Dispositivos semiconductores: osciladores
Un oscilador es un circuito electrónico que genera oscilaciones sinusoidales conocidas como sinusoidal oscillator. Convierte la energía de entrada de una fuente de CC en energía de salida de CA de forma de onda periódica, a una frecuencia específica y de amplitud conocida. El rasgo característico del oscilador es que mantiene su salida de CA.
La siguiente figura muestra un amplificador con señal de retroalimentación incluso en ausencia de una señal de entrada aplicada externamente. Un oscilador sinusoidal es esencialmente una forma de amplificador de retroalimentación, donde se imponen requisitos especiales a la ganancia de voltaje.Av y las redes de retroalimentación β.
Considere el amplificador de retroalimentación de la figura anterior, donde el voltaje de retroalimentación V f = βV O suministra todo el voltaje de entrada
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ O $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Si se va a producir un voltaje de salida, el voltaje de entrada no puede ser cero. Por tanto, para que exista V i , la ecuación (2) requiere que
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ O $ A_V \ beta = 1 $ (3)
La ecuación (3) se conoce como “Barkhausen criterion”, que establece dos requisitos básicos para la oscilación:
La ganancia de voltaje alrededor del amplificador y el circuito de retroalimentación, llamada ganancia del circuito, debe ser la unidad o $ A_V \ beta = 1 $.
El cambio de fase entre $ V_i $ y $ V_f $, llamado cambio de fase del bucle, debe ser cero.
Si se satisfacen estas dos condiciones, el amplificador de retroalimentación de la figura anterior generará una forma de onda de salida sinusoidal de manera consistente.
Analicemos ahora en detalle algunos circuitos osciladores típicos.
Oscilador de cambio de fase
Un circuito oscilador que sigue el progreso fundamental de un circuito de retroalimentación es el oscilador de cambio de fase. En la siguiente figura se muestra un oscilador de cambio de fase. Los requisitos para la oscilación son que la ganancia del lazo (βA) debe ser mayor que la unidad y el desplazamiento de fase entre la entrada y la salida debe ser de 360 o .
La retroalimentación se proporciona desde la salida de la red RC a la entrada del amplificador. La etapa del amplificador del amplificador operacional proporciona un cambio inicial de 180 grados y la red RC introduce una cantidad adicional de cambio de fase. A una frecuencia específica, el cambio de fase introducido por la red es exactamente de 180 grados, por lo que el bucle será de 360 grados y el voltaje de retroalimentación estará en el voltaje de entrada de fase.
El número mínimo de etapas RC en la red de retroalimentación es tres, ya que cada sección proporciona 60 grados de cambio de fase. El oscilador RC es ideal para el rango de frecuencias de audio, desde unos pocos ciclos hasta aproximadamente 100 KHz. En las frecuencias más altas, la impedancia de la red se vuelve tan baja que puede cargar seriamente el amplificador, reduciendo así su ganancia de voltaje por debajo del valor mínimo requerido, y las oscilaciones cesarán.
A bajas frecuencias, el efecto de carga no suele ser un problema y los grandes valores de resistencia y capacitancia requeridos están fácilmente disponibles. Usando el análisis de red básico, la oscilación de frecuencia se puede expresar como
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Oscilador del puente de Viena
Un circuito de oscilador práctico utiliza un amplificador operacional y un circuito de puente RC, con la frecuencia del oscilador establecida por el R y Ccomponentes. La siguiente figura muestra una versión básica de un circuito oscilador de puente de Viena.
Tenga en cuenta la conexión de puente básica. Las resistencias R 1 y R 2 y los condensadores C 1 y C 2 forman los elementos de ajuste de frecuencia, mientras que las resistencias R 3 y R 4 forman parte de la ruta de retroalimentación.
En esta aplicación, el voltaje de entrada (V i ) al puente es el voltaje de salida del amplificador y el voltaje de salida (V o ) del puente es retroalimentación a la entrada del amplificador. Si se ignoran los efectos de carga de las impedancias de entrada y salida del amplificador operacional, el análisis del circuito puente da como resultado
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
y
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Si R 1 = R 2 = R y C 1 = C 2 = C, la frecuencia del oscilador resultante es
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Oscilador Hartley
La siguiente figura muestra el oscilador Hartley. Es uno de los circuitos de RF más comunes. Normalmente se utiliza como oscilador local en un receptor de transmisión de comunicaciones. El transistor de unión bipolar en la conexión de emisor común es el amplificador de tensión y es empujada por un circuito de polarización universal, que consiste en R 1 , R 2 , R E . El condensador de derivación del emisor (C E ) aumenta la ganancia de voltaje de esta etapa de un solo transistor.
El estrangulador de radiofrecuencia (RFC) en el circuito colector actúa como un circuito abierto en la frecuencia de RF y evita que la energía de RF entre en la fuente de alimentación. El circuito del tanque consta de L 1 , L 2 y C. La frecuencia de las oscilaciones está determinada por el valor de L 1 , L 2 y C y está determinada por las oscilaciones a la frecuencia resonante del circuito del tanque LC. Esta frecuencia resonante se expresa como
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
La señal de salida se puede tomar del colector mediante acoplamiento capacitivo, siempre que la carga sea grande y la frecuencia de oscilación no se vea afectada.
Piezoelectricidad
Las propiedades piezoeléctricas son exhibidas por una serie de sustancias cristalinas naturales, de las cuales las más importantes son el cuarzo, la sal de Rochelle y la turmalina. Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a través de estos materiales, vibran a la frecuencia de voltaje aplicada.
Por otro lado, cuando estos materiales se comprimen y se someten a tensión mecánica para vibrar, producen un voltaje sinusoidal equivalente. Por lo tanto, estos materiales se denominan cristal piezoeléctrico. El cuarzo es el cristal piezoeléctrico más popular.
Oscilador de cristal
El diagrama de circuito del oscilador de cristal se muestra en la siguiente figura.
El cristal aquí actúa como un circuito sintonizado. El circuito equivalente de un cristal se da a continuación.
Un oscilador de cristal tiene dos frecuencias resonantes: frecuencia resonante en serie y frecuencia resonante paralela.
Frecuencia de resonancia en serie
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Frecuencia de resonancia paralela
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Las dos frecuencias de resonancia son casi iguales, ya que C / Cm es muy pequeño. En la figura anterior, el cristal está conectado para operar en modo resonante paralelo.
Las resistencias R 1 , R 2 , R E y el transistor juntos forman un circuito amplificador. Las resistencias R 1 y R 2 proporcionan una polarización de CC estabilizada por voltaje. El condensador (C E ) proporciona un bypass de CA de la resistencia del emisor (R E ) y el RFC proporciona alta impedancia a la frecuencia generada por el oscilador, de modo que no ingresen a las líneas eléctricas.
El cristal está en paralelo con el condensador C 1 y C 2 y permite la máxima retroalimentación de voltaje desde el colector al emisor, cuando su impedancia es máxima. En otras frecuencias, la impedancia del cristal es baja, por lo que la retroalimentación resultante es demasiado pequeña para sostener las oscilaciones. La frecuencia del oscilador se estabiliza en la frecuencia de resonancia paralela del cristal.