Osciladores de Radiofrecuencia

Gómez, LeoncioC.I. 19.697.560

Hernández, JoséC.I. 20.697.578

Núñez, JhoanderC.I.20.467.639

Rojas, CésarC.I.20.698.841

Rudolf, RossanaC.I.20.591.860

Resumen—El contenido programático de la cátedra de mi-croondas comprende el estudio de los osciladores utilizados enaplicaciones de radiofrecuencias, los mismos pueden ser conside-randos, haciendo las debidas abstracciones, como los equivalenteseléctricos de los péndulos mecánicos en cuanto la respuestade los mismos se repite durante un intervalo determinado. Laimportancia de los mismos radica en su versatilidad, facilidad deimplementación y estabilidad en su respuesta; estos dispositivosconstituyen hoy en día la base de muchos sistemas de teleco-municaciones como la radio y la televisión analógica, así comoel corazón de los circuitos secuenciales (Flip-Flops, Contadores,etc). En el presente reporte, se hará un estudio sucinto de lascaracterísticas de los osciladores más comunes para luego simularel comportamiento de uno de ellos utilizando la herramientaAdvanced Design System 2009 c©

Keywords—Osciladores, Hartley, Colpitts, Clapp, VCO, Cristal,Sintetizadores de Frecuencia.

I. DEFINICIÓN

Richard Feynman [1] partiendo del comportamiento deun péndulo, define a los osciladores como dispositivos queproveen una ocurrencia periódica de muy corta duración; eneste caso, la corriente eléctrica se comporta como la plomadade su homólogo mecicáno; no obstante, a diferencia de esteúltimo, presenta un comportamiento más estable, debido a quecuenta con mecanismos eléctricos de retroalimentación quecontrarrestan lo que de otra manera sería la degradación dela amplitud oscilante en el tiempo.Las condiciones necesarias y suficientes para que cualquieramplificador realimentado, según lo indica [2] son:

Que la señal realimentada esté en fase.

Que la ganancia de bucle cerrado sea mayor o igualque 1.

Este conjunto de premisas son conocidas en su conjuntocomo el Principio de Barkhausen.

II. CLASIFICACIÓN DE LOS OSCILADORES

De acuerdo al criterio de [3] los osciladores pueden serclasificados basándose en la naturaleza de su señal de salida,los parámetros usados, el rango de frecuencia, etc. De formaconcreta

II-A. Según su Forma de Onda

Osciladores Sinusoidales: Generan una forma deonda sinusoidal pura en la salida.

Osciladores No Sinusoidales: Generan una forma deonda triangular, cuadrada, diente de sierra, etc.

II-B. Según sus Componentes Circuitales

Osciladores RC: Aquellos constituídos por resistores(R) y capacitores (C).

Osciladores LC: Son construídos a partir de induc-tores (L) y capacitores (C).

Osciladores de Cristal: Su comportamiento oscilato-rio depende del uso de un cristal piezoeléctrico.

II-C. Según el Uso de Realimentación

Osciladores Realimentados: Son así clasificadosaquellos que emplean un circuito de realimentaciónque satisface los criterios de Barkhausen, expuestoscon anterioridad.

Osciladores No Realimentados: No utilizan una redde realimentación; en su lugar, se basan en la región deresistencia negativa de los dispositivos empleados ensu implementación (Tubos al vacío, por ejemplo). Unejemplo de oscilador no realimentado es el Osciladorde Relajación UJT.

Para el estudio de osciladores en Radiofrecuencia, se haráénfasis especial en los osciladores de RC, LC, Realimentados,así como los de cristal; entre los más extendidos se encuentran:Oscilador de Hartley, Oscilador de Colpitts, Oscilador dePuente de Wien y Sintetizadores de Frecuencia.

III. OSCILADOR DE HARTLEY

Como lo expone [3], se trata de un oscilador de tipo LC elcual usa dos reactancias inductiva y una capacitiva en su redde realimentación.

Figura 1. Diagrama Circuital del Circuito Transistorizado Hartley [3]

La etapa amplificadora del oscilador usa un dispositivoactivo tal como un transistor en configuración emisor común,las resistencias R1 y R2 son resistencias de polarización, laresistencia RFC hace las veces de obturador de RF, su valorde reactancia es muy grande para altas frecuencias, por locual, puede ser tratado como un circuito abierto; debido aeste comportamiento, se consigue aislar la operación A.C. yD.C. en el oscilador, RE cumple la función de resistencia depolarización y CE es el capacitor de bypass del emisor. CC1

y CC2 son capacitores de acoplamiento.La frecuencia de oscilación de la señal senoidal obtenida a lasalida del circuito obedece a la relación 1

f =1

2π 2√LC

(1)

Tal que

L = L1 + L2

IV. OSCILADOR DE COLPITTS

Consiste en otro oscilador sinusoidal realimentado de tipoLC [3], el mismo está constituído por dos reactancias capaci-tivas y una reactancia inductiva.

1La obtención de la frecuencia de oscilación es el resultado de un elaboradodesarrollo circuital que ha sido realizado en cursos anteriores, si el lector deseaprofundizar acerca del mismo, puede referirse a [3] y [4]

Figura 2. Diagrama Circuital del Circuito Transistorizado Colpitts [3]

El análisis circuital del oscilador colpitts es análogo alrealizado en el oscilador Hartley, por esa razón, la frecuenciade la señal oscilante sinusoidal a la salida del mismo es iguala

f =1

2π 2√LC3

(2)

Donde

C = C1∗C2

C1+C2

V. OSCILADOR CLAPP

Consiste en una versión ligeramente modificada deloscilador Colpitts, el mismo ofrece una mayor estabilidad enla frecuencia de salida del oscilador [3], a través del capacitorC3 no hay efectos de parámetros del transistor y la respuestaresultante es más exacta

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, C3

es mucho más pequeña que C1 y C2.

VI. OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE

Es un circuito oscilante en el cual la frecuencia de osci-lación puede ser controlada por un voltaje externo aplicado;por lo general, existe una relación lineal entre el voltajeaplicado, denominado Voltaje de Control y la frecuencia de laseñal a la salida del oscilador, conmúnmente este dispositivoes denominado VCO, lo cual significa Voltage ControlledOscillator.

Figura 4. Diagrama Circuital del Oscilador Controlado por Voltaje [3]

VII. OSCILADOR DE CRISTAL

Á partir de lo explicado por [5] estos elementos pueden serencontrados de forma natural o fabricados sintéticamente, suprincipio de funcionamiento es el Efecto Piezoeléctrico, el cualestipula que cierto tipo de materiales generan un voltaje entresus caras opuestas cuando son sometidos a presión mecánica.Si la presión se ejerce de manera tal que el cristal empieza avibrar, se genera un voltaje A.C. Cada uno de estos elementostiene su propia frecuencia de resonancia, la cual dependerá desu geometría, entre los distintos tipos de osciladores, son estoslos preferidos por su alto nivel de estabilidad.Un modelo circuital aproximado del cristal piezoeléctrico semuestra a continuación

Figura 5. Diagrama Circuital Aproximado del Oscilador de Cristal [5]

VIII. OSCILADOR DE PUENTE DE WIEN

A diferencia de la mayoría de osciladores expuestos, elimplementado a partir del Puente de Wien usa un amplificadorno inversor y por lo tanto, no provee ningún cambio de fasedurante su etapa de amplificación; sin embargo, su principio defuncionamiento cumple con los criterios de Barkhausen, todavez que su señal realimentada se mantiene en fase.

Figura 6. Circuito Simplificado OPW [3]

Figura 7. Red de Realimentación OPW [3]

La frecuencia de oscilación del circuito obedece a larelación

f =1

2π 2√R1R2C1C2

(4)

IX. OSCILADORES SINTETIZADORES

Es el medio por el cual varias frecuencias discretas songeneradas de una o más frecuencias fijas de referencia [6].

Las frecuencias de referencia son estables, espectral-mente puras y por lo general, generadas a partir decristales piezoeléctricos.

La entrada de control determina el valor de la frecuen-cia de salida del sintetizador.

IX-A. Técnicas de Síntesis de Frecuencia

Síntesis Incoherente.

Síntesis Coherente Directa.

Síntesis Coherente Directa Digital.

Síntesis Coherente Indirecta.

1) Síntesis Incoherente: Este sintetizador cubre frecuenciasen el rango de 62.000 a 62.999 MHz; 30 cristales se usan paragenerar 1000 frecuencias, es importante minimizar las salidasespurias generadas en los mezcladores.

Figura 8. Síntesis Incoherente [6]

2) Síntesis Coherente Directa: La velocidad de conmuta-ción es alta (Típicamente < 10µs) la resolución de frecuenciapuede hacerse muy alta sin afectar la velocidad de conmuta-ción.

Figura 9. Síntesis Coherente Directa [6]

3) Síntesis Coherente Directa Digital: Genera la señal enel dominio digital, utiliza un conversor A/D y filtra parareconstruir la forma de onda en el dominio analógico.

Figura 10. Síntesis Coherente Digital Directa [6]

4) Síntesis Coherente Indirecta: Consiste en una modifica-ción del esquema anterior para mejorar su desempeño; a suvez, está basado en el Phase Locked Loop al cual se le haagregado un divisor Módulo N.

Figura 11. Síntesis Coherente Indirecta [6]

X. SIMULACIÓN DE UN OSCILADOR EN ADS 2009

Advanced Design Systems, de Agilent Technologies, cons-tituye una herramienta especializada en el modelado y simu-lación de sistemas circuitales de radiofrecuencia, a diferenciade opciones similares como Proteus, OrCAD y LTSPice, tomaen cuenta los efectos parasitarios que se suscitan al trabajaren altas frecuencias y que normalmente son omitidos en lamayoría de programas de simulación; al mismo tiempo, ofreceuna gran cantidad de herramientas y asistentes que facilitannotablemente el diseño de circuitos comunes empleados enestos sistemas; por ejemplo, cuenta con una guía de diseño(DesignGuide dedicada especialmente a osciladores, basta conseleccionar el modelo de oscilador deseado y la frecuenciade oscilación deseada a la salida; el programa calcula auto-máticamente el valor de los parámetros (L, R o C, según elcaso) y los asigna a los componentes circuitales. A modo deilustración, se diseñará un Oscilador Clapp para obtener unaseñal senoidal de 1 GHz a la salida.

X-A. Creación de un Nuevo Proyecto

Una vez abierto el programa ADS, se crea un nuevodiseño seleccionando File >New Design, se asigna un nombreal diseño que se va a crear, se indica que se trata de una redde radio frecuencia (Analog/RF Network) se especifica quese desea ver el nuevo diseño en la pantalla actual (CurrentWindow), se deselecciona la opción Schematic Wizard encuanto se utilizará un asistente diferente más adelante yse eligen las unidades en las que se desea trabajar (Por lanaturaleza del diseño, resulta poco relevante este aspecto).

X-B. Uso del DesignGuide

En el Workspace generado, se busca en el menú deherramientas la opción DesignGuide >Oscillator, aparece unaventana con los tipos de osciladores incluídos en el asistentey se elige el que se desee implementar, en este caso, será unoscilador Clapp de frecuencia fija (Clapp Oscillator >FixedFrequency Oscillator).

X-C. Configuración del Oscilador Clapp

Una vez elegido el tipo de oscilador que se desea im-plementar, a través del Design Guide, aparece un diagramacircuital en forma de caja negra, tal y como puede apreciarseen la figura:

Figura 12. Diagrama de Caja Negra Oscilador Clapp ADS

En el apartado VAR se debe indicar el valor del voltajede polarización (VCC) y la frecuencia de oscilación (fo)a partir de estos valores el programa calculará el valor delas impedancias de polarización y las correspondientes alcircuito tanque del oscilador según los criterios mencionadosen secciones anteriores 2.Para visualizar el diagrama circuital del oscilador Clapp bastacon hacer clic en el botón Push Into Hierarchy e inmediata-mente despuúes en la caja negra correspondiente al oscilador(cClappCore). Aparece una nueva pantalla simular a la de lafigura

Figura 13. Diagrama Circuital del Oscilador Clapp ADS

Como se habrá podido apreciar, las impedancias presentesen el esquema circuital no tienen un valor concreto, las mismasson calculadas en función de las variables introducidas por elusuario, según lo explicado en el punto anterior.

X-D. Simulación y Análisis de los Resultados

Después de haber seleccionado el modelo de oscilador através del DesignGuide, aparece automáticamente una ventana

2Página 2 Oscilador Clapp

con los resultados de la simulación del sistema a partir de losparámetros por defecto del mismo; al ser estos modificados,los resultados de la simulación se ajustan de forma automáticaa las nuevas características del sistema, para un voltaje depolarización de 5V y una frecuencia de 1 GHz, se obtienela siguiente página de resultados

Figura 14. Resultados de la Simulación del Oscilador Clapp ADS

La forma de onda obtenida corresponde a una señal sinu-soidal aparentemente pura cuyo período de oscilación es de998.004 ps, lo cual equivale a una frecuencia de oscilación de1.002 GHz; es importante recordar que parte de las caracte-rísticas del sistema ADS es que involucra las característicasno ideales de los componentes utilizados en el modelado delcircuito y por esa razón no se obtiene una respuesta librede distorsiones; de hecho, el análisis espectral de la señalde salida indica la presencia de componentes espurias (Demuy baja potencia) a la salida del oscilador. A partir de estecomportamiento, radica la preferencia que se tiene por lososciladores de cristal para la implementación de osciladoresRF; sin embargo, el lector podrá comprobar que al repetirla simulación con osciladores Hartley o Colpitts, la señalresultante aparece aún más distorsionada, por lo cual podríadecirse con seguridad que el Clapp constituye la mejor opciónen cuanto a Osciladores LC se refiere.

XI. CONCLUSION

Para la implementación de sistemas de telecomunicacionesy circuitos electrónicos secuenciales se requiere de algún siste-ma que proporcione una señal cuya variación constante, establey predecible proporcione una referencia cronológica confiable,los moduladores AM, FM, PM, ASK, FSK, QSK, los circuitosFlip-Flop, Contadores Binarios y Shift Registers, entre otros,utilizan señales de reloj cuya integridad es esencial para elcorrecto funcionamiento de los mismos, a lo largo de la historiase han presentado alternativas cada vez más eficientes en loque respecta a la generación de dichas señales y la selecciónde cada una dependerá del grado de exactitud requerido asícomo de la disponibilidad presupuestaria que se tenga en cadaproyecto. En cuanto a su desempeño, costo de implementacióny versatilidad, los osciladores de cristal se presentan comouna de las mejores alternativas entre todas las expuestas eneste informe, su pureza espectral, reducido tamaño y facilidadde escalamiento les permite responder satisfactoriamente alas más exigentes demandas de desempeño. El desarrollo denuevos diseños de osciladores responde a la necesidad degenerar señales de oscilación cada vez más rápidas para los

esquemas de transmisión a gran velocidad y a medida quese alcanzan los límites operativos físicos de cada paradigma,es necesario realizar la debida investigación para conseguirnuevas y mejores alternativas.

XII. TABLA DE CONTENIDOS

ÍNDICE

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

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 DirectaDigital . . . . . . . . . . . . 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

REFERENCIAS

[1] R. P. Feynman, Lectures on Physics Complete Volumes. Addison-WesleyPublishing 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 Applica-

tions. 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. Routled-

ge Taylor and Francis Group, 2015.[6] “Introduction to frequency synthesizers.” http :

//users.ece.gatech.edu/pallen/Academic/ECE6440/Summer2003/L010−Intro2FreqSyn(2UP ).pdf . Accessed: 2015-03-27.