06 Osciladores de RF [Modo de Compatibilidad]

ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONESOSCILADORES DE RF

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Área de Tecnología ElectrónicaDpto. de Ingeniería Electrónica y ComunicacionesUNIVERSIDAD DE ZARAGOZA · ESPAÑA

Electrónica de Comunicaciones

Osciladores de RF

© 2011 · Arturo MEDIANO · Carlos BERNAL - [email protected]

Arturo [email protected]

Diseño electrónico para comunicaciones en RF

Índice

INTRODUCCIÓN A LA ELECTRONICA DE COMUNICACIONES.

• Introducción y revisión de conceptos básicos.

• Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones.

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO DE TRANSMISOR Y RECEPTOR.

• Especificaciones del transmisor.• Especificaciones del receptor.

TÉCNICAS DE DISEÑO EN ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONES.

• Adaptación de impedancias en RF.• Filtros de RF.• Amplificadores de RF.• Osciladores de RF.• Mezcladores de RF.• Moduladores analógicos y digitales.• Bucles enganchados en fase (PLLs).• Demoduladores analógicos y digitales.• Ruido en electrónica de comunicaciones.

TÉCNICAS ESPECIALES Y APLICACIONES

• Técnicas especiales.



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Objetivos del tema

Comprender el principio de funcionamiento de un oscilador en RF.Conocer los parámetros y especificaciones propias de los osciladores de RF.• Frequencia (MHz) · Estabilidad (PPM) · Rango de temperatura de trabajo (ºC) ·

Phase jitter · Armónicos (dBc) · Consumo (mA) · Alimentación (V).

Así como del caso particular de los VCOs:• Rango de frecuencias (MHz) · Ruido de fase (dBc/Hz) SSB @10kHz · Rango de

tensiones de sintonía (Vtuning(min) - Vtuning(max)).



¿Qué es un oscilador de RF?

Circuito electrónico capaz de generar una señal periódica (normalmente senoidal) a partir de su alimentación. Se emplea en numerosos bloques de un sistema de comunicaciones.

A

AMOD

MfBB

ANTENA

FILTRO

FILTROAMP

A

RF OSC(LO)

Generación de la portadora

AA

MEZCLADOR

ANTENAFILTRO

DEMOD

DM

AMP

AfBB

RF OSC(LO) Oscilador local para mezclar con

la RF de entrada.

A. M

edia

no 2

007



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Estructura básica

“No se requiere entrada”para

“disponer de salida”

F

AAMPRF OSC

(LO)

ENTRADA

REALIMENTACIÓNCIRCUITO SINTONIZADO LC

O CRISTAL

PARÁMETROS BÁSICOS• Frecuencia.• Pout.• Estabilidad en frecuencia.• Estabilidad de amplitud.• Pureza espectral.

Vdc

ZL

F

AZL

F

AZL

Zin

FA

ZLZin

Vin



¿Por qué se produce la oscilación?

Debe existir larealimentación.1º La señal realimentada ha

de ser mayor y en fasecon la entrada

2º

Sistema enreposo ...

... el osciladorarranca (se dan las

condiciones de oscilación)...

... la amplitud se limita cuando el amplificador se satura (ya no hay ganancia).

AF

A

S

S

Dificultad de predecir matemáticamente estado final.

PARTE ACTIVA CARGA

Re{ZOUT}<0OTRA PERSPECTIVA

Capacidad de dar potencia.



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Tipos de osciladoresOsciladores de realimentación LC.• Utilizan un circuito resonante LC en la red de realimentación.

Otros bloques relacionados:• Sintetizadores.

− Permiten obtener una señal de salida de buena precisión controlada electrónicamente en pasos discretos.

• Multivibradores.− Obtienen a su salida una señal cuadrada o triangular.

Osciladores de cristal.• Un cristal forma parte del bloque resonante de realimentación

logrando mayor estabilidad de frecuencia.

Osciladores controlados por tensión (VCOs).• Cuentan con algún elemento ajustable electrónicamente a través

de una tensión que permite controlar la frecuencia de salida. Normalmente ese elemento es un diodo varicap.



Osciladores LC

Estructura básica• Amplificador con BJT o FET.

− Típ. BC, EC, GC, SC.

Oscilador COLPITTS

Rt L

C1C2

Oscilador HARTLEY

L2

Rt C

L1

Amplificador

Red LC resonante

ZL

Carga• menor realimentación interna.• ganancia cte hasta f↑↑• desfase cero en ganancia

Mayores limitacionesconstructivas que el Colpitts para determinadas frecuencias.

Incluye diversos efectos resistivos que luego veremos.



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ωo 1

Lt Co CF+C1 C2⋅

C1 C2+⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

+⎡⎢⎣

⎤⎥⎦

⋅

⎡⎢⎢⎣

⎤⎥⎥⎦

1

2:=

Análisis oscilador Colpitts (1)

Vi

VoRL L

C1

C2

CF

Re

GdB CARGA

REALIM

re

αIe

Co

Vi Vo

IS

Re+

re

C2

C1

αIe

Co

CF

L RLRp

Rp Qc2

rc⋅:=

Si se resuelve ese circuito y se aplican las dos condiciones de oscilaciónRef. 1, se pueden estimar:1) la frecuencia de oscilación ...

Ref. 1: “Solid State Radio Engineering” · Krauss, Bostian and Raab.

re k T⋅q Ie⋅

:= (decenas de Ω)

2) la ganancia mínima (dispositivo) a emplear ...

αmin 1

1 C2C1

+

⎛⎜⎜⎝

⎞⎟⎟⎠

re Re+Rt

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

1 C2C1

+⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅+:=

Para “absorber” las variaciones de re (dispositivo, punto Q, Tª, etc) y evitar que modifiquen la frecuencia de salida deseada. Suele ser de centenares de ohmios ya que re es decenas de ohmios.

Factible si se trabaja hasta fα/2 y Rt es grande (>1k).

N2(Re+re)




IS Vi Vo

Re+re

E C

B

αIE

Co

C1

C2Re+re

CFL

Excitación para el análisis

Modelo delbloque

amplificador

Ajuste defrecuencia

Bobina del circuito resonante de salida (factor de calidad Qc)

Entrada bloque

amplificador

Carga

RL

Rp Qc2 rc⋅:=

N2(Re+re)

Rp

Sólo aportada por LContribuyen RL//Rp//N2(Re+re)

Contribuyen Co, C1, C2 y CF

αIE

Ct Lt

Q, fo, BW

C1

C2 R2

Rt

L

Repasar red “tapped-C” en tema de Adaptación de Impedancias.

Rt



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vCB

iC

Q

t

ICQ

Ipk

VCBQ

Vpk

Recta estática

CORTE

SATURACIÓN

Criterios de diseño:• Máxima excursión de señalNOTA 1:

VCBQ = Rt * ICQ · Vpk = 2 * VCBQ · Ipk = 2 * ICQ

• Máxima transferencia de potencia a carga:Rp//N2(Re+re) = RL; es decir, Rt = RL/2

Vpk VCBQ ICQ Rt⋅+:=

Ipk ICQ VCBQRt

+:=

RL

Rp//N2(Re+re) = RL

@fo

ic

ic/2

Valor de pico:IpkValor RMS:Irms = Ipk/√2

ic/2

Rt

PLmax RL ICQ2

8⋅:=

Pdc RL ICQ2

2⋅:=

POTENCIA MÁXIMAA LA CARGA:

CONSUMO DC:

η 25%:=

Recta dinámica RD(pendiente -1/Rt)

Nota 1: Q en punto medio RD.Nota 2: Escoger dispositivo que soporte 4 × Pout deseada.Nota 3: Pdc=VCBQxICQNota 4: Recomendable deducir ambas expresiones.

En condiciones de máxima transferencia de potencia:

NOTA 2

NOTA 3NOTA 4



PRL_max12

Rt⋅

Ipk

2

2

⎛⎜⎜⎝

⎞⎟⎟⎠

2

⋅:=

Potencia máxima (detalle)

vCB

iC

QICQ

Ipk

VCBQ Vpk

Rectaestática

Vpk VCBQ ICQ Rt⋅+:=

Ipk ICQ VCBQRt

+:= RL

Rp//N2(Re+re) = RLDesaparece@ fo

ic

Pdc RL ICQ2

2⋅:= η 25%:=

Recta dinámica RD(pendiente -1/Rt)

Ipk2

iC t( ) ICQIpk2

cos ω t⋅( )⋅+:=

BIASSEÑALNo puede pasar a

la carga por el condensador de desacoplo

Rt

ic2

ic2

MÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA A LA CARGA: Rt = RL/2

Pt Rt

Ipk

2

2

⎛⎜⎜⎝

⎞⎟⎟⎠

2

⋅:=Potencia a la resistencia total del circuito tanque.

Pt Rt irms2

⋅:=

Para Máxima Transferencia de Potencia:

Máxima ExcursiónIpk 2 ICQ⋅:=RtRL2

:=

PRL_max12

Pt⋅:=

PRL_max12

RL2

⋅

2 ICQ⋅

2

2

⎛⎜⎜⎝

⎞⎟⎟⎠

2

⋅:=

PRL_max18

RL⋅ ICQ2

⋅:=Vpk VCBQ ICQ Rt⋅+:=

Vpk 2 VCBQ⋅:= Rt RL2

:=

Pdc VCBQ ICQ⋅:=



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Resumiendo ...Un oscilador es un circuito NO LINEAL.• Se aplican técnicas de pequeña señal (circuito

equivalente del transistor, parámetros S o Y, etc) sólo de forma parcial, para estimar el arranque.

La estructura de un oscilador consta de una etapa amplificadora y una red de realimentación.

F

AZL

El criterio de oscilación:• Nyquist: Ganancia en lazo abierto

mayor que la unidad y desfase salida-entrada de 0º.

• Factor de Stern K < 1.

FZL

A+

+

Xe Xo

XfGanancia en lazo abierto

1 - A·F = 0 ⇒ G = ∞ ⇒ xo finita con Xe = 01 - A·F = 0 ⇒ |A·F|=1 y Fase(A·F) = 0º

G xoxe

:=

G A1 A F⋅−

:=

Funcionamiento:

Pequeño ruido a la entrada ...

... es amplificado ...... y se realimenta en fasecon la entrada a la frecuencia en quese cumplen las condiciones de oscilación.

Métodos de análisis ...• Abrir bucle y estudiar las condiciones de oscilación.

FAZL

ZinVin

Zin

Nota 1: Técnica no presentada en este curso. Se ve en optativa.

• Utilizando parámetros S o Y NOTA 1.



Otros osciladores LC

Oscilador CLAPP

• Basado en Colpitts (cambiar L por Lc-Cx serie).

• La red Lc-Cx se hace inductiva a la frecuencia deseada y con valor igual a la L del Colpitts (Lc>L).

• A menudo Cx es variable para sintonizar/ajustar.

• Cx puede ser un varicap (para construir un VCO).

• Mayor estabilidad en frecuencia porque la rama L-Cx es más abrupta en impedancia.

Lc

Cx

Rt

C1

C2

Oscilador SEILER

• Si Lc en el Clapp se hace demasiado grande, aparecen efectos parásitos importantes y limitaciones constructivas.

• Para resolverlo, la inductancia del Clapp es sustituida por un conjunto Lp-Cp paralelo con Lp<Lc.

Rt

C1

C2Lp

Cx

Cp



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Recordando el diodo varicap

Varicaps ...• VARIABLE CAPACITOR: Capacidad

variable con la tensión inversa.

Modelos para el varicap ...• Simple.

• Complejo.

C↑↑ C↓↓

P N P N

C R

C Rs Ls

CpRp

PIN = “RF SWITCH”• P-I-N Diode: Capa de aislante

(Insulator) entre P y N..

P NI



Empleando varicaps ...

El objetivo ...• Disponer de un oscilador cuya frecuencia de salida sea controlable electrónicamente.

La técnica ...• Tener control sobre alguno de los elementos de la red de realimentación.

El componente clave ...• El varicap: un diodo polarizado en inversa.

Aplicación más habitual ...• Moduladores de frecuencia.

Nota 1: VCO = Voltage Controlled Oscillator

NOTA 1

vc

CHOKE



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p

|ZIN[1]| (L)Cristal

Ang(ZIN[1]) (R, Deg)Cristal

Art

2002

|Z|

Fase

fkHz

Oscilador Pierce

Osciladores con cristalObjetivo:

• Mayor estabilidad en la frecuencia de salida.

Cp

Ls CsR

fs

fs1

2 π⋅ Ls Cs⋅⋅:=

Se coloca el cristal en la red de realimentación del oscilador y se hace trabajar normalmente en fs (impedancia mínima) o en la zona entre fp y fs (comportamiento inductivo).

Q↑↑

Cambio muy brusco favorece estabilidad

fp

fp fs 1 CsCp

+⋅:=

VDC

RL

CDCG

XTAL

RG

Z↓↓↓ @ fo

Inductivo

Si se desea que IDC no circule por RL

Cdg

Cgs

Cds

Co



R1

R2RE

L

VDC

Co

C1

C2

RL

COLPITTS Ejemplo 1

R1

R2RE

L

VDC

Co

C1

C2

RL

CB

COLPITTS Ejemplo 2

Colpitts con cristal

Rs↓↓↓@fs Rs↓↓↓@fs

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