Hispanopedia WikiEn electrónica , un multiplicador de frecuencia es un circuito electrónico que genera una señal de salida cuya frecuencia es un armónico (múltiplo) de su frecuencia de entrada.
Los multiplicadores de frecuencia constan de un circuito no lineal que distorsiona la señal de entrada y, en consecuencia, genera armónicos de la misma. Un filtro paso banda posterior selecciona la frecuencia armónica deseada y elimina la fundamental no deseada y otros armónicos de la salida. [ 1 ]
Los multiplicadores de frecuencia se utilizan frecuentemente en sintetizadores de frecuencia y circuitos de comunicaciones . Puede resultar más económico generar una señal de baja frecuencia con menor potencia y dispositivos menos costosos, y luego usar una cadena de multiplicadores de frecuencia para generar una frecuencia de salida en el rango de microondas o ondas milimétricas . Algunos esquemas de modulación, como la modulación de frecuencia , resisten la distorsión no lineal sin sufrir efectos adversos (pero otros, como la modulación de amplitud, no).
La multiplicación de frecuencia también se utiliza en la óptica no lineal . La distorsión no lineal en los cristales puede utilizarse para generar armónicos de luz láser.
Teoría
Una onda sinusoidal pura tiene una única frecuencia f
Si la onda sinusoidal se aplica a un circuito lineal , como un amplificador sin distorsión , la salida sigue siendo una onda sinusoidal (aunque puede adquirir un desfase). Sin embargo, si la onda sinusoidal se aplica a un circuito no lineal , la distorsión resultante crea armónicos ; componentes de frecuencia en múltiplos enteros nf de la frecuencia fundamental f . La señal distorsionada se puede describir mediante una serie de Fourier en f .
Los valores distintos de cero de c k representan los armónicos generados. Los coeficientes de Fourier se obtienen integrando sobre el período fundamental T :
Así, se puede construir un multiplicador de frecuencia a partir de un componente electrónico no lineal que genera una serie de armónicos, seguido de un filtro de paso de banda que deja pasar uno de los armónicos a la salida y bloquea los demás.
Desde el punto de vista de la eficiencia de conversión, el circuito no lineal debe maximizar el coeficiente del armónico deseado y minimizar los demás. Por consiguiente, la función de transcripción suele elegirse de forma específica. Las opciones más sencillas son usar una función par para generar armónicos pares o una función impar para armónicos impares. Véase Funciones pares e impares#Armónicos . Un rectificador de onda completa, por ejemplo, es adecuado para crear un duplicador. Para producir un multiplicador de 3, la señal original puede introducirse en un amplificador que se sobreexcita para producir una onda casi cuadrada. Esta señal tiene un alto contenido de armónicos de tercer orden y puede filtrarse para producir el resultado x3 deseado.
Los multiplicadores YIG suelen querer seleccionar un armónico arbitrario, por lo que utilizan un circuito de distorsión con estado que convierte la onda sinusoidal de entrada en un tren de impulsos aproximado . El tren de impulsos ideal (pero poco práctico) genera un número infinito de armónicos (débiles). En la práctica, un tren de impulsos generado por un circuito monoestable tendrá muchos armónicos utilizables. Los multiplicadores YIG que utilizan diodos de recuperación escalonada pueden, por ejemplo, tomar una frecuencia de entrada de 1 a 2 GHz y producir salidas de hasta 18 GHz. [ 2 ] A veces, el circuito multiplicador de frecuencia ajustará el ancho de los impulsos para mejorar la eficiencia de conversión para un armónico específico.
Circuitos
Diodo
Circuitos de recorte. Duplicador de onda completa tipo puente.
Amplificador y multiplicador de clase C
Generar energía de manera eficiente cobra mayor importancia a altos niveles de potencia. Los amplificadores lineales de clase A tienen una eficiencia máxima del 25 %. Los amplificadores push-pull de clase B alcanzan una eficiencia máxima del 50 %. El problema fundamental radica en que el elemento amplificador disipa potencia. Los amplificadores conmutados de clase C son no lineales, pero pueden superar el 50 % de eficiencia, ya que un interruptor ideal no disipa potencia.
Un diseño ingenioso puede utilizar el amplificador no lineal de clase C tanto para la ganancia como para multiplicar la frecuencia.
diodo de recuperación escalonada
Para generar un gran número de armónicos útiles se requiere un dispositivo no lineal rápido, como un diodo de recuperación escalonada .
Los generadores de microondas pueden utilizar un generador de impulsos de diodo de recuperación escalonada seguido de un filtro YIG sintonizable . El filtro YIG tiene una esfera de granate de hierro e itrio que se sintoniza con un campo magnético. El generador de impulsos de diodo de recuperación escalonada se acciona a un subarmónico de la frecuencia de salida deseada. Un electroimán sintoniza el filtro YIG para seleccionar el armónico deseado. [ 3 ]
diodo varactor
Varactores con carga resistiva . Varactores regenerativos. Penfield.
Los multiplicadores de frecuencia tienen mucho en común con los mezcladores de frecuencia , y algunos de los mismos dispositivos no lineales se utilizan en ambos: transistores que operan en Clase C y diodos . En los circuitos de transmisión, muchos de los dispositivos amplificadores ( tubos de vacío o transistores) operan de forma no lineal y generan armónicos, por lo que una etapa amplificadora puede convertirse en un multiplicador sintonizando el circuito sintonizado en la salida a un múltiplo de la frecuencia de entrada. Generalmente, la potencia ( ganancia ) producida por el dispositivo no lineal disminuye rápidamente en los armónicos superiores, por lo que la mayoría de los multiplicadores de frecuencia simplemente duplican o triplican la frecuencia, y la multiplicación por factores mayores se logra mediante la conexión en cascada de etapas duplicadoras y triplicadoras.
Usos anteriores
Los multiplicadores de frecuencia utilizan circuitos sintonizados a un armónico de la frecuencia de entrada. Se pueden añadir elementos no lineales, como diodos, para potenciar la generación de armónicos. Dado que la potencia de los armónicos disminuye rápidamente, normalmente un multiplicador de frecuencia se sintoniza a un múltiplo pequeño (dos, tres o cinco veces) de la frecuencia de entrada. Generalmente, se insertan amplificadores en una cadena de multiplicadores de frecuencia para garantizar un nivel de señal adecuado en la frecuencia final.
Dado que los circuitos sintonizados tienen un ancho de banda limitado, si la frecuencia base cambia significativamente (más del uno por ciento aproximadamente), es posible que haya que ajustar las etapas multiplicadoras; esto puede llevar mucho tiempo si hay muchas etapas.
Duplicador de frecuencia microelectromecánico (MEMS)
Un resonador de voladizo micromecánico accionado por campo eléctrico es una de las estructuras más fundamentales y estudiadas en MEMS , capaz de proporcionar un factor Q alto y una función de filtrado de paso de banda estrecha. La no linealidad cuadrática inherente de la función de transferencia de voltaje a fuerza del transductor capacitivo de un resonador de voladizo puede emplearse para lograr el efecto de duplicación de frecuencia. [ 4 ] Debido a las bajas pérdidas (o, equivalentemente, un factor Q alto) que ofrecen los dispositivos MEMS, se puede esperar un mejor rendimiento del circuito en un duplicador de frecuencia micromecánico que en los dispositivos semiconductores utilizados para la misma tarea. [ 5 ]
multiplicadores de frecuencia basados en grafeno
Los FET basados en grafeno también se han empleado para la duplicación de frecuencia con una eficiencia de conversión superior al 90 %. [ 6 ] [ 7 ]
De hecho, todos los transistores ambipolares pueden utilizarse para diseñar circuitos multiplicadores de frecuencia. [ 8 ] El grafeno puede funcionar en un amplio rango de frecuencias debido a sus características únicas. [ 9 ]
Bucles de enganche de fase con divisores de frecuencia
Un bucle de enganche de fase (PLL) utiliza una frecuencia de referencia para generar un múltiplo de dicha frecuencia. Un oscilador controlado por voltaje (VCO) se sintoniza inicialmente de forma aproximada al rango del múltiplo de frecuencia deseado. La señal del VCO se divide mediante divisores de frecuencia por el factor de multiplicación. La señal dividida y la frecuencia de referencia se introducen en un comparador de fase. La salida del comparador de fase es un voltaje proporcional a la diferencia de fase. Tras pasar por un filtro de paso bajo y convertirse al rango de voltaje adecuado, este voltaje se aplica al VCO para ajustar la frecuencia. Este ajuste aumenta la frecuencia cuando la fase de la señal del VCO se retrasa con respecto a la señal de referencia y la disminuye cuando el retraso disminuye (o el adelanto aumenta). El VCO se estabilizará en el múltiplo de frecuencia deseado. Este tipo de PLL es un tipo de sintetizador de frecuencia .
Sintetizador de nitrógeno fraccional
En algunos PLL, la frecuencia de referencia también puede dividirse por un múltiplo entero antes de ser introducida en el comparador de fase. Esto permite sintetizar frecuencias que son N/M veces la frecuencia de referencia.
Esto se puede lograr de otra manera, cambiando periódicamente el valor entero de un divisor de frecuencia entero-N , lo que resulta en un multiplicador con componentes enteros y fraccionarios. Este multiplicador se denomina sintetizador fraccionario-N debido a su componente fraccionaria. Los sintetizadores fraccionarios-N proporcionan un medio eficaz para lograr una alta resolución de frecuencia con valores de N más bajos, lo que permite arquitecturas de bucle con decenas de miles de veces menos ruido de fase que los diseños alternativos con frecuencias de referencia más bajas y valores enteros de N más altos. También permiten un tiempo de estabilización más rápido debido a sus frecuencias de referencia más altas, lo que posibilita anchos de banda de bucle cerrado y abierto más amplios.
sintetizador delta sigma
Un sintetizador delta sigma añade una aleatorización al divisor de frecuencia programable-N del sintetizador fraccional-N. Esto se hace para reducir las bandas laterales creadas por los cambios periódicos de un divisor de frecuencia entero-N .
Referencias de PLL
- Egan, William F. 2000. Síntesis de frecuencia mediante sincronización de fase , 2.ª ed., John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4
- Sintetizador de frecuencia fraccionaria N con compensación de modulación Patente estadounidense 4,686,488, Attenborough, C. (11 de agosto de 1987)
- Sintetizador de frecuencia fraccional-N programable. Patente estadounidense 5,224,132, Bar-Giora Goldberg, (29 de junio de 1993).
Véase también
Referencias
- ↑ Schaeffer, Daniel (2019). "Diseño y análisis de una red de accionamiento de multiplicador de frecuencia de transistor de unión bipolar de muy alta frecuencia" (PDF) . PDXScholar (Tesis de maestría). Universidad Estatal de Portland . Recuperado el 27 de enero de 2026 .
- ↑ Por ejemplo, el antiguo Hewlett Packard 83590A.
- ↑ Descripción de la tecnología: Osciladores sintonizados YIG (PDF) , Fremont, CA: Micro Lambda Wireless, archivado del original (PDF) el 23 de febrero de 2012 , consultado el 18 de mayo de 2012.
- ↑ Basu, Joydeep; Bhattacharyya, Tarun K. (2013). "Duplicadores de frecuencia basados en voladizos de sistemas microelectromecánicos". Journal of Intelligent Material Systems and Structures . 24 (2): 240– 246. arXiv : 1210.3491 . doi : 10.1177/1045389X12461695 . S2CID 1266952 .
- ↑ Jing Wang; Ren, Z.; Nguyen, CT-C. (2004). "Resonador de disco micromecánico vibratorio autoalineado de 1,156 GHz". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 51 (12): 1607– 1628. Bibcode : 2004ITUFF..51.1607W . doi : 10.1109/TUFFC.2004.1386679 . PMID 15690722 . S2CID 9498440 .
- ↑ Wang, Han; Nezich, D.; Kong, Jing; Palacios, T. (2009). "Multiplicadores de frecuencia de grafeno" (PDF) . IEEE Electron Device Letters . 30 (5): 547– 549. Bibcode : 2009IEDL...30..547H . doi : 10.1109/LED.2009.2016443 . hdl : 1721.1/54736 . S2CID 9317247 .
- ↑ Wang, Zhenxing; Zhang, Zhiyong; Xu, Huilong; Ding, Li; Wang, Sheng; Peng, Lian-Mao (2010). "Un duplicador de frecuencia basado en transistor de efecto de campo de grafeno de puerta superior de alto rendimiento". Applied Physics Letters . 96 (17): 173104. Bibcode : 2010ApPhL..96q3104W . doi : 10.1063/1.3413959 .
- ^ Wang, Zhenxing; Liang, Shibo; Zhang, Zhiyong; Liu, Honggang; Zhong, Hua; Sí, Lin-Hui; Wang, Sheng; Zhou, Weiwei; Liu, Jie; Chen, Yabin; Zhang, Jin; Peng, Lian-Mao (2014). "Fabricación escalable de transistores ambipolares y circuitos de radiofrecuencia utilizando matrices de nanotubos de carbono alineados" . Materiales Avanzados . 26 (4): 645– 652. Bibcode : 2014AdM....26..645W . doi : 10.1002/adma.201302793 . PMID 24458579 . S2CID 20376132 .
- ↑ Kabir, Hussain Mohammed Dipu; Salahuddin, SM (2017). "Un multiplicador de frecuencia que utiliza tres transistores de grafeno ambipolares" . Microelectronics Journal . 70 : 12–15 . doi : 10.1016/j.mejo.2017.10.002 . S2CID 31657795 .
- circuitos de comunicación