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LibreTexts Español

5.1: Introducción

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    86072
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    La mayoría de los osciladores RF generan señales sinusoidales que se utilizan para accionar mezcladores o, si se modulan, para producir señales moduladas en frecuencia directamente. En algunos diseños, los osciladores de microondas impulsan circuitos flip-flop que producen señales periódicas de onda cuadrada con múltiples fases según se requiera para las unidades LO de moduladores I/Q. Los osciladores de RF y microondas se pueden diseñar utilizando un enfoque de dos puertos o uno. El tratamiento clásico de los osciladores se basa en un dispositivo de ganancia de dos puertos con un bucle de retroalimentación, pero el oscilador casi siempre se puede ver y, por lo tanto, se diseña más convenientemente a frecuencias de microondas, como un puerto en el que un circuito resonante, llamado circuito tanque, está conectado a un activo circuito que presenta una resistencia negativa. Sin embargo, los análisis de estabilidad, ruido y arranque de un oscilador se basan en dos puertos con retroalimentación.

    Todos los diseños de osciladores de microondas se basan en una de las tres configuraciones básicas de oscilador. Las configuraciones adecuadas deben tener la menor cantidad posible de elementos reactivos al tiempo que permiten una oscilación estable de una sola frecuencia. Estas configuraciones tienen tres o cuatro elementos reactivos. Mapear un diseño de oscilador de microondas en uno de los diseños de oscilador estándar no es simple principalmente porque los dispositivos activos a frecuencias de microondas tienen capacitancias parásitas sustanciales y también se deben hacer ajustes para acomodar la polarización. La estabilidad de un oscilador de microondas es de gran preocupación y la esencia es que debe haber tan pocos elementos significativos de almacenamiento de energía como sea posible. Si hay elementos parásitos de almacenamiento de energía, estos deberían ser bastante pequeños o absorbidos en los condensadores de una de las configuraciones básicas del oscilador. Con más elementos de almacenamiento de energía de los necesarios, las posibilidades de resonancias no deseadas son mucho mayores y por lo tanto la inestabilidad de un oscilador es más probable.

    A frecuencias de microondas el\(Q\) de los elementos agrupados es limitado. Un inductor agrupado en el circuito del tanque tiene un nivel particularmente bajo\(Q\) y si hay espacio es reemplazado por una línea de transmisión. Los osciladores que son fijos en frecuencia pueden utilizar un circuito resonante con elementos de\(Q\) circuito alto. Esto contrasta con los osciladores controlados por voltaje (VCO) que tienen un elemento variable con pérdida, casi siempre un varactor, en el circuito del tanque en lo que ahora es un circuito de baja\(Q\) resonancia. La variación controlada por voltaje de (invariablemente) la capacitancia de este elemento cambia la frecuencia del oscilador.

    Un oscilador de microondas podría realizarse en chip o realizarse como un circuito híbrido con un dispositivo activo empaquetado y elementos agrupados empaquetados y posiblemente líneas de transmisión para el circuito resonante. Un diseño híbrido tiene mucha más flexibilidad que un diseño en chip, y si se diseña correctamente tiene un mejor rendimiento que un diseño monolíticamente integrado. Las técnicas de diseño híbrido son mucho más maduras que los diseños basados en chips, pero con el tiempo algunas de las técnicas utilizadas con los diseños híbridos migrarán a diseños en chip. Además, los diseños en chip son preferiblemente diferenciales con transistores en una configuración push-pull, es decir diferencial. Se puede obtener un mejor rendimiento de un oscilador en chip mediante el uso de un resonador fuera de chip.

    La teoría del oscilador deriva del análisis de un puerto de dos puertos con ganancia y retroalimentación. Esta teoría se describe en la Sección 5.2. Las siguientes secciones exploran configuraciones prácticas de osciladores. En la sección 5.3 se presenta la técnica de diseño para diseñar un oscilador de microondas de frecuencia fija y a esto se le da seguimiento con un estudio de caso de diseño en la Sección 5.4. La característica distintiva aquí es que el circuito resonante consiste en\(Q\) elementos altos. La Sección 5.5 presenta un enfoque de diseño para un oscilador de microondas controlado por voltaje. En la Sección 5.6 se presenta un estudio de caso de vanguardia de un diseño de\(5\text{ GHz}\) VCO. La Sección 5.7 describe el diseño de un oscilador diferencial en chip. Las dos últimas secciones, las Secciones 5.8 y 5.9 de este capítulo describen el ruido de fase del oscilador, característica que es el parámetro fundamental limitador de rendimiento de un oscilador ya que, por ejemplo, afecta la sensibilidad y el rendimiento de los sistemas de comunicación y el alcance del radar.


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