Bloqueo por inyección

El bloqueo por inyección y la atracción por inyección son 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 suficientemente fuerte y las frecuencias lo suficientemente próximas, el segundo oscilador puede capturar al primero, haciendo que tenga prácticamente la misma frecuencia que el segundo oscilador. Esto se denomina bloqueo por inyección. Cuando el segundo oscilador simplemente perturba al primero pero no lo captura, el efecto se denomina atracción por inyección. Los efectos de bloqueo por inyección y atracción por inyección se observan en numerosos tipos de sistemas físicos; sin embargo, estos términos se asocian con mayor frecuencia a osciladores electrónicos o resonadores láser .

El bloqueo por inyección se ha utilizado de forma ventajosa e ingeniosa en el diseño de los primeros televisores y osciloscopios , permitiendo la sincronización del equipo con señales externas a un coste relativamente bajo. También se ha empleado en circuitos de duplicación de frecuencia de alto rendimiento. Sin embargo, cuando no se realiza de forma intencionada, el bloqueo por inyección y la activación pueden degradar el rendimiento de los bucles de enganche de fase y los circuitos integrados de radiofrecuencia .

El efecto de atracción y bloqueo por inyección se puede observar en numerosos sistemas físicos donde pares de osciladores están acoplados. 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 marcaban una hora ligeramente diferente, sin embargo, se sincronizaban perfectamente cuando se colgaban de una viga común. Investigadores modernos han confirmado su sospecha de que los péndulos estaban acoplados por pequeñas vibraciones de vaivén en la viga de madera. ^{[ 1 ]} Los dos relojes se bloquearon por inyección a una frecuencia común.

En un oscilador controlado por voltaje moderno, una señal de bloqueo por inyección puede anular su voltaje de control de baja frecuencia, lo que resulta en una pérdida de control. Cuando se emplea intencionalmente, el bloqueo por inyección permite reducir significativamente el consumo de energía y posiblemente el ruido de fase en comparación con otras técnicas de diseño de sintetizadores de frecuencia y PLL . De manera similar, la frecuencia de salida de láseres grandes se puede purificar mediante el bloqueo por inyección con láseres de referencia de alta precisión (véase el generador de inyección ).

Un oscilador bloqueado por inyección ( ILO ) generalmente se basa en un oscilador LC acoplado en cruz . Se ha empleado para la división de frecuencia ^{[ 2 ]} o la reducción de jitter en PLL , con una entrada de forma de onda sinusoidal pura. Se empleó en modo continuo de recuperación de reloj y datos (CDR) o recuperación de reloj para realizar la restauración del reloj con la ayuda de un circuito de generación de pulsos precedente para convertir datos sin retorno a cero (NRZ) a formato pseudo-retorno a cero (PRZ) ^{[ 3 ]} o un circuito de resincronización no ideal ubicado en el lado del transmisor para acoplar la señal de reloj a los datos. ^{[ 4 ]} A finales de la década de 2000, el ILO se empleó para un esquema de recuperación de reloj en modo ráfaga. ^{[ 5 ]}

La capacidad de sincronización por inyección es una propiedad inherente a todos los osciladores (electrónicos o de otro tipo). Esta capacidad puede entenderse fundamentalmente como el efecto combinado de la periodicidad del oscilador y su autonomía. Concretamente, consideremos una inyección periódica (es decir, una perturbación externa) que adelanta o retrasa la fase del oscilador en un cierto desfase en cada ciclo de oscilación. Debido a la periodicidad del oscilador, este desfase será el mismo de un ciclo a otro si el oscilador está sincronizado por inyección. Además, debido a la autonomía del oscilador, cada desfase persiste indefinidamente. La combinación de estos dos efectos produce un desfase fijo por ciclo de oscilación, lo que resulta en un desplazamiento de frecuencia constante a lo largo del tiempo. Si la frecuencia de oscilación resultante, desplazada, coincide con la frecuencia de inyección, se dice que el oscilador está sincronizado por inyección. Sin embargo, si el desplazamiento de frecuencia máximo que puede experimentar el oscilador debido a la inyección no es suficiente para que las frecuencias de oscilación e inyección coincidan (es decir, la frecuencia de inyección está fuera del rango de bloqueo ), el oscilador solo puede ser arrastrado por inyección (véase §  Arranque por inyección ). ^{[ 6 ]}

Las señales lógicas de alta velocidad y sus armónicos representan amenazas potenciales para un oscilador. La fuga de estas y otras señales de alta frecuencia hacia un oscilador a través del sustrato, junto con un bloqueo no deseado, se denomina bloqueo por inyección no deseado.

El bloqueo por inyección también puede proporcionar una forma de obtener ganancias con un bajo consumo de energía en ciertas aplicaciones.

La inyección de frecuencia ( también conocida como arrastre de frecuencia) ocurre cuando una fuente de frecuencia interferente perturba un oscilador, pero no logra sincronizarlo. La frecuencia del oscilador se desplaza hacia la fuente de frecuencia, como se observa en el espectrograma. La falta de sincronización puede deberse a un acoplamiento insuficiente o a que la frecuencia de la fuente de inyección se encuentra fuera del rango de sincronización del oscilador. La inyección de frecuencia altera fundamentalmente la periodicidad inherente del oscilador.

El arrastre se utiliza para referirse al proceso de sincronización de modos de osciladores acoplados, mediante el cual dos sistemas oscilantes que interactúan y que tienen periodos diferentes cuando funcionan de forma independiente, adoptan un periodo común. Los dos osciladores pueden sincronizarse , pero también son posibles otras relaciones de fase. El sistema con mayor frecuencia disminuye su velocidad y el otro la aumenta.

El físico neerlandés Christiaan Huygens , inventor del reloj de péndulo , introdujo el concepto tras observar, en 1666, que los péndulos de dos relojes montados en un tablero común se habían sincronizado, y experimentos posteriores reprodujeron este fenómeno. Describió este efecto como " simpatía extraña ". Los dos relojes de péndulo se sincronizaban con sus péndulos oscilando en direcciones opuestas, con un desfase de 180° , aunque también pueden producirse estados en fase. El arrastre se produce porque se transfieren pequeñas cantidades de energía entre los dos sistemas cuando están desfasados, de forma que se produce una retroalimentación negativa . A medida que adoptan 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 fue algo fortuita, y que existen otras posibles soluciones estables, incluyendo un "estado de muerte" donde un reloj deja de funcionar, dependiendo de la fuerza del acoplamiento entre los relojes. ^{[ 7 ]}

El bloqueo de modos entre osciladores excitados se puede demostrar fácilmente utilizando metrónomos mecánicos sobre una superficie común y fácilmente movible. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Este bloqueo de modos es importante para muchos sistemas biológicos, incluido el correcto funcionamiento de los marcapasos . ^{[ 11 ]}

En la literatura física moderna , el término «arrastre» se refiere con mayor frecuencia al movimiento de un fluido, o conjunto de partículas, por otro. Su uso para referirse al bloqueo de modos de osciladores acoplados no lineales surgió principalmente después de 1980 y, en comparación, sigue siendo relativamente poco común.

Se ha caracterizado un fenómeno de acoplamiento similar en audífonos cuando se utiliza la cancelación de retroalimentación adaptativa . Este artefacto caótico (sincronización) se observa cuando se presentan señales de entrada correlacionadas a un cancelador de retroalimentación adaptativo.

En los últimos años, el arrastre aperiódico se ha identificado como una forma alternativa de arrastre que es de interés en los ritmos biológicos. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

• Divisor de frecuencia con bloqueo por inyección
• Bucle de enganche de fase
• oscilador LC
• oscilador electrónico
• Oscilador LC de acoplamiento cruzado
• Recuperación de datos y reloj en modo ráfaga
• Arrastre (hidrodinámica)
• Sincronización de ondas cerebrales
• Sincronización del caos
• Rango de bucle de enganche de fase
• Bloqueo de mareas

• Evitación del arrastre de filtros mediante un algoritmo de transformación en el dominio de la frecuencia. Patente WO2008051571 . Alcance de la patente. OMPI.
• Evitación de arrastre con estabilización de poste. Patente WO2008051569 . Alcance de la patente. OMPI.
• Evitación del arrastre con un algoritmo de dominio de transformación
• Evitación de arrastre con un filtro autorregresivo. Patente WO2008051570 . Alcance de la patente. OMPI.

* Wolaver, Dan H. 1991. Diseño de circuitos de bucle de enganche de fase , Prentice Hall, ISBN 0-13-662743-9páginas 95–105

• Adler, Robert (junio de 1946). "Un estudio de los fenómenos de bloqueo en osciladores". Actas del IRE . 34 (6): 351– 357. doi : 10.1109/JRPROC.1946.229930 . S2CID 51638781 . 
• Kurokawa, K. (octubre de 1973). "Bloqueo por inyección de osciladores de estado sólido de microondas". Actas del IEEE . 61 (10): 1386– 1410. doi : 10.1109/PROC.1973.9293 .

* Lee, Thomas H. 2004. El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS , Cambridge, ISBN 0-521-83539-9páginas 563–566

• Demostración del bloqueo por inyección.
• Bloqueo por inyección de 100 metrónomos