(Oscilador cotrolado por Voltaje)
Es un dispositivo particular dentro de los principios de la técnica de modulación en frecuencia. En el sentido estricto no son moduladores de frecuencia de una onda portadora central, a veces también se les considera como convertidores de voltaje a frecuencia .
En principio lo que se espera es tener una onda de salida en proporción a algún parámetro de voltaje de control .
Las redes RC pasivas o desfasadoras y determinantes de frecuencia, apropiadas para osciladores de cambio de fase y con puente de Wien modificado, son muy usuales en realización de osciladores controlados directa o indirectamente por voltaje.
El diseño de estos circuitos es relativamente fácil para algunos casos sencillos, sin embargo el diseño se complica en mayor o menor grado según la alternativa seleccionada y el rigorismo deseado en : distorsión, rango dinámico, estabilidad, amplitud, etc.
Para algunas opciones conocidas se puede lograr el control de frecuencias de manera directa bajo los siguientes principios:
a) Conectando un circuito con resistencia o capacitancias variables con el voltaje. Esta variación puede ser bajo control manual o electrónico, en base a diodos apropiados y / o a transistores de efecto de campo.
b) Variado resistencias o capacitancias en los brazos de un circuito puente. Esto puede ser bajo consecuencia directa de una aplicación que involucre extensómetro, o bien capacitores variables simples o diferenciales. En estas circunstancias la variable primaria no será voltaje sino alguna cantidad física como fuerza, presión, esfuerzo, etc. sin embargo ello generará un voltaje de desbalance del puente que vendrá a desviar proporcionalmente la frecuencia central de oscilación de un circuito.
c) Generando variación de las ganancias de una o más etapas amplificadoras; donde la frecuencia de oscilación es una función de esta ganancia, dependiente de una capacitancia por efecto Miller.
Cuando el control de frecuencia se realiza por medio de las componentes mencionadas, ante el control postprimario de variaciones de voltaje o ganancia, se dice que el entonado de la frecuencia de salida es electrónico y se les llama entonador electrónico.
La mayoría de los circuitos con cierto control presenta a su salida ondas cuadradas y triangulares , que no corresponde directamente a los llamados osciladores sinusoidales.
Osciladores de base – común
Los VCO’s basados en amplificadores de base – común era n bastante utilizados hasta hace pocos años, estos circuitos tienen relativamente alta eficacia y un decente pero limitado ancho de banda. El inconveniente principal de estos osciladores es su tendencia a cambiar la frecuencia con cualquier variación en la carga, reflejado en un tirón de frecuencia. Un ejemplo de estos osciladores se muestra en la figura siguiente:
fig.1.1 VCO con amplificador base – común
Oscilador de relajación (multivibradores acoplado en emisor)
Este tipo de VCO es el que más se utiliza en los diseños de CI, el circuito oscila al cargar y descargar continuamente un condensador entre dos niveles de voltaje. Se controla con un voltaje de control que suministra a corriente para cargar y descargar el condensador (fig. 2.2).
Aunque el multivibrador es relativamente simple y requiere de pocos dispositivos, la frecuencia de oscilación es parcialmente dependiente del capacitor, y este es bastante sensible a los efectos de la temperatura debido al la configuración de voltaje de acople por emisor.
Estos circuitos pueden presentar bastante rapidez, algunos presentan picos de hasta 7.4 Ghz
fig. 2.2 Multivibrador
Esta configuración acoplada en emisor es no saturada y contiene solo transistores NPN además dentro del circuito son pequeñas las oscilaciones de voltaje . Aunque el circuito típicamente debería operar a grandes frecuencias, la frecuencia utilizable es bastante limitada debido a un corrimiento de la frecuencia central por variaciones de la temperatura que se vuelven mas grandes a frecuencias más altas. Esta sensibilidad a la temperatura se debe principalmente a las características de operación de los transistores y a la resistencia del circuito.
Osciladores del anillo
El oscilador de anillo es diferente al multivibrador. El bloque principal del circuito básico es una celda de retraso no constante que está controlada por voltaje.
Al unir varios elementos de retardo el circuito oscilará con una frecuencia proporcional al voltaje de control, las celdas multiplican por dos el número de estados de retardo (el signo es cambiado y debe pasar entonces dos veces por el mismo lugar para volver a su valor original).
fig. 2.3 Oscilador de anillo básico controlado por voltaje
Multiplicador de cuadratura
Es un multivibrador diferente. Los osciladores de anillo controlados por voltaje no son muy sensibles a los cambios de temperatura o cambios en los valores del condensador, por esto se crean los VCO de anillo con rendimientos de cuadratura múltiple que se usan para duplicar las frecuencias.
Este método permite tener dos señales fuera de fase 90° y consigue multiplicarlas para obtener dos veces la entrada en frecuencia.
Este método es utilizado en muchos PLL. El rendimiento de estos VCO hace posible multiplicaciones de factores de 4 e incluso más altos.
Para describir matemáticamente la multiplicación cuadrática de frecuencia considere un señal A= sin(w t), y otra B= sin(w t+ p /2) que están 90° fuera de fase. Multiplicando las señales tenemos:
A*B = sin (w t)*sin(w t+p /2)
= sin (w t)*cos(w t)
= ½ sin (2w t)
En la figura 2.4 se una explicación más gráfica donde dos signos tienen la misma frecuencia pero una fase cambia 90°.
Cada señal tiene un valor alto o bajo solo en la mitad del ciclo, esto correspondería a un ¼ de 360°, por consiguiente las dos señales tienen el mismo valor a ¼ del periodo.
Se utiliza un circuito excluyente XOR y así se genera una frecuencia 2w.
fig. 2.4
Se nota que para el primer impulso los dos ciclos están en fase, y tienen la misma frecuencia, el VCO está preparado para proporcionar una compensación de frecuencia ya que cualquier cambio en el ciclo será debido a un cambio de señal, el rendimiento de la señal se reduce a 2w en favor de la frecuencia más baja, cuando este es el caso. En la figura 2.5 vemos como en el primer ciclo se ha acortado por d mientras en el próximo ciclo aumenta por la misma cantidad. El problema es que las dos señales de entrada tienen ciclos diferentes
fig. 2.5 Doblamiento de ciclo
Para generar una señal para los cuatro tiempos, la frecuencia del oscilador debe ser doblada de nuevo. Estos solo es posible cuando los las dos señales están dentro de la cuadratura de la frecuencia 2w.
En la figura 2.6 se muestra un ejemplo de esto, las señales cuadradas del centro (0° y 90°, 45° y 135°) son separadas por una fase de retraso del oscilador. La señal tiene que pasar dos veces por los elementos de retraso para completar un ciclo que represente ½ (n/4) , o 45°, entonces de un ciclo de 90° la fase se doblo y se combinó para generar una señal ahora de 4X de la frecuencia central.
fig. 2.6. Oscilador de anillo con frecuencia de 2X y 4X
Top Level VCO
Este es el nuevo avance en osciladores de alto rendimiento, está compuesto de un anillo oscilador de retraso variable, el centro de este VCO es un multiplicador y un divisor de frecuencia. Se alimenta de la señal central y aprovecha la naturaleza del oscilador cuadrático de anillo que genera signos a dos y cuatro tiempos respecto a la frecuencia central. El divisor toma una frecuencia central de la señal de entrada y a divide en múltiplos de 2,4 o 8, además el VCO utiliza un oscilador de anillo de 24 estados.
fig. 2.8 Arquitectura del Top Level VCO
Tres multiplexores son incluidos para proporcionar varios caminos, como las oscilaciones externas pueden presentar problemas, se proporcionan en el CI diversos puntos de chequeo de la señal.
El mutiplexor es el encargado de seleccionar un divisor adecuado para la frecuencia central, utilizando una señal de reloj que le permite elegir entre las señales de 2X y 4X.
PD Detector de fase
La razón principal por la cual los PLL se utilizan ampliamente como componentes de sistemas es que los elementos de seguimiento de fase son en particular muy adecuados para la construcción monolítica, y en un solo circuito integrado se pueden fabricar sistemas completos PLL.
PD tipo transformador – diodo – rectificador
Es un detector de fase de lo mas simple, , basado en la suma y diferencia vectorial de os voltajes de entrada. El circuito será sensible a la fase bajo dos condiciones:
| 0 -> Senoides sincrónicas (wr =ws y en fase) |
1. Si Es< Er y q = |
|
| p -> senoides sincrónicas en contrafase |
la relación de entrada salida del circuito, práctico doblador de valores pico del voltaje senoidal aplicado será:
| 2 Es |
Vo = | o |
| -2 Es |
En palabras, el voltaje promedio de salida será función directamente proporcional a la amplitud pico de la señal de entrada, Se dice entonces que el desfasamiento entre las dos ondas está fijo o clavado en q = 0 o en 180°; es decir habrá indicación de que la detección es sincrónica o en contrafase, respectivamente, con sincronía entre la señal de entrada y referencia.
Si proporcionalmente la salida V0 resulta sensible la amplitud pico de la señal de entrada (prácticamente independiente de la de referencia), esa característica a veces, aunque causando cierta confusión, permite llamarlos, detectores sensibles a la amplitud. Sin embargo, tal característica no es privativa de estos dispositivos, y por ello se usa más apropiadamente el nombre de rectificador doblador sincrónico de valores pico: sensible a la fase y lineal.
La salida en general es una función no lineal de la diferencia de fase, pero la salida vo resulta máxima (sensibilidad) y proporcional a los picos de la señal de entrada cuando q = 0° o 180°; e otras palabras, sensible a la diferencia de fase entre los dos voltajes, cuando convencionalmente se parte de que la onda de referencia se sincroniza y tiene una amplitud mayor a la de la señal.
Hay algunas desventajas de estos circuitos, detectores de fase. Por ejemplo, los diodos son elementos no lineales que muchas veces introducen el problema de no conducir de manera apropiada sino hasta que su voltaje directo alcanza alguna r3egión específica. Esto trae como consecuencia un desbalance por cambios en la conductancia directa de los diodos y un error de área perdida de valor promedio del proceso de rectificación.
PD tipo compuerta
Los circuitos que hacen apropiado este título permiten o no el paso de la forma de onda que lleva la información al filtro de salida. Ello sucede cada medio ciclo de la función desbloqueadora, afectada por rectificación de media onda; es decir, sucede con cada pulso unipolar de desbloqueo. Cuando la onda función de destrabamiento sea bipolar, habrá inversión de polaridad de la señal en cada semiciclo negativo de dicha función.
Estos circuitos usan los principios de las compuertas analógicas; los cuales operan con selección de señal (gating) en función de voltaje aplicado a un canal de entrada llamado referencia o control, y de la fase de este con respecto a la señal de entrada. Hacen así usos de transistores bipolares en circuitos interruptores pulsátiles periódicos o mejor aún, de FET, en acciones de conmutación controlada. En este caso la señal es desbloqueada periódicamente (gate signal) a la frecuencia de la forma de onda apropiada de referencia.
En el diagrama a bloques de la figura 2.9 puede observarse hay una compuerta; circuito con principio de funcionamiento tal que en señales de baja frecuencia permite el lugar a configuraciones llamadas : vibradores o interruptores periódicos o pulsativos, conocidos como “mechanical chopers “.
fig. 2.9 diagrama a bloque del PD tipo compuerta
PD EXOR
La operación del detector de fase es similar al del multiplicador lineal. En la figura 2.10 se muestra las formas de ondas del PD EXOR para diferentes errores de fase. Con un error de fase cero las señales u1 y u2 no tienen exactamente una fase de 90°, como se muestra en la figura. La señal de salida ud es una onda cuadrada cuya frecuencia es el doble de la frecuencia de referencia; el ciclo de la señal ud es exactamente el 50%. Porque los componentes de alta frecuencia de esta señal serán filtradas por el lazo de filtro. El valor promedio ud es menor a los dos niveles lógicos; si el EXOR es llevado a 5V de alimentación ud será aproximadamente 2.5V ese voltaje es considerado un punto muerto del EXOR y es denotado como ud = 0. Cuando la señal de salida u2 retrasa la señal de referencia u1, el error de fase será por definición positivo como se muestra en la figura 3.3. Ahora el ciclo de ud tendrá que venir atrasado el 50% el valor promedio de ud es considerado positivo como se muestra en la forma de onda, el valor máximo del error de fase es de 90° y el mínimo de -90°.
La forma de onda de salida de promedio ud del EXOR es una función triangular del error de fase, la ganancia Kd es constante.
fig. 2.10 Formas de onda EXOR
PD JK-Flipflop
Una utilización del PD JK-FF es el contador detector de fase como se muestra en la figura 2.11. La señal de referencia y la salida del VCO son valores binarios estos son usados para habilitar o deshabilitar el reloj RS de los flipflop. El periodo que se mantiene Q = 1 es proporcional al error de fase. La señal Q es usada para habilitar la puerta de la señal del reloj de HF en el contador, el contador es reseteado en los ciclos positivos de la señal de salida.
El contenido N del contador es proporcional al error de fase, donde N es el n-bit de salida del detector de fase.
fig. 2.11 PD con contador Flip flop
PD Nyquist – rate
El nombre viene porque se utiliza el teorema de niquist para la reconstrucción de forma de onda y dice que solo se necesita dos muestras por periodo de la señal para reconstruir la componente, el diagrama de bloques se muestra en la figura 2.12
La señal análoga de entrada es transmitida en una línea de datos, es muestreada periódicamente y digitalizada. La señal de salida es una palabra digital de n-bits generada por un DCO.
la señal digitalizada de entrada y la de salida son multiplicadas por un programa de software el resultado es el error de fase cuya salida puede ser utilizada en un lazo de filtro digital.
fig. 2.12 Diagrama a bloques de PD Nyquist – rate
PD usando técnica de cruce por cero
Un PD ZC simple es mostrado en la figura 2.13 La señal de referencia se supone que debe ser analógico y la de salida es binaria, las transiciones positivas de la señal de salida son usadas desde un ADC entonces la señal de entrada es muestreada únicamente durante algunos periodos de referencia. La salida digital del ADC es entonces proporcional al error de fase.
fig.2.13 Diagrama a bloques del PD ZC y formas de onda
Bibliografia
Phase – Locked Loops, Theory, design and aplications
Roland E. Best
Edit Mc. Graw Hill
Análisis y diseño de circuitos integrados analógicos
Paul, R. Gray / Robert G. Meyer
Prentice Hall
Electrónica serie uno siete
Harry Mileaf
Limusa
Fundamentos y Sistemas electrónicos para señales analógicas
Rafael Sanchez López
Marcombo S.A.
Principios de Electrónica
Albert Paul Malvino
Mc. Graw Hill
"Trabajo para el área de ingeniería electrónica,
descripción y definición de Osciladores Controlados
por Voltaje (VCO) y detectores de fase(PD), incluye
gráficas y nuevas tecnologías, muy recomendable"
Trabajo enviado por: Ing. Alejandro Pech de la Rosa
Instituto Tecnológico de Minatitlán