Capítulo VI - Microondas - Osciladores

Osciladores
IT224M
UNI
Capítulo 6
Ing. Marcial A. López Tafur
mlopez@uni.edu.pe

2
Diagrama de bloque de un oscilador
sinusoidal usando un amplificador con un
trayecto de realimentación dependiente
de la frecuencia.

3
• Circuito general para un oscilador a
transistores.
• El transistor puede ser transistor de juntura
bipolar o transistor de efecto de campo.
• Este circuito puede ser usada para
configuraciones emisor/fuente común,
base/gate, o colector/drain poniendo a
tierra V2, V1, o V4, respectivamente.
• La realimentación se consigue conectando
el nodo V3 a V4.

5
Circuito oscilador Transistorizado usando un
BJT en emisor común. (a) Oscilador Colpitts.
(b) Oscilador Hartley.

6
(a) Circuito Equivalente de un cristal.
(b) Reactancia de entrada de un
resonador a cristal.

7
Circuito oscilador Pierce a cristal.

8
Circuito para un oscilador de
resistencia negativa de un puerto.

9
Ejemplo de un circuito de adaptación de
carga para el oscilador de un puerto.

10
Circuito para un oscilador
transistorizado de dos puertos.

11
Ejemplo de diseño de un circuito para
un oscilador transistorizado.

12
(b) Carta de
Smith para
determinar
T.

13
(a) Geometría de un resonador de un
dieléctrico acoplado a una microstripline;
(b) circuito equivalente.

14
(a) Oscilador Resonador dieléctrico
usando realimentación en paralelo;
(b) Oscilador Resonador dieléctrico
usando realimentación serie.

15
(a) Ejemplo de un circuito para el
resonador dieléctrico.

16
(b) Ejemplo de |out| vs. frecuencia.

17
Espectro de salida de un oscilador de
RF típico.

18
Modelo de amplificador realimentado
para la caracterización del ruido de
fase del oscilador.

19
Potencia de ruido vs. frecuencia de un
amplificador con señal aplicada a su
entrada.

20
Densidad de potencia espectral idealizada
del ruido de un amplificador, incluyendo
1/f y componentes termales.

21
Densidad de potencia espectral del ruido de
fase a la salida de un oscilador.
(a) Respuesta para fh > f (bajo Q).
(b) Respuesta para fh < f (alto Q).

22
Ilustración como el ruido de fase de un
oscilador local puede permitir la recepción
de señales adyacentes indeseadas a la
señal deseada.

23
Circuito Conceptual para las
derivaciones de las relaciones Manley-
Row.

24
Diagrama de bloques de un
multiplicador de frecuencia a diodo.

25
Circuito conceptual para la derivación
de relaciones de potencia en un
multiplicador de frecuencia resistivo.

26
Diagrama circuital de un multiplicador de
frecuencia con un FET. El transistor es
modelado usando un circuito equivalente.

27
Rendimiento de Potencia vs. frecuencia de
fuentes de estado-sólido y fuentes de tubo
de microondas .

28
Rendimiento de
Potencia vs.
frecuencia de
los diodos
Gunn.
• pulsante;
° continuo.

29
Dispositivo Gunn
• Trozo de GaAs tipo-N (arseniuro de galio)
• A veces llamado diodo Gunn pero no tiene
junturas
• Tiene una región de resistencia negativa
donde la velocidad del movimiento
decrece cuando se incrementa el voltaje
• Esto causa una concentración de
electrones libres llamado un dominio

31
Dos fuentes de diodo Gunn. (a) unidad
mecánicamente sintonizable banda-E, (b) Es a
sintonización por varactor banda-V.

32
Modo de Transito-tiempo
• El dominio se mueve a través del GaAs
hasta que alcanza el terminal positivo
• Cuando el dominio alcanza el terminal
positivo desaparece y un nuevo dominio
se forma
• Pulsos de corriente fluyen cuando el
dominio desaparece
• Periodo de los pulsos = tiempo de tránsito
en el dispositivo

34
Frecuencia del Oscilador Gunn
• T=d/v
T = periodo de oscilación
d = espesor del dipositivo
v = velocidad de movimiento, cerca de 1  105
m/s
• f = 1/T

35
Diodo PIN
• Tipo-P --- Intrínseco --- tipo-N
• Usado como interruptor y atenuador
• Inversamente polarizado – “off”
• Directamente polarizado – parcialmente
“on” dependiendo la polarización (bias)

37
Cavidades resonantes
a
b
L
Longitud de onda resonante para
una cavidad rectangular :
222
)/()/()/(
2
Lpbnam
r


L
r
Para un resonador cilíndrico :
22
2













L
p
r
Bmn
r




38
Cavidades resonantes (cont’d)
• La energía es acoplada dentro de la cavidad
a través de una pequeña abertura, por un
lazo de acople o una sonda de acoplamiento.
Estos métodos de acoplamiento también se
aplican para las guías de onda
• Aplicaciones de los resonadores:
– filtros
– vatímetros de absorción
– tubos para microondas

39
Componentes de las Ferritas
• Las ferritas están compuestas de óxidos metálicos
de Fe, Zn, Mn, Mg, Co, Al, y Ni.
• Tiene propiedades magnéticas similares a los
metales ferromagnéticos y al mismo tiempo tienen
gran resistividad asociada con los dieléctricos.
• Sus propiedades magnéticas pueden ser
controladas por medio de un campo magnético
externo.
• Ellas pueden ser transparentes, reflectivas,
absortivas, o causar rotación de la onda
dependiendo del campo H.

40
Ejemplos de dispositivos de Ferrita
Atenuador Aislador
q
Differential
Phase Shifter
1
2
3
4
Circulador
de 4-puertos

41
Notas sobre dispositivos de Ferrita
• Differential phase shifter - q es el desplazamiento de
fase entre las dos direcciones de propagación.
• Aislador - permite el flujo de potencia en una sola
dirección.
• Circulador – la potencia que entra al puerto 1 irá
sólo al puerto 2; la potencia que entra al puerto 2 irá
sólo al puerto 3; etc.
• Mucho de lo anterior está basado en la rotación de
Faraday.
• Otros usos: filtros, resonadores, y sustractores.

42
Diodo Schottky - Barrier
Substrato
Contacto
Dieléctrico
SiO2
Electrodo
de Metal
Electrodo
de Metal
Está basado en una simple
interface metal-semiconductor.
No hay juntura p-n pero existe
una región de deplexión. La
corriente es por portadores
mayoritarios; por consiguiente,
muy bajo en capacitancia.
Aplicaciones: detectores, mezcladores y conmutadores.
Capa
Semi-
conductor

43
Diodo Varactor
• Bajas frecuencias: usados como capacitor
variable controlado por voltaje
• Microondas: usados como multiplicadores
de frecuencia
– Toma ventaja de la curva no lineal V-I de los
diodos

44
Diodo Varactor
Símbolo Circuital
V
Cj
Co
Caracteristica de la capacitancia de la juntura
Varactores operan bajo condiciones pol reversa.
la capacitancia de la juntura es:
m
b
o
j
VV
KC
C
)( 

donde Vb = potencial de la barrera
(0.55 to 0.7 para silicio)
y K = constante (a menudo = 1)

45
Circuito Equivalente del Varactor
Cj Rj
Rs
La resistencia en serie, Rs, y la
Capacitancia del diodo, Cj, determina
La frecuencia de corte:
js
c
CR
f
2
1

El factor de calidad del diodo para una
Determinada frecuencia f, es:
f
f
Q c


46
Aplicaciones del Varactor
• Osciladores controlados por voltaje (VCO)
en circuitos de AFC y PLL
• Variable phase shifter
• Generador de armónicos en circuitos
multiplicadores de frecuencia.
• Circuitos de conversión ascendente o
descendente (Up or down)
• Circuitos amplificadores Paramétricos –
de bajo ruido

47
Circuito Amplificador Paramétrico
Pump signal (fp)
Señal de
entrada
(fs)
L1
C1
C2
L2
D1 L3
C3
Signal
tank (fs)
Idler
tank (fi)
Modo No-degenerativo :
Upconversion - fi = fs + fp
Downconversion - fi = fs - fp
Ganancia de potencia, G = fi /fs
Modo regenerativo :
 resistencia negativa
 muy bajo ruido
 muy alta ganancia
fp = fs + fi
Modo degenerativo : fp = 2fs

48
Diodo PIN
P+
I
N+
+V
R RFC
C1
C2
S1
D1
In
Out
PIN as shunt switch
El diodo PIN tiene una región intrínseca entre los
materiales P+ y N+. Tiene una resistencia muy alta en
el modo OFF y una muy baja resistencia cuando es
polarizado directamente.

49
Aplicaciones del Diodo PIN
• Conmutar dispositivos tales como
atenuadores, filtros, y amplificadores en la
entrada y salida del circuito.
• Atenuador por variación de Voltaje
• Modulador de amplitud
• Conmutador Transmitir-recibir (TR)
• Phase shifter (con una sección de línea de
transmisión)

50
Diodo Gunn
El diodo Gunn es un dispositivo de transferencia de e
electrones que puede ser usado en osciladores de micro
ondas o amplificadores de reflexión de un puerto. Su
Estructura básica se muestra abajo. La región activa N-,
Esta aprisionada entre dos regiones altamente dopadas
N+.
N-
Electrodo
metálico N+ Electrodo
metálico
Electrones desde el cátodo
(K) se mueven al ánodo (A)
en una formación de racimo
Llamada Dominios,
Note que no hay juntura
p-n.
AK
l

51
Modos de operación del Gunn
• Modo de Amplificación estable (SA) : el diodo se
comporta como un amplificador debido al efecto de
su resistencia negativa.
• Modo de Tiempo de Tránsito (TT) : frecuencia de
operación , fo = vd / l donde vd es el domino de
velocidad, y l es la longitud efectiva. Potencia de
salida < 2 W, y la frecuencia está entre 1 GHz a 18
GHz.
• Modo de Carga-Espacial limitada (LSA) : requiere
una cavidad resonante de alto-Q; frecuencia de
operación hasta los 100 GHz potencia de salida
pulsante > 100 W.

52
Circuito para el Diodo Gunn y
Aplicaciones
Tornillo
sintonizador
Diodo
Cavidad
resonante
Iris
V
Aplicaciones del diodo Gunn : fuentes de microondas
Para el oscilador local del receptor, radares para la,
Policía y enlaces de comunicaciones por microondas.
La cavidad resonante
es excitada por los
pulsos de corriente
del diodo Gunn y
la energía de RF es
acoplada vía el iris
a la guía de onda.

53
Dispositivos de avalancha de
tiempo de tránsito
• Si el potencial de polarización inversa excede
un cierto umbral, el diodo se descompone.
• Los portadores energéticos colisionan con
electrones enlazados para crear más pares de
electrones-huecos .
• Esto se multiplica para causar un aumento
rápido en la corriente inversa.
• El inicio de la corriente de avalancha y su deriva
a través del diodo está fuera de fase con el
voltaje aplicado produciendo así un fenómeno
de resistencia negativa.

54
Diodo IMPATT
• IMPATT significa Impact Avalanche and Transit
Time
• Opera en la región de ruptura inversa
(avalancha).
• El voltaje aplicado causa interrupción
momentánea una vez por ciclo
• Esto inicia un pulso de corriente que se mueve a
través del dispositivo
• La frecuencia depende del espesor del
dispositivo.

55
Notas sobre el diodo IMPATT
• La corriente de acumulación y el tiempo de tránsito
para el pulso de corriente cruce la región de
movimiento causa un retardo de fase de 180o entre
V e I; esto, R negativa.
• Diodos IMPATT típicamente operan en la región de
3 a 6 GHz pero a mayores frecuencias también
operan.
• Deben operar en conjunto con un circuito resonante
externo de alto Q.
• Tienen relativamente un alto nivel de potencia de
salida (>100 W pulsante) pero son muy ruidosos y
no muy eficientes.

57
Diodo IMPATT
Estructura del diodo IMPATT (impact
avalanche transit time) es mostrada:
P+ N N+- +
l
Drift Region
Región de
Avalancha
l
v
f d
2
 donde vd = drift
velocity
Frecuencia de Operación :

58
Transistores para Microondas
• BJTs de silicio y FETs de GaAs son
ampliamente usados.
• BJT usados para amplificación hasta cerca de 6
GHz.
• MesFET (metal semiconductor FET) y HEMT
(high electron mobility transistor) son operables
más allá de 60 GHz.
• FETs tienen alta impedancia de entrada, mejor
eficiencia y mayor estabilidad de frecuencia que
los BJTs.

59
Ganancia de potencia de un
transistor para microondas
Max. ganancia de potencia de un amplificador unilateral
transistor con adaptación conjugada de entrada y salida.
Transistor
Go
Red de
adaptación
Gs
Red de
adaptación
GL
ZL
Zs
Vs
2
22
2
212
11
max
||1
1
||
||1
1
S
S
S
GGGG Los


Note que Go = |S21|2 es la ganancia del transistor. Para
estabilidad incondicional, |S11| < 1 y |S22| < 1.

60
Factor de ruido & Figura de ruido
Factor de ruido, Fn = SNRin/SNRout
Figura de ruido, NF (dB) = 10 log Fn
= SNRin (dB) - SNRout (dB)
Temperatura Equivalente del ruido, Te = (Fn -1) To
donde To = 290 K
Para amplificadores en cascada, el factor de ruido total:
donde Gn = ganancia del amplificador de la etapa “n”.
12121
3
1
2
1
...
1
...
11







n
n
T
GGG
F
GG
F
G
F
FF

61
Dispositivos YIG
• YIG unión de Yttrium – Iron – Garnet
(Itrio – Hierro – Granate)
– YIG es una ferrita
• Una esfera YIG dentro de un campo
magnético dc es usada como una cavidad
resonante.
• Cambiando la intensidad del campo
magnético cambia la frecuencia de la
resonancia.

62
Rendimiento de Potencia vs.
frecuencia de para diodos IMPATT.

63
Conversión de frecuencia usando
un mezclador (mixer).
fRFfLOfRF - fLO fRF + fLO
fLO + fIFfLO - fIF
fLOfIF
f
f
0
fRF = fLO ± fIF
fIF = fRF ± fLOfRF
fLO
fIF
fLO
Mixer
Mixer
LO
Oscilador
RF
LO
Oscilador
IF
(a) Up-conversion
(b) Down-conversion

64
(a) Circuito para un diodo mezclador
simple. (b) circuito equivalente Idealizado.

65
Variación de la transconductancia del
FET vs. voltaje de gate-a-source.

66
Circuito mezclador con FET.
Circuito equivalente.

67
circuitos mezcladores balanceados.
(a) Usando un híbrido a 90°.
(b) Usando un híbrido a 180°.

68
Fotografía de un circuito receptor de radar monopulso de 35 GHz
microstrip. Tres mixers balanceados usando híbridos tipo aro se muestran,
con tres filtros pasabajos por pasos, y seis híbridos en cuadratura. El
circuito también contiene una fuente a diodo Gunn para el oscilador local.

69
Circuito mezclador para el rechazo de
la frecuencia imagen.

70
Circuito mezclador balanceado Doble.

71
Mezclador diferencial con FET.

72
Monolithic integrated millimeter wave
down converter

73
Sintetizadores para Microondas
¿Por qué querríamos un sintetizador?
• Synthesiser – UK, Synthesizer – US
• Casi toda la actividad de microondas actual se
basa en un transverter controlado por cristal +
un transceptor sintetizado.
• Esto puede causar problemas cuando la banda
está fragmentada (no contenida dentro de un
segmento de 2MHz):
• 13cms: al menos 8 subbandas diferentes
• Balizas desatendidas personales a 10.4GHz
5558MHz / 5760MHz etc.

74
Why would we want a synthesiser?
• Los sintetizadores (por lo general) permiten una
gran agilidad en cambiar la frecuencia, a veces
muy rápidamente.
• Por ejemplo, un DDS se puede usar para
modular directamente una portadora
• Un transverter o transceptor sintetizado
permitiría una cobertura> 2MHz

75
Sintetizador de Microondas
¿Qué es un sintetizador?
• Síntesis - el proceso de combinar cosas en un
todo más complejo.
• Un oscilador no es un sintetizador
• Un multiplicador de frecuencia no es un
sintetizador
• Un conversor de frecuencia no es un
sintetizador
• Por lo tanto, combinándolos pueden formar un
sintetizador

76
Tres tipos básicos
• Síntesis directa
• Síntesis Indirecta:-
Phase locked loop (PLL)
Direct digital synthesiser (DDS)

77
Síntesis Directa
• Síntesis directa :-
• La frecuencia es generada con bloques de
circuitos que realizan funciones matemáticas
simples :-
• Adición, sustracción, multiplicación y división
• Pueden ser modulados en FM/PM – con
cuidado

78
Síntesis Directa
10MHz OCXO
x4
x10
÷ 10
100MHz
1MHz 4MHz
96MHz,
104MHz
96MHz

79
Síntesis Directa
• Ventajas :-
Mejor rendimiento de ruido de fase.
Pueden ser multiplicados (casi) sin límite.
• Desventajas :-
Muy inflexible – la frecuencia no puede ser
cambiada.

80
Síntesis Indirecta - phase locked loop
• Un oscilador de frecuencia variable es
‘enganchado’ a un oscilador estable de
referencia
• - pero no (usualmente) de la misma frecuencia
• Sin duda, el tipo más popular de sintetizador -
millones en uso en todo el mundo.

81
Phase Locked Loop
VCO
LMX2486 PLL IC
2.3 - 2.45GHz
VCTCXO
Loop filter
Phase-
Frequency
Detector
÷ R
÷ N
÷ R

82
Phase Locked Loop
• Ventajas :-
– Enormemente versátil
– Pueden ser generadas un gran rango de
frecuencias.
– Puede generar salidas directamente a
frecuencias de microondas - sin sub-
armónicos a ser filtrados.
• Desventajas
– El ruido de fase puede ser un tema.

83
Phase Locked Loop
• ‘N – entero’ - la frecuencia de salida es un
múltiplo exacto de la frecuencia de referencia.
• Esto da un espaciamiento de canales el cual es
el mismo de la comparación de frecuencias.
• Para cambiar los canales, simplemente cambie
el divisor programable (N).
• Ejemplo – tamaño del paso: 500kHz,
1152MHz o/p,
• N=1152000000/500000 = 2304

84
Phase Locked Loop
• ‘N – Fraccional’ - la frecuencia de salida no
necesita ser un múltiplo entero de la referencia.
– Which allows for higher reference frequencies,
thus improving phase noise.
• Fractional parts can now be very complex :-
• up to 21 binary digits (2**21 = 2,097,152)
• Ejemplo :- 20MHz comparison freq., o/p
freq = 2320.905MHz, N=116.04525

85
Dual Phase Locked Loop
• Instead of dividing the output frequency, a
mixer is used with a second PLL
• This has the advantage of lower phase noise
• But can be considerably more complex
• Multiple loops can be used - for example in
commercial signal generators

86
Dual Phase Locked Loop
VCTCXO

87
Direct Digital Synthesiser
• Consiste de tres partes básicas:
• Contador (acumulador de fase - hasta 48
bits)
• Sine lookup table (up to 14 bits)
• Conversor Digital a Analógico

88
Clock
DAC
Phase
accumulator
Sine
Look-up tableFrequency
word

89
Deseado
Real

90
• Característica dominante es su tamaño de paso
muy pequeño (uHz)
• Otras ventajas – cambio de frecuencia muy
rápida.
• Puede ser fácilmente modulado con FM o PM -
AM disponible en los nuevos IC’s.
• Frecuencia de salida hasta cerca de ~40% de la
frecuencia del reloj.

91
• El mayor problema es los espurios discretos.
• Esto es multiplicado por 20 log N
• La más alta frecuencia de salida es ~400MHz
(1GHz clock)
• Por tanto el DDS tiene algunas limitaciones a
medida que aumentan las multiplicaciones.
• Algunos de calientan mucho.
• Requiere un reloj de alta frecuencia –
externamente multiplicado o ‘multiplicado’
dentro del chip

92
GPS Disciplined Oscillator
• Similar al PLL, PERO:-
• La fuente de referencia tiene una baja
estabilidad a corto plazo pero una excelente
estabilidad a largo plazo.
• El VCO (usualmente un OCXO) tiene una muy
buena estabilidad de corto plazo pero se va a la
deriva lentamente sobre un periodo de tiempo.
• Por consiguiente, una constante de tiempo muy
larga es usada >1000 segundos
• El lazo realmente nunca esta “enganchado” – de
aquí el termino ‘disciplinado’

93
GPS Disciplined Oscillator
OCXO
CPLD,
discrete logic or
microcontroller
10MHz
1 pulse per second
Loop filter
(usually digital)
Phase-
Frequency
Detector
÷ N

94
Híbridos PLL/DDS
• Usa un DDS como referencia para un PLL de
entero-N.
• Con los componentes correctos, tiene la
posibilidad de dar lo mejor de ambos mundos –
con un rendimiento excepcional, con un costo
mayor que para el DDS simple o el PLL.

95
El futuro
• PLLs tendrá ruido más bajo, bajas
espureas y operará a mayores frecuencias
(corrientemente hasta 8GHz).
• DDS operará a altas frecuencias (>1 GHz)
con bajas espureas
• La tecnología de sintetización se
beneficiará con los diseños de los
Amateur en microondas.

Muchas gracias por su atención
UNI-FIEE
Lima Perú

Capítulo VI - Microondas - Osciladores

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

Similar a Capítulo VI - Microondas - Osciladores

Más de Andy Juan Sarango Veliz

Último

Capítulo VI - Microondas - Osciladores