Osc Il Adores Rc

Noviembre 2002 Osciladores RC 1

TemaTema

Tema:OSCILADORES R-C(configuraciones bsicas)

Juan Carlos Garca Garca


CONOCIMIENTOS PREVIOSCONOCIMIENTOS PREVIOS

Del tema: Conceptos bsicos: estructura de osciladores, ganancia de lazo,

criterio de Barkhausen, condicin de oscilacin y de ganancia. Mtodos genricos de anlisis de osciladores. Conceptos de estabilidad y distorsin y su medida.

De otros temas o asignaturas: Configuraciones bsicas con operacionales. Realimentacin y estabilidad. Respuesta en frecuencia. Dispositivos semiconductores discretos.


INDICE DEL TEMAINDICE DEL TEMA

Introduccin a los osciladores RC Oscilador por desplazamiento de Fase.

z Limitacin de amplitud Osciladores en cuadratura y trifsicos. Oscilador en puente de Wien.

z Caractersticasz Regulacin de amplitud.

Conclusiones


PUNTO ACTUALPUNTO ACTUAL




Conclusiones


OSCILADORES RC.OSCILADORES RC.

CARACTERSTICAS DEFINITORIAS Amplificadores y Redes externas, selectivas en frecuencia,

mediante elementos RC.

Suelen usar amplificadores integrados (OPs)

BANDA DE FRECUENCIAS DE APLICACIN Entre las decenas de Hz y el MHz. Depende de: Caractersticas en frecuencia de los amplificadores usados. La estabilidad de frecuencia necesaria.

Los osciladores LC son ms estables. ... pero los LC tienen problemas prcticos: A frecuencias bajas, las bobinas son imprcticas. Adems, tienen un Q bajo.


OSCILADORES RC: principios generalesOSCILADORES RC: principios generales

Idea bsica: amplificador realimentado, sin seal de entrada.

A

E

vo

Para que la salida vO sea senoidal: El amplificador realimentado debe ser inestable a una sola

frecuencia 0 La ganancia de lazo A, debe ser unitaria para esa frecuencia. Pueden depender de : A, , o las dos (caso general). Tanto A como son valores de ganancia con efectos de carga.

Criterio deBarkhausen



A

E

vo

Consecuencias del criterio de Barkhausen: El defase de conjunto de la ganancia de lazo, A, debe ser nulo. Esta es

la condicin de fase.

El mdulo de A debe ser la unidad. (condicin de ganancia, o demantenimiento)

Para garantizar que la oscilacin empiece, es preciso cumplir lacondicin de ganancia por exceso (algo mayor que 1): condicin dearranque.



A

E

voPor qu la condicin de arranque?:

Con A=1 los polos del cto. estnsobre el eje j: las oscilaciones semantienen, si existen, pero no crecenni se crean.

Si A>1 las oscilaciones creceranindefinidamente.

vf

AEvo vovf

A>1



Lmite de las oscilaciones:En el lazo A existen o se introducen no linealidades para hacer caer la

ganancia por debajo de la unidad.

Una de las posiblas causas es la propia saturacin de los amplificadores.

AEvo vovf

vo

vo

Saturacin (+)

Saturacin (-)

A>1

A=0

A=0



Introduccin a los osciladores RCOscilador por desplazamiento de Fase.



Conclusiones


OSCILADOR POR DESPLAZAMIENTO DE FASEOSCILADOR POR DESPLAZAMIENTO DE FASE

ESTRUCTURA BSICA:

R R R

C C C

Vi-K

Vo = -KVi

VoVi

A

EZVi

Vo

La red es la dependiente de la frecuencia determina el oscilador Tres clulas RC: mximo defase terico 3 90 = 270 grados. La red fija un desplazamiento de fase de 180 grados en 0 El amplificador es real, de fase 180 grados.

Ideal de tensin



ANLISIS: Estudio de la red .

R R R

C CCVo Vi

V1V2I1I2I3

Salida deloscilador

Entrada alamplificador A:carga Ze infinita



Funcin de transferencia de A:

A=-K

EZVi

Vo



Criterio de Barkhausen (en j):

Parte imaginaria nula (condicin de oscilacin), frecuencia de oscilacin:

A la frecuencia de oscilacin, parte real igual a la unidad (cond. de ganancia):


OSCILADOR PRCTICO: AnlisisOSCILADOR PRCTICO: Anlisis

red3Out

R1

300k

R2

10k

R310k

C1

10nR4

10k

C2

10n

C3

10n

1

+

-

A

La R final de la red es lacarga presentada por la

entrada al amplificador A:Ze finita = R2


OSCILADOR PRCTICO: AnlisisOSCILADOR PRCTICO: Anlisis

red3Out

R1

300k

R2

10k

R310k

C1

10nR4

10k

C2

10n

C3

10n

1

+

-


Medida de ladistorsin

OSCILADOR PRCTICO: Formas de ondaOSCILADOR PRCTICO: Formas de onda

Salida limitada por lasaturacin del OP

Tiempo30ms 31ms 32ms 33ms 34ms

V(OUT)

-10V

0V

10V

FrecuenciaV(OUT)

0Hz 1.0KHz 2.0KHz 3.0KHz 4.0KHz1.0mV

1.0V

100V

(3.2kHz, 19mV)(1.93kHz, 48mV)

(643Hz, 9.3V)


OSCILADOR PRCTICO: Efecto de las variaciones de OSCILADOR PRCTICO: Efecto de las variaciones de KK

TiempoV(OUT)

30ms 31ms 33ms 34ms32ms-10V

0V

10V

EFECTOS DEL AUMENTO DE LA GANANCIA A K = 40: Aumenta tambin el efecto del recorte: la distorsin es del 3.7%. Disminuye la frecuencia: ahora es de unos 570Hz (un 11% menor).

El oscilador con K=30 tiene riesgos reales de detenerse Este valor es un 3.4% mayor que la condicin de ganancia (K=29). La tolerancia o la deriva de los componentes puede hacer que K


OSCILADOR PRCTICO: Efectos de la saturacin del OPOSCILADOR PRCTICO: Efectos de la saturacin del OP

Existen amplios picos en la entrada del OP: Estos picos se corresponden a los puntos en los que la seal de salida

del oscilador queda limitada por la saturacin del OP. Al saturarse el OP, abandona su zona lineal.

Cul es el causa de que las caractersticas del oscilador varen alabandonar el OP zona lineal?

Tiempo

30ms 31ms 32ms 33ms 34msV(RED3)

-1.0V

0V

1.0V

Picos en la sealde entrada al OP:

Vi


OSCILADOR PRCTICO: Efectos de la saturacin del OPOSCILADOR PRCTICO: Efectos de la saturacin del OP

red3Out

R1

300k

R2

10k

R310k

C1

10nR4

10k

C2

10n

C3

10n

1

+

-

La impedancia de entrada de A forma parte de la red . Si el OP se satura, la resistencia vista en la entrada aumenta. La estructura de la red (en esa zona) no es la misma que la supuesta.

Varan las condiciones no tiene las caractersticas previstas. Es necesario evitar la saturacin del operacional



Introduccin a los osciladores RC Oscilador por desplazamiento de Fase.z Limitacin de amplitud

Osciladores en cuadratura y trifsicos. Oscilador en puente de Wien.


Conclusiones


LIMITADORES DE AMPLITUDLIMITADORES DE AMPLITUD

FUNCIN DE LOS LIMITADORES Se trata de evitar la saturacin del dispositivo activo (d.a.). Se introducen en el cto. dispositivos no lineales (diodos, zeners...). Una opcin es colocarlos como recortadores en puntos dados del cto. La forma ms eficiente es por reducin de la ganancia del d.a. en

funcin de la amplitud de la onda de salida.

+

- vovi

Rx

R1

R2



UN CIRCUITO LIMITADOR CON DIODOS Idea inicial: ON - OFF en V gamma (V).

Son los diodos los que saturan cuandocomienzan a conducir (desde V)

vo+

-vi

R1

R2

D2

D1

vi

voVJDiodo D2

VJDiodo D1-R2/R1



EFECTO REAL La resistencia del diodo es no lineal y funcin de su tensin. Se encuentra en paralelo con la R de realimentacin del OP (de k) El comportamiento en seal es ms prximo a una R = f(Vo)

Out

In

+

-

D1R2

10k

R1

10k

D2

Vg

Ejemplo: D con Is = 10-14A rD = 5k a 0.5V

Evolucin de la r diferencial:

Dx en directo:



EJEMPLO PRCTICO: Diodo 1N4148, (muy extendido como rectificador en seal). Datos de su simulacin en PSpice (escala logartmica en R).

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7100

101

102

103

104

105Resistencia, en ohmios, de un diodo 1N4148

Tensin directa, en Voltios

rD = f(vD)

+_vD


V(In)

-2.0V -1.0V 0V 1.0V 2.0VV(OUT)

-1.0V

0V

1.0V


REDUCCIN DE LA GANANCIA: Diodos 1N4148, en antiparalelo.. Amplificador inversor de ganancia unidad (-1) (Rs de 10k)

Ganancia unidad

La ganancia se va reduciendogradualmente (desde los 0.2V)

Out

In

+

-

D1R2

10k

R1

10k

D2

Vg

rD = f(vO)

vO



CIRCUITO LIMITADOR CON DIODOS ZENER Idea de partida: ON - OFF en V zener (VZ).

De igual forma, D1 y D2 presentarn una resistencia variable combinada (serie de ambos diodos) con un cierto offset (Vz).

vi

vo(Vz+VJ

-(Vz +VJ)-R2/R1

+

- voR1

R2

D2

D1

vi



LIMITADORES con DIODOS Su resistencia equivalente Rd, esencialmente no lineal, modifica la

cantidad de realimentacin reduciendo la ganancia.. La tensin umbral no es fcilmente extrapolable a lmites prcticos.

V(InD)1 V(OUTD) 2 - D(V(OutD))-200mV -100mV 0V 100mV 200mV0

10

20

30

40

50

-5.0V

0V

5.0VF T

M de Ganancia

OutD

InD R1

1k

R2 40k

D1

Vz = 4.7V

+

-

D2

Vg

F. de Transferencia

|Ganancia|

=39

Circuito prctico: dos zeners de 4.7V en antiserie, ganancia nominal = -40


LIMITADORES DE AMPLITUD: Limitador con resistoresLIMITADORES DE AMPLITUD: Limitador con resistores

vout

vin

L1

L2

-R5 /R6

-(R2 ||R5) /R6

LIMITADOR con DIODOS + RESISTORES Dos redes simtricas (para valores positivos y negativos). Permite un mejor ajuste de la tensin de limitacin. Reduce la ganancia hasta una cota predeterminada.

+

-R6

R5

R2

R1

R2

R1D1

D2

VCC

-VCC

vout

va

vb

vin


LIMITADORES DE AMPLITUD: Circuito RecortadorLIMITADORES DE AMPLITUD: Circuito Recortador

+

-

R5

R2

R1D1 VCC

vout

va

(OP)Cortocircuitovirtual a masa

0 V

Anlisis del limitador para la umbral negativo (L2)



out

in

+

-R6

1k

R5

40k

R310k

R4

40k

R210k

R1

40k

D1

D2

Vg

VCC

-VCC

vout

va

vb

L2 = -3.25V L1 = +3.25V

Ejemplo prctico:



V(in)1 V(OUT) 2 - D(V(out))-200mV -100mV 0V 100mV 200mV

-5.0V

0V

5.0VF T

0

25

50M Ganancia

|G| = 40|G| = 8

V de salida = -3V

Cumple aproximadamente lo previsto

Ejemplo prctico:


LIMITADORES: Mejora de la distorsinLIMITADORES: Mejora de la distorsin

Out

R1

400kR2

10k

R310k

C1

10nFR410k

C2

10nF

C3

10nF+

-

D1 D2 D1, D2: zeners de 4.7 V

Tiempo

10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msV(OUT)

-4.0V

0V

4.0V

Amplitud = 2.3VDistorsin = 0.9%




z Limitacin de amplitudOsciladores en cuadratura y trifsicos. Oscilador en puente de Wien.


Conclusiones


OSCILADOR EN CUADRATURA: CaractersticasOSCILADOR EN CUADRATURA: Caractersticas

SUMINISTRA DOS SEALES SENOIDALES DEFASADAS 90 grados Tres bloques dependientes de : dos amplificadores y una red Uno de los amplificadores debe defasar exactamente 90 grados a la

frecuencia de oscilacin.

EZ

A1(Z) A2(Z)I2 = -90

Seno

Coseno


OSCILADOR EN CUADRATURA: Circuito prcticoOSCILADOR EN CUADRATURA: Circuito prctico

-

D2

R

10k

C 10n

+

-

C2

10n

10k

D1

10k

10nC

R

R

vf voc

+ vos


OSCILADOR EN CUADRATURAOSCILADOR EN CUADRATURA

-

D2

R

10k

C 10n

+

-

C2

10n

10k

D1

10k

10nC

R

R

vf voc

+ vos

Tiempo4.0ms 4.5ms 5.0ms 5.5ms 6.0ms 6.5ms

V(SENO) V(COSENO)

-10V

0V

10V

A2


OSCILADOR EN CUADRATURA: Versin con OSCILADOR EN CUADRATURA: Versin con RR negativa negativa

SALIDA DE DOS SEALES SENOIDALES DEFASADAS 90 grados Dos bloques dependientes de : dos amplificadores. La red es unitaria (un hilo) Ambos amplificadores deben comportarse como integradores ideales,

aunque de signos opuestos (+90 y -90 grados).

E

A1(Z) A2(Z)I2 = 90

Seno

CosenoI1 = -90


OSCILADOR EN CUADRATURA: con R negativaOSCILADOR EN CUADRATURA: con R negativa

Coseno Seno

R1

Ry = 2R

C

R1

Rx

+

-

R

+C

D2D1

-

vocvos

vxAO1

AO2

AO2: Subcircuito de R negativa!

ix


OSCILADOR EN CUADRATURA: con R negativaOSCILADOR EN CUADRATURA: con R negativa

=0

Misma ecuacin cto. anterior. Prdidas compensables. Con Rx < Ry

vocRy

vx

Ry -RxC

Circuito equivalente Norton de la salida de A1 en el nodo vx:


OSCILADOR TRIFSICOOSCILADOR TRIFSICO

OSCILADOR TRIFSICO: Tres integradores compensados iguales:

Fase0

Fase1

Fase2+

-R1

+

-

D2

R1C

+

-R1

D1R2

R2

R2C

C

Cada amplificador:

Red unitaria (un hilo), por tanto:



Parte imaginaria nula, frecuencia de oscilacin:

A la frecuencia de oscilacin, parte real mayor que la unidad:

Pueden fijarse independientemente la frecuenciade oscilacin y la ganancia.

La ganancia de cada etapa se ajusta muy cercana a +2.

Las prdidas del limitador no son problema.




V(FASE0) V(FASE1) V(FASE2)

-5.0V

0V

5.0V

Ganancia de cada etapa a la frecuencia de oscilacin (con R2/R1 =2):




z Limitacin de amplitud Osciladores en cuadratura y trifsicos.Oscilador en puente de Wien.z Caractersticasz Regulacin de amplitud.

Conclusiones


OSCILADOR EN PUENTE DE WIENOSCILADOR EN PUENTE DE WIEN

CARACTERSTICAS Mismo principio que el oscilador por desplazamiento de fase: La

dependencia con f se deriva de la red (red selectiva en f). Su denominacin deriva de una tcnica de medida de Z.

A

EZVi

Vo

Amplificadordiferencial

+

-

R3

R4

R1

C1

C2 R2



ANLISIS: Si el amplificador usado es un operacional, la red suele identificarse

slo con la rama reactiva del puente. El resto del cto. equivale a un amplificador no inversor. En el caso ms habitual, los elementos RC de la red reactiva son de

igual valor.

+

-

R2

R

R

R1

C

C

vfvo



Anlisis de la red :R C

CR

Vo Vf

Como la ganancia del amplificador es una constante K, A queda:


OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN: Cto. bsicoOSCILADOR EN PUENTE DE WIEN: Cto. bsico

RedOut+

-

R2

2.1k

R10k

R

10k

R11k

C

10nF

C10nF

K = 3.1


V(RED) V(OUT)

-10V

0V

10V

Oscilador ejemplo:


OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN: Limitador zenerOSCILADOR EN PUENTE DE WIEN: Limitador zener

RedOut+

-

R2 2.2k

R10k

R

10k

R11k

C

10nF

C10nF

D2 D1

Tiempo

4.0ms 4.4ms 4.8ms 5.2ms 5.6ms 6.0msV(RED) V(OUT)

-10V

0V

10V(7.1V)


OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN: Limitador zenerOSCILADOR EN PUENTE DE WIEN: Limitador zener

Frecuencia0Hz 2KHz 4KHz 6KHz 8KHz 10KHz

V(OUT)

10mV

1.0V

1.0mV

10V

(7.81kHz, 69mV)

(4.69kHz, 390mV)

(1.56kHz,7.4V) THD = 5.4%

El limitador zener funciona razonablemente bien.

Pero la distorsin es algo elevada.

Existe una posibilidad clara de mejora:

La ganancia puede controlarse a travs del resistor queest conectado a masa (!!).




z Limitacin de amplitud Osciladores en cuadratura y trifsicos.Oscilador en puente de Wien.


Conclusiones


OSCILADOR DE NIVEL DE SALIDA REGULADOOSCILADOR DE NIVEL DE SALIDA REGULADO

+

-

R2

R

R

R1

C

C

vfvo

CAG

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: Un bloque especfico (Control Automtico de Ganancia) detecta el

nivel de salida. En funcin de ese nivel de salida, modifica R1 para compensar las

desviaciones.


Red beta

Out

+

-

RaR

R C

C

+

-CfRf

D1

JFET

OSCILADOR DE NIVEL DE SALIDA REGULADOOSCILADOR DE NIVEL DE SALIDA REGULADO

Resistor variable (FET en hmica: ojo con VDS)

Filtro Paso Bajo(promedio)

Amp. separador

Slo pasan lospicos negativos


OSCILADOR REGULADO (con CAG) PRCTICOOSCILADOR REGULADO (con CAG) PRCTICO

AUTORREGULACIN DEL OSCILADOR CON CAG

Tiempo

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60msV(OUT)

-10V

0V

10V






Conclusiones


CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

Osciladores por desplazamiento de fase: El elemento activo debe ser de gran ganancia (29). Frecuencia mxima de trabajo relativamente baja.

Osciladores de cuadratura y trifsicos Suministran seales defasadas, de la misma frecuencia. Precisan varios amplificadores Bajas ganancias (normalmente 1), frecuencias grandes.

Oscilador en Puente de Wien: El elemento activo funciona con baja ganancia (3), frecuencias

de salida mayores que el desplazador de fase. Regulacin cmoda de la amplitud de salida

Limitadores con diodos: Fciles de incorporar pero de tratamiento no trivial.


BIBLIOGRAFA:BIBLIOGRAFA:

Temas de Osciladores de los textos:

(Rashid 00) Muhammad H. Rashid. Circuitos Microelectrnicos.Anlisis y Diseo. International Thomson Editores, 2000.ISBN: 84-9732-057-3

(Malik 96) Norbert R. Malik. Circuitos Electrnicos. Anlisis,simulacin y diseo. Prentice Hall, 1996. ISBN: 84-89660-03-04

(Sedra 99) Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Circuitos Micro-electrnicos. Oxford University Press. 1999. ISBN: 970-613-379-8

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