osciladores - gr · oscilador: definición genera señales periódicas convierte potencia de dc a...
Post on 21-Sep-2018
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 2
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 3
Estructura de un osciladorCircuito resonante
Variación rápida con la frecuenciaElemento activo
GananciaResistencia negativa
AcoplamientoEntre ambosA la carga
Red Resonante
Elemento activo
RL
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 4
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 3
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 5
Esquema básico de realimentación
Circuito activoA(v)
Red de realimentaciónB(ω)
Carga
( ) ( )( ) ( )ω
ωBvA
vAH−
=1
+
( ) ( ) 1=ωBvA
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 6
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∂
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 4
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 7
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
+
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 8
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 5
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 9
Respuesta de un circuito resonante
Φ(ω)
ω0
-π/2
π/2
ω0
0
2
0ωω
φ
ωω
Qdd
−==∆ω
∆φ
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 10
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 6
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 11
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 12
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 7
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 13
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 14
Frecuencia de oscilación
Frecuencia de oscilación
Fija Variable
Mecánica
Electrónica
Continua
Discreta
B/F<10%
B/F>10%
Patrones
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 8
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 15
Deriva térmicaVariaciones de la frecuencia con la temperatura.
Variación absoluta: df/dT (Hz/K)Variación relativa: 1/f0 df/dT (K-1)
Oscilador
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 16
"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)
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 9
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 17
"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)
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 18
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 10
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 19
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=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 20
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
=
−=
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 11
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 21
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 22
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 12
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 23
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 24
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 13
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 25
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 26
Componente Activo
DIODOSDIODOS TRANSISTORESTRANSISTORES TUBOS DE VACTUBOS DE VACÍÍOO
GunnImpat
BipolarFET
TriodoKlystron
MagnetronTWT
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 14
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 27
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 28
Estructura Resonante
REDESLC
LÍNEASIMPRESAS
LINEASCOAXIALES CAVIDADES
TRIPLACAMICROSTRIPCOPLANARSLOT-LINEFIN-LINE
CIRCULARCUADRADABAR-LINE
METÁLICADIELÉCTRICA
YIGCUARZO
S.A.W.
DISCRETOSIMPRESOS
INTEGRADOSVARACTORES
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 15
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 29
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%
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 30
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
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 16
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 31
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
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 32
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
'
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 17
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 33
Cuarzo en resonancia paralelo
Cp
CsC1
R1
R2
R3
CL=C1C2/(C1+C2)
Cs<<C1, C2
C2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛≅′ )C+C2(
C+1ffLo
sp
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 34
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.
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 18
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 35
El diodo Varactor( )C C k Vd min d= + +
−Φ
α
Vd
Cd Rd
Ls
Cd
Vd
Q
Rc
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 36
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 =⇒∞=
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 19
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 37
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 38
Variación de la capacidad en un varactor.
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 20
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 39
Variación del Q en un varactor.
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 40
Oscilador LC serie
LRS
Vd
CD
C1
-+
R1
Lp
Red de sintonía
-+
R2
R3
Amplificador
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 21
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 41
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.
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 42
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.
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 22
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 43
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.
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 44
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.
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 23
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 45
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.
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 46
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.
Electrónica de Comunicaciones Curso 2007/2008
Tema 3 - Osciladores 24
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 47
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.
Electrónica de Comunicaciones Osciladores 48
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.
top related