Técnicas de análisis y diseño para nuevas configuraciones de osciladores

Resumo

En esta tesis se han desarrollado distintas técnicas de simulación y análisis de circuitos osciladores, algunas basadas en formulaciones semi-analíticas, con modelos de tipo admitancia, que complementan los métodos ya existentes y permiten una mejor comprensión de la dinámica no lineal de osciladores complejos. De este modo se intenta evitar o reducir las limitaciones propias de estos sistemas con el objeto de obtener diseños más eficientes y con mejores prestaciones. En concreto se presenta una nueva formulación semi-analítica para el cálculo del ruido de fase en osciladores inyectados y divisores de frecuencia más complejos. La formulación relacionará el ruido de fase del oscilador inyectado con el de la fuente de sincronización y con el ruido interno propio del oscilador. También se derivan expresiones explícitas para las frecuencias de transición del espectro, que permiten obtener un criterio de diseño y una técnica de reducción de la densidad espectral a la salida. Todos los resultados del análisis de ruido de fase se verifican comparando los resultados con la técnica de matriz de conversión en balance armónico. Se propone una técnica eficiente para obtener los modos de oscilación coexistentes en osciladores acoplados globalmente, verificando las técnicas con un oscilador de Rucker de cuatro elementos y un oscilador cuádruple-push. Además, se distinguen los modos estables de los inestables para lo cual se presenta una formulación semi-analítica del sistema acoplado, que captura la dinámica del sistema. Se evaluan las condiciones de arranque de oscilación de los distintos modos de oscilación y se proponen técnicas para determinar la coexistencia de los modos de oscilación en el estado estacionario. Se propone también un criterio para estabilizar los modos de operación deseados basado en el análisis secuencial de las bifurcaciones de Hopf, que dan lugar a los distintos modos de oscilación en el sistema acoplado. Se presenta una formulación para el análisis de la estabilidad de los distintos modos utilizando modelos de balance armónico para los subcircuitos activos y se obtiene una formulación para el análisis de ruido de fase de toda la estructura acoplada, ya que sabemos que las herramientas incluidas en un simulador comercial de balance armónico fallan durante el análisis del ruido de fase en el caso de circuitos multiosciladores. Se presentan también dos topologías distintas de generadores de solitones auto-mantenidos con diseños más sencillos y robustos que los encontrados en la bibliografía, obteniendo sistemas más compactos que operan a frecuencias más altas y con un menor ciclo de trabajo. En un primer prototipo se diseña un oscilador cuya realimentación está formada por una línea de transmisión no lineal (NLTL) en la que imponemos la forma de onda pulsada de perfil solitón con ayuda de generadores de sustitución. En un segundo prototipo la línea no lineal forma parte de la carga del oscilador. Como novedad en ambos casos se estudia la estabilidad y la evolución de la solución en el estado estacionario para varios parámetros del circuito analizando la posible generación de distintos modos de oscilación mediante el fenómeno de bifurcación. Por primera vez, se analiza también el modo de operación subsincronizado en este tipo de sistemas. Por último, se analiza el espectro del ruido de fase utilizando de nuevo la formulación semi-analítica desarrollada en esta tesis y basada en el análisis de la perturbación de la función admitancia del sistema.