Sintetizadores de frecuencia
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- Marta Venegas Acosta
- hace 7 años
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1 GR SSR-UPM Capítulo 5 Sintetizadores de recuencia Síntesis de recuencia Objetivo: Generar una o varias señales de recuencia ija estable a partir de un oscilador estable único. Tipos: Síntesis directa por multiplicación y mezcla. Utiliza multiplicación, mezcla y iltrado para generar recuencias La recuencia obtenida es ija Genera muchas componentes espurias Puede trabajarse a recuencias muy altas (THz) Síntesis con PLL Permite trabajar a recuencias altas (GHz) Permite conmutar recuencias de síntesis Genera señales de alta pureza espectral Síntesis digital directa Es muy versátil al genera señales con recuencias y ormas de onda deseada Su recuencia máxima de trabajo está limitada (MHz) Tema 5 - Sintetizadores
2 PLL sintetizador con divisor de recuencia K v r DF D.F. v d vc c r V.C.O. = r / 3 V ( s) r ( s) d ( s) Kd V ( s) F( s) V ( s) c ( s) d Vc ( s) Kv s K d K (s) (s) o o H(s) = = = (s) (s) K r r s+ r Divisor de recuencia Divisor como contador de pulsos en señales digitales. =5 El actor de división es entero (*). La recuencia límite depende de la amilia digital y el tipo de divisor. 4 * Existen divisores por actores raccionarios basados en conmutación entre dos divisores. Tema 5 - Sintetizadores
3 Frecuencia límite en divisores ( L ) Divisor programable a MHz (depende de la amilia) Divisor ijo GHz para > GHz para < /+ Divisor de doble módulo GHz para > 5GHz para < Divisor analógico 5GHz para <4 5 Sintetizador con divisor programable. K v r r D.F. v d vc V.C.O. = p r / p p K d Terminales de control L =recuencia límite. p r mín L r 6 Tema 5 - Sintetizadores 3
4 Síntesis con divisor ijo y programable K v v r d vc c = p r r DF D.F. V.C.O. p K d K d L Terminales de control p r mín r 7 El divisor de doble módulo Equivale a dos divisores conmutados Entrada P/P+ Salida P Pulso de control P+ 8 Pulso de control Tema 5 - Sintetizadores 4
5 Síntesis con divisor de doble módulo K v v d r v c =( p P+A) r r D.F. p K d V.C.O. P/P+ K d P L P A R p r RESET R AK d mín r A p máx A A mín P 9 Sintetizador con mezclador K v r r D.F. V.C.O. = + p r / p p K d L p r mín r Tema 5 - Sintetizadores 5
6 Sintetizador en dos etapas r D.F. V.C.O. K p r D.F. V.C.O. r r r K p d Circuito equivalente de ruido S r () S DF () S () K v v r d vc r D.F. / V.C.O. S Div () K d Tema 5 - Sintetizadores 6
7 Ruido de ase de osciladores y otros bloques S (db/hz) Re. VCO Re VCO DF Div - -4 Det. Divisores (Hz) E- E+ E+ E+ E+3 E+4 E+5 E+6 E+7 Respuesta del PLL al ruido de ase H()(dB) - -3 H e ()(db) -5 H() -7 He() (Hz) E- E+ E+ E+ E+3 E+4 E+5 E+6 E+7 Tema 5 - Sintetizadores 7
8 Funciones de transerencia. 5 S S R S ( ) H ( ) DIV S ( ) H ( ) DF S H ( ) ( ) K d ( ) H e( ) Ruido de la señal de reerencia Ruido de los divisores de recuencia Ruido del detector de ase Ruido del V.C.O. Ruido de ase en el sintetizador S (db/hz) - VCO Total VCO*He() (Re+DF+Div) 6-6 (Re+DF+Div)*H() -8 E- E+ E+ E+ E+3 E+4 E+5 E+6 E+7 (Hz) Tema 5 - Sintetizadores 8
9 Ejemplo 5.4 Ruido de un sintetizador Consideramos un sintetizador de recuencia cuya recuencia de salida es de MHz y la de reerencia de khz y cuyos componentes responden a los datos de las siguientes transparencias. La unción de transerencia del lazo corresponde a un PLL de tipo, orden y posee una pulsación propia de n = 3 rad/sg y una constante de amortiguamiento de =.5. Determinar la contribución al espectro de ruido de los diversos componentes. Calcular los valores obtenidos a Hz, khz y MHz de la portadora. Dibujar los valores obtenidos en escala logarítmica. 7 Ejericio 5.4 : Datos Osc. re VCO Det. ase Divisores r= khz o = MHz Kd= V/rad = 9 db 3 db 7 db 9 db P. eq. E. - dbm dbm dbm dbm /C (dbc/hz) F. Flicker khz khz khz khz Q 5 5 o /Q Hz MHz 8 Tema 5 - Sintetizadores 9
10 Ejemplo 5.4 Datos de Oscilador de reerencia 9 r= khz 9 db P. eq. E. - dbm /C (dbc/hz) -58 F. Flicker khz Q 5 o /Q Hz L( ) 77 P sav dbc Hz 4 6 L Oscilador Reerencia c (dbm) F(dB) log log m Q m Hz Ejemplo 5.4 Datos de VCO 3 db P. eq. E. dbm -64 /C (dbc/hz) F. Flicker khz Q 5 o /Q o = MHz MHz L( ) 77 P sav dbc Hz 4 6 L VCO (dbm) F(dB) log c m log Q m Hz Tema 5 - Sintetizadores
11 Ejemplo 5.4 Datos de Detector de ase dbc Hz L Detector de Fase Kd=V/rad 7 db P. eq. E. dbm /C -6 (dbc/hz) F. Flicker khz L DF H 4 6 log Hz m Ejemplo 5.4 Datos de Divisores = 9 db P. eq. E. dbm /C (dbc/hz) -58 F. Flicker khz dbc Hz 4 6 L Divisores Hz L Div 5 58 log Hz m Tema 5 - Sintetizadores
12 Ejemplo 5.4: Funciones de transerencia db 4 3 H He n= 3 rad/s. =.5. = Hz Ejemplo 5.4: Gráica de ruido dbc Hz 6 m (OR+DF+DIV) ^ VCO Total OR+DF+DIV) H^ m 69Hz VCO He^ Hz Tema 5 - Sintetizadores
13 Modulación de FM a la recuencia de reerencia r r / D.F. v d v v d v cos( rt) v cos(rt)... K v v c V.C.O. K d L L v F( j r ) Kv L ( dbc ) log r L v F( j r ) K dbc) log 4 r ( v 5 r r r r Filtro de un PLL de Orden 3 C 3 g m C R R g m R C C 3 R g m F / 3 R C C / / 3 R C s F( s) s 3 CC3 R C C s Tema 5 - Sintetizadores 3
14 Ejercicio 5. 7 E 5. Se desea diseñar un sintetizador para la banda de 45 MHz, con capacidad para generar recuencias entre 435 y 465 MHz en pasos de 5 khz, lo que conduce a 6 canales posibles. Para el diseño del sintetizador se utilizarán los elementos siguientes: Un oscilador patrón de cuarzo a 5MHz. Un VCO en el rango de 4 a 48 MHz, que responde linealmente l a la tensión de control entre y 5V. Un DF correspondiente a un mezclador lineal con una constante de conversión para los niveles utilizados de K d =.5 V/rad Ejercicio 5.: Resumen de datos Datos: Frecuencia de salida =435 a 465 MHz Paso mínimo de recuencia =5kHz Frecuencia del oscilador de patrón x =5MHz Frecuencia máxima de trabajo de los divisores programables L =6MHz Constante del VCO K =(48-4)/(5)=. 6 v 4)/(5) Hz/v Constante del detector de ase K d =.5v/rad Constante general de ganancia K= 6 s - 8 Tema 5 - Sintetizadores 4
15 Ejercicio 5.: Diseños Se pide: a) Diseñar el bucle utilizando un prescaler ijo y un divisor programable que uncione hasta 6 MHz. Osc. 5MHz x D.F. v d v c MHz K v V.C.O. p K d K d Terminales de control 9 Ejercicio 5.: Síntesis con divisores ijo y programable K v r r D.F. v d p K d v c K d V.C.O. = p r L mín r 6. 5kHz Terminales de control 5kHz r r 8 p r p( mix) p( máx) p r Tema 5 - Sintetizadores 5
16 Ejercicio 5.: Síntesis con divisor de doble módulo Se pide: Osc. 5MHz b) Repita el diseño utilizando un divisor i de doble módulo /. x D.F. v d vc K v V.C.O MHz r 5kHz p K d P/P+ K d R P RESET 3 R AK d Ejercicio 5.: Síntesis con divisor de doble módulo p K v v p P A r d r v c r D.F RESET p K d V.C.O. P/P+ K d R r 46. 5MHz L P r 5kHz mín 435 ( mix ) ( máx ) R AK d A... p A 3 Tema 5 - Sintetizadores 6
17 Ejercicio 5.: Cálculo del iltro del lazo Se pide: c) Si se introduce un iltro de unción de transerencia dada por: =(+ s)/ s, Determine y para que cuando o = 45 MHz sea n = 8 rad/s y =.77 en ambas coniguraciones. C R R F() + s = s 6dB/Oct 33 Ejercicio 5.: Filtro de lazo Constante del VCO K v =(48-4)/(5)=. 6 Hz/v Constante del detector de ase K d =.5v/rad Constante t general de ganancia K= 6 s - Para =45MHz =7 (para divisor ijo) =9 (para divisor doble módulo) n= 8rad/s =.77 R C R n = K = n K = n = n F() 6dB/Oct + s = s 34 Tema 5 - Sintetizadores 7
18 Filtro de lazo Sintetizador de divisor ijo =.88ms 88 =.767ms =566 rad/s G = / =.6 G = 6.7dB Sintetizador de doble módulo =6.54ms =.767ms =566 rad/s G =.7 G = -.4dB F() G 6dB/Oct + s = s R C R 35 Ejercicio 5.: Filtro de lazo 4 ra log rb G a db log G b Fijo y Prog Do ble módulo rad s Tema 5 - Sintetizadores 8
19 Ejercicio 5.: Cambio de recuencia Se pide: d) Con los valores de y así calculados l halle el valor de n y cuando o = 48 MHz n = K n = n rad/s 48 n = n 48 =,68 37 Ejercicio 5.: Mejora del iltro e) En ambas coniguraciones calcule la atenuación del iltro a la recuencia doble de la de reerencia. ) Para mejorar la atenuación a la recuencia r colocamos un iltro RC paso bajo de recuencia de corte c =5 n. Calcule la atenuación suplementaria que introduce. g) Si la amplitud de la componente en r en el detector de ase es de.5 V, cuál es el índice de la modulación FM que provoca en el VCO? Cómo sería cualitativamente el espectro de la señal del VCO? 38 Tema 5 - Sintetizadores 9
20 Ejercicio 5.: Mejora del iltro log ra H a rb j ra db 4 log H b j rb Fijo y Prog Do ble módulo rad s Ejercicio 5.: Desviación de recuencia y m Div Fijo y Prog. Ganancia del iltro G=6.7 db Filtro adicional G c /-5.8 db Índice de modulación =k v V c = k v V d F( re )G ( re ) =6kHz m = r =.5kHz m= / m =48 Div doble módulo. Ganancia del iltro G=.3 db Filtro adicional G =-43.9 db Índice de modulación =9.6kHz m = r =khz m= / m =. 4 Tema 5 - Sintetizadores
21 Ejercicio 5.: Desviación de recuencia y m Div Fijo y Programable. m=48 Div doble módulo m=. 5kHz 6dB 4 khz Ejercicio 5.: Febrero Se desea diseñar un sintetizador de recuencias para obtener una recuencia entre 75 y 78 MHz con saltos de khz y un tiempo de conmutación de s.. Dibuje un esquema del sintetizador con un divisor de doble módulo y calcule los actores de división de los divisores si se emplean divisores programables que admiten hasta 3 MHz.(6p). Determine la pulsación propia de la unción de transerencia del sintetizador para conseguir la condición de conmutación, con un error máximo de recuencia de khz para un salto entre dos recuencias consecutivas. Utilice =.7 (4p). Utilice la gráica de la igura. 4 Tema 5 - Sintetizadores
22 Ejercicio : Febrero 43 Ejercicio 5.: Solución. Dibuje un esquema del sintetizador con un divisor de doble módulo y calcule los actores de división de los divisores si se emplean divisores programables que admiten hasta 3 MHz.(6p) Osc. 5MHz x r khz D.F. p K d V.C.O. K v P/P+ K d R 75 MHz 78 MHz 78 P P 6 RESET R AK d 44 p P A r 8575MHz 89 MHz p 4 48 A 6 Tema 5 - Sintetizadores
23 Ejercicio 5.: Febrero. Determine la pulsación propia de la unción de transerencia del sintetizador para conseguir la condición de conmutación, con un error máximo de recuencia de khz para un salto entre dos recuencias consecutivas. Utilice =.7 7 (4p). Utilice la gráica de la igura. Máximo error relativo en el salto de recuencia / t n ti 4. n 4krad / s 4 s 45 Ejercicio : Febrero 46 Tema 5 - Sintetizadores 3
24 Ejercicio 3: Febrero 6 Se desea conigurar un sistema de recepción de televisión digital terrestre (TDT), para lo que se dispone el esquema de la igura, compuesto por una antena Yagi de UHF de dbi de ganancia, un cable de 5 metros (3 db de pérdidas), y un receptor TDT. El sistema TDT ocupa los canales a 69 (47-86 MHz) de UHF, de 8 MHz de ancho de banda y centrados en = 474 MHz (canal ) a 69 = 858 MHz (canal 69). El receptor debe uncionar en toda la banda. El receptor TDT está compuesto por una etapa de RF (ront-end), un iltro SAW de recuencia intermedia y un decodiicador modelo DRX3973. Las especiicaciones del receptor TDT son las siguientes: 47 Banda de RF: MHz Frecuencia intermedia: 36 MHz Ancho de banda de canal: 8 MHz Potencia mínima de entrada: - 7 dbm Potencia máxima de entrada: -5 dbm Figura de ruido: db Ejercicio 3: Febrero 6 G= dbi G=3 db Filtro de RF L=3dB L=6.5 db Filtro SAW FI=36 MHz B=8 MHz L=.5 db G max =4 db P min = - dbm P max = dbm C/I > 4 db S/ > 5 db DRX 3973D 5 m Receptor TDT 48 Tema 5 - Sintetizadores 4
25 Ejercicio 3: Febrero 6 Especiique cuáles son las recuencias a sintetizar por el oscilador local. Utilice una conversión con oscilador local inerior (p) Dibuje un esquema basado en un divisor de doble módulo, escogiendo la recuencia de reerencia de modo que los valores de división del divisor completo den números naturales. (p) Seleccione los valores de los divisores sabiendo que los divisores programables de que se dispone no pueden trabajar a más de MHz. ota: considere que el actor de división del divisor de doble módulo debe ser potencia de (P=,4,8,6...) (p) Calcule los valores de coeiciente de amortiguamiento y pulsación propia a la recuencia mínima, si se dispone de un detector de ase con Kd = V/rad, un VCO con Kv = 8 MHz/V, y un iltro lead-lag activo con C = nf, R =.5 k y R = 3.3k (p) Calcule el tiempo de conmutación en el salto de un canal al canal adyacente, si se considera que se ha producido el salto cuando hay un error de recuencia inerior a 4 khz. (p) 49 Ejercicio 3: Febrero 6.3.o t.5 r n t Tema 5 - Sintetizadores 5
26 Test de Comprobación P 5. En un sintetizador de recuencia con PLL, el ruido de ase lejos de la portadora se debe: a) Al ruido del VCO. b) Al ruido de la señal de reerencia.. c) Al ruido de los divisores. d) Al ruido del detector de ase. P 5. Un divisor de recuencia programable es un circuito lógico con recuencia limitada a: a) Cero a MHz b) MHz a GHz c) Cero a khz d) khz a MHz 5 P 5.3 El divisor de recuencia de doble módulo es: a) Un divisor ormado por dos divisores programables en cascada b) Un divisor que puede conmutar entre dos actores de división consecutivos c) Un divisor programable con actores de división raccionarios. d) Un divisor de recuencia ormado por dos divisores ijos en cascada. Test de Comprobación P 5.4 La ventaja de un sintetizador con divisor de doble módulo rente a uno con prescaler ijo es que: a) o, no tiene ventajas, la recuencia de reerencia es más alta y da más problemas. b) Es más ácil iltrar la recuencia de reerencia y sus eectos porque es más alta. c) El doble módulo reduce la recuencia de reerencia. d) Es más ácil de programar porque hay una órmula que lo explica. P 5.5 En un sintetizador con PLL con una alta relación SR en la reerencia el mejor detector de ase es: a) Un multiplicador analógico porque es el que unciona a recuencias más altas. b) Un multiplicador digital, porque compensa los ciclos de trabajo dierentes de las señales entregadas por los divisores. c) Uno digital activado por lanco porque no resulta aectado por los cambios de ciclo de trabajo de las señales entregadas por los divisores. d) Uno del tipo ase recuencia porque si no engancha el lazo en ase lo hace en recuencia. 5 Tema 5 - Sintetizadores 6
27 Test de Comprobación P 5.6 Si la recuencia de reerencia de un sintetizador resulta demasiado baja para obtenerla a partir de un cristal de cuarzo: a) o hay problema, siempre se puede utilizar un oscilador RC porque su ruido de ase queda dividido por el actor de división de los divisores. b) Lo que hay que hacer es colocar un multiplicador de recuencia a la salida de los divisores. c) o, el multiplicador de recuencia hay que colocarlo a la salida del VCO, así su ruido licker queda divido por los divisores. d) Lo que hay que hacer es colocar un prescaler a la salida del oscilador a cristal, escogiendo su actor de división y la recuencia del cristal de orma que el ruido de ase del conjunto sea mínimo. 53 Test de comprobación P 5.7 Los iltros con bomba de carga son poco utilizados en los sintetizadores porque: a) Es muy complicado añadir un polo adicional para mejorar el iltrado de la señal de reerencia. b) Su tecnología se integra muy mal con los elementos digitales i de los circuitos i integrados. c) Es muy diícil hacerlos lineales. d) Al contrario se utilizan mucho por que es ácil añadir polos para iltrar la señal de reerencia, se integran muy bien con las señales digitales, no importa su linealidad y más razones. P 5.8 Los sintetizadores con mezclador en el lazo son la solución cuando: a) La recuencia de reerencia es tan alta que no uncionan ni los detectores de ase analógicos. b) La recuencia del VCO es tan alta que no hay divisores adecuados. c) La recuencia del VCO es alta y no se quieren utilizar divisores de doble módulo. d) El ciclo de trabajo de la señal de reerencia está alejado del 5% 54 Tema 5 - Sintetizadores 7
28 Test de comprobación P 5.9 Si en un sintetizador se cambia el actor de división: a) Sólo cambia el tiempo de asentamiento b) Sólo cambia la pulsación propia. c) Sólo cambia el ancho de banda de ruido d) Cambia todo lo indicado en las otras repuestas. P 5. En un sintetizador, para reducir la modulación del VCO debida a los armónicos de la señal de reerencia : a) Conviene escoger una señal de reerencia lo más pura posible. b) Conviene modiicar el iltro del lazo para que los atenúe lo más posible. c) o hay que hacer nada, la propia realimentación del lazo los cancela. d) Conviene escoger un detector de ase del tipo biestable JK. 55 Tema 5 - Sintetizadores 8
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