Osciladores RF: Circuitos Integrados VCO para Productos de Microondas/mmWave

El mundo de la RF puede ser intimidante para el diseñador digital, y navegar por la gama de componentes para diferentes sistemas puede ser difícil. Se realiza mucho procesamiento de señales analógicas a nivel de hardware, y hacer el trabajo requiere elegir los componentes analógicos adecuados. Un componente crítico es un oscilador de RF, que puede usarse como una fuente de señal o como una señal de referencia estable.

Diferentes VCOs están calificados para diferentes niveles de señal, pero te ofrecen una manera conveniente de controlar la frecuencia de tu oscilador de referencia. Algunas aplicaciones inmediatas incluyen la modulación de frecuencia directa, la síntesis de frecuencia y los osciladores de referencia estables. Aquí está lo que debes tener en cuenta al seleccionar un VCO para estas y otras aplicaciones.

Aplicaciones de VCO en Productos de RF

Muchas aplicaciones inalámbricas y de RF de baja potencia están avanzando hacia los SoCs, donde un VCO, PLL, componentes DSP, CPU, ADC/DAC y otras funciones se están integrando en una sola unidad. Para otras aplicaciones de salida de potencia intermedia y alta, probablemente necesitarás depender de componentes discretos y un VCO IC dedicado para tu aplicación. Además, si estás innovando sistemas únicos para usar como osciladores estables u otras aplicaciones en frecuencias de GHz, ayuda usar un VCO IC como parte del diseño del sistema general antes de comprar un SoC más caro.

Especificaciones Importantes de VCO

Hay dos tipos principales de VCOs para usar como osciladores RG. Un VCO lineal está diseñado para producir una onda sinusoidal con un varactor integrado en un circuito tanque LC. Los varactores ideales son no lineales, pero hay un rango de caídas de voltaje a través del varactor que se puede aproximar como casi lineal, lo que determinará el rango de sintonización en el circuito. Los osciladores de relajación están diseñados para producir una onda cuadrada, triangular o de diente de sierra y se forman fácilmente en un MMIC. Un VCO multivibrador astable es un ejemplo de un oscilador de relajación que emite una onda cuadrada, aunque esto se puede convertir en una onda triangular con un circuito integrador.

Un VCO ideal emitirá un tono perfectamente sinusoidal/triangular/de diente de sierra sin ruido de fase, estabilidad de temperatura cero y con un rango de frecuencia lineal. Los componentes reales no operan de esta manera, pero a menudo pueden acercarse. Aquí hay algunas especificaciones importantes a considerar al seleccionar un VCO para un oscilador de RF:

• Rango de ajuste de voltaje: Esto determinará el rango de voltajes de entrada de CC que el dispositivo puede aceptar, los cuales luego serán convertidos a la frecuencia deseada.
• Rango de frecuencia: El rango de frecuencia que encontrarás en una hoja de datos normalmente es un gráfico que muestra un rango lineal. Si aumentas más allá del extremo superior del gráfico de voltaje de entrada vs. frecuencia de salida, encontrarás que la frecuencia de salida se satura en algún valor máximo. Idealmente, el rango de frecuencia debería ser una función lineal del voltaje de ajuste, pero este no siempre es el caso.
• Rango de ajuste: Esto es simplemente el rango de frecuencia dividido por el rango de voltaje de entrada (dentro de la región lineal). Generalmente, esto se cita como un valor constante en unidades de MHz/V o GHz/V.
• Estabilidad de temperatura: Diferentes componentes tendrán diferentes niveles de estabilidad. En general, la potencia de salida y la frecuencia de salida disminuirán a medida que la temperatura aumenta, pero la cantidad exacta de disminución varía según el componente. Asegúrate de verificar esto ya que determinará qué medidas de gestión térmica podrían ser necesarias en tu placa. Tipo de oscilador: Asegúrate de verificar el tipo de oscilador utilizado en el VCO (ver arriba).
• Salida armónica/sub-armónica: Algunos VCOs te permitirán acceder directamente a una armónica superior o una armónica inferior en la salida. Normalmente, el primer sobretono (el doble de la frecuencia fundamental) o el primer subtono (la mitad de la frecuencia fundamental) se pueden acceder desde la salida.
• Ruido de fase: esta especificación es crítica para aplicaciones que requieren un tiempo preciso, como la conversión de digital a tiempo en lidar y radar. Esta también es una especificación crítica cuando un VCO se utiliza como un oscilador de referencia.

Opciones de Componentes de Oscilador RF VCO

Analog Devices, HMC739LP4E

Tras su adquisición de Hittite, Analog Devices ofrece el VCO Hittite HMC739LP4E como parte de su portafolio. Este VCO proporciona salidas de media frecuencia y división por 16 además de la salida de frecuencia ajustable estándar. La frecuencia estándar se puede ajustar linealmente de 23.8 a 26.8 GHz hasta 14 dBm de salida, con un ajuste ligeramente no lineal más allá de este rango. Aunque tiene un rango de ajuste estrecho, tiene una salida de potencia relativamente alta y es ideal para aplicaciones de radio punto a punto, radio punto a multipunto y VSAT.

Este MMIC está construido alrededor de un transistor bipolar de heterounión GaAs-InGaP, por lo que proporciona una salida de potencia eficiente a lo largo del rango de ajuste. También tiene un ruido de fase muy bajo, como se muestra en los gráficos a continuación.

Ruido de fase SSB del VCO HMC739LP4E. Del datasheet del HMC739LP4E.

MACOM, MAOC-009268-PKG003

El MAOC-009268-PKG003 de MACOM es una opción para un VCO basado en InGaP HBT para la generación de frecuencias en GHz. Este VCO proporciona una salida ajustable de 12.7 a 14.2 GHz con hasta 9 dBm de potencia de salida. Este componente también ofrece una salida de media frecuencia con hasta 1 dBm de potencia de salida. Una ventaja de este componente es que la potencia de salida es básicamente constante a lo largo del rango de voltaje de sintonización, lo cual no ocurre con el componente anterior. También tiene una excelente estabilidad de temperatura, como se muestra en los gráficos a continuación.

Estabilidad de temperatura del VCO MAOC-009268-PKG003. Del datasheet del MAOC-009268-PKG003.

Texas Instruments, LMX2531LQE1415E

El VCO LMX2531LQE1415E de Texas Instruments es una solución completa de sintetizador de frecuencia que incluye un PLL integrado. Cuando se combina con un oscilador de referencia externo, este dispositivo genera señales de oscilador local de bajo ruido para la conversión ascendente y descendente. También incluye una interfaz de control serie para la sintonización con un modulador delta-sigma de fracción-N (hasta de 4º orden). Algunas aplicaciones ideales incluyen comunicaciones por satélite, estaciones base celulares, CATV y reloj para convertidores de datos.

Ruido de fase en lazo abierto y cerrado. Del datasheet del LMX2531LQE1415E. (Alt text: Gráficos de ruido de fase de LMX2531LQE1415E) https://drive.google.com/open?id=17CohCZB3_NKahnxiUMZC3tmM7tJezroq

Hemos presentado solo algunas de las muchas opciones de componentes VCO de oscilador RF que puedes encontrar en el mercado. Hay otras opciones para aplicaciones de menor potencia, como PLLs con VCOs integrados. Estos componentes integrados y muchos más VCOs IC discretos para productos RF se pueden encontrar en Octopart.

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