SUBSECRETARA DE EDUCACIN SUPERIOR DIRECCIN GENERAL DE EDUCACIN SUPERIOR TECNOLGICA INSTITUTO TECNOLGICO DE OAXACA DIVISION DE ESTUDIOS PROFESIONALES

INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACAELECTRNICA ANALOGICA II

OSCILADORESFACILITADOR ING. PABLO MARTNEZ JUAREZ

ALUMNO GARCIA VASQUEZ JORGE BERNARDO

. OAXACA DE JUREZ, OAXACA JUNIO DEL 2011.

Osciladores RCComo ya se indic, para frecuencias menores que 100 kHz, se trata de evitar el uso de bobinas, surgiendo as los osciladores RC. Entre ellos estn: a) Osciladores por rotacin de fase b) Osciladores con puente de Wien Oscilador por rotacin de fase

Puente de WienConsiste en utilizar un elemento activo inversor y una cascada de clulas RC que producen rotaciones de fase que sumadas proporcionan los 180 requeridos por el criterio de Barkhausen. Dado que una clula RC produce un mximo defasaje de 90, se requieren al menos tres clulas para que en alguna frecuencia se alcancen los 180. En la figura 1 se presenta la estructura genrica de un oscilador por rotacin de fase, cuyo bucle abierto se muestra en la figura 2. La salida se obtiene de la salida del elemento activo.

Figura 1 estructura de un oscilador por rotacin de fase

Ilustracin 2 apertura de lazo del oscilador por rotacin de fase

Puede verificarse por clculo directo que:

de donde

Para que el circuito oscile debe ser ( lo cual ocurre cuando )

es decir

A esa frecuencia, la ganancia e

El circuito oscilar si esta ganancia es mayor que 1, es decir, si la ganancia del amplificador satisface a > 29. Por lo tanto debe ser un amplificador inversor con ganancia mayor que 29. En la figura3 se muestran ejemplos con FET, con transistor bipolar (BJT) y con amplificador operacional. En el ejemplo con BJT debe ser R1//R2//r = R de lo contrario, si bien oscilar, la frecuencia ser distinta de la calculada. En el ejemplo con amplificador operacional, la resistencia R conectada al terminal inversor cumple una doble funcin: es la resistencia de terminacin de la red RC (ya quedor inversor. Obsrvese que se la ha dado una ganancia 30, apenas superior en valor absoluto a la requerida (aunque

por problemas de tolerancia puede convenir un valor un poco mayor).el terminal inversor est a masa virtual) y como resistencia de entrada para el amplifica

figura 3 Tres versiones de oscilador por rotacin de fase. (a) Con FET. (b) Con transistor bipolar. (c) Con amplificador operacional

Sera posible, en principio, usar una red pasabajos RC en lugar de la pasaaltos utilizada. Sin embargo, la distorsin es menor en la que se ha adoptado, ya que el punto de menor contenido armnico es su entrada (es decir, la salida del oscilador). En el caso de la red RC pasabajos, el menor contenido armnico se da a la salida de la red, es decir, a la entrada del amplificador, lo cual no es conveniente. El oscilador puente de Wien es un oscilador utilizado para generar ondas sinusoidales que van desde los 5 Hz a los 5 Mhz.

Figura 4 diagrama Wien

A diferencia del oscilador por corrimiento de fase, tiene menos componentes y el ajuste de la frecuencia de oscilacin es ms fcil, motivo por el cual es ms utilizado. El circuito bsico consta de un amplificador y una red de adelando/atrazo compuesto de dos redes RC, una serie y otra paralelo. Los dos valores de resistencias y condensadores son iguales. Ganancia La ganancia del amplificador est dada por las resistencias R1 y R2.

La ganancia que debe tener este amplificador debe compensar la atenuacin causada por las redes RC (red de realimentacin positiva conectada a la patilla no inversora del amplificador operacional). Esta ganancia debe estar por encima de 1 para asegurar la oscilacin.

figura 5 ganancia La ganancia se obtiene con la primera frmula. Como la ganancia debe ser mayor que

1, la ecuacin se simplifica y se obtiene la segunda frmula:

Ver que para que esto se de, el cociente de R2 y R1 debe ser igual o mayor que 2. Red de realimentacin y desfase La salida de la red de realimentacin se comporta de la siguiente manera: - Para frecuencias por debajo la frecuencia de oscilacin la atenuacin es grande y la fase se adelanta 90 - A la frecuencia de resonancia la ganancia de tensin es de 1/3 (mxima) y no hay corrimiento de fase. - Para frecuencias por encina de la frecuencia de oscilacin, la atenuacin es grande y la fase se atrasa 90.

figura 6 alimentacion y defase

Oscilador Frecuencia

Puente de

de

Wein oscilacin

Para lograr la oscilacin, es necesario que el desfase o desplazamiento de fase sea 360 o lo que es lo mismo, que el desfase sea 0. Para deducir la frmula de oscilacin, se siguen los pasos mostrados en la figura. En la primera ecuacin se ve que para que esta sea igual a 0, el contenido del parntesisi debe ser igual a 0. La igualdad de la segunda ecuacin permite despejar w y despus la frecuencia f. Al final de la simplificacin se ve que la frecuencia depende los valores del condensador C y la resistencia R. Recordar que w = 2Pif

OSCILADORES T- GEMELA.El oscilador de T gemela, se conoce as debido a los dos filtros RC de tipo T, que son usados en el lazo de realimentacin negativa, uno de los filtros T tiene una respuesta pasa-bajas y el otro una pasa-altas, estos filtros son conectados en paralelo y producen una respuesta de un supresor de banda, con frecuencia central igual a la frecuencia de oscilacin deseada. Comnmente estos osciladores se usan para frecuencias hasta de 1MHz (Mega Hertz).

OSCILADORES LC Oscilador ColpittsEl 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 oscilacin este circuito utiliza un divisor de tensin formado por dos capacitores: C1 y C2. De la unin de estos capacitores sale una conexin a tierra. De esta manera la tensin en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrn tensiones opuestas. La realimentacin positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a travs de una resistencia y un condensador La bobina L2 (choke) se utiliza para evitar que la seal alterna no pase a la fuente Vcc Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 1 Mhz a 30 Mhz.

A estas frecuencias sera muy difcil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar seran muy pequeas. La frecuencia de oscilacin de este tipo de oscilador est dada por: fo = 1 / [2 x ( LC)1/2] donde: - C = C1xC2 / [C1+C2] - L = L1

Oscilador de ClappA veces, en lugar del anlisis de Sfr conviene usar otro enfoque para la propuesta de mejoras en la estabilidad en frecuencia. Por ejemplo, de lo anterior se concluye que, ante variaciones fijas de fase del amplificador, lo ms conveniente sera aumentar QL.Sin embargo, otro enfoque posible es reducir las propias variaciones de fase. Tengamos en cuenta que las mismas se originan en las capacidades parsitas y en sus posibles derivas trmicas o por cambios en las condiciones de polarizacin. En efecto, los valores que efectivamente intervienen en la frmula de la frecuencia de oscilacin son: C1 = C1 + Cbe, C2 = C2 + Cce.

Las capacidades parsitas del transistor repercuten en forma directa en los parmetros que definen la frecuencia de un oscilador de Colpitts

El circuito oscila, por consiguiente a la frecuencia Donde

Puede verificarse que

Como los incrementos Ci estn asociados principalmente a las capacidades parsitas, conviene tomar Ci grandes para minimizar la variacin de frecuencia. Entonces L3 debe ser pequea para lograr la frecuencia buscada. Ocurre a veces que es demasiado pequea, por lo cual aparecera un nuevo problema: el de la inductancia parsita de los conductores. Este problema se puede remediar agregando al inductor un capacitor C3 en serie, como se muestra en la figura 30. De esta manera se obtiene una reactancia inductiva muy pequea a partir de un valor de L3 no tan pequeo.

El oscilador de Clapp, obtenido insertando un capacitor en serie con el inductor permite aumentar C1 y C2 sin reducir L3, minimizando as la influencia de las capacidades parsitas.

Con C1 y C2 grandes, X3 debe ser bajo y por lo tanto, si XL3 es grande, teniendo en cuenta que debe cumplirse que: XL3 + XC3 = X3 0, resulta que XC3 debe ser prcticamente igual a XL3 con lo cual estn casi en resonancia,actuando como filtro para las distorsiones. Este oscilador se denomina oscilador de Clapp. La frecuencia de oscilacin ser, ahora,

Oscilador Hartley

El Oscilador Hartley es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptndose con facilidad a una gran gama de frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivacin central. Analizando el diagrama, se ve que el punto de derivacin D de la bobina L1, estar puesto a tierra para corriente alterna (c.a.) (a la frecuencia de oscilacin) a travs del condensador C4. De esta manera se logra que los extremos A y B de la bobina estn 180 fuera de fase (funciona como un inversor). El extremo B se realimenta a la base del transistor a travs de C1, haciendo que ste (el transistor) cambie de estado, esto a su vez cambia las polaridades en los extremos de la bobina, repitindose el proceso y producindose as la oscilacin. La funcin de la bobina L2 es de choque de R.F. y evita que la seal del oscilador pase a la fuente de alimentacin.

Analizando el funcionamiento de la bobina con derivacin y tomando en cuenta que la conexin D (derivacin central) est puesta a tierra a travs del capacitor C4, las formas de onda en los extremos de la bobina sern:

La frecuencia de oscilacin de este tipo de oscilador est dada por la frmula: fo = 1 / [2 x ( LC)1/2].

Oscilador ArmstrongEl oscilador Armstrong, usa un acoplamiento por transformador, con lo cual se realimenta una parte del voltaje de seal, algunas veces se le denomina oscilador de reaccin en referencia al secundario del transformador, no es muy comn en comparacin con los anteriormente mencionados, en principio por la desventaja que presenta el tamao y el costo del transformador. En este circuito el colector excita un circuito tanque resonante LC. La seal de realimentacin se toma de un devanado secundario pequeo y se lleva a la base. Hay un desplazamiento de fase de 180 en el transformador, lo que significa que el desplazamiento de fase alrededor del lazo es cero. Ignorando el efecto de carga de la base, la fraccin de realimentacin es B = . Donde M es la inductancia mutua y L es la inductancia del primario. Para que el oscilador Armstrong arranque, la ganancia de tensin debe ser mayor que 1/B. Un oscilador Armstrong utiliza un transformador de acoplo para realimentar la seal. Esta es la manera de reconocer variaciones de este circuito bsico. Al devanado del Secundario algunas veces se le conoce como Bobina de compensacin, pues realimenta la seal que mantiene las oscilaciones. La frecuencia de resonancia est dada por la ecuacin, empleando la L y C mostradas en la figura. En general, no se considera de mucha utilidad el oscilador Armstrong, debido a que la mayora de los diseadores evitan en lo posible los transformadores.

Oscilador a CristalExisten algunos cristales, entre ellos el cuarzo (SiO2), la sal de Rochelle (tartarato de sodio y potasio tetrahidratado, NaKC4H4O64H2O), el fosfato dihidrgeno de amonio, ADP (NH4H2PO4), etc., que presentan efecto piezoelctrico, es decir que al aplicrseles un campo elctrico se deforman, y reversiblemente, al deformarlos aparece en ellos un campo elctrico. Estos cristales poseen una frecuencia de resonancia mecnica con un valor de Q muy alto debido a que sus prdidas por friccin interna son pequeas. Cuando a un cristal piezoelctrico se le adosan electrodos se establece una interaccin entre el comportamiento mecnico y el elctrico, denominada acoplamiento electromecnico. Es posible plantear un equivalente elctrico del comportamiento mecnico en el cual las fuerzas son representadas por tensiones y las velocidades por corrientes. El principio de conservacin de la energa (debido la reversibilidad del fenmeno) se traduce en una representacin en forma de transformador electromecnico,cuyo primario es elctrico y cuyo secundario es mecnico. Las prdidas mecnicas corresponden a un elemento resistivo conectado en el secundario. Desde el lado elctrico el cristal es equivalente a un circuito tanque como el que se indica en la figura

(a) Estructura de un cristal piezoelctrico. (b) Smbolo de circuito del cristal. (c) Modelo elctrico equivalente.

Para los osciladores se utilizan exclusivamente cristales de cuarzo por tener un valor de Q muy elevado. La impedancia equivalente es:

Para s = j, val

Este tipo de circuito tiene dos frecuencias de resonancia: serie (s) y paralelo (0):

La componente reactiva del cristal est dada por

Otros osciladores De onda triangular:La onda triangular es un tipo de seal peridica que presenta unas velocidades de subida y bajada (Slew Rate) constantes. Lo ms habitual es que sea simtrica, es decir que, los tiempos de subida y bajada son iguales.

Las formas de onda sinusoidal generadas en el circuito astable anterior pueden convertirse en una onda triangular reemplazando la red RC por un integrador en la siguiente figura se muestra un generador de onda triangular basado en un integrador y en un disparador de Schmitt. El integrador realiza la siguiente funcin:

Al ser del disparador Schmitt una onda cuadrada, Vi es constante durante un intervalo de tiempo.

Oscilador generador de onda cuadrada.El circuito presente tiene una alta ganancia de manera que se produce una seal de onda cuadrada de salida como se indica en la siguiente figura. En la figura se incluyen un par de diodos zener en la salida para proporcionar una amplitud de salida exactamente al voltaje del zener (Vz).

Utilizando realimentacin positiva y negativa a la vez en un operacional, es posible disear un oscilador de onda cuadrada, tambin denominado multivibrador astable.