5.10: Resumen

Este capítulo se centró en el diseño de dos categorías de osciladores de microondas: osciladores de frecuencia fija y VCO. Todos los osciladores de microondas pueden considerarse como un amplificador con una red de retroalimentación con el amplificador estableciendo la amplitud de oscilación y la red de retroalimentación configurando la frecuencia de oscilación. Además, casi todos los osciladores de microondas pueden considerarse como osciladores de reflexión en los que el dispositivo activo, con retroalimentación adecuada, presenta una resistencia negativa, o equivalentemente, una conductancia negativa a un circuito lineal selectivo de frecuencia. Si se utiliza el diseño basado en conductancia negativa o resistencia negativa depende de cuál, resistencia o conductancia, se reduce en magnitud a medida que aumenta el nivel de señal. Dado que los transistores son esencialmente fuentes de corriente controladas por voltaje, y la corriente tiende a saturarse a altos niveles de salida, la visión natural es considerar que los osciladores basados en transistores tienen una conductancia negativa que se reduce en magnitud a medida que aumenta el nivel de señal. Con los osciladores de reflexión de conductancia negativa parte o la totalidad de la red de retroalimentación aparece como un circuito lineal de dos terminales, es decir, de un puerto, en paralelo con la conductancia negativa del dispositivo activo. Este circuito de dos terminales a menudo se llama circuito resonador o tanque.

En el capítulo se presentaron dos estudios de caso de diseño de osciladores. Esto permitió ilustrar decisiones de diseño que no podían presentarse de manera algorítmica. Si bien los estudios de caso de diseño consideraron diseños de Colpitts de base común, los principios se aplican a otros tipos de osciladores. Aún así, el núcleo del oscilador Colpitts de base común/drenaje común ha demostrado producir VCO de microondas con un rendimiento estelar. Los RFIC necesariamente usan circuitos diferenciales, pero incluso entonces están convenientemente diseñados como osciladores de conductancia negativa. Tratar el problema de diseño como el de los circuitos interconectados de un puerto simplifica considerablemente las compensaciones de diseño y, por lo tanto, facilita el logro de un VCO óptimo.

El diseño de VCO es el más complicado de los diseños de microondas con importantes compensaciones de ruido de fase baja, estabilidad, amplio rango de sintonización, transitorio de encendido rápido, alta potencia de salida y alta eficiencia. Hace varias décadas los osciladores de frecuencia fija eran los más comunes. Con estos, la red de retroalimentación incorpora un elemento de alta\(Q\) resonancia que da como resultado que el ruido de fase en la señal oscilante sea insignificante en casi todas las aplicaciones de microondas. El\(Q\) resonador de alta frecuencia de los osciladores de frecuencia fija asegura en gran medida una sola frecuencia de operación, y la salida de amplitud constante deseada se asegura asegurando que el dispositivo activo entre en saturación. Con un VCO, la estabilidad no es tan fácil de lograr. La estabilidad aquí se refiere al oscilador que produce una onda sinusoidal de una sola frecuencia y amplitud constante.

Con VCOs el resonador es casi siempre de relativamente bajo\(Q\), ya que debe ser variable. Entonces, una preocupación importante en el diseño del oscilador es el ruido de fase que aparece en la señal de salida. La gestión del ruido de fase es complicado porque los orígenes del ruido de fase no son bien conocidos y, por lo tanto, los modelos de dispositivos basados físicamente, que permitirían la determinación precisa del ruido de fase en la simulación de circuitos de RF basados en computadora, no están disponibles. Para los VCO no competitivos hay muchas fuentes de ruido distintas del ruido de fase intrínseco de un dispositivo activo que dominan el ruido de fase de la señal de salida. Por ejemplo, se sabe que la conversión ascendente del ruido de baja frecuencia y la conversión descendente del ruido armónico producen ruido de fase del oscilador. Sin embargo, una vez que estas fuentes de ruido de fase se minimizan en el diseño, queda un componente intrínseco de ruido de fase restante. Es este ruido de fase, intrínseco a los dispositivos activos, lo que es la preocupación del diseño competitivo de VCO. Si bien los orígenes del ruido de fase intrínseco en osciladores bien diseñados no se comprenden completamente, existen mejores prácticas a seguir que minimizan el acoplamiento del ruido externo a la señal oscilante. El ruido externo a bajas frecuencias se convertirá de manera ascendente a menos que se tenga cuidado. Una buena práctica de diseño es eliminar el ruido de baja frecuencia de la fuente de alimentación y de la fuente de voltaje de sintonización para VCO. Algunas pautas más específicas:

1. Se requiere una buena conexión a tierra con condensadores de desacoplamiento entre la fuente y la tierra.
2. Se debe prestar atención a la ruta de retorno de la señal para la fuente de voltaje de alimentación y sintonización para evitar el acoplamiento de impedancia común. Cualquier ruido en el voltaje de sintonización en un VCO dará como resultado ruido de fase en la salida del VCO. En un circuito de microcinta, solo se debe eliminar el metal mínimo en la capa de microcinta con metal flotante conectado a tierra a través de múltiples vías. Esto suprime los modos de sustrato, minimiza el acoplamiento parasitario y minimiza la distorsión de intermodulación pasiva electrotérmica.
3. La salida del oscilador debe conducir una carga resistiva y es común usar una almohadilla resistiva (es decir, atenuador) seguida de un filtro de paso de banda. Esto reduce el efecto de la carga sobre la frecuencia de oscilación. También es común aislar el circuito del tanque de la carga como se vio en los casos de estudio presentados en este capítulo.
4. Las trayectorias internas del oscilador deben ser lo más pequeñas posible para minimizar el acoplamiento del ruido del ambiente.

Un VCO se puede incorporar en un bucle de fase bloqueada que reduce aún más el ruido de fase y bloquea el oscilador a una referencia de frecuencia altamente estable de baja frecuencia. La frecuencia de oscilación es entonces controlada por la división de frecuencia fraccional en el bucle de fase bloqueada.