Contribución al diseño de lazos de realimentación electrónica para microsistemas electromecánicos (MEMS) resonantes: ruido de fase generado en lazos osciladores por sus realimentaciones
2.4.
CONCLUSIONES
En este Capítulo hemos revisado la definición y la medida del Ruido de Fase en osciladores, analizando además algunas modulaciones de frecuencia (FM) que pudiesen dispersar energía de la señal de salida en el entorno de la frecuencia “portadora” f0 que se
esperaría de un oscilador. Modulaciones FM rápidas a frecuencia igual o múltiplo entero de la señal de salida han sido descartadas, lo que será de interés para el Ruido de Fase Técnico que veremos en el Capítulo 4, como resultado de la acción del control automático de amplitud en un lazo cuya fase a f0, la frecuencia de resonancia del resonador, no sea exactamente cero. En
cuanto al Ruido de Fase Térmico que trataremos en el Capítulo 3, se ha mostrado que el espectro esperable para la señal de salida de un oscilador basado en un resonador L-C que sufre los efectos de un ruido impulsivo de corriente, formado por paquetes discretos de carga (ruido discreto de carga), es similar al observado experimentalmente: una línea Lorentziana de cierta anchura alrededor de f0.
Con la ayuda de algunos programas de procesado de señal que previamente hemos construido, hemos llegado a la conclusión de que tal espectro se corresponde con el que resulta de un proceso de Modulación de Frecuencia en el que la portadora (señal de frecuencia f0 a la salida del oscilador) es modulada por un ruido eléctrico de tipo impulsivo. Sobre este
espectro se puede medir el llamado Ruido de Fase del oscilador como la “distancia”, medida en dB, que separa el máximo valor del espectro que se tiene a f0, del valor que alcanza el espectro
a una separación ∆f = f0-f de la frecuencia del oscilador (L(∆f)). Además, hemos adelantado la
forma del espectro de la señal de salida del oscilador, de tipo paso-banda, centrado en f0 y
caracterizado por:
i. Una zona plana en torno a la frecuencia del oscilador f0, que hemos denominado
Ensanchamiento de Línea (EL), resultado de las Fluctuaciones de energía que se dan en el resonador L-C en Equilibrio Térmico con su entorno (Ruido de Fase Térmico). A este ruido se le sumará el ruido de fase debido a un no-perfecto control de la fase de la ganancia del lazo del oscilador (Ruido de Fase Técnico) que se verá más adelante.
ii. Dos zonas simétricas respecto a f0, a continuación del Ensanchamiento de Línea, con
pendientes diferentes conforme nos separamos de f0, empezando con pendiente 1 ∆𝑓⁄ 3
debido al ruido de tipo 1/f de los diferentes dispositivos que forman parte del oscilador y seguida de otra pendiente de tipo 1 ∆𝑓⁄ 2 debida al ruido de espectro plano que
también existirá en el oscilador.
iii. Finalmente, para separaciones grandes en frecuencia respecto a f0, se tiene otra zona
plana, de mucha mayor extensión espectral que la primera pero de mucha menor potencia, que atribuiremos a los procesos de Disipación que siguen a las Fluctuaciones Térmicas de energía que excitan el resonador.
En resumen: la modulación BRPSK producida por un ruido impulsivo en el que cada impulso de ruido produce siempre el mismo salto de fase ∆𝜙, independientemente de cuándo ocurra, reproduce muy bien el EL de la “portadora”, así como las diferentes pendientes de Ruido de Fase observado empíricamente. Esta modulación de tipo PSK aleatoria Bipolar (saltos de fase +∆𝜙 o −∆𝜙, pero iguales, de ahí lo de Bipolar) es la antesala del auténtico modelo que
CONCLUSIONES
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Contribución al diseño de lazos de realimentación electrónica para microsistemas electromecánicos (MEMS) resonantes: ruido de fase generado en lazos osciladores por sus realimentaciones
propondremos en el Capítulo 3, donde el ruido eléctrico que produce Ruido de Fase será impulsivo, pero con impulsos de carga iguales que dan diferente efecto o salto de fase en cada impulso. Ello es porque ese efecto es función de la propia Fase que tenga la portadora cuando tal impulso de ruido tiene lugar. Dicho llanamente: como el ruido eléctrico que origina el Ruido de Fase Térmico junto a f0 es un ruido de carga discreto (Fluctuaciones instantáneas de carga o
transiciones aleatorias e instantáneas de electrones entre las placas del resonador L-C), su efecto depende del instante en que tal Fluctuación sucede dentro del periodo de la señal de salida. Llevando este efecto variable a un término de eficiencia moduladora, como hemos hecho en el Capítulo 3, la modulación FRPSK (Full-Random PSK) que hay en el resonador debido a las Fluctuaciones del ruido Térmico, se puede estudiar como la sencilla modulación BRPSK que hemos estudiado con detalle en este Capítulo.
El párrafo anterior no tiene mucho sentido según el modelo de ruido eléctrico usado hoy en día, donde la Resistencia o la Conductancia (o quizás la disipación en ellas) es “la base” de tal modelo. Sin considerar Fluctuaciones discretas de energía como parte esencial del ruido Térmico, las antedichas modulaciones que explicarían directamente el ruido de fase llamado Ensanchamiento de Línea, difícilmente se entienden. De ahí la importancia del nuevo modelo de ruido térmico que hemos publicado recientemente, basado en la admitancia del resonador y no en su conductancia (modelo tradicional) y que usaremos en el próximo Capítulo.