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Informe Previo No.3: “Osciladores Senoidales” Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Electrónica III(EE443-N) - 2020-II Ñique Angeles Jercy Adolfo [email protected] Introducción. - Un oscilador es un dispositivo electrónico para generar una señal de voltaje alterna. La frecuencia de la señal generada depende de las constantes del circuito. Los osciladores se usan en todos los transmisores y receptores de señales, con aplicaciones médicas, de telecomunicaciones, industriales, militares, etc, Podemos generalizar un esquema de un circuito oscilador como compuesto por un “circuito oscilante”, “un amplificador” y “una red de realimentación”

otro contexto se consideraba desventajosa, y consideraremos primeramente una estructura como la de la figura anterior. Los osciladores de onda senoidal se utilizan en general en electrónica doméstica, por ejemplo, en radios y televisores. Los osciladores de onda senoidal se pueden utilizar como mecanismo de prueba, ya que pueden generar una onda senoidal uniforme constante, y se pueden utilizar como referencia en sistemas de audio, de comunicación y en sistemas digitales. Los osciladores de onda senoidal son RC (condensador de resistencia), LC (condensador inductor) que hacen referencia al mecanismo del filtro de señal, el cual forma parte del bucle de retroalimentación. 

El circuito oscilante es el encargado de producir las oscilaciones deseadas; sin embargo, no es capaz de mantenerlas por sí solo. El amplificador aumenta la señal y la red de retroalimentación introduce una muestra de la salida mediante una realimentación positiva.

I.

MARCO TEÓRICO

Se entiende por oscilador a una etapa electrónica que, siendo alimentada con una tensión continua, proporciona una salida periódica, que puede ser aproximadamente sinusoidal, o cuadrada, o diente de sierra, triangular, etc. O sea que la esencia del oscilador es “crear” una señal periódica por sí mismo, sin que haya que aplicarle señal alguna a la entrada. En este Curso nos limitaremos al estudio de los osciladores de onda senoidal, o en realidad, “casi senoidal” o “quasi sinusoidal” como se los suele llamar, ya que según veremos, es indispensable la existencia de un porcentaje pequeño de distorsión para su correcto funcionamiento; y solamente en bajas frecuencias (Audiofrecuencias), ya que inmediatamente se verán las propiedades de los circuitos sintonizados, utilizados en los osciladores de Radiofrecuencia. Un oscilador es un circuito que produce una oscilación propia de frecuencia, forma de onda y amplitud determinadas. Aquí se estudiarán los osciladores senoidales. Según habíamos visto, un sistema realimentado puede ser oscilante a causa de una inestabilidad. Aprovecharemos esta particularidad, que en

Los osciladores RC utilizan una red de resistencias y condensadores para filtrar la señal, y se utilizan principalmente para dispositivos de baja frecuencia.



Los osciladores LC utilizan un circuito ajustado compuesto por un inductor y un condensador, y se utilizan en dispositivos de radio.

Los osciladores Cristal utilizan un cristal, como el cuarzo, de filtro. Habitualmente, se utilizan en relojes. Un oscilador de onda senoidal es un circuito que, mediante amplificación y realimentación, genera una onda sinusoidal. Su elemento activo es, normalmente, un transistor único, un TEC (FET), un bipolar o un integrado, y la frecuencia de operación se determina con un circuito sintonizado o un cristal piezoeléctrico en la trayectoria de realimentación. La estructura básica de un oscilador senoidal se compone de un amplificador y una red selectora de frecuencia conectados en un lazo de retroalimentación positiva, como el que se muestra en el diagrama de bloques de la figura 2. Aunque en un circuito oscilador real no estará presente una señal de entrada.

Figura 2. Una primera idea sobre la forma que adquiere este oscilador, se puede tener del concepto de realimentación. Amplificación con realimentación estaba dada por:

Af =

A0 1+ β . A 0

A0 Donde es la amplificación de la “caja” que se realimenta, y β es el coeficiente de realimentación. En el caso de que la realimentación sea de tipo negativa, tanto como son ambas positivas o ambas A0 β negativas, y el módulo de la ganancia es menor que el de A 0 en circuito abierto. Pero si invertimos un signo, ya A0

β , la realimentación se hace o de positiva; si el módulo de β . A 0 es menor que la unidad, el módulo de la ganancia con realimentación (circuito cerrado) aumenta, tanto más en cuanto el denominador se va aproximando a 0; al llegar a ser nulo, se tendría Amplificación infinita, vale decir: estamos obteniendo una salida, sin necesidad de poner tensión de entrada, lo que coincide con la definición del oscilador.

sea de

Se ve que para lograr este efecto hacen falta dos condiciones: 

Que la realimentación sea positiva.



Que dicha realimentación positiva sea suficiente (Ganancia de lazo = 1).

Existen dos métodos distintos de generar senoides, el primero que emplea un lazo de retroalimentación positiva que consiste en un amplificador y una red selectora de frecuencias RC o LC. La amplitud de las ondas senoidales que se generan se limita, o ajusta, por medio de un mecanismo no lineal, implementado con un circuito aparte o con las no linealidades del propio dispositivo amplificador. Y el segundo, son los circuitos que generan ondas senoidales mediante fenómenos de resonancias que se conocen como osciladores lineales.

esto equivale a que el determinante de las ecuaciones de las corrientes de malla o voltajes de nodo, se hace cero. A este criterio se lo conoce como criterio de “ganancia infinita”. Cuarto Criterio: Si cualquier circuito potencialmente oscilador se separa artificialmente en una porción activa y una carga, la impedancia de salida de la parte activa tendrá una parte real negativa cuando se satisfagan las condiciones para la oscilación. Esta es una condición necesaria pero no suficiente. Una onda de corriente puede circular indefinidamente por un lazo de impedancia cero; lo mismo se puede decir sobre una tensión senoidal, que puede persistir indefinidamente en un nodo de admitancia nula.

Oscilador Colpitts El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1 Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley. Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos capacitores: C1 y C2. De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrá tensiones opuestas. a) Implementar el circuito de la figura 2, con

Vcc =12 v

A pesar del nombre oscilador lineal, se tiene que emplear alguna forma de no linealidad para controlar la amplitud de la onda seno de salida. De hecho, todos los osciladores son, en esencia, circuitos no lineales. Existen varios criterios de oscilación rigurosos y equivalentes. En primer término, un oscilador que contenga un dispositivo activo en una configuración cuadripolo debe tener una trayectoria de realimentación por la que parte de la salida se realimenta a la entrada. Si la señal de realimentación es mayor que la entrada y en fase con ella, se iniciaran las oscilaciones y crecerán en amplitud hasta que la saturación reduzca la ganancia alrededor del bucle de realimentación a la unidad. Primer Criterio: Un circuito oscilará cuando exista una trayectoria de realimentación que proporcione al menos una ganancia de bucle unitaria con desplazamiento de fase nulo. Segundo Criterio: Un oscilador es un amplificador inestable en donde el factor de Stern K es menor que uno. Tercer Criterio: Un oscilador es un amplificador que, aunque la entrada sea nula, la salida no será nula. Matemáticamente

b) Analizar el circuito mostrado, calcule la frecuencia de oscilación en función de los elementos pasivos, aplicando el Criterio de Barkhausen. La realimentación positiva se puede obtener del polo negativo del capacitor electrolítico C2 y que pasa a través de una resistencia y un condensador. Este oscilador se utiliza para bandas de VHF, por lo que el rango de frecuencias va de 1Mhz a 30Mhz. A estas frecuencias el oscilador Hartley no es efectivo, debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas. La frecuencia de oscilación del Oscilador Colpitts está por:

f=

w0 2π

=

1 C1 C2 2π L C 1+ C2

√(

1

f=

√

)

Con un amplificador y un circuito tanque LC, podemos realimentar una señal con la amplitud y la fase correctas para mantener las oscilaciones. El análisis y el diseño de los osciladores de alta frecuencia son difíciles. ¿Por qué? Porque a frecuencias muy altas, las capacidades parásitas y las inductancias de las conexiones se hacen importantes a la hora de determinar la frecuencia de oscilación, la fracción de realimentación, la potencia de salida y otras magnitudes de alterna. Por esta razón, muchos diseñadores utilizan aproximaciones por computadora para realizar el diseño inicial y luego ajustan el oscilador construido para obtener el funcionamiento deseado. La polarización del divisor de tensión establece un punto de reposo. La bobina de choque de tiene una reactancia inductiva grande, por lo que se comporta como un circuito abierto para la señal alterna. La ganancia de tensión del circuito para bajas frecuencias de rc/ ℜ , donde rc es la resistencia de ℜ es la resistencia dinámica del colector en alterna y transistor.

2 π 0.7u

( 1010n+n .1010nn)

f =2.69 MHz A Cristal Un oscilador es un circuito electrónico que genera a su salida una señal (corriente o tensión) oscilante repetitiva, es decir que varía de un valor a otro cada cierto tiempo, como por ejemplo lo hace una señal de corriente alterna de una onda senoidal, la corriente eléctrica de salida generada es una corriente que oscila entre diferentes valores. Un oscilador típico sería un circuito electrónico (circuito oscilador) capaz de generar una señal de corriente alterna (ca) a su salida a partir de una corriente continua (cc) de entrada. Básicamente convierten el flujo de corriente unidireccional de una fuente de CC en una forma de onda alterna que es de la frecuencia deseada, según lo decidido por los componentes del circuito oscilador. Las características de las señales alternas generadas, como la frecuencia, la tensión, …etc. dependen del circuito oscilador que las genere (de los componentes del circuito). a) ¿Cuáles son los criterios más saltantes para diseñar un oscilador a cristal? ¿Qué relación hay entre el cristal y el dispositivo no lineal? El principio de funcionamiento de los osciladores se basa en la realimentación positiva, la cual consiste en tomar parte de la señal de salida y sumarla a la señal de entrada (realimentación).

La corriente de lazo del tanque LC pasa a través de C1 que se pone en serie con C2. Se observa que la tensión Vout es igual a la tensión alterna sobre C1. Además, la tensión de realimentación sobre la base del transistor aparece en C2, suponiendo que la ganancia de tensión sea suficiente para la frecuencia de oscilación. El circuito filtra una sola frecuencia del ruido generado en el arranque y la amplifica mediante retroalimentación positiva. Si durante el funcionamiento del oscilador, le quitamos algún componente y lo conectamos nuevamente; no hay garantía de que continúe oscilando, pues la oscilación proviene del ruido del circuito generado en el arranque. Con una realimentación débil (C1/C2 pequeña); la amplitud de las oscilaciones aumenta y la señal oscila cada vez más sobre la recta de carga en alterna. Con una realimentación fuerte (relación C1/C2 grande), una señal de realimentación grande excita la base del transistor, llevándolo a saturación y corte. De este modo, se carga el condensador C3, produciendo un desplazamiento del nivel de continua negativo en la base. Al construir un oscilador, podemos ajustar la realimentación para maximizar la tensión de salida. Para obtener una frecuencia de corte más alta, la señal de realimentación puede aplicarse al emisor.

El amplificador suministra la energía necesaria al oscilador y el circuito de realimentación mantiene la oscilación. El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador. La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 °C, en el margen de 0 a 70 °C. Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia, con un condensador en serie con el resonador, que aproxima la frecuencia de este, de la resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizar en los VCO para modular su salida

b) ¿Suponiendo que el circuito dado oscila, cual es la frecuencia de oscilación?

f=

w0 = 2π

1

√(

2π L f=

CP CS C P +C S

)

1

√

2π 1m

p .0.05 u ( 4747 p+0.05 u)

f =0.7344 MHz...