Los diferentes tipos de componentes de frecuencia desempeñan distintas funciones en los sistemas electrónicos. Cada uno tiene principios de funcionamiento únicos y colaboran para satisfacer las diversas necesidades de los sistemas electrónicos en cuanto a señales de frecuencia. A continuación, se presenta una introducción detallada a los principios de funcionamiento de los componentes de frecuencia comunes en los sistemas electrónicos:

1. Oscilador de cristal:

El componente principal es el cristal de cuarzo, que funciona basándose en el efecto piezoeléctrico. Cuando se aplica un voltaje alterno a los dos electrodos del cristal de cuarzo, el cristal genera vibraciones mecánicas debido al efecto piezoeléctrico inverso; las vibraciones mecánicas generarán voltajes alternos en los electrodos a través del efecto piezoeléctrico positivo. Los cristales de cuarzo tienen una frecuencia de vibración natural fija. Cuando la frecuencia del voltaje alterno aplicado es igual a la frecuencia natural, se produce resonancia. En este momento, la amplitud de vibración del cristal es la más grande y el voltaje alterno generado también es el más fuerte. Al diseñar un circuito adecuado, como el circuito oscilador Pierce, el cristal se combina con componentes como amplificadores para hacer que la resonancia continúe, emitiendo así una señal de frecuencia estable. Por ejemplo, en una placa base de computadora, el oscilador de cristal proporciona una señal de reloj estable para el sistema para garantizar que los diversos componentes funcionen en coordinación.

2. Oscilador controlado por voltaje (VCO):

El principio de funcionamiento se basa en cambiar los parámetros del circuito de oscilación para lograr cambios en la frecuencia de salida. Es común ajustar la frecuencia de oscilación modificando el valor del condensador o inductor, y este cambio se logra mediante el voltaje de control de entrada. Tomando como ejemplo el VCO capacitivo, el cambio del voltaje de control provocará que cambie la capacitancia del diodo varactor. Como parte del circuito de oscilación, el cambio de capacitancia del diodo varactor cambiará la frecuencia de resonancia del bucle de oscilación, haciendo que la frecuencia de la señal de salida por el VCO esté linealmente relacionada con el voltaje de control de entrada. En el sistema de bucle de enganche de fase (PLL), el VCO ajusta la frecuencia de acuerdo con el voltaje de control de salida por el filtro de bucle para que la frecuencia y la fase de la señal de salida sean consistentes con la señal de referencia.

3. Sintetizador de frecuencia:

• Sintetizador de frecuencia directa:

Mediante la multiplicación, división, mezcla y otras operaciones en una o más señales de frecuencia de referencia de alta estabilidad, se generan directamente las diversas señales de frecuencia requeridas. Mediante múltiples osciladores de frecuencia fija, se seleccionan diferentes combinaciones de frecuencias mediante circuitos de conmutación y luego se procesan mediante mezcladores y filtros para obtener señales de salida de diferentes frecuencias. Sus ventajas son la alta velocidad de conversión de frecuencia y la alta resolución de frecuencia; sin embargo, debido a la necesidad de un gran número de osciladores y circuitos complejos, el coste y el volumen son elevados.

• Sintetizador de frecuencia de bucle de enganche de fase:

Se compone principalmente de un detector de fase (PD), un filtro de lazo (LF), un oscilador controlado por voltaje (VCO) y un divisor de frecuencia. El detector de fase compara la fase de la señal de salida del VCO con la fase de la señal de referencia y genera una tensión de error proporcional a la diferencia de fase. Esta tensión de error es filtrada por el filtro de lazo y se introduce en el VCO como tensión de control para ajustar su frecuencia de salida. La señal de salida del VCO se divide por el divisor de frecuencia, se retroalimenta al detector de fase y se compara de nuevo con la señal de referencia para formar un sistema de lazo cerrado. Mediante el ajuste continuo, la frecuencia y la fase de la señal de salida del VCO se sincronizan con la señal de referencia, logrando así la síntesis de frecuencia.

• Sintetizador de frecuencia digital directo (DDS):

Basado en tecnología de procesamiento digital de señales, utiliza circuitos digitales de alta velocidad y tecnología de almacenamiento. Contiene un acumulador de fase, una memoria de forma de onda (ROM), un convertidor digital-analógico (DAC) y un filtro paso bajo (LPF). Impulsado por la señal de reloj, el acumulador de fase acumula continuamente el valor de fase; según el valor de fase acumulado, se lee el valor de amplitud correspondiente de la memoria de forma de onda. Estos valores de amplitud se convierten en señales analógicas mediante el DAC y, posteriormente, se suavizan y filtran mediante el LPF para obtener la salida de señal analógica de la frecuencia requerida. El DDS puede generar señales de diversas frecuencias, fases y amplitudes con rapidez y precisión.

4. Filtro:

• Filtro pasivo:

Está compuesto por componentes pasivos como resistencias (R), condensadores (C) e inductores (L). Según las diferentes combinaciones de componentes y métodos de conexión, se forman filtros paso bajo, paso alto, paso banda o filtro bloqueador de banda. Por ejemplo, el filtro paso bajo presenta baja impedancia a las señales de alta frecuencia, mientras que el inductor presenta alta impedancia a las señales de alta frecuencia. Cuando la señal de entrada pasa por el circuito del filtro paso bajo, compuesto por condensadores e inductores, la señal de alta frecuencia se atenúa, mientras que la señal de baja frecuencia puede pasar sin problemas.

• Filtro activo:

Además de los componentes pasivos, también contiene dispositivos activos (como los amplificadores operacionales). Los filtros activos aprovechan los efectos de amplificación y amortiguación de los amplificadores operacionales no solo para lograr funciones de filtrado, sino también para proporcionar ganancia y mejorar las características de frecuencia. Por ejemplo, en un filtro paso bajo activo, un amplificador operacional puede mejorar la amplitud de la señal y, mediante un diseño adecuado de los parámetros del circuito, el filtro puede tener una banda de transición más pronunciada y mejores características de banda de paso.

5. Mezclador:

Funciona basándose en las características no lineales de dispositivos no lineales (como diodos, transistores, etc.). Cuando dos señales de entrada de diferentes frecuencias (generalmente una es la señal de entrada a procesar y la otra es la señal de oscilación local) actúan simultáneamente sobre el dispositivo no lineal, se generará una serie de nuevos componentes de frecuencia, incluyendo la frecuencia suma, la frecuencia diferencia y su combinación armónica de las dos frecuencias de la señal de entrada. Mediante el filtro posterior, se selecciona el componente de frecuencia requerido (como la frecuencia suma o la frecuencia diferencia) para lograr la conversión de frecuencia de la señal. En un receptor superheterodino, el mezclador mezcla la señal de alta frecuencia recibida con la señal de oscilación local y convierte la señal de alta frecuencia en una señal de frecuencia intermedia fija para su posterior procesamiento.

6. Divisor de frecuencia y multiplicador de frecuencia:

• Divisor de frecuencia:

En circuitos digitales, los divisores de frecuencia suelen estar compuestos por elementos lógicos digitales, como disparadores. Por ejemplo, un divisor de frecuencia bidireccional simple: el flanco ascendente o descendente de la señal de entrada activa el estado del biestable, y la frecuencia de salida del disparador es la mitad de la frecuencia de la señal de entrada. Al conectar múltiples disparadores en cascada, se pueden lograr múltiplos mayores de la división de frecuencia. En circuitos analógicos, la función de división de frecuencia también se puede lograr mediante circuitos resonantes LC.

• Multiplicador de frecuencia:

Se logra mediante el uso de las características de los dispositivos no lineales. Cuando la señal de entrada pasa a través de un dispositivo no lineal, se generan armónicos de alto orden. El filtro puede seleccionar los componentes armónicos de alto orden necesarios para lograr la multiplicación de frecuencia. Por ejemplo, al usar elementos no lineales como diodos de recuperación por pasos, al pasar la señal de entrada, las características no lineales del diodo generarán armónicos ricos. El filtro paso banda selecciona la salida de frecuencia armónica específica para lograr la multiplicación de frecuencia de la señal de entrada.