BN EC0903 Osciladores

Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

Tema 3 - Osciladores 1

GR

Captulo 3Captulo 3Captulo 3Captulo 3

Osciladores

1

Oscilador: Definicin Oscilador: Definicin

Genera seales peridicas Convierte potencia de DC a RF

v(t)=V0 cos(0t)Sv(f)=1/2V02[(-0)+(+0)]

DC

Electrnica de Comunicaciones Osciladores 2

v(t)=V0 f (t,T0)Sv(f)=1/2an2[(-n0)+(+n0)]

DC



Estructura de un oscilador Circuito resonante

z Variacin rpida con la frecuencia Elemento activo

z Gananciaz Resistencia negativa

A l i

Elemento activo

RL


Acoplamientoz Entre ambosz A la carga

Red Resonante

Ejemplos de osciladores

Vcc

O il d 100 MH

Resonadordielctrico

20mm

Oscilador 100 MHz

26nH

1nF4k7

330

1k8

30pF

1nFLneas de acoplo

FETG

SD

S

Vg

Vd


160pF 160pF2N5179

Vg

OutOscilador 10 GHz



Esquema bsico de realimentacin

Circuito activoA(v)

Red de realimentacinB()

Carga+


( )

( ) ( )( ) ( ) BvAvAH = 1 ( ) ( ) 1=BvA

Condicin de oscilacinCondicin de

ganancia( ) ( ) 1BA ( ) ( ) 1BvAG ==

Condicin de estabilidad

ganancia

Condicin defrecuencia

( ) ( ) 1BvA =( ) ( )[ ] 0BvAFase ==

G


Saturacin

Variacin defase

0vG >

0v

G



Ejemplo 3.1 Condicin de oscilacinElemento activo AZin= Zout=0

A(v)V1 v2

R1R2

LC

V1 v2A(v)

Red de realimentacin B


R1 R2

L C V1v2

( ) Ls+RR+Cs1

R=B(s)

A(v)=A

21

2

+

Ejemplo 3.1 Condicin de oscilacin

A(v)=A |

jQ+1RR

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

2 1

+

( ) Ls+RR+Cs1

R=B(s)21

2

+ ( ) CRRQyLC1=donde o

021

0

1

+=

Condicin de oscilacin:[ ] 0tan

Qa=v),G(Arg


=0A=(R1+R2)/R2

[ ]2

0

0

21

2

0

1

1

+

+=

QRR

RAv),G(Mod



Respuesta de un circuito resonante

/2

()

0

0

2

0

Qdd =

=


-/2 0

Criterio de NyquistVariacin de la funcin de transferencia en lazo abierto

0>)( G(v)

1),( =vG

G(,v)=A(v)B()=|G| exp(j)Imag(G)

Real(G)1

v


v



Diagrama de poloss=0+j0Funcin de transferencial d

vv0

v

H(s,v)=1

1-G(s,v)

en lazo cerrado


0v>v0

s=0-j0

Modelo M5120-8000 de G. M.

z Frecuencia de oscilacin 8000 MHzz Margen de sintona mecnica 10 MHzz Potencia de salida 13 dBmz Nivel de 2 armnico -25 dBcz Nivel de espurias (no armnicas) -70 dBc

Estabilidad trmica 2 ppm/z Estabilidad trmica 2 ppm/z Pulling para ROE 1.5:1 0.15 MHzz Pushing 2 kHz/Vz Ruido de fase

@10kHz de portadora -90 dBc/Hz @ 100kHz de portadora -120 dBc/Hz

z Alimentacin Tensin DC 12 a 18 V


Tensin DC 12 a 18 V Corriente 125 mA

z Impedancia (Conector SMA hembra) 50 Ohm



Potencia y rendimientoPotencia y rendimiento P0=Potencia total de RF a la salida

P P PP P P0 1 i= + 2

N P Pii

1=

1

i10i P

P10Log=(dBc)N

Nivel de armnicos relativos al principal

R di i t


= P P0 DC

Rendimiento

Frecuencia de oscilacinFrecuencia de oscilacin

Frecuencia de oscilacin

Fija Variable

Mecnica Continua B/F



Deriva trmica Variaciones de la frecuencia con la

t ttemperatura.

Oscilador


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

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

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

Oscilador Z =R+jX0

0

ZZZZ

+=


ZL=R+jXROE = +

11

(Z0= Impedancia nominal de carga)



"Pushing o deriva de alimentacin."Pushing o deriva de alimentacin. Variaciones de la frecuencia con la Tensin Variaciones de la frecuencia con la Tensin

de alimentacin.

OsciladorVDC


Variaciones absolutas: df/dV (Hz/V)Variaciones relativas: 1/f0 df/dV (V-1)

Variaciones aleatorias de frecuencia. Ruido de fase

Consideramos una seal sinusoidal con ruido de amplitud yConsideramos una seal sinusoidal con ruido de amplitud y fase ( ) ( ))(cos)(1)( 000 tttnVtv n ++=

n(t)



Espectro de ruido Mximo en la frecuencia de oscilacin Simtrico a ambos lados de la frecuencia de osc. Decrece al separarse de la frecuencia de oscilacin Posee un pedestal fijo para |f f |=f grande Posee 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 n = Dada la densidad espectral de potencia de n(t)

La densidad espectral de potencia del oscilador viene dada por :

[ ] ( ) ( )( ) ( )

+++++==

00

000

2

21)(F)(

ffSffffSff

PtVfS V

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



Espectro de ruido de fase

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

0

fP

f

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

S f( )


ff

1Hz

L dBc Hz LogS f

( / )( )=

10 2

0

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

Modulacin de fase equivalente a una banda B

Modulacin de frecuencia equivalente a una banda B )Bf(2f=f mmrms L

)Bf(2= mrms L

Relacin ruido a portadora


=

=

m

rmsssb

dBc ffLog

PortadoraPPLog

CN

220

.10

Relacin ruido a portadora



Modelo de Leeson Ruido generado en el componente activo.

z f=figura de ruido.f figura de ruido.z fc=frecuencia Flicker.z Psav=Potencia disponible de entrada al elemento activo.

Filtrado por la funcin de transferencia H().z f0=frecuencia de oscilacin.z 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/f3S Circuitos RC Lneas impresas Varactores

Q2ff 0c

1/f3

1/f

fm

Cavidades dielctricas Cavidades de Onda Acstica (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

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

140

160

10 100 10k 100k1k 1M

Componente Activo

DIODOSDIODOS TRANSISTORESTRANSISTORES TUBOS DE VACOTUBOS DE VACO

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 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 LNEAS LINEAS CAVIDADESLC IMPRESAS COAXIALES CAVIDADES

TRIPLACAMICROSTRIP

CIRCULARCUADRADA

METLICADIELCTRICA

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 Trmica

Otros factores o comentarios

Circuitos RC (miltivibradores)

DC a 10MHz < 10 Mala Sintona en 1 a 2 dcadas

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 Cermicas de OAS

(SAW) 10MHz a 1GHz 106 a 104 Muy buena Muy estables.

Osciladores fijos. Resonadores en Lneas

planas. 100MHz a 10GHz 103 a 10 Mala Fciles de construir

en microondas. Resonadores en Lneas

coaxiales.100MHz a 10GHz 104 a 102 Mediocre Fciles de construir.


coaxiales. Cavidades en Gua de

Onda 1GHz a 100GHz 105 a 103 Mediocre Poco estable con la

temperatura Cavidades Dielctricas 1GHz a 20 GHz 105 a 103 Buena Muy estables

Reducido tamao Diodos varactores

10MHz a 20 GHz 102 a 10 Mala Sintona en 1 oct.

Cavidad YIG

1GHz a 20GHz 104 a 103 Mediocre Sintona en 50%

Ejemplo 1 (M-1072 Litton ED)Oscilador con resonador dielctrico

Frecuencia 6 GHz Sintona mecnica 10MHz Potencia de salida 17dBm Segundo armnico -25dBc Espurios -70 dBc Pulling (VSWR=1.5:1) 2.5MHz P hi 0 5MH /V

Transistor FET

Frec. Flicker 1MHz

Figura de ruido 10

Factor de calidad 1000

(N/C) 117dB /H


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

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



Osciladores a cristal

Rs Xs

Cs

Ls

Cpf

fs fp


Ls

fL Cs s s

= 12 f f CCp s sp= +1 Q f C Rs s s=

12

Resonancia serieR1

Cuarzo en resonancia serie

R3

Amplificador

C1-+

-+

R2

3


LC2

1=f s

)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



El diodo Varactor( )C C k Vd min d= + +

Q

Vd

Cd Rd

Ls

CdQ


VdRc

Oscilador controlado por tensinV.C.O.

d

CCCC

Lf =

21

0 ( )( )ffC C CC C C

max

min

max min

min max

= ++

Cb RFC

dCC + ( )min max

min

max

min

max

CC

ffCPara ==


LCdC

Vd



Ejemplo 3.3: Oscilador LC serie

LRS

Vd

CD

C1-+

R1Lp

Red de sintona

-+

R2

R3

Amplificador


CD




Variacin de la capacidad en un varactor.


Variacin 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 dielctricas.c) Resonadores pticos.d) Diodos varactores.3.2 Un oscilador con control electrnico de frecuencia (VCO) puede

obtenerse:a) Incluyendo resonadores cermicos en el circuito de realimentacin

de un oscilador.


b) Realizando una modulacin indirecta de FM sobre la seal de salida del oscilador.

c) Incluyendo un diodo varactor como capacidad del circuito resonante de un oscilador.

d) Desviacin mxima 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) Desviacin mxima de frecuencia para frecuencia moduladora de un Hz.d) Desviacin mxima de fase cuando filtramos con un Hz de ancho de

banda.

3.4 Un oscilador a 15 GHz de buena estabilidad se realizara con:a) Resonadores de cristal de cuarzo.b) Cavidades dielctricas.


)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 fcilmente.b) Una modulacin de amplitud sobre la frecuencia de oscilacinb) Una modulacin de amplitud sobre la frecuencia de oscilacin.c) Una modulacin de frecuencia sobre la frecuencia de oscilacin.d) Las dos anteriores simultneamente.

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 sintona con una respuesta muy

lineal.c) Para obtener osciladores de alto rendimiento de potencia, dadas sus

bajas prdidas hmicas y su alto factor de calidad.d) Para conseguir osciladores muy estables y con bajo ruido de fase.

Ejercicios3.7 La condicin de oscilacin 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 180.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 electrnico

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 ndice de modulacin del ruido de AM con una frecuencia de

modulacin de 1 kHz es de 10-9.


3.10 En un oscilador de frecuencia variable con control electrnico 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 gua de onda con diodo varactor.

Ejercicios3.11 La cavidad metlica en gua se utiliza en la construccin de

osciladores por:a) Su alto factor de calidad y fcil construccin en frecuencias dea) Su alto factor de calidad y fcil construccin en frecuencias de

microondas.b) Su capacidad de sintona en un margen muy alto de frecuencias.c) Su reducido tamao en la banda de HF.d) Su aplicacin especial en terminales de telefona mvil.

3.12 El ruido de fase de un oscilador es una forma de medir:) L d l i l i d f b l f i d il i


a) La modulacin aleatoria de fase sobre la frecuencia de oscilacin.b) Una modulacin que genera un rizado de amplitud.c) Las bandas laterales del espectro en una modulacin DBLd) Un ruido Flicker que puede filtrarse fcilmente.



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 180.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 gua 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 relacin tensin a corriente

de alimentacin.b) Las variaciones de frecuencia con la tensin de alimentacin.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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