Osciladores

1

ELECTRONICA DE

COMUNICACIONES

OSCILADORES

PARTE 2

RPCG

TIPOS DE OSCILADORES

SalidaAmplificador

Red pasiva

A(j )

(j )

SalidaAmplificador

Red pasiva

A(j )

(j )

BJT, JFET, MOSFET, Amp. Integrados, etc

RC en baja frecuencia.

LC en alta frecuencia (y variable).

Dispositivo piezoelctrico en alta frecuencia (y constante).

Lneas de transmisin en muy alta frecuencia.

15

Osciladores LC con tres elementos reactivos

SalidaAmplificador

Red pasiva

A(j )

(j )

SalidaAmplificador

Red pasiva

A(j )

(j )

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

FET

Z1

Z2

Z3

Z1

Z2

Z3

16

+

-

ve Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

+

-

vs

+

-

verZ1

Z2

Z3

+

-vsr

OSCILADORES LC CON TRES ELEMENTOS REACTIVOS

17


+

-

ve Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

+

-

vs

+

-

verZ1

Z2

Z3

+

-vsr

+

-

ve Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

+

-

vs

+

-

verZ1

Z2

Z3

+

-vsr

vs = -g ve

RsZ1(Z2+Z3)

Z1+Z2+Z3

Rs +Z1(Z2+Z3)

Z1+Z2+Z3

vsr = verZ3

Z2+Z3

Por tanto:

vsr = -g ve

RsZ1Z3

Z1+Z2+Z3

Rs +Z1(Z2+Z3)

Z1+Z2+Z3

ver = vs

18


+

-

ve Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

+

-

vs

+

-

verZ1

Z2

Z3

+

-vsr

+

-

ve Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

+

-

vs

+

-

verZ1

Z2

Z3

+

-vsr

De otra forma: vsr = -g veRsZ1Z3

Rs(Z1+Z2+Z3)+Z1(Z2+Z3)

Por tanto: A = vsr/ve = -g RsZ1Z3

Rs(Z1+Z2+Z3)+Z1(Z2+Z3)

Puesto que usamos slo

bobinas y condensadores:

Z1 = jX1Z2 = jX2Z3 = jX3

A = -g -RsX1X3

jRs(X1+X2+X3)-X1(X2+X3)

Por tanto:

19


Si el circuito debe oscilar al cerrar el interruptor, debe cumplirse que:

Existe osc tal que A(j osc) (j osc) = 0 (es decir, REAL)

A osc se cumple |A(j osc) (j osc)| > 1

Como: X1( osc)+X2( osc)+X3( osc) = 0, los tres elementos

reactivos no pueden ser iguales. Tiene que haber dos bobinas y un

condensador o dos condensadores y una bobina.

Por tanto: A(j osc) (j osc) = -g -RsX1X3

jRs(X1+X2+X3)-X1(X2+X3)= 0

RsX3( osc)

X2( osc)+X3( osc)A(j osc) (j osc) = -g Queda:

Y como: X2( osc)+X3( osc) = -X1( osc),

20


RsX3( osc)

X1( osc)A(j osc) (j osc) = g queda:

Como: A(j osc) (j osc) = 0 (es decir, POSITIVO), X3 y X1deben ser del mismo tipo (los dos elementos bobinas o los dos

condensadores).

Z1

Z2

Z3

Z1

Z2

Z3

Z1

Z2

Z3

Z1

Z2

Z3 Hartley

Z1

Z2

Z3

Z1

Z2

Z3 Colpitts

21


RsX3( osc)

X1( osc)g > 1

Como para que el circuito oscile al cerrar el interruptor debe

cumplirse que |A(j osc) (j osc)| > 1, entonces queda:

HartleyX3= L3

X2= -1/ C2X1= L1

X3= L3

X2= -1/ C2X1= L1

RsL3

L1g > 1

ColpittsX3= -1/ C3

X2= L2 X1= -1/ C1

X3= -1/ C3

X2= L2 X1= -1/ C1 RsC1

C3g > 1

22


La frecuencia de oscilacin se calcula a partir de la condicin:

X1( osc)+X2( osc)+X3( osc) = 0

HartleyX3= L3

X2= -1/ C2X1= L1

X3= L3

X2= -1/ C2X1= L1

fosc =1

2 (L1+L3)C2

X3= -1/ C3

X2= L2 X1= -1/ C1

X3= -1/ C3

X2= L2 X1= -1/ C1

Colpitts

fosc =1

C1+C3

C1C3L22

23

Colpitts

fosc =1

C1+C3

C1C3L22

RsC1

C3g > 1Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

C3

L2 C1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

C3

L2 C1

Hartley

fosc =1

2 (L1+L3)C2

RsL3

L1g > 1Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

24

OSCILADORES LC ACTIVOS CON TRES ELEMENTOS

OSCILADOR COLPITTS: RED DE OSCILACIN

Y CIRCUITO EQUIVALENTE

Oscilador Colpitts: ganancia de lazo

Oscilador Colpitts: frecuencia de oscilacin

Oscilador Colpitts: con elementos de polarizacin

Circuito RLC paralelo

Circuito RLC paralelo : ecuacin caracterstica

IMPEDANCIA NEGATIVA:

ECUACIN RESULTANTE

CIRCUITO RLC PARALELO : SOLUCIONES

CIRCUITO RLC PARALELO : GRAFICAS DE LAS

SOLUCIONES

IMPEDANCIA NEGATIVA

Impedancia negativa: circuito equivalente

Impedancia negativa: aplicacin en un circuito

oscilador con polarizacin

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

C3

L2 C1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

C3

L2 C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

G D

S

C3

L2 C1

+

-

vs osc

*

G D

S

C3

L2 C1

+

-

vs osc

G D

S

C3

L2 C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

*

GD

S

+ Vcc

LCH

CS

GD

S

+ Vcc

LCH

CS

CD

+ Vcc

LCH

GD

S

CS

C3

L2

C1

+

-

vs oscCG

CD

+ Vcc

LCH

GD

S

CS

C3

L2

C1

+

-

vs oscCG

+ Vcc

LCH

GD

S

CS

C3

L2

C1

+

-

vs osc

+ Vcc

LCH

GD

S

CS

+ Vcc

LCH

GD

S

CS

+ Vcc

LCH

GD

S

CS

GD

S

CS

C3

L2

C1

+

-

vs osc

C3

L2

C1

+

-

vs osc

+

-

vs oscCG

G D

S

*

G D

S

*25

GD

S

+ Vcc

LCH

GD

S

+ Vcc

LCH

G D

S

*

G D

S

* C3

L2

C1

+

-

vs oscG

D

S

+ Vcc

CD

C3

L2

C1

+

-

vs osc

+

-

vs oscG

D

S

+ Vcc

CD

G D

S

C3

L2 C1

+

-

vs osc

*

G D

S

C3

L2 C1

+

-

vs osc

G D

S

C3

L2 C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

*Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

C3

L2 C1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

C3

L2 C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

26

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

C3

L2 C1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

C3

L2 C1 +

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

G D

S

C3

L2 C1+

-

vs osc

*

G D

S

C3

L2 C1+

-

vs osc

G D

S

C3

L2 C1+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

*

G D

S

*

G D

S

*

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CSC3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

C3L2

C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CSGD

S

+ Vcc

LCH

G D

S

+ Vcc

LCH

27

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

L3

C2

L1

+ Vcc

GD

S

CS

+

-

vs osc

CD

L3

C2

L1

+ Vcc

GD

S

CS

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

CD

GD

S

+ Vcc

LCH

CS

GD

S

+ Vcc

LCH

CS

28

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

LCH

GD

S

+ Vcc

LCH

GD

S

+ VccL3

C2L1

+

-

vs osc

CD1

LCH

G

D

S

+ Vcc

CM

CD2

L3C2

L1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

CD1

LCH

G

D

S

+ Vcc

CMCM

CD2

29

L3 +

-

vs osc

CG

L1

CM

G D

S

+ Vcc

C2 CS

L3 +

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

CG

L1

CM

G D

S

+ Vcc

C2C2C2 CS+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

+

-

vs osc

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

L3

C2L1

G D

S

+ Vcc

LCH

G D

S

+ Vcc

LCH

30

Osciladores LC con ms de tres elementos reactivos:

El oscilador de Clapp (I)

Rs

G D

S

gvgs

+

-

vgs

C3

L2C1

C2

Rs

G D

S

gvgs

+

-

+

-

vgs

C3

L2C1

C2

fosc =1

C1C2+C1C3+C2C3

C1C2C3L22

RsC1

C3g > 1

Condiciones de oscilacin:

C2 no influye en la condicin

|A(j osc) (j osc)| > 1

C2 influye en la frecuencia de oscilacin, especialmente si C2

Osciladores LC con ms de tres elementos reactivos:

El oscilador de Clapp (II)

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C2

RG

R1

32

Osciladores de frecuencia variable (I)

Hay que hacer variar uno de los elementos reactivos de la red de

realimentacin.

Tipos:

Con control manual

Controlado por tensin (Voltage Cotrolled Oscillator, VCO)

Con control manual de la frecuencia

Usando un condensador variable

33

Osciladores de frecuencia variable (II)

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C2

RG

R1

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C2

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C2

C3L2

C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C2C2

RG

R1

Clapp (Colpitts sintonizado en serie)

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

R1

C2 C3L2

C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

R1

C2C2

Colpitts sintonizado en paralelo

fosc =1

C1+C3

C1C3( +C2)L22

fosc =1

C1C2+C1C3+C2C3

C1C2C3L22

RsC1

C3g > 1Condiciones de oscilacin: (comn)

34

OSCILADORES DE FRECUENCIA VARIABLE

Osciladores Controlado por Tensin (VCOs)

C3L2

C1

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C21

RG

R1+

-

vCF

RCF

C22

C3L2

C1

+

-

vs osc

+

-

vs osc

G D

S

+ Vcc

LCH

CS

C21

RG

R1+

-

vCF

+

-

vCF

RCF

C22

C2C2

Se basan en el uso de diodos varicap

35

Hojas de caractersticas de un diodo varicap (BB131) (I)

36

Hojas de caractersticas de un diodo varicap (BB131) (II)

37

Osciladores de frecuencia muy constante

Se basan en el uso de cristales de cuarzo (u otro

material piezoelctrico)

Smbolo:

CristalContacto

metlico

Terminales

Cpsula

Interior del dispositivo:

Aspecto:

38

CRISTALES PIEZOELCTRICOS :

Circuito equivalente de un cristal de cuarzo:

R1

C1

L1

CO

R2

C2

L2

R3

C3

L3

39

R1

C1

L1

CO

R2

C2

L2

R3

C3

L3

R1

C1

L1

R1

C1

L1

CO

R2

C2

L2

R2

C2

L2

R3

C3

L3

R3

C3

L3

Z(f)

0

Im(Z(f)) [k

50

-50

f1 f2

Comportamiento

inductivo

Comportamiento

capacitivo

CRISTALES PIEZOELCTRICOS

40

Modelo simplificado (alrededor de una de las frecuencias

en las que se produce comportamiento inductivo)

Z(f)

CO

R

C

L

CO

R

C

L

CO

R

C

L

R = 20 L = 15 mH

CO = 3,5 pFC = 0,017 pF

Ejemplo: cristal de P de 10 MHz

XL(10 MHz)= 2 1071510 -3 = 942 k

200 Hz

10,0236 10,024 10,0244

0

f [MHz]

Im(Z) [M ]1

-1

Cristales piezoelctricos (III)

41

10 10,01 10,02 10,03-600

0

600

f [MHz]

Im(Z) [k ]

L = 15 mH CO = 3,5 pFR = 20 C = 0,017 pF

Ejemplo: cristal de P de 10 MHz

Margen de

comportamiento inductivo

25 kHz

En otra escala

CO

R

C

L

CO

R

C

L

CO

R

C

L

Cristales piezoelctricos (IV)

42

COC

L

COC

L

CPs

1Z(s) = =

+ Ls +Cs

1

(Ls + ) COs

1

COs

1

Cs

1

(LCs2 + 1)

(LCSs2 + 1)

Calculamos la impedancia del modelo del cristal

C+CO

CCOCS = CP = C+COsiendo:

Anlisis senoidal: s = j

1 =1

LC2 =

1

LCSsiendo:

CP

-jZ(j ) =

(1 - LC 2 )

(1 - LCS2) CO

= (1 ( / 1)

2)

(1 ( / 2)2)

-j( 1/ 2)2

Cristales piezoelctricos (V)

43

COC

L

COC

L

Como CS < C, entonces: 2 > 1

1 =1

LC2 =

1

LCSCOZ(j ) =

(1 ( / 1)2)

(1 ( / 2)2)

-j( 1/ 2)2

Si < 1, entonces tambin < 2 y entonces:

Z(j ) = -j(cantidad positiva) < 0, es decir, comportamiento capacitivo.

Si 1 < < 2, entonces:

Z(j ) = -j(cantidad negativa) > 0, es decir, comportamiento inductivo.

Si 2 < entonces tambin 1 < y entonces:

Z(j ) = -j(cantidad positiva) < 0, es decir, comportamiento capacitivo.

Solo se comporta de modo inductivo si 1 < < 2

Cristales piezoelctricos (VI)

44

COC

L

COC

L1 =

1

LC2 =

1

LCS

COX( ) =

(1 ( / 1)2)

(1 ( / 2)2)

-( 1/ 2)2

Z(j ) = jX( )

C+CO

CCOCS = Resumen:

Comp.

inductivo

0

X( )

1 2

Comportamiento

capacitivo

Cristales piezoelctricos (VII)

45

Hojas de caractersticas de cristales de cuarzo

46

Osciladores

Documents

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