Conceptos básicos del oscilador

En la mayoría de los sistemas de medición e instrumentación, configuraciones de prueba, equipos electrónicos de solución de problemas y otros sistemas electrónicos, los generadores de señal son dispositivos esenciales que se utilizan para generar diferentes formas de onda (o señales) a una frecuencia y amplitud específicas.

Estas señales proporcionadas por los generadores de señal utilizados para dar una excitación a varios dispositivos electrónicos de medición y circuitos de procesamiento con el fin de convertir varias salidas del transductor en información útil.

La excitación del generador de señal puede ser estable Señales de CA o CC constantes y también en algunos casos se requiere variar la amplitud así como la frecuencia de la excitación.

Algunas de las formas de onda generadas por los generadores de señal incluyen sinusoidal, rectangular, triangular, cuadrada y forma de onda de pulso En algunas aplicaciones, se requiere que estas formas de onda estén a la frecuencia de audio así como a la frecuencia de radio.

Por lo tanto, los circuitos electrónicos que generan ese tipo de formas de onda con cierta magnitud y frecuencia se llaman osciladores. Hay diferentes tipos de osciladores que pueden generar la salida a alta frecuencia hasta gigahertz.

Antes de ir a aprender varios tipos de osciladores, comprendamos los principios básicos de los circuitos del oscilador.

 

¿Qué es el oscilador?

Un circuito electrónico usado para generar la señal de salida con amplitud constante y frecuencia deseada constante se llama como un oscilador. También se denomina generador de forma de onda que incorpora elementos activos y pasivos.

La función principal de un oscilador es convertir la potencia de CC en una señal periódica o de CA a una frecuencia muy alta. Un oscilador no requiere ninguna señal de entrada externa para producir formas de onda sinusoidales o repetitivas de la magnitud y frecuencia deseadas en la salida e incluso sin el uso de partes móviles mecánicas.

En el caso de los amplificadores, la conversión de energía comienza como Mientras la señal de entrada esté presente en la entrada, es decir, el amplificador produce una señal de salida cuya frecuencia o forma de onda es similar a la señal de entrada, pero la magnitud o nivel de potencia generalmente es alta. La señal de salida estará ausente si no hay señal de entrada en la entrada.

En cambio, para iniciar o mantener el proceso de conversión, un oscilador no requiere ninguna señal de entrada como se muestra en la figura. Mientras la corriente continua esté conectada al circuito del oscilador, seguirá produciendo una señal de salida con la frecuencia determinada por los componentes que contiene.

La figura de arriba muestra el diagrama de bloques de un oscilador. Un circuito oscilador utiliza un tubo de vacío o un transistor para generar una salida de CA.

Las oscilaciones de salida son producidas por los componentes del circuito del tanque como R y C o L y C. Para generar continuamente la salida sin el requisito de cualquier entrada de la etapa anterior, se utiliza un circuito de retroalimentación.

Del diagrama de bloques anterior, el circuito del oscilador produce oscilaciones que amplifican aún más el amplificador. Una red de retroalimentación obtiene una porción de la salida del amplificador y la alimenta al circuito del oscilador en la fase y magnitud correctas.

Por lo tanto, las oscilaciones eléctricas no amortiguadas se producen al suministrar continuamente pérdidas en el circuito del tanque.

Teoría de los osciladores

La afirmación principal del oscilador es que la oscilación se logra a través de una retroalimentación positiva que genera la señal de salida sin señal de entrada. Además, la ganancia de voltaje del amplificador aumenta con el aumento en la cantidad de realimentación positiva.

Para entender este concepto, consideremos un amplificador no inversor con una ganancia de voltaje ‘A’ y una red de retroalimentación positiva con ganancia de retroalimentación de β como se muestra en la figura.

Supongamos que una señal de entrada sinusoidal Vs se aplica en la entrada. Como el amplificador no es inversor, la señal de salida Vo está en fase con Vs. Una red de retroalimentación alimenta la parte de Vo a la entrada y la cantidad Vo retroalimentada depende de la ganancia de la red de retroalimentación β.

No hay cambio de fase introducido por esta red de retroalimentación y por lo tanto el voltaje de retroalimentación o señal Vf es en fase con vs. Se dice que una retroalimentación es positiva cuando la fase de la señal de retroalimentación es la misma que la de la señal de entrada.

La ganancia de lazo abierto ‘A’ del amplificador es la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada, es decir,

A = Vo/Vi

Al considerar el efecto de retroalimentación, la relación de la tensión de salida neta Vo y la oferta de entrada Vs llamada como ganancia de lazo cerrado Af (ganancia con realimentación).

Af = Vo/Vs

Dado que la retroalimentación es positiva, la entrada al amplificador se genera al agregar Vf al V,

Vi = Vs + Vf

Depende de la ganancia de retroalimentación β, el valor del voltaje de realimentación varía, es decir,

Vf = β Vo

Sustituyendo en la ecuación anterior,

Vi = Vs + β Vo

Vs = Vi-β Vo

Entonces la ganancia se convierte en

Af = Vo/(Vi-β Vo)

Al dividir el numerador y el denominador entre Vi, obtenemos

Af = (Vo/Vi)/(1-β) (Vo/Vi)

Af = A/(1-A β) desde A = Vo/Vi

Donde Aβ es la ganancia del bucle y si Aβ = 1, entonces Af se convierte en infinito A partir de la expresión anterior, está claro que incluso sin entrada externa (Vs = 0), el circuito puede generar la salida simplemente alimentando una parte de la salida como su propia entrada.

Y también ganancia de lazo cerrado aumenta con el aumento en la cantidad de ganancia de retroalimentación positiva. La frecuencia o frecuencia de oscilación depende del amplificador o red de realimentación o ambos.

Criterio de Barkhausen o condiciones para la oscilación

El circuito oscilará cuando se cumplan dos condiciones, denominadas criterios de Barkhausen. Estas dos condiciones son

1. La ganancia del lazo debe ser unitaria o mayor

2. La señal de retroalimentación que retroalimenta a la entrada debe ser desplazada en 360 grados (lo que equivale a cero grados). En la mayoría de los circuitos, un amplificador inversor se usa para producir un desplazamiento de fase de 180 grados y la red de retroalimentación proporciona un desplazamiento de fase de 180 grados adicionales.

A una frecuencia particular, un inductor-capacitor sintonizado (LC circuito) proporciona este cambio de fase de 180 grados.

Háganos saber cómo se pueden lograr estas condiciones.

Considere el mismo circuito que hemos tomado en la teoría del oscilador. El amplificador es un amplificador inversor básico y produce un cambio de fase de 180 grados entre la entrada y la salida.

La entrada que se aplicará al amplificador se deriva de la salida Vo de la red de retroalimentación. Dado que la salida está fuera de fase con Vi.

Por lo tanto, la red de retroalimentación debe garantizar un cambio de fase de 180 grados mientras alimenta la salida a la entrada. Esto no es más que garantizar una respuesta positiva.

Consideremos que una tensión ficticia, Vi se aplica a la entrada del amplificador, luego

Vo = A Vi

La cantidad de voltaje de retroalimentación se decide por la ganancia de la red de retroalimentación, luego

Vf =-β Vo

Este signo negativo indica un cambio de fase de 180 grados.

Sustituyendo Vo en la ecuación anterior, obtenemos

Vf =-A β Vi

En el oscilador, la salida de realimentación debe conducir el amplificador, por lo tanto, Vf debe actuar como Vi. Para lograr este término-Un β en la expresión anterior debe ser 1, es decir,

Vf = Vs cuando-A β = 1.

Esta condición se denomina criterio de Barkhausen para la oscilación.

Por lo tanto, A β =-1 + j0. Esto significa que la magnitud de A β (módulo de A β) es igual a 1. Además de la magnitud, la fase de Vs debe ser igual que Vi. Para realizar esto, la red de retroalimentación debe introducir un cambio de fase de 180 grados además del cambio de fase (180 grados) introducido por el amplificador.

Entonces el cambio de fase total alrededor del circuito es de 360 ​​grados. Por lo tanto, en estas condiciones el oscilador puede oscilar o producir la forma de onda sin aplicar ninguna entrada (es por eso que hemos considerado como voltaje ficticio).

Es importante saber cómo el oscilador comienza a oscilar incluso sin entrada señal en la práctica? El oscilador comienza a generar oscilaciones amplificando la tensión de ruido que siempre está presente. Esta tensión de ruido es el resultado del movimiento de electrones libres bajo la influencia de la temperatura ambiente.

Esta tensión de ruido no está exactamente en sinusoidal debido a las condiciones de saturación del circuito práctico. Sin embargo, esta señal de nariz será sinusoidal cuando el valor de A β sea cercano a uno.

En la práctica, el módulo de A β se hace mayor que 1 inicialmente, para amplificar la pequeña tensión de ruido. Más tarde, el circuito se ajusta para obtener el módulo de A β es igual a uno y con un desplazamiento de fase de 360 ​​grados.

Naturaleza de las oscilaciones

Oscilaciones sostenidas

Las oscilaciones sostenidas no son más que oscilaciones que oscilar con amplitud y frecuencia constantes. Según el criterio de Barkhausen, las oscilaciones sostenidas se producen cuando la magnitud de la ganancia o el módulo de A β es igual a uno y el desplazamiento de fase total alrededor del ciclo es de 0 grados o 360, lo que garantiza una retroalimentación positiva.

Tipo creciente de oscilaciones

Si el módulo de A β o el la magnitud de la ganancia de bucle es mayor que la unidad y el desplazamiento de fase total alrededor del bucle es 0 o 360 grados, entonces las oscilaciones producidas por el oscilador son de tipo creciente. La siguiente figura muestra la salida del oscilador con una amplitud creciente de oscilaciones.

Oscilaciones exponencialmente en descomposición: si el módulo de A β o la magnitud de la ganancia de bucle es menor que la unidad y el desplazamiento de fase total alrededor el ciclo es 0 o 360 grados, entonces la amplitud de las oscilaciones disminuye exponencialmente y finalmente estas oscilaciones cesarán.

Clasificación de los osciladores

Los osciladores se clasifican en varios tipos en función de diversos factores como la naturaleza de la forma de onda, el rango de frecuencia, los parámetros utilizados, etc. La siguiente es una clasificación amplia de osciladores.

Según a la forma de onda generada

En función de la forma de onda de salida, los osciladores se clasifican como osciladores sinusoidales y osciladores no sinusoidales.

Osciladores sinusoidales

Este tipo de oscilador genera corriente o voltajes sinusoidales.

Osciladores sinusoidales

Este tipo de osciladores genera salida, que tiene forma de onda triangular, cuadrada, rectangular, de diente de sierra o tiene forma de pulso.

Según a los componentes del circuito

Depende del uso de componentes en el circuito, los osciladores se clasifican en LC, RC y osciladores de cristal. El oscilador que utiliza componentes de inductor y condensador se denomina oscilador LC mientras que el oscilador que usa componentes de resistencia y condensador se denomina osciladores RC. Además, el cristal se usa en algunos osciladores que se denominan osciladores de cristal.

De acuerdo con la frecuencia generada

Los osciladores se pueden usar para producir formas de onda a frecuencias que van desde niveles bajos a muy altos. Los osciladores de baja frecuencia o de frecuencia de audio se utilizan para generar oscilaciones en un rango de 20 Hz a 100-200 KHz, que es un rango de frecuencia de audio.

Los osciladores de frecuencia alta o de frecuencia de radio se utilizan a frecuencias superiores a 200-300 KHz hasta gigahercios. Los osciladores LC se utilizan en el rango de alta frecuencia, mientras que los osciladores RC se usan en un rango de frecuencia baja.

Basado en el uso de comentarios

Los osciladores consistentes en una red de retroalimentación para satisfacer las condiciones requeridas de las oscilaciones osciladores. Mientras que los osciladores con ausencia de red de retroalimentación se llaman osciladores de tipo sin realimentación.

El oscilador de relajación UJT es el ejemplo de un oscilador sin realimentación que utiliza una región de resistencia negativa de las características del dispositivo.

Algunos de los osciladores sinusoidales de las categorías anteriores son

• Circuitos sintonizados o osciladores de retroalimentación LC como Hartley, Colpitts y Clapp, etc.
• RC osciladores de desplazamiento de fase como el oscilador de puente de Wein.
• Osciladores de resistencia negativa como el oscilador de diodo de túnel.
• Osciladores de cristal como el oscilador Pierce.
• Heterodyne o oscilador de frecuencia de pulsación (BFO).

Estabilidad de frecuencia de los osciladores

En los osciladores, la frecuencia de las oscilaciones permanece constante durante un intervalo de tiempo prolongado. La estabilidad de frecuencia es una medida del grado en que se logra la frecuencia deseada. El cierre será la salida a una frecuencia constante si la estabilidad de frecuencia es mejor.

La frecuencia de oscilación depende de varias características del circuito como varios componentes, tensiones de suministro, elementos extraviados, parámetros característicos de dispositivos activos, etc.

La inestabilidad de frecuencia o las variaciones de la frecuencia de salida deseada pueden ser causadas por variaciones en los elementos del circuito externo o por características del dispositivo. En osciladores de transistor como un oscilador Hartley o osciladores Colpitts, la frecuencia de oscilaciones no es estable durante la operación prolongada.

Esto se debe a que la capacitancia existente en la unión base-colector en polarización inversa está dominada en altas frecuencias y, por lo tanto, afecta el condensador en el circuito del tanque.

Además, debido al cambio de temperatura, los valores de los componentes dominantes de frecuencia como el transistor, el inductor, la resistencia y el condensador también cambian.

La variación de la frecuencia con la temperatura viene dada por

S wo T = (Δw/wr) (ΔT/Tr)

Donde wr y Tr son la frecuencia deseada y la temperatura de operación respectivamente. Δw y ΔT son cambios en la frecuencia y el cambio en la temperatura, respectivamente.

La estabilidad de frecuencia puede darse como

Sw = dθ/dw

Un pequeño cambio de frecuencia en una frecuencia deseada introduce el desplazamiento de fase que se indica como dθ. Por lo tanto, el oscilador será más estable si el circuito da un mayor valor de dθ/dw.

La estabilidad de frecuencia se puede mejorar encerrando el circuito del oscilador en una cámara de temperatura constante y utilizando diodos Zener en el circuito para mantener el voltaje constante.

Se reduce el efecto de carga acoplando el circuito del oscilador a la carga sin apretar, o con el uso de un circuito que tiene una baja impedancia de salida y una alta impedancia de entrada.

Estabilidad de amplitud de los osciladores

La estabilidad de amplitud mide la cantidad en que la amplitud de salida real varía desde la amplitud de salida deseada en un oscilador. Con el aumento en la ganancia del amplificador, la amplitud de la forma de onda cambia.

El valor de ganancia también cambia debido a las componentes del circuito del oscilador y, por lo tanto, a la amplitud. Para mantener la ganancia constante, se utilizan diversas técnicas de control de ganancia para que se mantenga la estabilidad de la amplitud.

Otro factor para la variación de la amplitud es la tensión de alimentación. La amplitud de la forma de onda cambia con el cambio en la tensión de alimentación. Para mantener la buena estabilidad de amplitud, se usan reguladores de voltaje.

Factores que afectan la estabilidad del oscilador

La estabilidad del oscilador incluye estabilidades de amplitud y frecuencia que dependen de varios factores. Al considerar los puntos discutidos anteriormente en la forma enumerada, obtenemos los siguientes factores.

Punto de operación

En el caso de osciladores transistorizados, los cambios en los parámetros del dispositivo o del transistor (que varían dependen de la operación en porción lineal) afectan la estabilidad del oscilador. Dado que el transistor se selecciona de tal manera que funcione en una región lineal de sus características.

Componentes del circuito

Los valores de los componentes del circuito como el inductor, el condensador y las resistencias dependen de la temperatura. Si los valores de estos componentes varían, habrá una deriva en la frecuencia de las oscilaciones.

Capacidades inter-elementos

Un transistor consiste en la capacitancia entre elementos, es decir, el colector al condensador emisor. Si el valor de este condensador cambia, la frecuencia de las oscilaciones también cambia, de ahí la estabilidad del oscilador. Este efecto se puede neutralizar colocando condensador de inundación a través de los elementos ofensivos.

Fuente de alimentación

La variación en la tensión de alimentación de CC afecta a la frecuencia del oscilador. Esto se puede evitar utilizando una fuente de alimentación regulada.

Carga de salida

El factor Q del circuito del tanque depende de la carga de salida y, por lo tanto, cualquier cambio en la carga ocasiona el cambio en la frecuencia de la oscilación. Para osciladores sintonizados, la estabilidad de frecuencia es proporcional a la Q de un circuito sintonizado.