Generadores de señales sintetizados
Para canales de 1 MHz a 2,4 GHz, un sintetizador de N entero multiplica por 2440 el ruido de fase de su comparador. Uno fraccional, por 49: su ruido de fase queda 17 dB más abajo.
01Del DDS al lazo enganchado en fase
La síntesis digital directa de las fuentes de señales de Medidas I da una resolución finísima, pero su salida no puede pasar de una fracción del reloj. Para generar señales de cientos de megahertz a varios gigahertz con la exactitud de un cristal, los generadores de RF usan un lazo enganchado en fase (PLL): un oscilador controlado por tensión (VCO) cuya frecuencia, dividida por \( N \), se compara con una referencia estable. El lazo corrige el VCO hasta que las dos coinciden:
02Los bloques del sintetizador
| Bloque | Función |
|---|---|
| Referencia | Un oscilador de cristal compensado (TCXO) o en horno (OCXO), a veces enganchado a GPS |
| Divisor R | Baja la referencia a la frecuencia de comparación |
| Comparador de fase y frecuencia con bomba de carga | Entrega pulsos de corriente proporcionales al error de fase |
| Filtro del lazo | Integra los pulsos y fija el ancho de banda del lazo y su estabilidad |
| VCO | Genera la salida; su frecuencia depende de la tensión de control |
| Divisor N | Lleva la salida a la frecuencia de comparación |
El PLL es un sistema realimentado, y su ancho de banda y su margen de fase se diseñan como los de un amplificador realimentado. Por estabilidad, el ancho de banda del lazo se mantiene por debajo de un décimo de \( f_{PFD} \): comparar a baja frecuencia obliga a un lazo lento, que tarda en engancharse al cambiar de canal.
03Ruido de fase
Un generador real no produce una línea espectral perfecta: su fase fluctúa, y el espectro tiene "faldas" a los costados de la portadora. El ruido de fase se especifica en dBc/Hz a una distancia de la portadora. Dentro del ancho de banda del lazo, el ruido de la referencia y del comparador se multiplica por \( N \), es decir, sube \( 20 \log N \); fuera, domina el del VCO. El ruido dentro de la banda se estima con la figura de mérito del comparador, de unos −220 dBc/Hz en los circuitos actuales:
Esa es la razón de ser de los sintetizadores de N fraccional: el divisor alterna entre \( N \) y \( N+1 \) con un modulador sigma–delta, de modo que el promedio es fraccionario. Se compara a decenas de megahertz y se obtiene un paso de pocos hertz. El precio son las espurias fraccionales, líneas cercanas a la portadora que el modulador y el filtro del lazo tienen que mantener bajas.
Un sintetizador para la banda de 2,4 GHz con una figura de mérito de −220 dBc/Hz. En N entero, la frecuencia de comparación es el paso de canal; en N fraccional, 50 MHz. Las barras comparan el ruido de fase dentro de la banda del lazo de las dos arquitecturas.
04Cómo leer la hoja de datos de un generador sintetizado
- Rango y resolución de frecuencia, y la exactitud, que es la de la referencia interna o externa.
- Ruido de fase a 10 kHz o 20 kHz de la portadora, la cifra que separa a un generador de laboratorio de uno de alta pureza.
- Espurias y armónicas, en dBc.
- Tiempo de conmutación entre frecuencias, que depende del ancho de banda del lazo.
- Nivel de salida y su exactitud, y las modulaciones disponibles: AM, FM, pulsos, I/Q.
05En el laboratorio
Medir con un analizador de espectro el ruido de fase de un generador sintetizado a 1 kHz, 10 kHz y 100 kHz de la portadora, corrigiendo por el ancho de banda de resolución.
Programar un sintetizador PLL integrado con un microcontrolador, en N entero y en N fraccional, y comparar el espectro de salida y las espurias.
Enganchar el generador y el contador del laboratorio a una misma referencia de 10 MHz y observar cómo desaparece la diferencia de lectura.
06Errores frecuentes
- Comparar a la frecuencia del paso de canal sin necesidad. Sube el ruido de fase y hace lento al lazo.
- Olvidar que el ruido de la referencia se multiplica. Una referencia ruidosa arruina un sintetizador de GHz.
- Ignorar las espurias del N fraccional. Pueden caer dentro del canal vecino.
- Leer el ruido de fase del analizador sin corregir su ancho de banda. Se expresa por hertz.
07Autoevaluación
¿Qué N hace falta para sintetizar 915 MHz comparando a 200 kHz?
4575.
¿Cuánto sube el ruido de fase en banda al multiplicar por 1000?
\( 20 \log 1000 = 60 \) dB.
¿Por qué un sintetizador fraccional puede tener un lazo más rápido?
Porque compara a una frecuencia mucho mayor, y el ancho de banda del lazo puede ser proporcionalmente mayor.
¿Qué desventaja tiene el N fraccional?
Las espurias fraccionales cerca de la portadora.
08Para ampliar
- Dean Banerjee. PLL Performance, Simulation, and Design. 5.ª ed., Dog Ear Publishing, 2017. El diseño de sintetizadores con bomba de carga, con ruido de fase y espurias.
- Ulrich L. Rohde. Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. Wiley, 1997. La referencia clásica sobre sintetizadores de radiofrecuencia.
- Roland E. Best. Phase-Locked Loops: Design, Simulation, and Applications. 6.ª ed., McGraw-Hill, 2007. Los PLL analógicos y digitales desde la teoría de control.