BN EC0903 Osciladores

Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010

Tema 3 - Osciladores 1

GR

Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3Capítulo 3

Osciladores

1

Oscilador: Definición 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)]DC

Electrónica de Comunicaciones Osciladores 2

v(t)=V0 f (t,T0)Sv(f)=1/2Σan

2[δ(ω-nω0)+δ(ω+nω0)]DC



Estructura de un osciladorCircuito resonante

Variación rápida con la frecuenciaElemento activo

GananciaResistencia negativa

A l i

Elemento activo

RL


AcoplamientoEntre ambosA la carga

Red Resonante

Ejemplos de osciladores

Vcc

O il d 100 MH

Resonadordieléctrico

20mm

Oscilador 100 MHz

26nH

1nF4k7

330

1k8

30pF

1nFLíneas de acoplo

FETG

SD

S

Vg

Vd


160pF 160pF2N5179

Vg

OutOscilador 10 GHz



Esquema básico de realimentación

Circuito activoA(v)

Red de realimentaciónB(ω)

Carga+


( )

( ) ( )( ) ( )ω

ωBvA

vAH−

=1 ( ) ( ) 1=ωBvA

Condición de oscilaciónCondición de

ganancia( ) ( ) 1BA( ) ( ) 1BvAG =ω=

Condición de estabilidad

ganancia

Condición defrecuencia

( ) ( ) 1BvA =ω

( ) ( )[ ] 0BvAFase =ω=Φ

G∂


Saturación

Variación defase

0vG

>ω∂Φ∂

∂∂

0vG

<∂∂

0<ω∂Φ∂



Ejemplo 3.1 Condición de oscilaciónElemento activo AZin=∞ Zout=0

A(v)V1 v2

R1R2

LC

V1v2

A(v)

Red de realimentación B


R1 R2

L C V1v2

( ) Ls+RR+Cs1

R=B(s)

A(v)=A

21

2

+

Ejemplo 3.1 Condición de oscilación

A(v)=A |

jQ+1RR

A(v)R=v)G(s, j=s021

2 1

ωω

ωωω

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+

( ) Ls+RR+Cs1

R=B(s)21

2

+ ( ) CRRQy

LC1=donde o

021

0

1ωω

ωω

+=

⎠⎜⎝

Condición de oscilación:[ ] 0tan ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

ωω

ωωω Qa=v),G(Arg


ω=ω0

A=(R1+R2)/R2

[ ]2

0

0

21

2

0

1

1

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

+=

⎦⎣ ⎠⎝

ωω

ωω

ω

ωω

QRR

RAv),G(Mod



Respuesta de un circuito resonante

π/2

Φ(ω)

ω0

0

2

0ωω

φ

ωω

Qdd

−==∆ω

∆φ


-π/2 ω0

Criterio de NyquistVariación de la función de transferencia en lazo abierto

0>)( G(v)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δ

ωδφδ

δ

1),( =vG ω

G(ω,v)=A(v)B(ω)=|G| exp(jφ)Imag(G)

Real(G)1

v


v ⎠⎝⎠⎜⎝ δωδ

ω



Diagrama de poloss=0+jω0

Función de transferencial d

v<v0v>v0

v

H(s,v)=1

1-G(s,v)

en lazo cerrado


0v>v0

s=0-jω0

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/ºEstabilidad térmica 2 ppm/Pulling 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


• Tensión DC 12 a 18 V• Corriente 125 mA

Impedancia (Conector SMA hembra) 50 Ohm



Potencia y rendimientoPotencia y rendimientoP0=Potencia total de RF a la salida

P P P∞

∑P P P0 1 i= + ∑2

N PPi

i

1=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

1

i10i P

P10Log=(dBc)N

Nivel de armónicos relativos al principal

R di i t


η = PP

0

DC

Rendimiento

Frecuencia de oscilaciónFrecuencia de oscilación

Frecuencia de oscilación

Fija Variable

Mecánica Continua B/F<10%Patrones


Mecánica

Electrónica

Continua

Discreta

B/F<10%

B/F>10%

Patrones



Deriva térmicaVariaciones de la frecuencia con la t ttemperatura.

Oscilador


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

"Pulling” o deriva de carga."Pulling” o deriva de carga.

Variaciones de la frecuencia con laVariaciones de la frecuencia con la impedancia de carga.

Oscilador Z =R+jX0

0

ZZZZ

+−

=Γ


ZL=R+jXROE =

+−

11

ΓΓ

(Z0= Impedancia nominal de carga)



"Pushing” o deriva de alimentación."Pushing” o deriva de alimentación.

Variaciones de la frecuencia con la TensiónVariaciones 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 yConsideramos 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


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

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 f |=f grandePosee un pedestal fijo para |f-f0|=fm grande

SV(f)

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

//

dBcfPfS

fL mW

HzWmVHzdBcm L=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=


1Hzf

f m

f 0

L(fm)(dBc)

Densidad espectral de ruido de fase

[ ]2)(F)( tfS nφφ =

Dada la densidad espectral de potencia de φn(t)

La densidad espectral de potencia del oscilador viene dada por :

[ ]( ) ( )( ) ( ) ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+++

+−+−==

00

000

2

21)(F)(

ffSffffSff

PtVfS Vφ

φ

δ

δ

A la inversa, dado el espectro final, la densidad espectral de id d f i d d ( f <<f )


( )S f

S fP

V mφ ( ) = 2

0

ruido de fase viene dada por : (para fm <<f0)

2

20

0

0

VPy

fffcon m

=

−=



Espectro de ruido de fase

S φ (f)( ) )(22)( ffSfS mV L==φS φ (f) )()(

0

fP

fφ

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

S f( )⎡ ⎤φ


ff

1Hz

L dBc Hz LogS f

( / )( )

=⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥10

2φ

0

Ruido de fase o ruido de frecuenciaRuido de fase o ruido de frecuencia

Modulación de fase equivalente a una banda B

Modulación de frecuencia equivalente a una banda B

)Bf(2f=f mmrms L∆

)Bf(2= mrms Lφ∆

Relación ruido a portadora


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

m

rmsssb

dBc ffLog

PortadoraPPLog

CN

220

.10

Relación ruido a portadora



Modelo de LeesonRuido generado en el componente activo.

f=figura de ruido.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.


Q

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

f2Qf+1

ff+1

PfkT

21=)f(

m

o

2

m

c

savm

0L

Osciladores de bajo Q

f 1/f2

1/f3SφCircuitos RCLíneas impresasVaractores

Q2ff 0

c <

fc f0/2Q

Osciladores de alto Q

1/f

1/f3Sφ

fm

Cavidades metálicas

Electrónica de Comunicaciones Osciladores 24fcf0/2Q

Q2ff 0

c >1/f3

1/f

fm

Cavidades dieléctricasCavidades de Onda Acústica (SAW)Cristal de cuarzo



Ruido de fase en algunos osciladores de RF y microondas

Cristal 10MHz

80

100

120

YIG 8GHz

LC 500MHz

Coaxial 500MHz

LC 40MHz

Cristal 10MHz

Electrónica de Comunicaciones Osciladores 25Desplazamiento desde la portadora (fm)

140

160

10 100 10k 100k1k 1M

Componente Activo

DIODOSDIODOS TRANSISTORESTRANSISTORES TUBOS DE VACÍOTUBOS DE VACÍO

GunnImpat

BipolarFET

TriodoKlystron

Magnetron


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(1 % ) b 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

REDES LÍNEAS LINEAS CAVIDADESLC IMPRESAS COAXIALES CAVIDADES

TRIPLACAMICROSTRIP

CIRCULARCUADRADA

METÁLICADIELÉCTRICA

DISCRETOSIMPRESOS


MICROSTRIPCOPLANARSLOT-LINEFIN-LINE

CUADRADABAR-LINE YIG

CUARZOS.A.W.

INTEGRADOSVARACTORES



Tipos de Osciladores por su circuito resonanteTipo 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.


coaxiales. 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) 2.5MHzP hi 0 5MH /V

Transistor FET

Frec. Flicker 1MHz

Figura de ruido 10

Factor de calidad 1000

(N/C) 117dB /H


Pushing 0.5MHz/VEstabilidad(-54 a 85C) 2.5MHzFM Noise a 30KHz de f0 -98dBm/Hz

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



Osciladores a cristal

RsXs

Cs

Ls

Cp

ffs fp


Ls

fL Cs

s s

=1

2π f fCCp s

s

p= +1 Q

f C Rs s s=

12π

Resonancia serieR1

Cuarzo en resonancia serie

R3

Amplificador

C1

-+

-+

R2

3


LC2

1=f s π ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≅

)C+C2(C+1f

C+CC+1f=f

1p

ss

1p

ss

's



Cuarzo en resonancia paralelo

Cp

CsC1

R1

R2

R3

CL=C1C2/(C1+C2)

Cs<<C1, C2

C2


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≅′ )C+C2(

C+1ffLp

ssp

Osciladores Controlados por Tensión

Cavidades de frecuencia variableCavidades 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

Q

Vd

Cd Rd

Ls

CdQ


VdRc

Oscilador controlado por tensiónV.C.O.

d

CCCC

Lf =

π2

10 ( )

( )ff

C C CC C C

max

min

max min

min max

=+

+

CbRFC

dCC +( )min max

min

max

min

max

CC

ff

CPara =⇒∞=


LCdC

Vd



Ejemplo 3.3: Oscilador LC serie

LRS

Vd

CD

C1

-+

R1

Lp

Red de sintonía

-+

R2

R3

Amplificador


CD




Variación de la capacidad en un varactor.


Variación del Q en un varactor.




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.) p p pc) 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 oscilaciónb) 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.


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.

Ejercicios3.7 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

3.8 ¿Cuando consideramos que un oscilador es de alto factor de calidad?

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.


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.



Ejercicios3.9 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.

3.10 En un oscilador de frecuencia variable con control electrónico

q pb) 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.

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 dea) 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:) L d l ió l i d f b l f i d il ió


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:) D lit d id d i d f la) 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:) R d LC di d


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.


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