Republica Bolivariana De Venezuela Universidad Santa Mara Facultad de Ingeniera y Arquitectura Escuela de Ingeniera en Telecomunicaciones Sistemas de Audio y Video

Circuitos Integrados para aplicaciones RF, IF y Radio Sintetizadores PLL Aplicaciones tcnicas de Sntesis de Frecuencia

Ral Monsalve C.I: 17442471

Caracas 26 de Octubre de 2011.

Introduccin.Los circuitos integrados son circuitos "comprimidos" en una microplaqueta (chip) que realizan la misma funcin que un circuito compuesto de transistores, diodos, resistencias, etc., cuyo nmero puede llegar a superar el milln de componentes. Con la aparicin de los circuitos integrados (CI) a finales de la dcada de 1.950 se ha producido un cambio total en la forma de fabricar los circuitos electrnicos. El factor ms importante de este cambio es la gran reduccin que se ha conseguido en el tamao de dichos circuitos. Esta reduccin ha trado consigo que todos los aparatos electrnicos sean mucho ms pequeos y ms manejables para todo el mundo y de ah viene el gran "bum" de los ordenadores en las ltimas dcadas, as como de las calculadoras, radios, relojes, etc. Pero qu es exactamente un CI?. Se denomina CI a un circuito electrnico metido en una cpsula de dimensiones muy reducidas, y que est constituido por un conjunto de diodos, transistores, resistencias y condensadores. Se fabrica todo sobre un substrato comn y en un mismo proceso segn diferentes tcnicas que ms adelante se mostrarn.Un circuito PLL (Phase Locked Loop, circuito de sincronizacin de fase) consiste en un oscilador de frecuencia variable que genera una seal cuya frecuencia y fase coinciden con las de una seal de referencia. De esta forma, mediante un servosistema electrnico, se puede sintonizar y filtrar una seal de una determinada frecuencia sin la necesidad de bobinas.

Quizs el punto ms importante a tener en cuenta cuando se analiza el PLL es que es un sistema de realimentacin como cualquier otro y, de lo que se deduce, que est caracterizado matemticamente con las mismas ecuaciones que aplican a los otros sistemas de realimentacin ms convencionales. Sin embargo, los parmetros de las ecuaciones son algo diferentes ya que en los PLL la seal de error de realimentacin es un error de fase mientras que en los convencionales es una seal error de voltaje o corriente.

Circuito integrado

Circuito integrado, pequeo circuito electrnico utilizado para realizar una funcin electrnica especfica, como la amplificacin. Se combina por lo general con otros componentes para formar un sistema ms complejo y se fabrica mediante la difusin de impurezas en silicio monocristalino, que sirve como material semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de electrones. El primer circuito integrado fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby (1923-2005) pocos meses despus de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotacin de fase. Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatos electrnicos modernos, como automviles, televisores, reproductores de CD, reproductores de MP3, telfonos mviles, computadoras, etc. El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas de las funciones de las vlvulas de vaco. Son tres las ventajas ms importantes que tienen los circuitos integrados sobre los circuitos construidos con componentes discretos: Menor costo Mayor eficiencia energtica Reducido tamao. El bajo costo es debido a que los CI son fabricados siendo impresos como una sola pieza por fotolitografa a partir de una oblea, generalmente de silicio, permitiendo la produccin en cadena de grandes cantidades, con una muy baja tasa de defectos.

La elevada eficiencia se debe a que, dada la miniaturizacin de todos sus componentes, el consumo de energa es considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamiento que un homlogo fabricado con componentes discretos. El ms notable atributo, es su reducido tamao en relacin a los circuitos discretos; para ilustrar esto: un circuito integrado puede contener desde miles hasta varios millones de transistores en unos pocos centmetros cuadrados. Entre los circuitos integrados ms avanzados se encuentran los microprocesadores, que controlan todo desde computadoras hasta telfonos mviles y hornos microondas. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la informacin. Mientras que el costo de disear y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de produccin el costo individual de los CIs por lo general se reduce al mnimo. La eficiencia de los CI es alta debido a que el pequeo tamao de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilizacin de lgica de bajo consumo (como es el caso de CMOS) en altas velocidades de conmutacin. Con el transcurso de los aos, los CI estn constantemente migrando a tamaos ms pequeos con mejores caractersticas, permitiendo que mayor cantidad de circuitos sean empaquetados en cada chip. Al mismo tiempo que el tamao se comprime, prcticamente todo se mejora (el costo y el consumo de energa disminuyen a la vez que aumenta la velocidad). Aunque estas ganancias son aparentemente para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometras cada vez ms delgadas. Este proceso, y el esperado proceso en los prximos aos, est muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors, o ITRS.

Tipos

Existen tres tipos de circuitos integrados:

Circuitos monolticos: Estn fabricados en un solo monocristal,

habitualmente de silicio, pero tambin existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.

Circuitos hbridos de capa fina: Son muy similares a los con tecnologa monoltica. Muchos conversores A/D y

circuitos monolticos, pero, adems, contienen componentes difciles de fabricar conversores D/A se fabricaron en tecnologa hbrida hasta que los progresos en la tecnologa permitieron fabricar resistencias precisas.

Circuitos hbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los

circuitos monolticos. De hecho suelen contener circuitos monolticos sin cpsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dielctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafa y se ajustan hacindoles cortes con lser. Todo ello se encapsula, tanto en cpsulas plsticas como metlicas, dependiendo de la disipacin de potencia que necesiten. En muchos casos, la cpsula no est "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se encuentran circuitos hbridos para mdulos de RF, fuentes de alimentacin, circuitos de encendido para automvil, etc. Clasificacin Atendiendo al nivel de integracin -nmero de componentes- los circuitos integrados se clasifican en:

SSI (Small Scale Integration) pequeo nivel: de 10 a 100 MSI (Medium Scale Integration) medio: 101 a 1.000 transistores

transistores

LSI (Large Scale Integration) grande: 1.001 a 10.000 transistores VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10.001 a ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: 100.001 a GLSI (Giga Large Scale Integration) giga grande: ms de un

100.000 transistores 1.000.000 transistores milln de transistores

En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos: Circuitos integrados analgicos. Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unin entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

Circuitos integrados digitales. Pueden ser desde bsicas puertas lgicas (AND, OR, NOT) hasta los ms complicados microprocesadores o microcontroladores.

stos son diseados y fabricados para cumplir una funcin especfica dentro de un sistema. En general, la fabricacin de los CI es compleja ya que tienen una alta integracin de componentes en un espacio muy reducido de forma que llegan a ser microscpicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto los antiguos circuitos, adems de un montaje ms rpido. Limitaciones de los circuitos integrados

Existen ciertos lmites fsicos y econmicos al desarrollo de los circuitos integrados. Bsicamente, son barreras que se van alejando al mejorar la tecnologa, pero no desaparecen. Las principales son:

Disipacin de potencia Los circuitos elctricos disipan potencia. Cuando el nmero de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipacin de esta potencia, tambin crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo. Adems, en muchos casos es un sistema de realimentacin positiva, de modo que cuanto mayor sea la temperatura, ms corriente conducen, fenmeno que se suele llamar "embalamiento trmico" y, que si no se evita, llega a destruir el dispositivo. Los amplificadores de audio y los reguladores de tensin son proclives a este fenmeno, por lo que suelen incorporar protecciones trmicas. Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que ms energa deben disipar. Para ello su cpsula contiene partes metlicas, en contacto con la parte inferior del chip, que sirven de conducto trmico para transferir el calor del chip al disipador o al ambiente. La reduccin de resistividad trmica de este conducto, as como de las nuevas cpsulas de compuestos de silicona, permiten mayores disipaciones con cpsulas ms pequeas. Los circuitos digitales resuelven el problema reduciendo la tensin de alimentacin y utilizando tecnologas de bajo consumo, como CMOS. Aun as en los circuitos con ms densidad de integracin y elevadas velocidades, la disipacin es uno de los mayores problemas, llegndose a utilizar experimentalmente ciertos tipos de criostatos. Precisamente la alta resistividad trmica del arseniuro de galio es su taln de Aquiles para realizar circuitos digitales con l.

Capacidades y autoinducciones parsitas Este efecto se refiere principalmente a las conexiones elctricas entre el chip, la cpsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento. Con pastillas ms pequeas se reduce la capacidad y la autoinduccin de ellas. En los circuitos digitales excitadores de buses, generadores de reloj, etc, es importante mantener la impedancia de las lneas y, todava ms, en los circuitos de radio y de microondas.

Lmites en los componentes Los componentes disponibles para integrar tienen ciertas limitaciones, que difieren de las de sus contrapartidas discretas. Resistencias. Son indeseables por necesitar una gran cantidad de

superficie. Por ello slo se usan valores reducidos y en tecnologas MOS se eliminan casi totalmente.

Condensadores. Slo son posibles valores muy reducidos y a costa

de mucha superficie. Como ejemplo, en el amplificador operacional A741, el condensador de estabilizacin viene a ocupar un cuarto del chip. Bobinas. Se usan comnmente en circuitos de radiofrecuencia, siendo hbridos muchas veces. En general no se integran.

Densidad de integracin Durante el proceso de fabricacin de los circuitos integrados se van acumulando los defectos, de modo que cierto nmero de componentes del circuito final no funcionan correctamente. Cuando el chip integra un nmero mayor de componentes, estos componentes defectuosos disminuyen la

proporcin de chips funcionales. Es por ello que en circuitos de memorias, por ejemplo, donde existen millones de transistores, se fabrican ms de los necesarios, de manera que se puede variar la interconexin final para obtener la organizacin especificada. Circuito Integrado de radiofrecuencia RFIC

Los RFIC (del ingls radio frequency integrated circuit) son circuitos integrados que trabajan en el rango de ondas de radiofrecuencia. El sistema de radio construido, es un FM de chip sencillo. El TDA7000 es un sistema de radio FM de circuito integrado monoltico, fabricado para radios porttiles de FM. Esencialmente el TDA2000 es un receptor de radio completo. Tiene un tamao pequeo, carece de bobinas IF, es fcil de ensamblar y su consumo de potencia es bajo. Externo al CI esta slo un circuito tanque LC sintonizable para el oscilador local, unos cuantos capacitores y un resitor. Se puede disear un radio FM completo lo suficientemente pequeo para que quepa dentro de una calculadora, encendedor, etc.

El sistema utiliza un amplificador de audio, con el CI LM386, el cual nos proporciona una amplificacin requerida para disparar a un parlante o para disparar a la parte digital.

Los circuitos MMI o MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) son un tipo de circuitos integrados que operan en frecuencias de microondas, es decir, entre 300 MHz y 300 GHz. La tcnica de fabricacin de los circuitos MMIC se basa en la utilizacin de lneas de transmisin planares, y se realiza con compuestos de semiconductores compuestos, tales como el arsenurio de galio (GaAS), nitruro de galio (GaN) y el silicio-germanio (SiGe).

Las entradas y salidas de los dispositivos MMIC se adaptan, generalmente, con una impedancia caracterstica de 50 ohmios. Esto facilita el uso de dichos dispositivos, as como su uso en forma de cascada, ya que no requieren red de adaptacin externa. Adicionalmente, la mayora de los equipamientos de pruebas de microondas se disean para operar en unas condiciones de 50 ohmios.

Algunas aplicaciones de la tecnologa MMIC

Amplificadores MMIC en la banda Ka de banda ancha Los sistemas de comunicaciones que requieren grandes capacidades en la banda milimtrica estn teniendo un gran desarrollo como por ejemplo los sistemas de banda ancha para la distribucin de seales de vdeo sin cable tales como LMDS (Local Multipoint Distribution System) que operan en la banda de 28 GHz. Para satisfacer esta demanda el diseo circuitos integrados monolticos de microondas (MMIC) es de gran inters ya que poseen ventajas en cuanto a miniaturizacin, gran repetitividad, bajo coste en grandes producciones y mayor fiabilidad debido al reducido nmero de interconexiones. Amplificador MMIC de ganancia variable y baja distorsin Son amplificadores utilizados sobre todo en sistemas de comunicaciones. Estos amplificadores son muy lineales, debido a su realimentacin negativa y al ser creado con tecnologa MMIC, las frecuencias de trabajo llegan hasta la banda Ka. Su principal ventaja es que reduce de manera efectiva el efecto del retardo de fase y los productos de intermodulacin (hasta 40dB en los productos de intermodulacin de 3er orden). Debido a estas caractersticas, son muy utilizados en sistemas digitales con modulaciones QAM. Amplificadores de potencia Debido a la divisin de potencia y a la combinacin de redes, los MMIC tienen unas prdidas de 0,5-1 dB y la impedancia de entrada disminuye con el incremento del nmero de puertas, el grado de divisin de potencia y de combinaciones pueden usarse para incrementar el lmite del nivel de potencia.

Los amplificadores de potencia deben trabajar con potencias altas a la entrada y a la salida, y su tensin mxima est limitada por la tensin de ruptura, por lo que conviene que este valor sea alto en los transistores. Los FETs y HBTs de puerta o emisores limitarn la corriente en cada transistor, convirtiendo las prdidas por resistividad en calor y reduciendo la fiabilidad del dispositivo. Para aumentarla, es necesario emplear puertas o emisores en paralelo para incrementar el rea de emisin y reducir la resistencia. Pero esto provoca que el tamao del dispositivo aumente al hacer que los elementos del transistor estn lo suficientemente separados para que se d la disipacin trmica adecuada. Los amplificadores de potencia diseados con varias fases (una de ellas es un transistor o una combinacin en paralelo de stos) permiten agrupar las limitaciones trmicas y de corriente, y el voltaje de pico. El nmero de fases depende de las especificaciones de ganancia y frecuencia, ya que la potencia de salida disminuye con el aumento de frecuencia. Los dispositivos pasivos y activos de microondas suelen derivar de la medida de parmetros S en un analizador vectorial. Estos modelos son buenos para circuitos de baja potencia, pero los transistores exhiben una cierta falta de linealidad, por lo que hay que realizar diseos no lineales para diseos de alta potencia. Adems, esta no linealidad provoca distorsin de intermodulacin (IMD), medida en dB, que es la potencia en frecuencias distintas a la de entrada: 2fRF, 3fRF, etc. Hay que tener en cuenta estas frecuencias para evitar problemas con el circuito. Los amplificadores de potencia, adems, se pueden dividir en varias clases: Etapa clase A: El dispositivo se polariza en una zona de respuesta lineal, con capacidad de responder a seales de cualquier polaridad. Su principal ventaja es que sigue un modelo de amplificador lineal convencional. Su desventaja es que an con seal nula disipa una cantidad considerable de potencia. Etapa clase B: El dispositivo se polariza en el extremo de la zona de respuesta lineal, y en consecuencia slo tiene capacidad de responder a seales con una determinada polaridad. En estas etapas no se produce disipacin de potencia

cuando la seal es nula, pero requiere la utilizacin de etapas complementarias para pode generar una respuesta bipolar. Etapa clase AB: El dispositivo se polariza en la zona lineal pero en un punto muy prximo al extremo de respuesta lineal. Esta configuracin es una variante de la etapa de tipo B en la que se sacrifica la disipacin de una pequea cantidad de potencia cuando opera sin seal, a cambio de evitar la zona muerta de respuesta. Etapa clase C: El dispositivo se polariza en zona de respuesta no lineal, de forma que los dispositivos activos slo conducen en una fraccin reducida del periodo de la seal. De esta forma se consiguen rendimientos mximos, aunque se necesitan elementos reactivos que acumulen la energa durante la conduccin y la liberen en el resto del ciclo en el que el dispositivo no conduce. Se puede utilizar para amplificar seales de banda muy estrecha. Amplificadores de bajo ruido La funcin principal de un amplificador de bajo ruido (LNA) es la de amplificar seales extremadamente pequeas tratando de aadir la menor cantidad de ruido posible, esto es, preservando el nivel de relacin seal a ruido (SNR) del sistema. Para su diseo se debe tener en cuenta la ganancia disponible en cada transistor en funcin de su tamao y del punto de polarizacin, en cuanto a su actuacin, el criterio ms importante ser la figura de ruido. Para conseguir una figura baja, se emplean transistores HEMTs y PHEMTs, y para minimizar dicha figura se utilizan adems puertas pequeas, incluyendo puertas parsitas (de 0,1 a 0,25 mm). Para reducir la figura de ruido del sistema es importante reducir las prdidas de circuito, especialmente antes de la primera parte del amplificador de ruido bajo. Tambin se puede minimizar reduciendo los valores de ruptura de temperatura, corriente y tensin, ya que los problemas trmicos, as como las corrientes y voltajes de ruptura que afectan al amplificador de potencia no afectan al amplificador de bajo ruido, al ser de menor potencia. Por tanto la minimizacin de la figura de ruido maximiza la ganancia.

Mezcladores El mezclador convierte la seal de entrada con una frecuencia en una seal de salida con frecuencia distinta que permita el filtrado, el desfasaje y otras operaciones de procesamiento de datos en los circuitos. Idealmente, esta operacin no afectara a la amplitud de la sea ni introducira ruido. La conversin de frecuencia se consigue con dispositivos con caractersticas no lineales de corriente y tensin. En un principio, estos mezcladores eran creados usando diodos, pero actualmente se emplean MESFETs, HEMTs, y PHEMTs. En el caso de los mezcladores con diodos, si dos seales de tensin, llamadas LO y RF, se colocan en los terminales del diodo, se obtendr una frecuencia igual a la diferencia de las de cada seal llamada frecuencia inmediata (IF). Para mejorar la actuacin del sistema, es necesario eliminar el ruido y los armnicos, que crean distrosiones, de las seales RF y LO. Los circuitos ms complejos permiten cancelar las componentes de frecuencia no deseadas y ayudan a eliminar el ruido variando la amplitud de la seal LO. Como inconveniente, se requiere mayor potencia LO, que es difcil de obtener a altas frecuencias. Osciladores Para minimizar el ruido de fase, se requiere resonantes de alta-Q que fijen la frecuencia de oscilacin aportando un coeficiente de reflexin mayor que en un ancho de banda muy estrecho y se requiere transistores con bajo ruido 1/f. En los MMICs el desarrollo de los resonadores de alta-Q es el ms difcil de obtener de los elementos desde la pelcula estrecha en sustratos finos de GaAs teniendo una alta prdida de conduccin. Los HBTs tienen un bajo ruido 1/f y son usados frecuentemente como osciladores. Los cambios de temperatura pueden producir cambios en las caractersticas del transistor y causar cambios en la frecuencia de oscilacin o incluso detener la oscilacin. La compensacin de temperaturas se puede realizar a travs de diodos varactores o de elementos controlables con sensores y circuitos de control.

Desplazadores de fase (Phase Shifter) Los desplazadores de fase son usados para comunicar un cambio repetible y controlable de fase en la seal de microondas sin que tenga repercusin en la amplitud de la seal. Adems se suelen usar con arrays de antenas en fase, donde se usan para controlar la forma y la direccin del haz, tambin se usan en sistemas de comunicacin, en sistemas rdar y en instrumentacin de microondas. Se suelen usar dos mtodos para el cambio de fase en MMICs. El primer mtodo conmuta la seal entre una longitud corta y una larga de la lnea de transmisin para mejorar el desplazamiento de fase de l donde es la constante de propagacin de la lnea de transmisin y l es el diferencial de longitud de la lnea de transmisin. A este tipo de desplazador de fase se le llama switched-line phaser shifter. El segundo mtodo cambia la reactancia de la lneas de transmisin, por lo que los cambios en la propagacin son constantes a lo largo de la lnea. La implementacin de MMIC desplazador de fase es caracterizada como tipo de reflexin o como tipo de transmisin. Hay tres implementaciones que se usan comnmente: pareado hbrido, lnea cargada y lnea conmutada.

Problemas de diseo La integracin de la seccin digital y de RF sobre un mismo sustrato es un tema de gran inters en la actualidad por las diferentes dificultades que ello conlleva. La problemtica de la integracin de estas dos secciones tan diferentes repercute en todos los niveles de abstraccin y flujos de diseo, desde el desarrollo de la arquitectura, particionado, simulacin, pruebas, eleccin de estndares, normativas, algoritmos, protocolos de comunicacin, pasando por aspectos de simulacin (CAD y modelado) para la planificacin y coordinacin de flujos de diseo (en sus diferentes niveles de abstraccin), todos estos aspectos enmarcados y delimitados por el desarrollo de la tecnologa actual y futura. Por lo tanto, a pesar de las ventajas, es innegable que la tecnologa CMOS sufre de una serie de limitaciones, de entre las cuales se destacan los problemas referentes a la integridad de la seal. De entre estos problemas, el ruido de conmutacin puede ser considerado un factor crtico en

el diseo de Circuitos Integrados. La actividad elctrica de los nodos digitales se acopla desde la red de distribucin de energa al sustrato, implicando la transmisin de ruido a puntos sensibles de las secciones analgicas o de radiofrecuencia (RF), lo cual degrada notablemente sus prestaciones. Un Ejemplo de esto seria: El sistema de radio construido, es un FM de chip sencillo. El TDA7000 es un sistema de radio FM de circuito integrado monoltico, fabricado para radios porttiles de FM. Esencialmente el TDA2000 es un receptor de radio completo. Tiene un tamao pequeo, carece de bobinas IF, es fcil de ensamblar y su consumo de potencia es bajo. Externo al CI esta slo un circuito tanque LC sintonizable para el oscilador local, unos cuantos capacitores y un resitor. Se puede disear un radio FM completo lo suficientemente pequeo para que quepa dentro de una calculadora, encendedor, etc.

El sistema utiliza un amplificador de audio, con el CI LM386, el cual nos proporciona una amplificacin requerida para disparar a un parlante o para disparar a la parte digital.

El diagrama de bloques para el TDA7000 se muestra en la figura, incluye los siguientes bloques de funciones: etapa de entrada de RF, oscilador local, limitador de amplitud IF, demodulador de fase, detector de silensiamiento e interruptor de silenciador. El CI tiene un sistema FLL (circuito de frecuencia cerrada), interna con la frecuencia de 70 MHz. La FLL se utiliza para reducir la distorsin armnica total (THD), comprimiendo la oscilacin de frecuencia FI. Esto se logra usando una salida de audio del demodulador de FM para desplazar la frecuencia del oscilador local, al contrario de la desviacin IF. El principio es comprimir 75 KHz de desviacin de frecuencia a aproximadamente 15 KHz. Esto limita la distorsin armnica total al 0.7%, con una desviacin de 22.5 KHz y a 2.3 %, con una desviacin de 75 %. La selectividad de IF

se obtiene con filtros Sallen_Key RC activos. La nica funcin que necesita alinearse es el circuito resonante para el oscilador.

PLL Lazo de seguimiento de fase Los lazos de seguimiento de fase, bucles de enganche de fase, o PLL (del ingls Phase-Locked Loops) son dispositivos muy populares en electrnica desde la dcada de los aos 1960. Se trata de un sistema realimentado, en el que las magnitudes realimentadas son la frecuencia y la fase. Su uso se vio restringido por dcadas, debido a su complejidad y costo econmico, a los mbitos militares y de investigacin cientfica hasta que en la dcada de 1960 pudo integrarse en un solo chip toda la circuitera de un

sistema PLL completo, con lo cual su empleo comenz a hacerse cada vez mas masivo; la NASA por ejemplo, los aplic para compensar las variaciones de frecuencia que sufran las transmisiones desde sus satlites debido a inestabilidades de los componentes y al efecto Doppler. Una protoforma de PLL se emplea en los televisores para sincronizar el barrido de las lneas horizontales con los pulsos de sincronismo de la estacin emisora desde 1943; en los receptores actuales se emplean hasta dos lazos completos enganchados en fase, uno para la sincrona de la generacin de la seal del barrido de lneas y otro que engancha en fase y frecuencia a la etapa de salida horizontal.

Aplicaciones Demodulacin de seales en FM y FSK o demodulaciones QPSK. Filtros de seguimiento. Osciladores muy estables. Modulacin y demodulacin de seales en FM. Sintetizadores de frecuencia

Sntesis de frecuencia Los osciladores LC y a cristal de cuarzo presentan ventajas y desventajas. Para los osciladores LC, tenemos la posibilidad de variar la frecuencia pero con muy poca estabilidad de esta, en cambio los osciladores a cristal de cuarzo presenta una muy buena estabilidad en frecuencia pero muy poca variabilidad de la misma, por ejemplo al momento de la modulacin en frecuencia. Para tener buena estabilidad de frecuencia y tambin la posibilidad de tener saltos controlados, se desarrollaron los sintetizadores de frecuencia. Estos pueden ser uno o ms osciladores conectados de forma conveniente. Mediante los sintetizadores de frecuencia podemos lograr sntesis de frecuencia directa e indirecta.

Sntesis de frecuencia directa La sntesis de frecuencia Directa consiste en efectuar con una o ms seales de frecuencia estables, operaciones matemticas (sumas, restas, multiplicaciones y divisiones) a fin de obtener en la salida una seal cuya frecuencia sea la deseada. Este mtodo tiene la ventaja de que si el oscilador base es un oscilador muy estable, tambin lo sern las distintas frecuencias de salida, otra ventaja que permite obtener una resolucin muy fina, dependiendo esto del uso que se le dar. Por ejemplo una alternativa sera la siguiente.

Sntesis de frecuencia indirecta- PLL (Phase Loocked Loop) Produccin de una frecuencia deseada entre un cierto nmero de frecuencias predeterminadas utilizando un bucle cerrado en frecuencia o en fase Este circuito nos permite, mediante una seal generada internamente (referencia), controlar un lazo o bucle (PLL) y obtener en la salida una seal cuya estabilidad en frecuencia depende de la estabilidad de la seal de control o referencia. Tambin nos permite obtener una variacin discreta de la frecuencia de salida, donde el rango y la resolucin dependen de la red divisora y del valor de la frecuencia de referencia que ingrese al comparador de fase.

Circuitos integrados Phase Locked Loop (PLL)

Los integrados son utilizados

circuitos Phase en

Loched Loop (PLL)

demodulacin de seales de frecuencia modulada (FM), decodificadores de tono, multiplicacin y divisin de frecuencias, demodular seales SCA (Subsidiary Comunications Authorization) (msica ambiental), regulacin de velocidad de motores, instrumentacin industrial, en receptores de telemetra, regeneracin de seales, osciladores de precisin para la fabricacin de alarmas y controles ultrasnicos, como eliminadores del control de sintona fina en los sintonizadores de los receptores de televisin.

Principio de Funcionamiento: Desde hace ms de 60 aos se conoce el principio de funcionamiento de estos circuitos integrados. Para los tcnicos en electrnica, saben que en la mayora de los receptores de televisin, en la seccin de sincronismo horizontal se utiliza una especie de PLL. El detector de fase en el TV compara la frecuencia del oscilador de barrido horizontal con un gran nmero de impulsos de sincronismo enviados desde el transmisor y lo ajusta automticamente de manera tal que coincida en promedio con la frecuencia y fase de la onda portadora. Cualquier ruido que pudiera afectar el buen funcionamiento es reducido ampliamente por el circuito PLL, esto se debe a que es un proceso que se define por el trmino medio. En la dcada de los 70s, ya se encontraban en el mercado diferentes circuitos integrados PLL en su versin monoltica. Con ellos se puede realizar la mayor parte del circuito demodulador y amplificador de frecuencia intermedia de un receptor de radio con un slo circuito integrado incluyendo adicionalmente algunos componentes pasivos. Los PLL monolticos de decodificacin estreo permiten llevar a cabo circuitos muy sencillos, con caractersticas superiores a las de los decodificadores convencionales, adems tienen la ventaja de un ajustarse de forma muy fcil. Como sabemos, la tecnologa contina en constante evolucin y se siguen fabricando PLL con frecuencias de funcionamiento ms altas y niveles de seal a ruido cada vez ms eficientes.

Es tal la popularidad de los Phase Loched Loop (bucles de enganche de fase), que la RCA en el ao de 1979, los incorpor en sus televisores a color. El Channelock RCA utiliza un sintetizador de frecuencia a base de circuitos integrados PLL para eliminar la necesidad del control de ajuste fino en sus sintonizadores de TV. La ZENITH tambin utiliza PLL en algunos de sus televisores para eliminar los controles de ajuste vertical y horizontal, con esto simplifica grandemente el manejo del aparato al usuario.

Teora de su Funcionamiento: En la figura, se puede observar que el pll est formado por 3 elementos bsicos: un comparador de fase o detector, un filtro paso bajo (low pass), y un oscilador de frecuencia controlado por voltaje (VCO - Voltage Controlled Oscilator). Detector de Fase. Compara la fase de la seal de entrada del VCO y genera un voltaje de salida que es proporcional a la diferencia de fase entre las dos. Si no se aplica seal de entrada al circuito, el oscilador controlado por tensin operar a una frecuencia que se denomina como central o frecuencia propia. Siendo este el caso, el detector de fase no dar seal de error a su salida y no se aplicar por tanto tensin de control al oscilador por la lnea de realimentacin de error. Cuando hay seal de error, efecto causado por una seal de entrada con fase instantnea distinta a la fase instantnea de la frecuencia central del VCO, el voltaje de salida del detector es trasladado al filtro paso bajo para suprimirle el ruido y todo componente de alta frecuencia. Toda vez que est filtrado se hace llegar al oscilador, de forma tal que ste tienda a reducir la diferencia de fase entre las dos seales, aumentando o disminuyendo su frecuencia de oscilacin (en general, la tensin de error puede ser tanto positiva como negativa, esto segn la seal que adelante a la otra). Cabe mencionar que el proceso antes descrito se repite infinidad de veces hasta que el voltaje de control, o sea la seal de error, haga que la

frecuencia del VCO se estabilice en un punto igual al promedio de la frecuencia de la seal de entrada al circuito. En este momento el LOOP (crculo o anillo viscoso) es LOCKED (fijado, quieto, estacionado). Si la frecuencia de la seal de entrada es suficientemente cercana a la frecuencia central del PLL, el oscilador local quedar enclavado en frecuencia con la seal de entrada (LOCKED), pero generalmente siempre existir una pequea diferencia de fase entre ambas para mantener la tensin de error suficiente y obligar al oscilador local VCO a operar a esa frecuencia. El circuito de realimentacin de un PLL se encarga de mantener automticamente la frecuencia del oscilador en consonancia con la frecuencia de entrada. Sin embargo, para que esto se lleve a cabo, la seal de entrada tiene que poseer una frecuencia comprendida dentro de un cierto margen, a la izquierda y a la derecha de la frecuencia central, denominada gama de mantenimiento o de enclavamiento .La gama de frecuencias de mantenimiento viene limitada por la tensin mxima de control que pueda generar el circuito detector de fase, ya que de su valor depende la gama de frecuencias de funcionamiento (Operating frecuency) del oscilador controlado por voltaje.

Esta gama de frecuencias de mantenimiento puede ser varias veces superior al ancho de banda de las seales aceptadas a la entrada por el PLL, de manera que el oscilador local podr seguir las variaciones de frecuencia de la seal de entrada, conservando un ancho de banda limitado y con muy bajo nivel de ruido, sea, seales parsitas muy reducidas. Este ancho de banda limitado es resultado de la pequea diferencia que tiende a haber entre la seal de VCO_ y la seal de entrada.

Gama de Captura: Se refiere a la gama de frecuencias de entrada que pueden provocar el enclavamiento inicial del PLL a partir de su estado de reposo, o frecuencia tpica del VCO cuando no hay seal de entrada. Esta gama de captura es menor que la de enclavamiento, pero de ninguna forma

puede ser mayor. De alguna forma la gama de captura define la mxima diferencia de la seal incidente y la central del VCO en el PLL para provocar en enclavamiento.

Gama de Enclavamiento: Se refiere a la mxima desviacin tolerable en la seal de entrada sin que el oscilador local pierda su enclavamiento.

Filtro Paso Bajo: Consiste regularmente, en un resistor en serie y un capacitor a tierra en la salida, en algunos casos se necesitan circuitos ms complejos. El filtro de paso bajo afecta a la gama de captura pero no a la de enclavamiento. Si se le aplica a un PLL no enclavado una seal cuya frecuencia cambiante se aproxima constantemente a la frecuencia central del oscilador local, la frecuencia en la seal de error generada en el detector de fase disminuya hasta que pueda pasar por el filtro y variar la frecuencia del VCO, acercndolo a la frecuencia de entrad. Al disminuirse as la frecuencia entre las dos seales, la frecuencia de la seal de error baja an ms y el filtro pasa bajos la atena menos, con lo que el proceso de igualacin de frecuencias entre la entrada y el VCO se acelera cada vez ms, llegndose rpidamente al enclavamiento. Este efecto de captura determina la selectividad del PLL. Toda vez que el PLL est enclavado, la seal de error, consecuencia de la diferencia de fase, presenta frecuencia nula, o muy baja, y pasa sin dificultad por el filtro; es as como ste carece de influencia sobre la gama de enclavamiento (siempre que la seal de entrada no vare tan rpidamente que el retraso introducido por el filtro llegue a ser importante). El filtro de paso bajo reduce la sensibilidad del PLL a los pulsos directos de ruido, los cuales provocan variaciones instantneas de la seal de error procedente del comparador de fase. El filtro retarda estas variaciones por lo que su funcin puede considerarse en cierto modo equivalente a una memoria o corto plazo, manteniendo el enclavamiento del oscilador local con la

frecuencia de entrada (frecuencia promedio en un perodo corto de tiempo) aunque esta ltima presente desviaciones espordicas transitorias (pulsos de ruido). El filtro de paso bajo controla bsicamente la selectividad del PLL. Aunque opera a una frecuencia muy baja, sus caractersticas se reflejan en el comportamiento de alta frecuencia del circuito. De hecho un simple filtro de paso bajo puede dar al PLL una selectividad similar a la de un receptor superheterodino convencional formado por unos seis circuitos sintonizados de FI, a base de bobinas y capacitores. Las caractersticas del filtro de paso bajo resultan de un compromiso entre la frecuencia relativamente baja de corte necesaria para el enclavamiento con la seal de entrada y la velocidad de respuesta deseable cuando esta seal de entrada vara rpidamente en frecuencia. El uso de un filtro con una frecuencia de corte muy baja implica una gama de captura estrecha y un tiempo largo para el enclavamiento final. Se denomina frecuencia de corte al punto ideal en el cual se considera inicia la accin neutralizadora del filtro: seales con frecuencias por debajo pasan, pero las que estn por encima se atenan o se bloquean. Los PLL especialmente tiles para la recepcin de seales de radio con factores seal/ruido muy bajos, ya que puede ajustarse la banda pasante a un valor prcticamente idneo. Hay que recordar que la relacin seal/ruido (S/N) indica la calidad de la recepcin, en otras palabras, la proporcin de interferencias (ruido) que hay presentes en la seal deseada; cuanto mas alto sea su coeficiente, ms fcilmente se podrn separar en un detector adecuado.

DEMODULADOR DE FM

Si el PLL es enganchado a una seal de frecuencia modulada (FM), el VCO rastrea la frecuencia instantnea de la seal de entrada. La tensin de error filtrada, que fuerza al VCO a mantener enganche con la seal de entrada, luego se convierte en la salida de FM demodulada. La linealidad de esta seal demodulada depende solamente de la linealidad de la caracterstica de transferencia tensin de control a frecuencia del VCO. Los multivibradores RC son utilizados en las aplicaciones del PLL como demodulador de FM porque tienen un intervalo de control mucho ms grande que los osciladores de cristal, pero su estabilidad frente a los posibles cambios producidos por el paso del tiempo y por la temperatura no es muy buena. Debe notarse que, dado que el PLL est enganchado durante el proceso de demodulacin de FM, la respuesta es lineal y puede ser prevista fcilmente a partir de un planteo de lugar geomtrico de las races.

Las aplicaciones de demodulacin de FM son numerosas; sin embargo, algunas de las ms populares son:

Deteccin de FM Difundida (o Transmitida)

Aqu, el PLL puede ser usado como un detector completo de franja FI, FM y como limitador para detectar, ya sean seales de FM de banda ancha o de banda angosta, con mayor linealidad de la que puede obtenerse por otros medios. Para frecuencias dentro del rango del VCO, el PLL funciona como un receptor contenido en s mismo, dado que combina las funciones de selectividad de frecuencia y demodulacin. Un uso crecientemente popular del PLL es en receptores de exploracin (scanning-receivers) donde se puede

monitorear secuencialmente un nmero de canales, transmitidos mediante la simple variacin de la frecuencia de operacin libre del VCO.

Telemetra FM

Esta aplicacin involucra la demodulacin de una subportadora de frecuencia modulada del canal principal. Un ejemplo popular aqu es el uso del PLL para recuperar la seal SCA (hilo musical, por ejemplo) de la seal combinada de muchas estaciones de radiodifusin de FM comerciales. La seal SCA puede ser una subportadora modulada de 67kHz, que la pone por encima del espectro de frecuencias del material normal estreo o monoaural de los programas de FM. Conectando el circuito, que vemos en la figura 8, a un punto entre el discriminador de FM y el filtro desenfatizador de un receptor de FM de banda comercial (casera) y sintonizando el receptor a una estacin que difunde msica SCA, uno puede obtener horas de msica ambiental libre de anuncios comerciales.

Figura 8. Detector de seal SCA.

Codificacin por Cambio de Frecuencia (FSK)

Esto se refiere a lo que es esencialmente modulacin digital de frecuencia. FSK es un medio para transmitir informacin digital mediante una portadora que es desplazada entre dos frecuencias discretas. En este caso, las dos frecuencias discretas corresponden a un 1 digital y un 0 digital, respectivamente (ver figura a). Cuando el PLL est enganchado a una seal FSK, la salida demodulada (tensin de error) se desplaza entre dos niveles discretos de tensin, que corresponden a la salida binaria demodulada. Las tcnicas de FSK a menudo son usadas en mdems (moduladores demoduladores), destinados a transmitir datos por las lneas telefnicas.

Figura a. En la parte superior se muestra a la seal binaria modulada en FSK. En la parte inferior se muestra a la salida del PLL en una aplicacin de deteccin de seal binaria a partir de la modulacin FSK.

Sntesis de Frecuencia

La Multiplicacin de Frecuencia se puede lograr con el PLL de dos maneras:

a) Mediante el enganche a un armnico de la seal de entrada. b) Insercin de un contador (divisor digital de frecuencia) en el lazo.

El enganche a un armnico es muy sencillo y puede, usualmente, lograrse fijando la frecuencia de operacin libre del VCO a un mltiplo de la frecuencia de entrada y permitiendo que el PLL se enganche. Una limitacin de este mtodo, sin embargo, es que el rango del enganche disminuye a medida que se usan, para el enganche, armnicos sucesivamente ms altos y ms dbiles.

Esto limita el rango prctico de enganche con armnicos a mltiplos de, aproximadamente, diez. Para mltiplos ms grandes, el segundo mtodo es ms deseable.

Figura 9. PLL modificado.

En la figura 9 se muestra un diagrama en bloques del segundo mtodo. Aqu, el lazo se rompe entre el VCO y el comparador de fase y se inserta un contador. En este caso, el tono fundamental de la frecuencia dividida del VCO es enganchado a la frecuencia de entrada, de modo que el VCO est realmente funcionando a un mltiplo de la frecuencia de entrada. La cantidad de multiplicacin es determinada por el contador. Una aplicacin prctica evidente, de esta propiedad de multiplicacin, es el uso del PLL en sintetizadores de frecuencia de amplio rango.

En aplicaciones de multiplicacin de frecuencia, es importante tomar en cuenta que el comparador de fase es realmente un mezclador y que su salida contiene componentes de suma y diferencia de frecuencia. El componente de diferencia de frecuencia es DC y es la tensin de error, que acciona el VCO para mantener el PLL enganchado.

Las componentes de suma de frecuencia (de los cuales el fundamental es el doble de la frecuencia de la seal de entrada) si no son bien filtrados, inducirn una seal de FM incidental sobre la salida del VCO. Esto ocurre debido a que el VCO est funcionando a muchas veces la frecuencia de la seal de entrada

y la componente de suma de frecuencia, que aparece en la tensin de control al VCO, causa una variacin peridica de su frecuencia alrededor del mltiplo deseado. Para multiplicacin de frecuencia, generalmente es necesario filtrar muy fuertemente para eliminar este componente de suma de frecuencia.

El resultado, por supuesto, es un rango de captura reducido y una respuesta ms subamortiguada de transitorios del lazo.

Para el caso de divisin de la frecuencia, se podran usar tanto enganche de armnica como conteo de frecuencia para generar, por ejemplo, una frecuencia exactamente 16/3 de la de entrada.

Figura 10. Multiplicador de frecuencia hecho un con PLL modificado.

En este caso, se podra usar el circuito de la figura 10 con la frecuencia inicial del VCO fijada en, aproximadamente, 16/3 de la frecuencia de entrada es-

perada. El contador, luego, divide la frecuencia VCO por 16, y la entrada es enganchada al tercer armnico de la salida del contador.

Ahora la salida puede ser tomada como la salida del VCO y ser exactamente 16/3 de la frecuencia de entrada, mientras el lazo est enganchado.

Figura 11. PLL modificado para traslacin de frecuencia.

Se puede lograr una traslacin de la frecuencia aadiendo un mezclador y etapa de filtro pasa bajas al PLL bsico, como se muestra en la figura 11. Con este sistema el PLL puede ser usado para traducir la frecuencia de un oscilador de referencia altamente estable, pero de frecuencia fija por una pequea cantidad en frecuencia.

En este caso, la entrada de referencia fr y la salida del VCO fo son aplicados a las entradas de la etapa mezcladora. La salida del mezclador est formada por las componentes de la suma y la diferencia de fr y fo. La componente de suma es filtrada por el primer filtro pasa bajas. La frecuencia compensatoria (de offset) f1 es aplicada al comparador de fase junto con la componente fr - fo de la salida del mezclador. Cuando el sistema est enganchado, las dos entradas del comparador de fase estn en idntica frecuencia, o sea:

fo - fr = f1 fo = fr + f1

Conclusin

Un circuito integrado es un pequeo dispositivo compuesto por varios circuitos, al incluir dicho dispositivo en conjunto con RF o PLL podemos encontrarnos con un sin fin de beneficios que van desde los Telfonos mviles hasta ms all de los controles ultrasnicos. En electrnica de consumo, los circuitos integrados han hecho posible el desarrollo de muchos nuevos productos, como computadoras y calculadoras personales, relojes digitales y videojuegos. Se han utilizado tambin para mejorar y rebajar el coste de muchos productos existentes, como los televisores, los receptores de radio y los equipos de alta fidelidad. Su uso est muy extendido en la industria, la medicina, el control de trfico (tanto areo como terrestre), control medioambiental y comunicaciones. Los PLL son usados como sintetizadores de frecuencia en los sistemas de comunicacin que necesitan frecuencias de portadora en intervalos discretos para espacios fijos entre canales, como, por ejemplo, la banda de canal UHF.Los circuitos integrados PLL son utilizados en desmodulacin de seales de frecuencia modulada (FM), decodificadores de tono, multiplicacin y divisin de frecuencias, regulacin de velocidad de motores, instrumentacin industrial, en receptores de telemetra, regeneracin de seales, osciladores de precisin para la fabricacin de alarmas y controles ultrasnicos, como eliminadores del control de sintona fina en los sintonizadores de los receptores de televisin.

Bibliografa

http://sistemas-com.blogspot.com/2009/09/frecuencia-intermedia.html http://members.fortunecity.com/freddylu/Proyectos/analogica/Receptor.htm http://es.wikipedia.org/wiki/MMIC http://www.angelfire.com/al3/PLL/aplicac.html http://es.wikipedia.org/wiki/MMIC#Software_de_modelado http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado http://es.wikipedia.org/wiki/Radiofrecuencia http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_intermedia http://es.wikipedia.org/wiki/Lazo_de_seguimiento_de_fase http://www.electronica2000.com/temas/pll.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Sintetizador_de_frecuencia http://es.wikipedia.org/wiki/RFIC http://patentados.com/patentes/H03L7/16.html