Osciladores- Introducción

Transcripción

1 Osciladores Mezcladores PLL Sintetizadores Conversores Multiplicadores de frecuencia Osciladores- Introducción El oscilador es un circuito que presenta perturbaciones eléctricas de amplitud en periodos de tiempo regulares, que pueden ser discretos o analógicos. El oscilador analógico tiene un comportamiento senoidal y es el elemento utilizado en transmisores y receptores para obtener la frecuencia portadora o de sincronismo En todo el sistema de comunicaciones los osciladores se utilizan para transportar los espectros de señales de información alrededor de la frecuencia del oscilador (modular), a una frecuencia intermedia (Mezclar), o transportarla a la frecuencia cero(demodular) 1

2 Oscilador senoidal Los osciladores senoidales de rf, son circuitos amplificadores inestables, al contrario de los amplificadores lineales hay que asegurar la inestabilidad con un circuito de realimentación Amplificador Red que estabiliza y limita la amplitud de salida red que determine la frecuencia 3 Redes de radiofrecuencia Oscilador senoidal Lafuncióndesalidaesdelaforma Y la función de transferencia Ao(s)eslaganancia delazoabierto Ac(s)eslagananciadelazocerradoyesdelaforma 3 Redes de radiofrecuencia 2

3 Oscilador senoidal Im X X O Re a Im X O jw o X Im X b O Re -jw o X c Oscilador senoidal criterio de oscilación Barkhaussen Laganancia delazocerradoac(s)debeseruno la señal realimentada debe estar en fase a la entrada del sumador H1(s) elige la frecuencia de oscilación del sistema Lo ideal es que con un Q, para la red H2(s), y se pueda pasar en el plano complejo de π a π en forma vertical, esto implica que no hay variación de frecuencias. 3

4 Oscilador senoidal modelos LC Los modelos LC garantizan el criterio de Barkhaussen El modelo general se muesta en (a), para el modelo con transistor BJT en(b). La admitancia de salida y o y la impedancia Z 2 se agrupan como la Z 2 final, La admitancia de entrada y i y laimpedancia Z 1 se agrupan como la Z 1 final, y la impedancia de realimentación Z 3 Oscilador senoidal modelos LC Colpitts El modelo Colpitts es un oscilador senoidal el cual tiene las siguientes caracteristicas Está compuesto por las impedancias reactivas ConZ 1 y Z 2 comocapacitivos,y Z 3 comoinductiva. 4

5 Oscilador senoidal modelos LC Hartley El modelo Hartley es un oscilador senoidal el cual tiene las siguientes características Está compuesto por las impedancias reactivas ConZ 1 y Z 2 comoinductivas,y Z 3 comoinductiva. Oscilador senoidal modelos LC Clapp EsunavariacióndelmodeloColpitts,elcualseleinvolucraun capacitor en serie con la bobina El objetivo es minimizar el efecto de las capacitancias de transistor, y consiste en tomar valores muy grandes de C1 y C2luegoLsehacemuypequeña. 5

6 Oscilador senoidal a) Vackar, b) Seiler, c) Seiler mejorado Hay características requeridas en los osciladores que son muy específicas y que son limitadas en los oscialdores vistos anteriormente. Oscilador senoidal a) Vackar, b) Seiler, c) Seiler mejorado Otras características a tener en cuanta son: Buena estabilidad en frecuencias, aunque con el oscilado Clapp es aceptable. mejor respuesta al ruido de fase. Mínima influencia de la carga, en selección de parámetros para osciladores variables 6

7 Oscilador senoidal a) Vackar Características a tener en cuanta Es muy estable. Bajoruidodefaseybajosespurios Mínima influencia de la carga, en selección de parámetros para osciladores variables Tieneunanchodebanda mayor Es un modelo ampliamente utilizado en osciladores variables Oscilador senoidal b) Seiler, c) Seiler mejorado Características a tener en cuanta del oscialdor Seiler son: Mejora la estabilidad, haciendo imperceptible las reactancias parasitas Mínima influencia de la carga Muy utilizado en los sistemas modulados de amplitud AMyFM Los parámetros de diseño son los siguientes El oscilador Seiler mejorado es el mas estable y se utiliza par sistemas modulados en BLU(SSB) 7

8 Oscilador senoidal Cristal Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del cristal El material del cristal pueden ser varios como: el cuarzo (SiO2), la sal de Rochelle (tartarato de sodio y potasio tetrahidratado, NaKC4H4O6.4H2O), el fosfato de hidrógeno de amonio, ADP(NH4H2PO4), etc. La característica principal de estos cristales es el efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que si se deforma aparece en sus paredes un campo eléctrico y viceversa, estas deformaciones hace que se presenten frecuencias mecánicas con factor Q muy elevado puesto que tiene muy pequeñas pedidas por fricción. Oscilador senoidal Cristal Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del cristal La relación mecánica y eléctrica del cristal es: L representa la masa vibrante del cristal, Cs representa la elasticidad del cuarzo y R representa las pérdidas que ocurren dentro del cristal. 8

9 Oscilador senoidal Cristal Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del cristal La relación mecánica y eléctrica del cristal es: L representa la masa vibrante del cristal, Cs representa la elasticidad del cuarzo y R representa las pérdidas que ocurren dentro del cristal. El modelo circuital del cristal equivale Oscilador senoidal Cristal Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del cristal X(w) Zona inductiva Resonancia serie Antiresonancia paralelo 0 w s w p w Zona capacitiva 9

10 Oscilador senoidal Cristal - Pierce Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del cristal. Oscilador senoidal VCO Variable Es un oscilador controlado por voltaje, permite una variación de frecuencia a la salida proporcionalmente a la variación de voltaje a la entrada Un dispositivo con capacitancia variable se le conoce como Varicap, el cual es un tipo especial de diodo polarizado inversamente que tiene una capacidad y al variar el volteje cambia la capacitancia. También es característico de ciertos transistores. La variación de la capacitancia de un diodo polarizado inversamente ocurre porque hay cargas eléctricas en los extremos de signo contrarios, separado por una zona de ausencia de portadores llamada zona de exclusión, el ancho de esta zona es proporcional a la tensión aplicada en los extremos del diodo 10

11 Oscilador senoidal VCO Varicap El diodo varicap obedece a la siguiente expresión Donde k es una constante que depende de la concentración de equilibrio de los portadores mayoritarios y de la constante dieléctrica del semiconductor. Oscilador senoidal VCO Modelo comercial 11

12 Oscilador senoidal elementos activos Oscilador senoidal elementos activos- características 12

13 Oscilador senoidal redes resonantes MULTIPLICADORES Un multiplicador analógico es un circuito que produce una señal de salida proporcional al producto algebraico de dos señales de entrada, donde la función de transferencia se denomina factor de escala o constante de ganancia Clasificación de los multiplicadores lineales, no lineales, conmutados Tambiense clasifican por la eliminación de productos de intermodulación simples, balanceados o doblemente balanceados Y por la polaridad de las señales de entrada de uno, dos o cuatro cuadrantes 13

14 MULTIPLICADORES Lineal de Gilbert El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro cuadrantes de Gilbert MULTIPLICADORES lineales de Gilbert El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro cuadrantes de Gilbert Para el análisis de la operación del transistor bipolar, se empleará el modelo unidimensional de Ebers-Moll, el cual la corriente de colector se determina como: 14

15 MULTIPLICADORES lineales de Gilbert El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro cuadrantes de Gilbert Para el análisis de la operación del transistor bipolar, se empleará el modelo unidimensional de Ebers-Moll, el cual la corriente de colector se determina como: MULTIPLICADORES lineales de Gilbert Lasalida del par corresponde a a -v T v T b -v T v T 15

16 MULTIPLICADORES lineales de Gilbert Lasalida del para la celda degilbert Deigual manera voeslineal enlaragion devt< 1 MULTIPLICADORES No lineales - Mezcladores El mezclador forma parte de cualquier sistema de comunicaciones. Es un dispositivo no lineal que desplaza las frecuencias de entrada, una de las entradas esta saturada. Es el dispositivo rf que traslada el espectro de la informacion al lugar correspondiente Se utiliza un elemento activo como, diodos, transistores, tubos etc. 16

17 MULTIPLICADORES No lineales - Mezcladores MULTIPLICADORES Mezclador Simbolo del mezclador m(t) y(t) x(t) 17

18 MULTIPLICADORES Mezclador- ejemplo Paradostonosseobtiene m(t)=a 1 sinω 1 t xc(t) =A 2 sinω 2 t M(f)=0.5*A1δ(f±f 1 ) Xc(f)=0.5A 2 δ(f±f 2 )] y(t)=a[cos(ω 1 -ω 2 )t-cos(ω 1 +ω 2 )t] La transformada de Fourier de y(t) Y(f)=0.5*A[δ(f+f 1 ±f 2 ) +δ(f-f 1 ±f 2 )] MULTIPLICADORES Mezclador- ejemplo M(f) A 1 X(f) A 2 -f 1 f 1 f -f 2 f 2 f A -f 2 - f 1 -f 2 + f 1 f 2 - f 1 f 2 + f 1 f 18

19 Mezclador con transistor 4 Redes de MULTIPLICADORES detector de fase El detector de fase en un red de tres puertos, dos puertos de entrada y un puerto de salida, el cual muestra a la salida el desfase de las señales de entrada Es un multiplicador no lineal y ocurre cuando los voltajes de entrada están por encima del voltaje de transición VT(saturación). La señal de salida es una señal discreta que es proporcional al desfase de las señales de entrada. la función de salida es el del circuito digital XNOR 19

20 MULTIPLICADORES detector de fase La funcion de transferencia es MULTIPLICADORES angular Hace que el ángulo de la señal exponencial sea multiplicada por un numero entero K>1 Es un circuito no lineal, seguido por un circuito sintonizado el cual selecciona el orden le multiplicador 20

21 MULTIPLICADORES angular La señalde entradaesla parte real de unaexponencial Con un filtro se selecciona el factor de multiplicación DETECTORES detector de producto Detector de producto es un mezclador, donde y(t) es una señal modulada en forma lineal, x(t) es la señal del oscilador local y m(t) es una señal banda base (mensaje) y(t) x(t) m(t) y(t) y x(t) son señales sincrónicas (fc, = fo), también se denomina detector sincrónico o coherente. 21

22 DETECTORES detector de envovlente Produce una forma de onda igual a la evolvente de la señal pasa banda que está en la entrada y se muestra en la (figura a). Es útil en AM DETECTORES detector de pendiente Es un circuito el cual convierte los cambios de frecuencia de una señal pasa bandas de entrada proporcionalmente en niveles de voltaje (figura b)lo cual convierte una señal modulada en FM a AM. En la transparencia anterior se vio como se extrae la envolvente con el detector de envolvente. Este circuito es un filtro pasa bandas el cual el voltaje máximo de salida ocurre en la frecuencia resonante f0 del circuito tanque y su salida disminuye proporcionalmente conforme la frecuencia de entrada sedesvíapor encimaopor debajodefc 22

23 DETECTORES detector de pendiente f f c f c f f o f f a b c d DETECTORES Circuito de fase cerrada PLL El PLL es un sistema de realimentación que está caracterizado matemáticamente con las mismas ecuaciones que aplican a los otros sistemas de realimentación convencionales. Las constantes k corresponden a la respuesta del detector de fase, el amplificador, el filtro y el VCO respectivamente 23

24 DETECTORES Circuito de fase cerrada Intervalo de seguimiento: si la frecuencia inicial aplicada es fo, el PLL se cierra y el VCO rastrea la señal de entrada durante un intervalo finito llamado intervalo de retención Intervalo de enganche(captura): es el intervalo de frecuencia en el cual la entrada aplicada hace que el PLL se cierre durante un rango de contención 2 f c 2 f s a 0 pi 2pi b DETECTORES Circuito de fase cerrada- Ejemplo Al PLL ingresa la señal de radiofrecuencia vi(t) y la señaldesalida vo(t) delvco Encontrar la función de transferencia. La salida del detector 24

25 DETECTORES Circuito de fase cerrada- Ejemplo Portablade transformada setiene que Ylafuncion detranferencia que linealiza alplles DETECTORES Circuito de fase cerrada- Sintetizador 25

26 Ejercicios El oscilador Hartley, oscila a una frecuencia de 110 MHz. Con una capacitancia de 24 Pf.Encuentre el valor de las bobinas para la oscilación y el Q de la redes. El Q de un oscilador Colpittstiene un valor de Q de 2000, con una frecuencia de 500 MHz. Y esta acoplado a una carga de 75 Ohms. Encuentre los valores que determinan esta frecuencia. Para el ejercicio anterior se requiere hacer más estable el oscilador, para esto se utiliza el modelo Clapp. Halle el valor del elemento que lo haga más estable sin modificar la frecuencia. El oscilador Seilermejoradotiene los siguientes valores c1, c2, c3, c4 de 120, 180, 100, 240 pfrespectivamente y oscila a 200 Mhz, complete el modelo. Diseñar oscilador Colpitts que utiliza un cristal, la oscilación debe ser de 150 Mhz. 26