El bloqueo por inyección y el tirón por inyección son los efectos de frecuencia que pueden ocurrir cuando un oscilador armónico es perturbado por un segundo oscilador que opera a una frecuencia cercana. Cuando el acoplamiento es lo suficientemente fuerte y las frecuencias lo suficientemente cercanas, el segundo oscilador puede capturar al primer oscilador, haciendo que tenga una frecuencia esencialmente idéntica a la del segundo oscilador. Esto es el bloqueo por inyección. Cuando el segundo oscilador simplemente perturba al primero pero no lo captura, el efecto se llama tirón por inyección. Los efectos de bloqueo por inyección y tirón se observan en numerosos tipos de sistemas físicos, sin embargo, los términos se asocian con mayor frecuencia con osciladores electrónicos o resonadores láser .
El bloqueo por inyección se ha utilizado de forma beneficiosa e inteligente en el diseño de los primeros televisores y osciloscopios , lo que permite sincronizar el equipo con señales externas a un coste relativamente bajo. El bloqueo por inyección también se ha utilizado en circuitos de duplicación de frecuencia de alto rendimiento. Sin embargo, el bloqueo por inyección y la tracción, cuando no son intencionados, pueden degradar el rendimiento de los bucles de enganche de fase y los circuitos integrados de RF .
La tracción por inyección y el bloqueo por inyección se pueden observar en numerosos sistemas físicos donde se acoplan pares de osciladores. Quizás el primero en documentar estos efectos fue Christiaan Huygens , el inventor del reloj de péndulo , quien se sorprendió al notar que dos relojes de péndulo que normalmente marcarían un tiempo ligeramente diferente, sin embargo, se sincronizaban perfectamente cuando se colgaban de una viga común. Los investigadores modernos han confirmado su sospecha de que los péndulos estaban acoplados por pequeñas vibraciones de ida y vuelta en la viga de madera. [1] Los dos relojes se bloquearon por inyección a una frecuencia común.
En un oscilador controlado por voltaje de la actualidad, una señal de bloqueo por inyección puede anular su voltaje de control de baja frecuencia, lo que da como resultado la pérdida de control. Cuando se emplea intencionalmente, el bloqueo por inyección proporciona un medio para reducir significativamente el consumo de energía y posiblemente reducir el ruido de fase en comparación con otras técnicas de diseño de sintetizadores de frecuencia y PLL . De manera similar, la salida de frecuencia de láseres grandes se puede purificar mediante el bloqueo por inyección con láseres de referencia de alta precisión (consulte el sembrador de inyección ).
Un oscilador bloqueado por inyección ( ILO ) se basa generalmente en un oscilador LC de acoplamiento cruzado . Se ha empleado para la división de frecuencia [2] o la reducción de fluctuación en PLL , con la entrada de una forma de onda sinusoidal pura. Se empleó en la recuperación de reloj y datos de modo continuo (CDR) o la recuperación de reloj para realizar la restauración del reloj con la ayuda de un circuito de generación de pulsos anterior para convertir datos sin retorno a cero (NRZ) en formato pseudo-retorno a cero (PRZ) [3] o un circuito de resincronización no ideal que reside en el lado del transmisor para acoplar la señal de reloj a los datos. [4] A fines de la década de 2000, el ILO se empleó para un esquema de recuperación de reloj en modo ráfaga. [5]
La capacidad de bloqueo por inyección es una propiedad inherente de todos los osciladores (electrónicos o de otro tipo). Esta capacidad puede entenderse fundamentalmente como el efecto combinado de la periodicidad del oscilador con su autonomía. En concreto, considere una inyección periódica (es decir, una perturbación externa) que adelanta o retrasa la fase del oscilador en algún cambio de fase en cada ciclo de oscilación. Debido a la periodicidad del oscilador, este cambio de fase será el mismo de un ciclo a otro si el oscilador está bloqueado por inyección. Además, debido a la autonomía del oscilador, cada cambio de fase persiste indefinidamente. La combinación de estos dos efectos produce un cambio de fase fijo por ciclo de oscilación, lo que da como resultado un cambio de frecuencia constante a lo largo del tiempo. Si la frecuencia de oscilación resultante, cambiada, coincide con la frecuencia de inyección, se dice que el oscilador está bloqueado por inyección. Sin embargo, si el cambio de frecuencia máximo que el oscilador puede experimentar debido a la inyección no es suficiente para hacer que las frecuencias de oscilación e inyección coincidan (es decir, la frecuencia de inyección se encuentra fuera del rango de bloqueo ), el oscilador solo puede ser sometido a tracción por inyección (ver Tracción por inyección). [6]
Las señales lógicas de alta velocidad y sus armónicos son amenazas potenciales para un oscilador. La fuga de estas y otras señales de alta frecuencia en un oscilador a través de un sustrato junto con un bloqueo no deseado es un bloqueo por inyección no deseado.
El bloqueo por inyección también puede proporcionar un medio de ganancia con un bajo costo de energía en ciertas aplicaciones.
La inyección (también conocida como extracción de frecuencia) se produce cuando una fuente de frecuencia que interfiere perturba un oscilador pero no puede bloquearlo por inyección. La frecuencia del oscilador se ve atraída hacia la fuente de frecuencia, como se puede ver en el espectrograma. La falla en el bloqueo puede deberse a un acoplamiento insuficiente o a que la frecuencia de la fuente de inyección se encuentra fuera de la ventana de bloqueo (también conocida como rango de bloqueo) del oscilador. La extracción por inyección corrompe fundamentalmente la periodicidad inherente de un oscilador.
El término arrastre se ha utilizado para referirse al proceso de bloqueo de modos de osciladores acoplados, que es el proceso por el cual dos sistemas oscilantes en interacción , que tienen períodos diferentes cuando funcionan de forma independiente, asumen un período común. Los dos osciladores pueden entrar en sincronía , pero también son posibles otras relaciones de fase. El sistema con la mayor frecuencia se ralentiza y el otro se acelera.
El físico holandés Christiaan Huygens , inventor del reloj de péndulo , introdujo el concepto después de observar, en 1666, que los péndulos de dos relojes montados en un tablero común se habían sincronizado, y experimentos posteriores duplicaron este fenómeno. Describió este efecto como " simpatía extraña ". Los dos relojes de péndulo se sincronizaron con sus péndulos oscilando en direcciones opuestas, 180° fuera de fase , pero también pueden resultar estados en fase. El arrastre se produce porque pequeñas cantidades de energía se transfieren entre los dos sistemas cuando están fuera de fase de tal manera que producen retroalimentación negativa . A medida que asumen una relación de fase más estable, la cantidad de energía se reduce gradualmente a cero. En el ámbito de la física, las observaciones de Huygens están relacionadas con la resonancia y el acoplamiento resonante de osciladores armónicos , que también da lugar a vibraciones simpáticas .
Un estudio de 2002 sobre las observaciones de Huygens muestra que una oscilación estable en antifase era algo fortuito, y que hay otras posibles soluciones estables, incluido un "estado de muerte" en el que un reloj deja de funcionar, dependiendo de la fuerza del acoplamiento entre los relojes. [7]
El bloqueo de modos entre osciladores controlados se puede demostrar fácilmente utilizando metrónomos mecánicos en una superficie común y fácilmente movible. [8] [9] [10] Este bloqueo de modos es importante para muchos sistemas biológicos, incluido el funcionamiento adecuado de los marcapasos . [11]
El uso de la palabra arrastre en la literatura de física moderna se refiere con mayor frecuencia al movimiento de un fluido, o conjunto de partículas, por otro (ver Arrastre (hidrodinámica) ). El uso de la palabra para referirse al bloqueo de modos de osciladores acoplados no lineales aparece principalmente después de 1980 y sigue siendo relativamente raro en comparación.
Se ha caracterizado un fenómeno de acoplamiento similar en los audífonos cuando se utiliza la cancelación adaptativa de retroalimentación . Este artefacto caótico (entrenamiento) se observa cuando se presentan señales de entrada correlacionadas a un cancelador adaptativo de retroalimentación.
En los últimos años, el arrastre aperiódico se ha identificado como una forma alternativa de arrastre que resulta de interés en los ritmos biológicos. [12] [13] [14]
* Wolaver, Dan H. 1991. Diseño de circuitos de bucle de enganche de fase , Prentice Hall, ISBN 0-13-662743-9 , páginas 95-105
* Lee, Thomas H. 2004. El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS , Cambridge, ISBN 0-521-83539-9 , páginas 563–566
