En electrónica , un multiplicador de frecuencia es un circuito electrónico que genera una señal de salida y esa frecuencia de salida es un armónico (múltiplo) de su frecuencia de entrada. Los multiplicadores de frecuencia consisten en un circuito no lineal que distorsiona la señal de entrada y, en consecuencia, genera armónicos de la señal de entrada. Un filtro de paso de banda posterior selecciona la frecuencia armónica deseada y elimina los armónicos fundamentales y otros no deseados de la salida.
Los multiplicadores de frecuencia se utilizan a menudo en sintetizadores de frecuencia y circuitos de comunicaciones . Puede resultar más económico desarrollar una señal de frecuencia más baja con menor potencia y dispositivos menos costosos, y luego utilizar una cadena de multiplicadores de frecuencia para generar una frecuencia de salida en el rango de microondas o de ondas milimétricas . Algunos esquemas de modulación, como la modulación de frecuencia , sobreviven a la distorsión no lineal sin efectos nocivos (pero esquemas como la modulación de amplitud no lo hacen).
La multiplicación de frecuencias también se utiliza en óptica no lineal . La distorsión no lineal en cristales se puede utilizar para generar armónicos de luz láser.
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 (pero puede adquirir un cambio de fase). 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 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 paso banda que pasa 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 para el armónico deseado y minimizar los demás. En consecuencia, la función de transcripción suele elegirse especialmente. Las opciones fáciles son utilizar una función par para generar armónicos pares o una función impar para armónicos impares. Consulte Funciones pares e impares#Armónicos . Un rectificador de onda completa, por ejemplo, es bueno para hacer un duplicador. Para producir un multiplicador de 3 veces, la señal original puede introducirse en un amplificador que se sobreexcita para producir casi una onda cuadrada. Esta señal tiene un alto contenido de armónicos de tercer orden y se puede filtrar para producir el resultado x3 deseado.
Los multiplicadores YIG a menudo quieren 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 una cantidad infinita 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. [1] A veces, el circuito multiplicador de frecuencia ajustará el ancho de los impulsos para mejorar la eficiencia de conversión para un armónico específico.
Circuitos de recorte. Duplicador de puente de onda completa.
La generación eficiente de energía se vuelve más importante en niveles de potencia altos. Los amplificadores lineales de clase A tienen una eficiencia del 25 por ciento en el mejor de los casos. Los amplificadores push-pull de clase B tienen una eficiencia del 50 por ciento en el mejor de los casos. El problema básico es que el elemento amplificador está disipando energía. Los amplificadores de clase C conmutados no son lineales, pero pueden tener una eficiencia superior al 50 por ciento porque un conmutador ideal no disipa energía.
Un diseño inteligente puede utilizar el amplificador de clase C no lineal tanto para ganancia como para multiplicador de frecuencia.
Para generar una gran cantidad 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 por pasos seguido de un filtro YIG sintonizable . El filtro YIG tiene una esfera de granate de itrio y hierro que se sintoniza con un campo magnético. El generador de impulsos de diodo de recuperación por pasos se activa en un subarmónico de la frecuencia de salida deseada. Luego, un electroimán sintoniza el filtro YIG para seleccionar el armónico deseado. [2]
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 para ambos: transistores operados en Clase C y diodos . En los circuitos de transmisión, muchos de los dispositivos amplificadores ( tubos de vacío o transistores) funcionan de manera no lineal y crean armónicos, por lo que una etapa amplificadora se puede convertir en un multiplicador sintonizando el circuito sintonizado en la salida a un múltiplo de la frecuencia de entrada. Por lo general, la potencia ( ganancia ) producida por el dispositivo no lineal cae rápidamente en los armónicos más altos, por lo que la mayoría de los multiplicadores de frecuencia simplemente duplican o triplican la frecuencia, y la multiplicación por factores más altos se logra mediante etapas de duplicación y triplicación en cascada.
Los multiplicadores de frecuencia utilizan circuitos sintonizados con un armónico de la frecuencia de entrada. Se pueden añadir elementos no lineales, como diodos, para mejorar la producción de frecuencias armónicas. Dado que la potencia de los armónicos disminuye rápidamente, normalmente un multiplicador de frecuencia se sintoniza sólo con un pequeño múltiplo (dos, tres o cinco veces) de la frecuencia de entrada. Normalmente 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 de un uno por ciento aproximadamente), puede ser necesario ajustar las etapas del multiplicador; esto puede llevar un tiempo significativo si hay muchas etapas.
Un resonador cantilever micromecánico impulsado por campo eléctrico es una de las estructuras más fundamentales y ampliamente estudiadas en MEMS , que puede proporcionar una función de filtrado de paso de banda estrecha y un Q alto. La no linealidad inherente de la ley cuadrática de la función de transferencia de voltaje a fuerza del transductor capacitivo de un resonador cantilever se puede emplear para la realización del efecto de duplicación de frecuencia. [3] Debido al atributo de baja pérdida (o equivalentemente, un Q alto) ofrecido por los dispositivos MEMS, se puede esperar un rendimiento de circuito mejorado de un duplicador de frecuencia micromecánico que los dispositivos semiconductores utilizados para la misma tarea. [4]
Los FET basados en grafeno también se han utilizado para duplicar la frecuencia con una eficiencia de conversión de más del 90 %. [5] [6]
De hecho, todos los transistores ambipolares se pueden utilizar para diseñar circuitos multiplicadores de frecuencia. [7] El grafeno puede funcionar en un amplio rango de frecuencias debido a sus características únicas. [8]
Un bucle de enganche de fase (PLL) utiliza una frecuencia de referencia para generar un múltiplo de esa frecuencia. Un oscilador controlado por voltaje (VCO) se sintoniza inicialmente aproximadamente al rango del múltiplo de frecuencia deseado. La señal del VCO se divide utilizando 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 que es proporcional a la diferencia de fase. Después de pasar por un filtro de paso bajo y convertirse al rango de voltaje adecuado, este voltaje se introduce en el VCO para ajustar la frecuencia. Este ajuste aumenta la frecuencia a medida que la fase de la señal del VCO se retrasa con respecto a la señal de referencia y disminuye la frecuencia a medida que el retraso disminuye (o aumenta el adelanto). El VCO se estabilizará en el múltiplo de frecuencia deseado. Este tipo de PLL es un tipo de sintetizador de frecuencia .
En algunos PLL, la frecuencia de referencia también se puede dividir por un múltiplo entero antes de introducirla en el comparador de fase. Esto permite la síntesis de frecuencias que son N/M veces la frecuencia de referencia.
Esto se puede lograr de una manera diferente cambiando periódicamente el valor entero de un divisor de frecuencia de número entero-N , lo que da como resultado un multiplicador con un componente tanto de número entero como fraccionario. Un multiplicador de este tipo se llama sintetizador de N fraccionario por su componente fraccionario. [ verificación fallida ] Los sintetizadores de N fraccionario proporcionan un medio eficaz para lograr una resolución de frecuencia fina con valores más bajos de N, 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 de N enteros más altos. También permiten un tiempo de estabilización más rápido debido a sus frecuencias de referencia más altas, lo que permite anchos de banda de bucle cerrado y abierto más amplios. [ cita requerida ]
Un sintetizador delta sigma agrega una aleatorización al divisor de frecuencia programable-N del sintetizador fraccionario-N. Esto se hace para reducir las bandas laterales creadas por cambios periódicos de un divisor de frecuencia de N entero .
