Osciladores de Radiofrecuencia Gómez, Leoncio
Hernández, José
Núñez, Jhoander
Rojas, César
Rudolf, Rossana
C.I. 19.697.560
C.I. 20.697.578
C.I.20.467.639
C.I.20.698.841
C.I.20.591.860
Resumen—El conten contenido ido progra programát mático ico de la cátedra cátedra de microondas croondas comprende el estudio estudio de los osciladores osciladores utilizados utilizados en aplicaciones de radiofrecuencias, los mismos pueden ser considerandos, haciendo las debidas abstracciones, como los equivalentes eléctri eléctricos cos de los péndul péndulos os mecánic mecánicos os en cuanto cuanto la respue respuesta sta de los mismos mismos se repite repite durant durantee un interv intervalo alo determ determinad inado. o. La importancia de los mismos radica en su versatilidad, facilidad de implementación y estabilidad en su respuesta; estos dispositivos consti constituy tuyen en hoy en día la base base de muchos muchos sistemas sistemas de telecotelecomunicac municacion iones es como la radio radio y la televis televisión ión analógica analógica,, así como como el corazón de los circuitos secuenciales (Flip-Flops, Contadores, etc). etc). En el presen presente te reporte reporte,, se hará hará un estudio estudio sucint sucinto o de las características de los osciladores más comunes para luego simular el compor comportam tamient iento o de uno de ellos ellos utiliza utilizando ndo la herrami herramient enta a c Advanced Design System 2009
II-B.
Según sus Componentes Circuitales Circuitales
Osciladores RC: Aquellos constituídos por resistores
(R) y capacitores (C).
Osciladores Osciladores LC: Son construídos a partir de inductores (L) y capacitores (C). Osciladores de Cristal: Su comportamiento oscilato-
rio depende del uso de un cristal piezoeléctrico.
Keywords—Osciladores, Hartley, Colpitts, Clapp, VCO, Cristal, Sintetizadores Sintetizadores de Frecuencia Frecuencia..
I. D EFINICIÓN Richard Richard Feynman Feynman [1] partiend partiendoo del comporta comportamien miento to de un péndulo, define a los osciladores como dispositivos que proveen una ocurrencia periódica de muy corta duración; en este caso, la corriente eléctrica se comporta como la plomada de su homólogo mecicáno; no obstante, a diferencia de este último, presenta un comportamiento más estable, debido a que cuenta con mecanismos eléctricos de retroalimentación que contrarrestan lo que de otra manera sería la degradación de la amplitud oscilante en el tiempo. Las condiciones necesarias y suficientes para que cualquier amplificador realimentado, según lo indica [2] son: Que la señal realimentada esté en fase. Que la ganancia de bucle cerrado sea mayor o igual que 1. Este conjunto de premisas son conocidas en su conjunto como el Principio de Barkhausen . I I . C LASIFICACIÓN DE LOS O SCILADORES
II-C.
Según el Uso de Realimentación
Osciladores Osciladores Realimentados: Son
así clasifi clasificad cados os aquellos que emplean un circuito de realimentación que satisface los criterios de Barkhausen, expuestos con anterioridad. Osciladores No Realimentados: No
utilizan una red de realimentación; en su lugar, se basan en la región de resistencia negativa de los dispositivos empleados en su implementación (Tubos al vacío, por ejemplo). Un ejemplo de oscilador no realimentado es el Oscilador de Relajación UJT . Para el estudio de osciladores en Radiofrecuencia, se hará énfasis especial en los osciladores de RC, LC, Realimentados, así como los de cristal; entre los más extendidos se encuentran: Oscila Oscilador dor de Hartl Hartley ey,, Oscil Oscilado adorr de Colpit Colpitts, ts, Oscila Oscilador dor de Puente de Wien y Sintetizadores de Frecuencia.
De acuerdo al criterio de [3] los osciladores pueden ser clasificados basándose en la naturaleza de su señal de salida, los parámetros usados, el rango de frecuencia, etc. De forma concreta II-A.
Según su Forma de Onda
Osciladores Osciladores Sinusoidales: Genera Generann
onda sinusoidal pura en la salida.
I I I . O SCILADOR DE H ARTLEY una forma forma de
Osciladores No Sinusoidales: Generan una forma de
onda triangular, cuadrada, diente de sierra, etc.
Como lo expone [3], se trata de un oscilador de tipo LC el cual usa dos reactancias inductiva y una capacitiva en su red de realimentación.
Figura 1. Diagrama Circuital del Circuito Transistorizado Hartley [3]
Figura 2. Diagrama Circuital del Circuito Transistorizado Colpitts [3]
La etapa amplificadora del oscilador usa un dispositivo activo tal como un transistor en configuración emisor común, las resistencias R1 y R2 son resistencias de polarización, la resistencia RFC hace las veces de obturador de RF, su valor de reactancia es muy grande para altas frecuencias, por lo cual, puede ser tratado como un circuito abierto; debido a este comportamiento, se consigue aislar la operación A.C. y D.C. en el oscilador, RE cumple la función de resistencia de polarización y C E es el capacitor de bypass del emisor. C C 1 y C C 2 son capacitores de acoplamiento. La frecuencia de oscilación de la señal senoidal obtenida a la salida del circuito obedece a la relación 1 f =
1 2π
√ 2
LC
(1)
El análisis circuital del oscilador colpitts es análogo al realizado en el oscilador Hartley, por esa razón, la frecuencia de la señal oscilante sinusoidal a la salida del mismo es igual a 1 √ f = (2) 2π
2
LC 3
Donde C=
C 1 ∗C 2 C 1 +C 2
V. OSCILADOR C LAPP Consiste en una versión ligeramente modificada del oscilador Colpitts, el mismo ofrece una mayor estabilidad en la frecuencia de salida del oscilador [3], a través del capacitor C 3 no hay efectos de parámetros del transistor y la respuesta resultante es más exacta
Tal que L = L1 + L 2
IV. O SCILADOR DE C OLPITTS Consiste en otro oscilador sinusoidal realimentado de tipo LC [3], el mismo está constituído por dos reactancias capacitivas y una reactancia inductiva. 1 La obtención de la frecuencia de oscilación es el resultado de un elaborado
desarrollo circuital que ha sido realizado en cursos anteriores, si el lector desea profundizar acerca del mismo, puede referirse a [3] y [4]
Figura 3. Diagrama Circuital del Circuito Transistorizado Clapp [3]
La frecuencia de oscilación puede calcularse como
f =
1 2π
√ 2
LC
(3)
Se establece una condición de diseño, en virtud de la cual, C 3 es mucho más pequeña que C 1 y C 2 .
VI. O SCILADOR C ONTROLADO POR V OLTAJE Es un circuito oscilante en el cual la frecuencia de oscilación puede ser controlada por un voltaje externo aplicado; por lo general, existe una relación lineal entre el voltaje aplicado, denominado Voltaje de Control y la frecuencia de la señal a la salida del oscilador, conmúnmente este dispositivo es denominado VCO, lo cual significa Voltage Controlled Oscillator .
Figura 5. Diagrama Circuital Aproximado del Oscilador de Cristal [5]
V III . O SCILADOR DE P UENTE DE W IE N
Figura 4. Diagrama Circuital del Oscilador Controlado por Voltaje [3]
A diferencia de la mayoría de osciladores expuestos, el implementado a partir del Puente de Wien usa un amplificador no inversor y por lo tanto, no provee ningún cambio de fase durante su etapa de amplificación; sin embargo, su principio de funcionamiento cumple con los criterios de Barkhausen, toda vez que su señal realimentada se mantiene en fase.
VII. O SCILADOR DE C RISTAL Á partir de lo explicado por [5] estos elementos pueden ser encontrados de forma natural o fabricados sintéticamente, su principio de funcionamiento es el Efecto Piezoeléctrico , el cual estipula que cierto tipo de materiales generan un voltaje entre sus caras opuestas cuando son sometidos a presión mecánica. Si la presión se ejerce de manera tal que el cristal empieza a vibrar, se genera un voltaje A.C. Cada uno de estos elementos tiene su propia frecuencia de resonancia, la cual dependerá de su geometría, entre los distintos tipos de osciladores, son estos los preferidos por su alto nivel de estabilidad. Un modelo circuital aproximado del cristal piezoeléctrico se muestra a continuación
Figura 6. Circuito Simplificado OPW [3]
2) Síntesis Coherente Directa: La velocidad de conmutación es alta (Típicamente < 10 µs) la resolución de frecuencia puede hacerse muy alta sin afectar la velocidad de conmutación.
Figura 7. Red de Realimentación OPW [3]
La frecuencia de oscilación del circuito obedece a la relación 1 √ f = (4) 2π
2
R1 R2 C 1 C 2
Figura 9. Síntesis Coherente Directa [6] 3) Síntesis Coherente Directa Digital: Genera
la señal en el dominio digital, utiliza un conversor A/D y filtra para reconstruir la forma de onda en el dominio analógico.
IX. OSCILADORES S INTETIZADORES Es el medio por el cual varias frecuencias discretas son generadas de una o más frecuencias fijas de referencia [6]. Las frecuencias de referencia son estables, espectralmente puras y por lo general, generadas a partir de cristales piezoeléctricos. La entrada de control determina el valor de la frecuencia de salida del sintetizador. IX-A.
Técnicas de Síntesis de Frecuencia
Síntesis Incoherente.
Figura 10. Síntesis Coherente Digital Directa [6]
Síntesis Coherente Directa. Síntesis Coherente Directa Digital. Síntesis Coherente Indirecta. 1) Síntesis Incoherente: Este sintetizador cubre frecuencias
4) Síntesis Coherente Indirecta: Consiste en una modificación del esquema anterior para mejorar su desempeño; a su vez, está basado en el Phase Locked Loop al cual se le ha agregado un divisor Módulo N.
en el rango de 62.000 a 62.999 MHz; 30 cristales se usan para generar 1000 frecuencias, es importante minimizar las salidas espurias generadas en los mezcladores.
Figura 11. Síntesis Coherente Indirecta [6]
Figura 8. Síntesis Incoherente [6]
X. SIMULACIÓN DE UN O SCILADOR EN ADS 2009 Advanced Design Systems, de Agilent Technologies, constituye una herramienta especializada en el modelado y simulación de sistemas circuitales de radiofrecuencia, a diferencia de opciones similares como Proteus, OrCAD y LTSPice, toma en cuenta los efectos parasitarios que se suscitan al trabajar en altas frecuencias y que normalmente son omitidos en la mayoría de programas de simulación; al mismo tiempo, ofrece una gran cantidad de herramientas y asistentes que facilitan notablemente el diseño de circuitos comunes empleados en estos sistemas; por ejemplo, cuenta con una guía de diseño ( DesignGuide dedicada especialmente a osciladores, basta con seleccionar el modelo de oscilador deseado y la frecuencia de oscilación deseada a la salida; el programa calcula automáticamente el valor de los parámetros (L, R o C, según el caso) y los asigna a los componentes circuitales. A modo de ilustración, se diseñará un Oscilador Clapp para obtener una señal senoidal de 1 GHz a la salida. Figura 12. Diagrama de Caja Negra Oscilador Clapp ADS
X-A.
Creación de un Nuevo Proyecto
Una vez abierto el programa ADS, se crea un nuevo diseño seleccionando File >New Design, se asigna un nombre al diseño que se va a crear, se indica que se trata de una red de radio frecuencia ( Analog/RF Network ) se especifica que se desea ver el nuevo diseño en la pantalla actual ( Current Window), se deselecciona la opción Schematic Wizard en cuanto se utilizará un asistente diferente más adelante y se eligen las unidades en las que se desea trabajar (Por la naturaleza del diseño, resulta poco relevante este aspecto).
X-B.
Uso del DesignGuide
En el Workspace generado, se busca en el menú de herramientas la opción DesignGuide >Oscillator , aparece una ventana con los tipos de osciladores incluídos en el asistente y se elige el que se desee implementar, en este caso, será un oscilador Clapp de frecuencia fija ( Clapp Oscillator >Fixed Frequency Oscillator ).
X-C.
En el apartado VAR se debe indicar el valor del voltaje de polarización (VCC) y la frecuencia de oscilación ( f o ) a partir de estos valores el programa calculará el valor de las impedancias de polarización y las correspondientes al circuito tanque del oscilador según los criterios mencionados en secciones anteriores 2 . Para visualizar el diagrama circuital del oscilador Clapp basta con hacer clic en el botón Push Into Hierarchy e inmediatamente despuúes en la caja negra correspondiente al oscilador (cClappCore ). Aparece una nueva pantalla simular a la de la figura
Configuración del Oscilador Clapp
Figura 13. Diagrama Circuital del Oscilador Clapp ADS
Como se habrá podido apreciar, las impedancias presentes en el esquema circuital no tienen un valor concreto, las mismas son calculadas en función de las variables introducidas por el usuario, según lo explicado en el punto anterior. X-D.
Una vez elegido el tipo de oscilador que se desea implementar, a través del Design Guide, aparece un diagrama circuital en forma de caja negra, tal y como puede apreciarse en la figura:
Simulación y Análisis de los Resultados
Después de haber seleccionado el modelo de oscilador a través del DesignGuide, aparece automáticamente una ventana 2 Página
2 Oscilador Clapp
con los resultados de la simulación del sistema a partir de los parámetros por defecto del mismo; al ser estos modificados, los resultados de la simulación se ajustan de forma automática a las nuevas características del sistema, para un voltaje de polarización de 5V y una frecuencia de 1 GHz, se obtiene la siguiente página de resultados
esquemas de transmisión a gran velocidad y a medida que se alcanzan los límites operativos físicos de cada paradigma, es necesario realizar la debida investigación para conseguir nuevas y mejores alternativas. XII. TABLA DE C ONTENIDOS Í NDICE I.
Definición
1
II.
Clasificación de los Osciladores
1
II-A.
Según su Forma de Onda . . . . . . . .
1
II-B.
Según sus Componentes Circuitales . .
1
II-C.
Según el Uso de Realimentación . . . .
1
III.
Oscilador de Hartley
1
IV.
Oscilador de Colpitts
2
V.
Oscilador Clapp
2
VI.
Oscilador Controlado por Voltaje
3
VII.
Oscilador de Cristal
3
Figura 14. Resultados de la Simulación del Oscilador Clapp ADS
La forma de onda obtenida corresponde a una señal sinusoidal aparentemente pura cuyo período de oscilación es de 998.004 ps, lo cual equivale a una frecuencia de oscilación de 1.002 GHz; es importante recordar que parte de las características del sistema ADS es que involucra las características no ideales de los componentes utilizados en el modelado del circuito y por esa razón no se obtiene una respuesta libre de distorsiones; de hecho, el análisis espectral de la señal de salida indica la presencia de componentes espurias (De muy baja potencia) a la salida del oscilador. A partir de este comportamiento, radica la preferencia que se tiene por los osciladores de cristal para la implementación de osciladores RF; sin embargo, el lector podrá comprobar que al repetir la simulación con osciladores Hartley o Colpitts, la señal resultante aparece aún más distorsionada, por lo cual podría decirse con seguridad que el Clapp constituye la mejor opción en cuanto a Osciladores LC se refiere. XI. C ONCLUSION Para la implementación de sistemas de telecomunicaciones y circuitos electrónicos secuenciales se requiere de algún sistema que proporcione una señal cuya variación constante, estable y predecible proporcione una referencia cronológica confiable, los moduladores AM, FM, PM, ASK, FSK, QSK, los circuitos Flip-Flop, Contadores Binarios y Shift Registers, entre otros, utilizan señales de reloj cuya integridad es esencial para el correcto funcionamiento de los mismos, a lo largo de la historia se han presentado alternativas cada vez más eficientes en lo que respecta a la generación de dichas señales y la selección de cada una dependerá del grado de exactitud requerido así como de la disponibilidad presupuestaria que se tenga en cada proyecto. En cuanto a su desempeño, costo de implementación y versatilidad, los osciladores de cristal se presentan como una de las mejores alternativas entre todas las expuestas en este informe, su pureza espectral, reducido tamaño y facilidad de escalamiento les permite responder satisfactoriamente a las más exigentes demandas de desempeño. El desarrollo de nuevos diseños de osciladores responde a la necesidad de generar señales de oscilación cada vez más rápidas para los
VIII. Oscilador de Puente de Wien
3
IX.
Osciladores Sintetizadores
4
IX-A.
Técnicas de Síntesis de Frecuencia . . .
4
IX-A1.
Síntesis Incoherente . . . . .
4
IX-A2.
Síntesis Coherente Directa .
4
IX-A3.
Síntesis Coherente Directa Digital . . . . . . . . . . . .
4
IX-A4.
Síntesis Coherente Indirecta .
4
X.
Simulación de un Oscilador en ADS 2009
5
X-A.
Creación de un Nuevo Proyecto . . . .
5
X-B.
Uso del DesignGuide . . . . . . . . . .
5
X-C.
Configuración del Oscilador Clapp . . .
5
X-D.
Simulación y Análisis de los Resultados
5
XI.
Conclusion
6
XII.
Tabla de Contenidos
6
Referencias
7
R EFERENCIAS [1] R. P. Feynman, Lectures on Physics Complete Volumes . Addison-Wesley Publishing Company INC, 1964. [2] F. J. F. e. a. A. Carretero, Electrónica. EDITEX, 2014. [3] A. Godse and U. Bakshi, Analog and Digital IC - Design and Applications . Technical Publications Pune, 2010. [4] A. Godse and U. Bakshi, Electronic Circuits and Applications . Technical Publications Pune, 2009. [5] M. Tooley, Electronic Circuits Fundamentals and Applications . Routledge Taylor and Francis Group, 2015. : [6] “Introduction to frequency synthesizers.” http //users.ece.gatech.edu/pallen/Academic/ECE 6 440/Summer2 003/L010− Intro2FreqSyn(2U P ).pdf . Accessed: 2015-03-27.
