Nuevos métodos de simulación y análisis de estabilidad global de circuitos no lineales de alta frecuencia

Resumen

Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología de interés para un análisis preciso y eficiente de circuitos de alta frecuencia en presencia de una señal de forzamiento. Puede aplicarse a cualquier circuito en el que las curvas de solución no sean univaluadas o no presenten un comportamiento regular, es decir, aquellas que proporcionan dos o más soluciones para ciertos valores del parámetro frente al que se representan. La principal característica de este nuevo concepto de simulación es la resolución del circuito externamente respecto de la simulación de balance armónico. Esto permite evitar los puntos singulares o de pendiente infinita de las curvas de solución multivaluadas. El nuevo método obtiene tantas curvas de solución como se desee a partir de una simulación inicial de balance armónico sin la necesidad de volver a simular el circuito para obtener nuevas curvas. Esto supone una clara ventaja respecto de las técnicas existentes. El procedimiento es compatible con los simuladores comerciales de balance armónico y presenta la ventaja adicional de que no requiere la aplicación de métodos de continuación, como el algoritmo de intercambio de parámetros o continuación por longitud de curva. El lugar del punto de retorno y por ende el ancho de banda de sincronización se obtiene de manera efectiva imponiendo una condición geométrica. El método permite trazar el lugar de la bifurcación de Hopf incluso cuando éste es multivaluado considerando una perturbación adicional. Por otro lado, esta tesis presenta un análisis de estabilidad en profundidad de los modos de oscilación en osciladores multi-transistor enfatizando en los osciladores en anillo. El estudio trata los mecanismos responsables de la generación y estabilización de estas soluciones periódicas a diferentes frecuencias y condiciones de funcionamiento. Los mecanismos de estabilización dan lugar a la coexistencia de varios modos de oscilación estables. El análisis proporciona una visión del impacto tanto de los elementos parásitos de los dispositivos activos como el número de etapas en la proliferación de los modos de oscilación. El comportamiento del oscilador multimodal en funcionamiento sincronizado se estudia mediante la incorporación de una fuente de forzamiento. Esta fuente de inyección proporciona un mecanismo de control de los modos de oscilación lo que permite conmutar entre éstos obteniendo un sistema reconfigurable. La nueva metodología de simulación se aplica al estudio global de los osciladores sincronizados. El lugar de la bifurcación homoclínica se obtiene mediante métodos de simulación en el dominio del tiempo. Junto a este análisis se estudia la posible aparición de soluciones caóticas en el entorno del lugar de la bifurcación homoclínica. Los fenómenos de histéresis y oscilación en amplificadores de potencia se estudian en profundidad gracias al nuevo método de simulación. El lugar del punto de retorno relacionado con la histéresis da lugar a una oscilación que no puede detectarse mediante análisis de estabilidad locales de la solución de continua ya que esta oscilación coexiste con un régimen de continua estable para la mayoría de condiciones de operación y valores de elementos de diseño críticos. Una modificación de la red de entrada del circuito permite transformar el amplificador de potencia en un oscilador de potencia de alta eficiencia capaz de arrancar a partir del nivel de ruido. Todos los resultados obtenidos han sido satisfactoriamente validados mediante aplicación a diferentes prototipos obteniendo un buen acuerdo con los resultados experimentales.