asegurar que si la frecuencia de muestreo supera en 100ppm la deseada, la frecuencia de salida también será 100ppm superior a la calculada.

Pureza espectral:



Conversión de Fase-Amplitud La información que obtenemos a la salida del Acumulador de Fase se verá reducida por el LUT, debido a que el algoritmo usado para realizar la conversión Fase-Amplitud únicamente usará una parte de los bits más significativos (MSB). Es decir, que el número de bits usados a la entrada del LUT es menor que el proporcionado por el Acumulador de Fase (NΦ > NLUT ). El ruido de fase introducido por esta pérdida de información no es especialmente significativo ya que suele encontrase por debajo de los 70dBc.A la entrada del LUT tenemos la información de fase "modificada" representadapor un número de bits, NLUT , siendo el cometido de este dispositivo convertirdicha fase a su correspondiente valor en amplitud, siguiendo para ello el patrón deuna función seno. Como podemos imaginar, la mayoría de los valores de amplitud que obtengamos necesitarían de un número infinito de bits, sin embargo dispondremos únicamente de un número fijo de bits, Nsal, para representar dicha amplitud. Esto provoca que la señal obtenida no sea un tono ideal, lo que repercutirá en el aumento del ruido de fase del sistema.

Pureza espectral:



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