SINTETIZADORES

* Idea para simplificar la construccin de sintetizadores (si las limitaciones son aceptables): use un sintonizador de TV con sintetizador incorporado, de esos que les entra el bus del microcontrolador del TV (en vez de las clsicas patas de V sintona y cambio de banda). Extrayendo con eslabones la seal de las bobinas osciladoras, se obtiene una fuente de RF entre 100 y 900MHz, con saltos del orden de 1/16 1/32 de MHz. Conociendo el formato de los datos (consiguiendo la hoja de datos, o deducindolo observando MUY pacientemente los buses en un TV que use el mismo sintonizador), se los puede imitar mediante un programa en PC que los genere en el port paralelo. stos son mucho ms estables generados desde DOS que bajo Windows. Es posible que el ruido de fase de las seales obtenidas no sea ptimo para comunicaciones de banda ms angosta que TV.

* Cmo determinar la frecuencia de comparacin en un PLL que tiene todo en un integrado: provocar un desenganche momentneo (tocando la bobina osciladora, o meter zumbido de 50Hz tocando la lnea de tensin de sintona) lo cual obliga a que por alguna pata del PLL aparezca residuos de la comparacin. Fijarse en qu pata est la seal de error ms conveniente para el anlisis con osciloscopio.

* Situaciones que pueden engaar a un PLL:- Si el nivel de entrada al prescaler es bajo, es posible que se ponga a oscilar en su frecuencia propia (especificada incluso en la hoja de datos), hacindole creer al PLL que la frecuencia del VCO es muy alta. Esta autooscilacin interna tambin sale por la pata de entrada del prescaler, pudiendo engaar tambin al tcnico si mide en ese punto con un analizador de espectro.- Si el VCO superregenera (su salida se interrumpe y vuelve a arrancar muchas veces por segundo), como el PLL responde a la frecuencia promediada (en cada perodo de comparacin) creer que es baja.

LA TCNICA DE LOS SINTETIZADORES PARA UHF

[Marzo 2010] Nota: desde la aparicin del artculo original, la frecuencia de trabajo de los integrados sintetizadores ha subido mucho, incluso ya no es necesario usar un prescaler en un chip ECL separado de un sintetizador CMOS en aplicaciones como sintonizadores de TV. Sin embargo, el principio presentado del mdulo variable se sigue aplicando, en el rango de las microondas.Electrnica Grfica Nro. 572, Agosto 1981Daniel Prez LU8AKNDesde la aparicin de los divisores programables en circuito integrado, el sintetizador digital se ha convertido en la opcin natural para la generacin de frecuencia por pasos discretos. Es el caso del oscilador local de un receptor o un transmisor, cuya frecuencia debe poder variarse no en forma continua, sino siguiendo la separacin de canales asignada a la banda de inters.Sin embargo, la limitacin de la mxima frecuencia de operacin en los divisores programables actualmente disponibles, obliga a adoptar tcnicas de diseo especiales para posibilitar su empleo en la gama de VHF y superiores. Se describe en esta nota una ingeniosa solucin al problema.El lazo por enganche de fase (PLL) bsicoLa Fig. 1 nos muestra la concepcin ms simple de un sintetizador. La frecuencia fo de un oscilador controlado por tensin OCT (VCO en ingls) es comparada con una frecuencia de referencia fr. La salida del comparador, una vez filtrada, es una tensin continua que depende de la diferencia entre fo y fr (o bien de la diferencia entre sus fases, como veremos).

El propsito del circuito es lograr que el OCT se enganche a la misma frecuencia de la referencia. Para lograrlo -si el sistema est diseado correctamente- en caso de que fo sea mayor o menor que fr, el comparador se encargar de suministrarle al OCT la tensin de correccin necesaria para establecer el enganche.El comparador, en una primera aproximacin a su papel, debera sensar la diferencia de frecuencia. No se hace as en la prctica, por cuanto no es sencillo de implementar. La opcin corriente de utilizar un comparador de fase tiene la ventaja de proveer el enganche absolutamente exacto de las frecuencias. La desventaja radica en que puede hablarse de comparacin de fase slo cuando la diferencia de frecuencias es relativamente pequea, dentro del llamado rango de captura. Sin embargo, ciertos comparadores de fase digitales son capaces de funcionar como comparadores de frecuencias an cuando stas se hallan alejadas.Este tipo de PLL, que genera una frecuencia igual a la de entrada, tiene aplicacin en aquellos casos en que sta presente baja relacin seal-ruido, porque la constante d tiempo del filtro hace que el OCT ignore los errores momentneos introducidos por el ruido. De este modo, circuito acta como filtro regenerador de la seal. Es el caso del control automtico de frecuencia horizontal de los televisores, en los que la referencia es el pulso de sincronismo.El sintetizador bsicoEl tipo de PLL en el cual nos concentraremos, es aquel capaz de producir en su OCT una frecuencia fo igual al producto de referencia fr por un cierto nmero entero N denominado mdulo (*).Segn el tipo de comparador de fase utilizado, el mismo circuito de la Fig. 1 podr ser capaz de enganchar en armnicas impares, pero descartaremos su estudio por no proveer una certeza sobre el orden de la armnica seleccionada.Para obtener fo = N * fr, se intercala un divisor de frecuencia con mdulo de divisin N entre la salida del OCT y la entrada del comparador. Su frecuencia de salida valdr por ello fo/N. Ahora, ser esta fo/N (en vez de fo) la que el comparador deber mantener igual a fr. Por lo tanto, si: fo/N = frentonces, automticamente se cumplir: fo = N * frLa Fig. 2 ilustra esta disposicin.

Si se utilizan divisores programables, el mdulo N puede seleccionarse a voluntad proporcionndolo en un cdigo adecuado a las entradas de programacin de los circuitos integrados. As, para cada valor de N, el OCT terminar proveyendo una fo distinta cuando se produzca la condicin de enganche. Cada vez que N es incrementado o decrementado en 1, fo aumenta o disminuye en una cantidad (paso) igual a fr. Como N es una cantidad exacta, la estabilidad relativa de la frecuencia sintetizada (fo) ser la misma que la del oscilador que provee la referencia.Veamos un ejemplo. Para fr = 100 Hz y N = 50.000 a 55.000, se podr obtener una fo entre 5 y 5,5 MHz (con pasos de 100 Hz), adecuada como OFV para un tpico transceptor de BLU en HF.Ahora bien, la forma tradicional del comparador es un detector de producto o multiplicador doblemente balanceado, de modo que su salida contiene la suma y la diferencia de fr y fo/N. Cuando el lazo est enganchado ambas frecuencias coinciden, de modo que la suma es igual a 2 * fr y la diferencia es cero, o sea, CC. Esta CC es funcin de la diferencia de fase. La funcin del filtro es eliminar la frecuencia doble y dejar slo la tensin continua de control.Es aqu donde radica uno de los grandes problemas para el diseo de un sintetizador. Los residuos de frecuencia doble (en el ejemplo, 200 Hz) producirn una modulacin de frecuencia en el OCT. Si se aumenta el filtrado de la tensin de control para disminuir esta desviacin parsita, al mismo tiempo se estar haciendo ms lento el lazo para enganchar cada vez que se cambia de frecuencia. El uso de un comparador de fase del tipo digital alivia los requisitos de filtrado, por producir menor ondulacin residual en su salida.Sintetizador con prescaler(*)El caso prctico del ejemplo anterior no presenta mayores dificultades en cuanto a la implementacin del divisor programable, ya que la fo involucrada est bien dentro de. las posibilidades de los circuitos integrados actualmente disponibles para dicha funcin. En cambio, s se dispone de divisoresfijoscapaces de operar ms all de 1 GHz (1.000 MHz). Estos circuitos lgicos rpidos se construyen con tecnologa ECL. Se recurre entonces al empleo de un divisor fijo (que para esta aplicacin pasa a llamarse prescaler) antes del programable, con un mdulo suficiente como para que la frecuencia de salida sea compatible con la velocidad de sta. Si llamamos E al mdulo del prescaler, la entrada al divisor programable ser fo/E, y la entrada al comparador tambin ser E veces menor que si se pudiese prescindir del prescaler, de modo que tambin habr que dividir fr por E para mantener la fo deseada (ver Fig. 3).

Supongamos que se desea disear un sintetizador para la banda de 144 a 148 MHz, con saltos de 10kHz, y debe utilizarse un divisor programable TTL con frecuencia mxima de operacin garantizada de 20 MHz. Si se utiliza un prescaler con E = 10, entonces fo/E variar entre 14,4 y 14,8. El mdulo N estar comprendido entre los valores 14.400 y 14.800. La frecuencia de comparacin ser 10 kHz/E = 1 kHz. Por lo tanto, la ondulacin residual en la tensin de control ser de 2 kHz. Este ejemplo es perfectamente factible en cuanto al filtro del comparador.Pero la operacin en BLU presenta un desafo mayor. A diferencia del servicio en FM, que tiene asignados canales (100 o 200kHz para FM comercial, tpicamente 15kHz para FM angosta), no hay canales preasignados para BLU, lo cual obliga a reducir el espaciado del sitetizador a 100 Hz para lograr una sintona aceptable. Siguiendo con el prescaler /10, la ondulacin residual resultar de 20 Hz. El operador literalmente debera cruzarse de brazos esperando a que el lazo enganche cada vez que se programa una frecuencia diferente de la inicial, si la constante de tiempo de filtrado se lleva a un valor tal que se atene razonablemente la modulacin indeseada.Uso de prescaler variableHemos mencionado que no se dispone de divisores programables para el rango de VHF y superiores. Sin embargo, es tecnolgicamente factible la construccin de prescalers con dos opciones de mdulo, por ejemplo 5/6, 10/11, 32/33, 100/101, etc. Puede seleccionarse el mdulo mediante una tensin de control que puede adoptar dos estados lgicos. Estudiaremos su rol con un ejemplo (ver Fig. 4).

Si el control de mdulo est en 1, el prescaler divide por 11; si est en cero divide por 10. Aqu viene lo interesante: si conmutamos la llave a la velocidad de fr (de modo que durante una parte del perodo divida por 11, y por 10 durante el resto), es como si hubisemos puesto un prescaler con un mdulo E entre 10 y 11.Pasemos a la Fig. 5. Se ha reemplazado la llave con un contador denominado swallow (*), cuya entrada se conecta a la salida del prescaler.

Este contador auxiliar es programable con el ltimo dgito del mdulo total deseado. Funciona de modo tal que inicialmente obliga al prescaler a dividir por 11, hasta que la cantidad de veces que efectu dicha operacin iguale al nmero programado en el swallow, momento a partir del cual ste queda inactivo y el prescaler sigue dividiendo por 10 durante el resto del perodo de fr.Veremos enseguida que el uso del doble mdulo permite evitar la reduccin de la referencia, tal como si el conjunto fuese un verdadero divisor programable que funcionase directamente en fo.A partir de ahora denominaremos N al mdulo total deseado, P al del divisor principal, y S al del swallow. Si se desea N = 14.643 para poder sintetizar fo=146,43MHz, se programar P = 1464 y S = 3. El prescaler comenzar dividiendo por 11. Al cabo de 33 ciclos de fo, el prescaler habr producido 3 pulsos, el principal habr avanzado 3 cuentas, y el swallow habr por lo tanto finalizado su conteo y ordena al prescaler que siga dividiendo por 10. Despus de otros 14.610 ciclos de fo el prescaler habr producido 1.461 pulsos, que es lo que faltaba al principal para llegar a 1.464. Entonces, ste produce un pulso que se enva al comparador, y que vuelve a programar el swallow y a s mismo, repitiendo el ciclo.Como se aprecia, no fue necesario dividir por 10 la referencia, con lo que el lazo resultar 10 veces ms rpido que el de la Fig. 3.Analicemos la operacin que acaba de realizar el circuito. Nmero de ciclos de fo contados en un perodo de fr: N = 11 * 3 + 10 * 1461 = 11 * S + 10 * (P - S) = 10 * P + SPor comodidad, se ha elegido un ejemplo con saltos "decdicos" y un prescaler 10/11, con lo cual se simplifica el diseo porque las llaves selectoras del mdulo se pueden rotular directamente con los dgitos de la frecuencia. Hay servicios -tales como TV y banda ciudadana- en los cuales el operador no tiene por qu digitar la frecuencia sino el nmero de canal, porque: a) la cantidad de canales es pequea como para poder numerarlos, o b) no hay una relacin constante entre el nmero de orden del canal y su frecuencia debido a la existencia de frecuencias salteadas transpuestas (el canal 25 de BC tiene una frecuencia inferior al 23). En estos casos, se emplea un codificador constituido por una memoria ROM o una matriz de diodos, para convertir el nmero del canal al cdigo binario que deben reconocer los divisores programables. Al independizar el mdulo propiamente dicho de los controles del usuario, el diseador tiene libertad para elegir el prescaler ms conveniente, por ejemplo 32/33, 64/65, etc.La mayor velocidad de enganche con respecto al uso de prescaler es especialmente valiosa cuando al sintetizador se le cambia la programacin en casos como cambiar de frecuencia de transmisin a la de recepcin, o entre frecuencias de entrada y salida de una repetidora.La tcnica del doble mdulo tiene una limitacin: impone un mnimo valor seleccionable de N a partir del cual el circuito interpretar correctamente el nmero programado. Ante todo, para que el sistema funcione debe cumplirse que P sea mayor o igual que S. En un sistema decdico, S vara de 0 a 9 antes de tener que avanzar una unidad en el valor de P. Por lo tanto, para cumplir siempre ambas condicione el mnimo valor de P ser de aproximadamente 10^2 = 100, segn la circuitera en particular. Si se eligiese un prescaler con un elevado mdulo (como ser 100/101), con el fin de que su frecuencia de salida sea lo bastante baja como para excitar divisores CMOS, se tiene que el mnimo N ser del orden de 100^2 = 10.000, lo cual puede llegar a constituir un serio inconveniente para cubrir una banda amplia. A simple ttulo informativo, mencionaremos que dicha limitacin puede subsanarse mediante una generalizacin de la tcnica presentada, es decir, prescalers con tres o cuatro mdulos, construidos a partir de prescalers bsicos de doble mdulo.