Tecnología VCO

(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:

la
relación de entrada salida del circuito, práctico doblador de valores pico del
voltaje senoidal aplicado será:

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