Osciladores

Docente: Mg. Elisa PauroAsillo

Circuitos Electrnicos II

CONCEPTO

Un oscilador es un circuito que genera una seal peridica a partir

de una seal continua de entrada, es decir, acta como conversor

de seal continua en seal alterna. Las formas de onda generadas

pueden ser sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc. As, la seal

de salida de un oscilador queda caracterizada por una amplitud,

una frecuencia y una forma de onda.

Un oscilador convierte potencia DC del power supply en una seal

AC espontneamente sin la necesidad de una entrada AC.

Un oscilador es un caso particular de tipo de realimentacin

positiva. La condicin que se debe cumplir es que la ganancia de

lazo, A sea igual a 1. Esto nos da una ganancia del circuito realimentado Ar = .

QU APLICACIONES TIENE UN OSCILADOR EN

EL CAMPO DE LA ELECTRNICA?

Los receptores de televisin, por ejemplo, utilizan osciladores que

generan seales peridicas triangulares para hacer una seleccin

de las imgenes.

Los ordenadores, por otro lado, utilizan osciladores de onda

cuadrada para generar seales de sincronizacin.

Otra aplicacin de los osciladores es la generacin de seales de

reloj que se pueden aplicar, por ejemplo, en la implementacin de

relojes que utilizamos en la vida cotidiana o para sincronizar

seales en sistemas electrnicos ms complejos.

CLASIFICACIN DE OSCILADORES

Segn el rango de frecuencias generadas por el oscilador los

podemos clasificar en los grupos siguientes:

Generadores de baja frecuencia: son aquellos que proporcionan

seales entre 1 Hz y 100 kHz. El espectro de frecuencias audibles

entre 20 Hz y 20 kHz se encontrara dentro de este grupo. Este tipo de osciladores se suelen implementar con circuitos RC.

Generadores de alta frecuencia: proporcionan seales por encima

de los 100 kHz y se utilizan habitualmente para sintonizar

frecuencias de radio. Las configuraciones ms habituales para

estos generadores de alta frecuencia son los circuitos LC y los

osciladores de cristal.

de Baja Frecuencia (RC)

de Alta Frecuencia y Frecuencia Variable (LC)

de Alta Frecuencia y Frecuencia Fija (a cristal)

Colpitts Hartley Pierce Otros (Clapp, ...)

Colpitts Hartley Otros (Clapp, ...)

Tipos de

Osciladores

Osciladores con elementos discretos

SEAL DE SALIDA GENERADA POR UN OSCILADOR

Un circuito oscilador puede generar una seal peridica estable a partir

de un impulso finito de entrada. La salida del oscilador comienza siendo

nula y crece hasta alcanzar una determinada amplitud de salida.

OSCILADORES

Cmo realizar un generador de onda senoidal?

Con osciladores, circuitos especficamente diseados para

generar seal sinusoidal.

Un oscilador es un amplificador inestable, pero que solo es

inestable a una frecuencia. Esa sera su frecuencia de

oscilacin.

Para conseguirlo se introducen elementos cuyo

comportamiento depende de la frecuencia : elementos

reactivos (L,C)

CONSIDERACIN DE ORDEN PRCTICO

Podra ocurrir que uno logre que en principio se cumpla el criterio de

Barkhausen, pero por derivas trmicas, envejecimiento o dispersin de

parmetros los polos se desplacen hacia el semiplano real positivo o

negativo.

En este ltimo caso, las oscilaciones desaparecen (figura 4a) Si los polos

se desplazan al eje real positivo, tienden a aumentar de amplitud (figura

4b). La amplitud aumenta hasta que comienza la saturacin.

CONSIDERACIN DE ORDEN PRCTICO

Esto puede explicarse mejor teniendo en cuenta que la saturacin puede

interpretarse como una variacin de ganancia (figura 5).

Al variar la ganancia vara la posicin de los polos, es decir se tiene un

lugar de las races como el de la figura 6a. Si la amplitud aumenta mucho,

la ganancia del sistema empieza a bajar, por lo cual los polos se

desplazan retornando al eje imaginario, como se muestra en la figura 6b.

FORMA DE ONDA DEL OSCILADOR INDICANDO LO QUE

SUCEDE CERCA DE LA SATURACIN

En la parte inferior se observa la

seal en la entrada del

amplificador y

En la superior, la seal a su salida,

suponiendo una realimentacin de

tipo LC.

De lo anterior resulta que la

condicin de Barkhausen de diseo

es:

MODELO GENRICO DE OSCILADOR CON

REALIMENTACIN POSITIVA

El circuito oscilador genera una seal estable a partir de una pequea

perturbacin de entrada.

Si:

Entonces

EFECTOS DEL FACTOR A SOBRE LA OSCILACIN

ANLISIS DE LOS CIRCUITOS OSCILADORES

Analizaremos cada uno de los casos y veremos cmo

cumplir la condicin de Barkhausen y los parmetros ms

relevantes para cada uno. Comenzaremos por los

osciladores ms sencillos, los formados por bobinas y

condensadores, y llegaremos hasta un tipo de oscilador

muy utilizado en la prctica: el oscilador de cristal de

cuarzo

Situacin indeseada en servosistemas

Situacin deseada en osciladores

Realimentacin negativa 1 + G(s)H(s) > 1

Alta ganancia de lazo xs(s)/xe(s) = 1/H(s)

Realimentacin positiva 1 + G(s)H(s) < 1

Oscilacin 1 + G(s)H(s) = 0

CRITERIO DE BARKHAUSEN

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

xe(s) xs(s)G(s)

H(s)

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

xe(s) xs(s)G(s)

H(s)

=xs(s)

xe(s)

G(s)

1 + G(s)H(s)

1 + G(s) H(s) = 0 xs(s)/xe(s)

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

xe(s) xs(s)G(s)

H(s)

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

xe(s) xs(s)G(s)

H(s)

=xs(s)

xe(s)

G(s)

1 + G(s)H(s)=

xs(s)

xe(s)

xs(s)

xe(s)

G(s)

1 + G(s)H(s)

G(s)

1 + G(s)H(s)

CRITERIO DE BARKHAUSEN

Se genera Xout aunque no haya Xin

SalidaPlanta

Red de

realimentacin

xs(s)G(s)

H(s)

-1

SalidaPlanta

Red de

realimentacin

xs(s)G(s)

H(s)

-1

Cuando est oscilando:

G(s) H(s) = 1

G(s) H(s) = 180

Por tanto:

G(jwosc) H(jwosc) = 1

G(jwosc) H(jwosc) = 180

CRITERIO DE BARKHAUSEN

ESTABILIDAD DE UN CIRCUITO

REALIMENTADO

Condicin de oscilacin (I)

En oscilacin:

G(jwosc) H(jwosc) = 1

G(jwosc) H(jwosc) = 180

Qu tiene que suceder para que comience la oscilacin?

SalidaPlanta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

-1

SalidaPlanta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

-1

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

xe(jwosc)

xe(jwosc)G(jwosc)H(jwosc)

Condicin de oscilacin (II)

En realidad si |G(jwosc)H(jwosc)| > 1 cuando el desfase es 180, las

magnitudes empezarn a crecer constantemente

Salida- Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

Salida- Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

Existe un lmite a este crecimiento?Evidentemente s, por razones energticas hay lmites. Incluso el

sistema podra destruirse al crecer la magnitud de salida.

Condicin de oscilacin (III)

Salida- Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

Salida- Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

|Gpm(jwosc)H(jwosc)| > 1

|Ggm(jwosc)H(jwosc)| = 1

Observaciones:Gpm(s): funcin de transferencia de pequea magnitud

Ggm(s): funcin de transferencia de gran magnitud

Condicin de oscilacin (IV)

Si |G(jwosc)H(jwosc)| < 1 cuando el desfase es 180, entonces la

oscilacin se extinguir

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

Salida-Entrada Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

xe(jwosc)

xe(jwosc)G(jwosc)H(jwosc)

Salida- Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

Salida- Planta

Red de

realimentacin

G(jwosc)

H(jwosc)

OSCILADORES LC

Para la etapa amplificadora se utilizan normalmente amplificadores

operacionales y transistores. Respecto a la red de realimentacin,

utilizaremos bobinas y condensadores

Una bobina es un componente elctrico que es capaz de almacenar

energa en forma de campo magntico. La bobina se carga cuando

aumenta la corriente elctrica que la atraviesa, mientras que se descarga

devolviendo la energa almacenada al circuito cuando la corriente

disminuye. La impedancia de una bobina recibe el nombre de reactancia

inductiva, XL, y su valor es:

Podemos obtener la tensin en los extremos de la bobina de la manera

siguiente:

Aparece el trmino j en el clculo de la tensin. Esto significa que la

tensin medida en los extremos de la bobina est avanzada 90 grados

respecto a la corriente que la atraviesa.

w=0 , La bobina se comporta como corto circuito

OSCILADORES LC

Un condensador es un dispositivo en el que almacenamos energa

elctrica.

El condensador se carga cuando aumenta la diferencia de potencial entre

sus extremos y se descarga cuando esta diferencia de potencial disminuye.

La impedancia de un condensador recibe el nombre de reactancia

capacitiva y su valor es:

Para calcular la tensin en los extremos del condensador:

Aislando la corriente medida en los extremos del condensador

encontramos la expresin siguiente para la corriente que atraviesa un

condensador.

La corriente que atraviesa el condensador est multiplicada por el

factor j! y, por tanto, avanzada 90 grados respecto a la tensin aplicada

entre sus extremos

w=0 , el condensador se comporta como circuito abierto

EL OSCILADOR IDEAL LC

El oscilador LC est formado por una fuente de tensin que nos da la

energa inicial para poder poner en marcha el oscilador, un condensador y

una bobina.

En un circuito oscilador de tipo LC aplicamos una seal de entrada de

duracin finita y se generan, tanto en el condensador como en la bobina,

seales sinusoidales estables.

SEALES GENERADAS POR EL OSCILADOR LC: TENSIN DE

ENTRADA, TENSIN EN EL CONDENSADOR Y CORRIENTE EN LA

BOBINA

Una vez alcanzada la tensin que proporciona la

fuente, podemos considerar que el condensador est

cargado.

En el momento en el que desconectamos la fuente de

tensin mediante el interruptor y hacemos la conexin

entre el condensador y la bobina, el circuito comienza a

oscilar.

Observa la bobina est inicialmente descargada y la

corriente que la atraviesa, IL, es nula.

Una vez conectamos el condensador y desconectamos

la fuente de tensin (momento en el que hacemos cero

la seal vi) comienza a circular corriente por ella

(bobina).

Fijarse en la tensin VC y la corriente IL que circulan por

el circuito LC. Cuando la tensin VC es mxima, la

corriente IL es cero y de la misma manera los mximos

de la corriente coinciden con los ceros de tensin.

A qu se debe este hecho? Pues al hecho de que

corriente y tensin estn desfasadas 90 grados.

MTODO DE APERTURA DEL BUCLE

Consideremos una configuracin tpica de osciladores como la de la figura

8a. Hemos llamado a y H a las ganancias de tensin de los bloques

bsicos y de realimentacin.

Para llevarlo a una de las configuraciones de realimentacin cuadripolar

invertimos los terminales de H, y llamamos a la ganancia H del bloque resultante. El criterio de oscilacin para un sistema realimentado era que

MTODO DE APERTURA DEL BUCLE

Esto equivale a abrir el lazo, excitar con vi y obtener vi de modo que:

vi = vi.

28

ANLISIS DE CIRCUITOS OSCILADORES

29

OSCILADORES L-C

OSCILADORES LC

Dispositivos amplificadores (por ejemplo un FET o un transistor bipolar, un

amplificador operacional, una compuerta lgica, etc.)

OSCILADORES LC

La resistencia de salida ro y la impedancia Z2 se han agrupado como Z2.

El anlisis procede observando que las impedancias Z1, Z2 y Z3 forman un

divisor de corriente y de tensin

OSCILADORES LC

Por lo tanto :

si gm > 0 (conexin en emisor comn), entonces X1 y X2 deben ser del

mismo signo y por lo tanto X3 de signo diferente.

Si gm < 0 (conexiones en base comn y colector comn) entonces X1 y X2

deben ser de distinto signo y, por lo tanto, X3 puede ser de cualquier signo.

Debido a que hay tres reactancias, siempre hay dos capacitivas y una

inductiva o viceversa.

Obtenemos, entonces, dos familias de osciladores:

OSCILADORES LC

En la figura 12 se muestran estas disposiciones para la configuracin de

emisor comn (gm > 0) en forma simplificada (es decir, omitiendo las

polarizaciones).

OSCILADOR DE HARTLEY

El oscilador de Hartley es un oscilador con una red de realimentacin de

tipo LC. Lo podis ver en la figura 38. La etapa amplificadora, sealada

en la figura con este nombre, est formada por un dispositivo

denominado transistor bipolar. En este subapartado consideraremos este

dispositivo como lo hemos hecho hasta ahora, es decir, como un

dispositivo que proporciona una ganancia A.

El oscilador de Hartley tiene como etapa amplificadora un transistor

bipolar y como red de realimentacin una bobina y un condensador.

La frecuencia de oscilacin del oscilador de

Hartley es:

En este caso, la inductancia L es un

parmetro que podemos variar para

conseguir una determinada frecuencia de

oscilacin. En el caso del

oscilador LC esta frecuencia era fija una vez

elegidos los componentes.

35

OSCILADOR COLPITTS

36

OSCILADORES R-C

RETARDO DE FASE

OSCILADOR DE WIEN-BRIGE

Se disea usando un amplificador (op-amp) no invertido)

Oscilador lineal con fuente externa Xin inyectada

Condicin para que oscile :

Frecuencia de oscilacin

Habr distorsin ya que en

la salida ocurre clipping (R2>2R1).Se puede

estabilizar usando diodos.

Su salida es una seal

senosoidal

OSCILADOR CON PUENTE DE WIEN

La mxima realimentacin positiva ocurre para = o.

Dado que a > 0

40

OSCILADOR CON CRISTAL DE CUARZO

REDUCCIN DE LA DISTORSIN