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Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008

Tema 3 - Osciladores 1

1

Capítulo 3

Osciladores

Electrónica de Comunicaciones Osciladores 2

Oscilador: Definición

Genera señales periódicasConvierte potencia de DC a RF

v(t)=V0 cos(ω0t)Sv(f)=1/2V0

2[δ(ω-ω0)+δ(ω+ω0)]

v(t)=V0 f (t,T0)Sv(f)=1/2Σan

2[δ(ω-nω0)+δ(ω+nω0)]

DC

DC




Estructura de un osciladorCircuito resonante

Variación rápida con la frecuenciaElemento activo

GananciaResistencia negativa

AcoplamientoEntre ambosA la carga

Red Resonante

Elemento activo

RL


Ejemplos de osciladores

Vcc

Oscilador 100 MHz

160pF 160pF

26nH

1nF4k7

330

1k8

2N5179

30pF

1nF

Resonadordieléctrico

Líneas de acoplo

FETG

SD

S

Vg

Vd

OutOscilador 10 GHz

20mm




Esquema básico de realimentación

Circuito activoA(v)

Red de realimentaciónB(ω)

Carga

( ) ( )( ) ( )ω

ωBvA

vAH−

=1

+

( ) ( ) 1=ωBvA


Condición de oscilación

Condición de estabilidad

Condición deganancia

Condición defrecuencia

Saturación

Variación defase

( ) ( ) 1BvA =ω( ) ( ) 1BvAG =ω=

( ) ( )[ ] 0BvAFase =ω=Φ

0vG

>ω∂Φ∂

∂∂

0vG

<∂∂

0<ω∂Φ∂




Ejemplo 3.1 Condición de oscilación

A(v)V1 v2

R1R2

LC

R1 R2

L C V1v2

V1v2

A(v)

Elemento activo A

Red de realimentación B

Zin=∞ Zout=0

( ) Ls+RR+Cs1

R=B(s)

A(v)=A

21

2

+


Ejemplo 3.1 Condición de oscilación

( ) Ls+RR+Cs1

R=B(s)

A(v)=A

21

2

+

|

( ) CRRQy

LC1=donde

jQ+1RR

A(v)R=v)G(s,

o

j=s

021

0

0

21

2

1

1

ωω

ωω

ωωω

+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+

Condición de oscilación:

ω=ω0

A=(R1+R2)/R2

[ ]

[ ]2

0

0

21

2

0

0

1

1

tan

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

+=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

ωω

ωω

ω

ωω

ωωω

QRR

RAv),G(Mod

Qa=v),G(Arg




Respuesta de un circuito resonante

Φ(ω)

ω0

-π/2

π/2

ω0

0

2

0ωω

φ

ωω

Qdd

−==∆ω

∆φ


Criterio de NyquistVariación de la función de transferencia en lazo abierto

0>)( v

G(v)⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δω

ωδφδ

δ

1),( =vG ω

G(ω,v)=A(v)B(ω)=|G| exp(jφ)Imag(G)

Real(G)1

ω

v




Diagrama de polos

v<v0v>v0

s=0+jω0

s=0-jω0

v

H(s,v)=1

1-G(s,v)

Función de transferenciaen lazo cerrado


Modelo M5120-8000 de G. M.

Frecuencia de oscilación 8000 MHzMargen de sintonía mecánica ±10 MHzPotencia de salida 13 dBmNivel de 2º armónico -25 dBcNivel de espurias (no armónicas) -70 dBcEstabilidad térmica 2 ppm/ºPulling para ROE 1.5:1 0.15 MHzPushing 2 kHz/VRuido 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




Potencia y rendimientoP0=Potencia total de RF a la salida

P P P0 1 i= +∞

∑2

N PPi

i

1=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

1

i10i P

P10Log=(dBc)N

η = PP

0

DC

Nivel de armónicos relativos al principal

Rendimiento


Frecuencia de oscilación

Frecuencia de oscilación

Fija Variable

Mecánica

Electrónica

Continua

Discreta

B/F<10%

B/F>10%

Patrones




Deriva térmicaVariaciones de la frecuencia con la temperatura.

Variación absoluta: df/dT (Hz/K)Variación relativa: 1/f0 df/dT (K-1)

Oscilador


"Pulling” o deriva de carga.

Variaciones de la frecuencia con la impedancia de carga.

Oscilador ZL=R+jX0

0

ZZZZ

+−

=Γ

ROE =+−

11

ΓΓ

(Z0= Impedancia nominal de carga)




"Pushing”o deriva de alimentación.

Variaciones de la frecuencia con la Tensión de alimentación.

OsciladorVDC

Variaciones absolutas: df/dV (Hz/V)Variaciones relativas: 1/f0 df/dV (V-1)


Variaciones aleatorias de frecuencia. Ruido de fase

Consideramos una señal sinusoidal con ruido de amplitud y fase ( ) ( ))(cos)(1)( 000 tttnVtv nφω ++=

n(t) <<1φn(t)<<1

( ) ( ) ( )[ ]ttttntVtv n 00000 sen)(cos)(cos)( ωφωω −+=

Nos queda : – Portadora + Bandas laterales moduladas por n(t) y φ(t)

Suponemos valores pequeños de ruido

Suponemos despreciable el ruido de amplitud n(t)<<φ(t)( ) ( )[ ]tttVtv n 0000 sen)(cos)( ωφω −≅

PortadoraBandas de

ruido




Espectro de ruidoMáximo en la frecuencia de oscilaciónSimétrico a ambos lados de la frecuencia de osc.Decrece al separarse de la frecuencia de oscilaciónPosee un pedestal fijo para |f-f0|=fm grande

1Hz

SV(f)

f

f m

f 0

L(fm)(dBc)

( ) ( ) )()(log10log10)(0

//

dBcfPfS

fL mW

HzWmVHzdBcm L=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


Densidad espectral de ruido de fase

[ ]2)(F)( tfS nφφ =

La densidad espectral de potencia del oscilador viene dada por :

[ ]( ) ( )( ) ( ) ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+++

+−+−==

00

000

2

21)(F)(

ffSffffSff

PtVfS Vφ

φ

δ

δ

Dada la densidad espectral de potencia de φn(t)

( )S f

S fP

V mφ ( ) = 2

0

A la inversa, dado el espectro final, la densidad espectral de ruido de fase viene dada por : (para fm <<f0)

2

20

0

0

VPy

fffcon m

=

−=




Espectro de ruido de fase

ff

1Hz

S φ (f)( ) )(22)(

0

fP

fSfS mV L==φ

Ruido de fase– Ruido de baja frecuencia– Máximo en f=0 con Sf infinito

L dBc Hz LogS f

( / )( )

=⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥10

2φ

0


Ruido de fase o ruido de frecuencia

Modulación de frecuencia equivalente a una banda B

)Bf(2f=f mmrms L∆

)Bf(2= mrms Lφ∆

Modulación de fase equivalente a una banda B

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

m

rmsssb

dBc ffLog

PortadoraPPLog

CN

220

.10

Relación ruido a portadora




Modelo de LeesonRuido generado en el componente activo.

f=figura de ruido.fc=frecuencia Flicker.Psav=Potencia disponible de entrada al elemento activo.

Filtrado por la función de transferencia H(ω).f0=frecuencia de oscilación.Q= factor de calidad del circuito resonante.

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

f2Qf+1

ff+1

PfkT

21=)f(

m

o

2

m

c

savm

0L


Osciladores de bajo Q

Qf

f2

0<α

fα f0/2Q

Osciladores de alto Q

fαf0/2Q

Qf

f2

0>α

1/f2

1/f3

1/f3

1/f

Sφ

Sφ

fm

fm

Circuitos RCLíneas impresasVaractores

Cavidades metálicasCavidades dieléctricasCavidades de Onda Acústica (SAW)Cristal de cuarzo




Ruido de fase en algunos osciladores de RF y microondas

Desplazamiento desde la portadora (fm)

Rui

do s

i mpl

e ba

nda

/ Por

tado

ra d

Bc

( 1H

z)

80

100

120

140

160

10 100 10k 100k1k 1M

YIG 8GHz

LC 500MHz

Coaxial 500MHz

LC 40MHz

Cristal 10MHz


Componente Activo

DIODOSDIODOS TRANSISTORESTRANSISTORES TUBOS DE VACTUBOS DE VACÍÍOO

GunnImpat

BipolarFET

TriodoKlystron

MagnetronTWT




Componentes activosB a n d a d eF re c u e n c ia

P o te n c ia R e n d i-m ie n to

R u id oT é rm ic o

R u id o1 /f

G u n n 6 -1 0 0 G h z M u y b a ja B a jo(1 % )

B u e n o M u yb u e n o

Im p a t 6 -1 0 0 G h z A lta M e d io(1 0 % )

M a lo M a lo

B ip o la r 0 -7 G h z A lta A lto(2 0 % )

M u yb u e n o

M u yb u e n o

F E T 0 -1 8 G h z M e d ia A lto(2 0 % )

B u e n o R e g u la r

T r io d o 0 -3 G h z M u y a lta A lto M a lo M a lo

K ly s tro n 5 -2 0 0 G h z A lta A lto B u e n o B u e n o

T W T 1 -3 0 G h z M u y a lta A lto M u yb u e n o

B u e n o

M a g n e tro n 1 -3 0 G h z M u y a lta A lto M a lo M a lo


Estructura Resonante

REDESLC

LÍNEASIMPRESAS

LINEASCOAXIALES CAVIDADES

TRIPLACAMICROSTRIPCOPLANARSLOT-LINEFIN-LINE

CIRCULARCUADRADABAR-LINE

METÁLICADIELÉCTRICA

YIGCUARZO

S.A.W.

DISCRETOSIMPRESOS

INTEGRADOSVARACTORES




Tipos de Osciladores por su circuito resonante

Tipo de Cavidad Margen de frecuencia

Factor de calidad

Estabilidad Térmica

Otros factores o comentarios

Circuitos RC (miltivibradores)

DC a 10MHz < 10 Mala Sintonía en 1 a 2 décadas

Circuitos LC 1MHz a 1GHz 104 a 102 Mediocre Q limitado por las bobinas

Circuitos LC. Integrados de microondas

1GHz a 10GHz 102 a 10 Mala Bobinas y capacidades

impresas en el AsGa Cristal de Cuarzo 100kHz a 100MHz 106 a 104 Muy buena Patrones y

osciladores fijos Cerámicas de OAS

(SAW) 10MHz a 1GHz 106 a 104 Muy buena Muy estables.

Osciladores fijos. Resonadores en Líneas

planas. 100MHz a 10GHz 103 a 10 Mala Fáciles de construir

en microondas. Resonadores en Líneas

coaxiales. 100MHz a 10GHz 104 a 102 Mediocre Fáciles de construir.

Cavidades en Guía de Onda

1GHz a 100GHz 105 a 103 Mediocre Poco estable con la temperatura

Cavidades Dieléctricas 1GHz a 20 GHz 105 a 103 Buena Muy estables Reducido tamaño

Diodos varactores

10MHz a 20 GHz 102 a 10 Mala Sintonía en 1 oct.

Cavidad YIG

1GHz a 20GHz 104 a 103 Mediocre Sintonía en 50%


Ejemplo 1 (M-1072 Litton ED)Oscilador con resonador dieléctrico

Frecuencia 6 GHzSintonía mecánica 10MHzPotencia de salida 17dBmSegundo armónico -25dBcEspurios -70 dBcPulling (VSWR=1.5:1) 2.5MHzPushing 0.5MHz/VEstabilidad(-54 a 85C) 2.5MHzFM Noise a 30KHz de f0 -98dBm/Hz

Transistor FET

Frec. Flicker 1MHz

Figura de ruido 10

Factor de calidad 1000

(N/C)SSB=-117dBc/Hz




Osciladores a cristal

Rs

Cs

Ls

Cp

Xs

ffs fp

fL Cs

s s

=1

2π f fCCp s

s

p= +1 Q

f C Rs s s=

12π


Resonancia serie

LC2

1=f s π

C1

-+

R1

Cuarzo en resonancia serie

-+

R2

R3

Amplificador

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≅

)C+C2(C+1f

C+CC+1f=f

1os

1oss

'




Cuarzo en resonancia paralelo

Cp

CsC1

R1

R2

R3

CL=C1C2/(C1+C2)

Cs<<C1, C2

C2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≅′ )C+C2(

C+1ffLo

sp


Osciladores Controlados por Tensión

Cavidades de frecuencia variable.Cavidad YIG controlada por campo magnético.

Componentes de valor controlado por tensión.

Diodo varactor.Transconductancia variable de un FET.




El diodo Varactor( )C C k Vd min d= + +

−Φ

α

Vd

Cd Rd

Ls

Cd

Vd

Q

Rc


Oscilador controlado por tensiónV.C.O.

LCdC

Cb

Vd

RFC

d

d

CCCC

Lf

+

=

π2

10 ( )

( )ff

C C CC C C

max

min

max min

min max

=+

+

min

max

min

max

CC

ff

CPara =⇒∞=





Variación de la capacidad en un varactor.




Variación del Q en un varactor.


Oscilador LC serie

LRS

Vd

CD

C1

-+

R1

Lp

Red de sintonía

-+

R2

R3

Amplificador




Ejercicios3.1 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.


Ejercicios3.3 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 por unidad de ancho de banda dividida por la potencia 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.




Ejercicios3.5 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.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.


Ejercicios

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.

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.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.




Ejercicios

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.

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 que la potencia 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.


Ejercicios3.11 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) La modulación aleatoria de fase sobre la frecuencia de oscilación.b) Una modulación que genera un rizado de amplitud.c) Las bandas laterales del espectro en una modulación DBLd) Un ruido Flicker que puede filtrarse fácilmente.




Ejercicios3.13 Para conseguir que un circuito oscile al realimentar la salida, la

ganancia en lazo abierto debe ser:a) De amplitud unidad o superior y de fase nula.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) Resonadores LC con diodo varactor.b) Un resonador de cavidad en guía de onda con diodo varactor.c) Resonadores YIG de microondas.d) Un circuito integrado digital aestable.


Ejercicios3.15 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.

osciladores - gr · oscilador: definición genera señales periódicas convierte potencia de dc a...

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