6.4: Oscilador local

En esta sección el oscilador local que se utiliza para accionar un mezclador será tratado como una caja negra. El diseño detallado de los osciladores se considera en el Capítulo 5 de [9].

6.4.1 Ruido de fase en osciladores locales

Esta sección se basa en la discusión sobre el ruido en la Sección 4.2. El rendimiento de la mayoría de los sistemas de RF y microondas está limitado por el ruido del oscilador. En un oscilador el ruido cercano al portador, o frecuencia de oscilación, se llama ruido de parpadeo y afecta significativamente el rendimiento del sistema. (En los amplificadores de RF se genera ruido de parpadeo pero es de mucha menos preocupación que con los osciladores). El ruido cercano a la frecuencia central de oscilación (decenas de hercios a unos pocos megahercios de distancia para osciladores de RF y microondas) se manifiesta como fluctuaciones aleatorias de amplitud y fase de la portadora. Las fluctuaciones de amplitud son apagadas por la saturación en el oscilador y por lo tanto no son motivo de preocupación. Por lo tanto, el importante ruido cercano es solo el ruido de fase. Este ruido de fase aumenta el desplazamiento de frecuencia menor de la frecuencia de oscilación.

El uso principal de un LO es conducir un mezclador. Entonces el ruido de fase en el LO se agrega a la fase de la señal convertida por el mezclador y así el ruido de fase LO se convierte en ruido de fase en la señal convertida. En un sistema de comunicación modulado digitalmente los componentes del ruido de fase a la velocidad de símbolos y hasta algunos de sus subarmónicos tienen el mayor impacto en la capacidad de demodular señales. Ruido de fase fuera del ancho de banda de

Figura\(\PageIndex{1}\): Gráfica log-log de los espectros de ruido del oscilador: (a) ruido de bucle abierto que muestra regiones de ruido de parpadeo\((1/f_{m})\) y ruido blanco; (b) ruido de\(Q\) bucle cerrado con bucle bajo; y (c) ruido de bucle cerrado con\(Q\) bucle alto.

la señal de comunicación se puede filtrar. También el ruido de fase más lento que unos pocos subarmónicos por debajo de la velocidad de símbolos se compensa en el procesamiento de la señal (por ejemplo, usando códigos de corrección de errores).

La mayoría de los osciladores RF comprenden osciladores de funcionamiento libre cuya frecuencia de oscilación puede ser controlada por una CC aplicada o voltaje de baja frecuencia. Se obtiene un rendimiento superior comparando una versión reducida de una salida de oscilador con un oscilador de referencia de alta precisión, como un oscilador de cristal. Sin la retroalimentación se dice que el oscilador es un oscilador de bucle abierto, y con retroalimentación se dice que es un oscilador de bucle cerrado.

Para un oscilador de funcionamiento libre (es decir, un oscilador de bucle abierto), el ruido de fase cercano a la portadora (es decir, la frecuencia de oscilación promedio) está dominado por el ruido de fase de parpadeo, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a). Esto describe la propiedad de ruido intrínseco del dispositivo activo (y los circuitos circundantes) y se ven claramente las respuestas de ruido blanco y ruido de parpadeo. Cuando el bucle está cerrado, la característica de transferencia de bucle da forma a la respuesta de ruido, produciendo ruido que tiene regiones cercanas a la portadora que tiene una\(1/f_{m}^{3}\) forma, y más lejos de la portadora varía como\(1/f_{m}^{2}\) si el\(Q\) del bucle fuera bajo [10]. El cambio de\(1/f_{m}^{3}\) a\(1/f_{m}^{2}\) dependencia es a lo que se llama la frecuencia de transición o cruce,\(f_{c}\) (ver Figura\(\PageIndex{1}\) (b)). Si el\(Q\) del bucle es alto, el perfil de ruido de fase pasará del\(1/f_{m}^{3}\) régimen directamente al

Figura\(\PageIndex{2}\): Oscilador controlado por voltaje.

\(1/f_{m}\)régimen, y nuevamente la frecuencia de transición es\(f_{c}\) (ver Figura\(\PageIndex{1}\) (c)). La frecuencia de transición suele estar alrededor de unos pocos kilohercios a cientos de kilohercios compensados de la portadora para transistores de microondas. Un análisis de retroalimentación que describe cómo\(1/f\) y el ruido blanco se convierten a las\(1/f_{m}^{3}\)\(1/f_{m}^{2}\), o\(1/f_{m}\) características fue desarrollado por Leeson en 1966 [10] y otros [11]. Una discusión avanzada del ruido de fase del oscilador se da en la Sección 5.8 de [9] y la discusión aquí es limitada pero suficiente cuando se usan osciladores como módulos. Aquí se sigue el enfoque tradicional pero aproximado desarrollado por Leeson.

El ruido de fase se definió formalmente en la Ecuación (4.4.3) y aproximadamente es la relación de la potencia de ruido de fase en un\(1\text{ Hz}\) ancho de banda de una banda lateral única (SSB) a la potencia total de la señal. Esto se mide a un\(f_{m}\) desplazamiento de frecuencia de la portadora y se denota\(\mathcal{L}(f_{m})\) con las unidades de\(\text{dBc/Hz}\) (es decir, decibelios relativos a la potencia de la portadora por hercio).

El ruido de fase que es importante en los osciladores de RF y microondas (que tienen relativamente bajos\(Q\)) suele estar dominado por una\(1/f_{m}^{2}\) forma. Luego, el ruido de fase at\(1\text{ MHz}\) (una frecuencia común para comparar el rendimiento de ruido de fase de diferentes osciladores) se relaciona con el ruido de fase\(f_{m}\) medido en

\[\label{eq:1}\mathcal{L}(1\text{ MHz})=\mathcal{L}(f_{m})-10\log\left(\frac{1\text{ MHz}}{f_{m}}\right)^{2} \]

Otra evaluación cuantitativa comúnmente utilizada del rendimiento del oscilador es proporcionada por la figura de mérito del oscilador\(\text{FOM}_{1}\), que da cuenta de la potencia de CC consumida [12]:

\[\label{eq:2}\text{FOM}_{1}=\mathcal{L}(f_{m})-10\log\left(\frac{1\text{ MHz}}{f_{m}}\right)^{2}+10\log\left(\frac{P_{\text{DC}}}{P_{\text{ref}}}\right) \]

donde\(P_{\text{ref}}\) se toma convencionalmente como\(1\text{ mW}\) y\(\text{FOM}_{1}\) se hace referencia al ruido de fase en\(1\text{ MHz}\).