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 armónicos 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 menor frecuencia con menor potencia y dispositivos menos costosos, y luego usar una cadena multiplicadora de frecuencia para generar una frecuencia de salida en el rango de las microondas o las ondas milimétricas . Algunos esquemas de modulación, como la modulación de frecuencia , sobreviven a la distorsión no lineal sin efectos negativos (pero esquemas como la modulación de amplitud no).
La multiplicación de frecuencia también se utiliza en óptica no lineal . La distorsión no lineal en los 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 puede describirse mediante una serie de Fourier en f .
Los c k distintos de cero representan los armónicos generados. Los coeficientes de Fourier se obtienen integrando sobre el período fundamental T :
Por tanto, 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 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 del 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. Ver Funciones pares e impares#Armónicos . Un rectificador de onda completa, por ejemplo, es bueno para fabricar un duplicador. Para producir un multiplicador por 3, la señal original puede ingresarse a un amplificador que está sobrealimentado 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 impulso 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. [1] A veces, el circuito multiplicador de frecuencia ajustará el ancho de los impulsos para mejorar la eficiencia de conversión de un armónico específico.
Circuitos de recorte. Duplicador de puente de onda completa.
Generar energía de manera eficiente se vuelve más importante a niveles de potencia altos. Los amplificadores lineales de clase A tienen, en el mejor de los casos, una eficiencia del 25 por ciento. Los amplificadores push-pull Clase B tienen, en el mejor de los casos, una eficiencia del 50 por ciento. El problema básico es que el elemento amplificador está disipando potencia. Los amplificadores de conmutación de clase C no son lineales, pero pueden tener una eficiencia superior al 50 por ciento porque un interruptor ideal no disipa energía.
Un diseño inteligente puede utilizar el amplificador no lineal de Clase C tanto como ganancia como multiplicador de frecuencia.
Generar una gran cantidad de armónicos útiles requiere un dispositivo no lineal rápido.
Diodos de recuperación de pasos .
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 itrio y hierro que está sintonizada con un campo magnético. El generador de impulsos de diodo de recuperación de pasos se activa a un subarmónico de la frecuencia de salida deseada. Luego, un electroimán sintoniza el filtro YIG para seleccionar el armónico deseado. [2]
Varactores cargados resistivos . Varactores regenerativos. Penfield.
Los multiplicadores de frecuencia tienen mucho en común con los mezcladores de frecuencia , y para ambos se utilizan algunos de los mismos dispositivos no lineales: transistores operados en Clase C y diodos . En los circuitos de transmisión, muchos de los dispositivos amplificadores ( válvulas de vacío o transistores) funcionan de forma no lineal y crean 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. 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 duplicadoras y triplicadoras en cascada.
Los multiplicadores de frecuencia utilizan circuitos sintonizados a un armónico de la frecuencia de entrada. Se pueden agregar elementos no lineales, como diodos, para mejorar la producción de frecuencias armónicas. Dado que la potencia de los armónicos disminuye rápidamente, normalmente se sintoniza un multiplicador de frecuencia sólo a un pequeño múltiplo (dos, tres o cinco veces) de la frecuencia de entrada. Normalmente los amplificadores se insertan 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 se cambia significativamente (más del uno por ciento aproximadamente), es posible que sea necesario ajustar las etapas multiplicadoras; Esto puede llevar mucho tiempo si hay muchas etapas.
Un resonador en voladizo micromecánico impulsado por un campo eléctrico es una de las estructuras más fundamentales y más estudiadas en MEMS , que puede proporcionar un Q alto y una función de filtrado de paso de banda estrecho. La no linealidad inherente de ley cuadrática de la función de transferencia voltaje-fuerza de un transductor capacitivo de resonador en voladizo se puede emplear para lograr el efecto de duplicación de frecuencia. [3] Debido al atributo de baja pérdida (o equivalentemente, un Q alto) que ofrecen los dispositivos MEMS, se puede esperar un mejor rendimiento del circuito a partir de una frecuencia micromecánica que duplica la de los dispositivos semiconductores utilizados para la misma tarea. [4]
También se han empleado FET basados en grafeno para duplicar la frecuencia con más del 90% de eficiencia de conversión. [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 frecuencia debido a sus características únicas. [8]
Un bucle de bloqueo de fase (PLL) utiliza una frecuencia de referencia para generar un múltiplo de esa frecuencia. Inicialmente, un oscilador controlado por voltaje (VCO) se sintoniza aproximadamente 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. Después de pasar por un filtro de paso bajo y convertirse al rango de voltaje adecuado, este voltaje se alimenta al 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 el avance aumenta). 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 ingresar al 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 efectivamente da como resultado un multiplicador con un componente tanto de número entero como fraccionario. Tal multiplicador se llama sintetizador de N fraccionario por su componente fraccionario. [ verificación fallida ] Los sintetizadores de N fraccional 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 diseños alternativos con frecuencias de referencia más bajas y valores de N enteros más altos. También permiten un tiempo de establecimiento más rápido debido a sus frecuencias de referencia más altas, lo que permite anchos de banda de bucle abierto y cerrado más amplios. [ cita necesaria ]
Un sintetizador delta sigma agrega una aleatorización al divisor de frecuencia N programable del sintetizador N fraccionario. Esto se hace para reducir las bandas laterales creadas por cambios periódicos de un divisor de frecuencia de número entero N.
