Osciladores Sinusoidales
Un
oscilador es un circuito que produce una oscilación propia de frecuencia, forma
de onda y amplitud determinadas. Los osciladores se clasifican en armónicos,
cuando la salida es sinusoidal, o de relajación, si generan una onda cuadrada.
Los sistemas de comunicación suelen
emplear osciladores armónicos, normalmente controlados por cristal, como
oscilador de referencia. Pero también osciladores de frecuencia variable. La
frecuencia se puede ajustar mecánicamente (condensadores o bobinas de valor
ajustable) o aplicando tensión a un elemento, estos últimos se conocen como osciladores
controlados por tensión o VCO, es decir, osciladores cuya frecuencia de
oscilación depende del valor de una tensión de control. Y también es posible
hallar osciladores a cristal controlados por tensión o VCXO.
Los parámetros del oscilador son:
– Frecuencia: es la frecuencia del
modo fundamental
– Margen de sintonía, para los de
frecuencia ajustable, es el rango de ajuste
– Potencia de salida y rendimiento.
El rendimiento es el cociente entre la potencia de la señal de salida y la
potencia de alimentación que consume
– Nivel de armónicos: potencia del
armónico referida a la potencia del fundamental, en dB
– Pulling: variación de frecuencia
del oscilador al variar la carga
– Pushing: variación de frecuencia
del oscilador al variar la tensión de alimentación
– Deriva con la temperatura:
variación de frecuencia del oscilador al variar la temperatura
– Ruido de fase o derivas
instantáneas de la frecuencia
– Estabilidad de la frecuencia a
largo plazo, durante la vida del oscilador
*
Criterios de oscilación
Existen
varios criterios de oscilación rigurosos y equivalentes. En primer término, un
oscilador que contenga un dispositivo activo en una configuración cuadripolo debe
tener una trayectoria de realimentación por la que
parte de la
salida se realimenta a la entrada. Si la señal de realimentación es mayor que
la de entrada y en fase con ella, se iniciarán las oscilaciones y crecerán en amplitud
hasta que la saturación reduzca la ganancia alrededor del
bucle de
realimentación a la unidad.
Primer
criterio:
Un circuito oscilará cuando exista una
trayectoria de realimentación que proporcione al menos una ganancia de bucle
unitaria con desplazamiento de fase nulo.
Segundo criterio:
Un oscilador es un amplificador
inestable en donde el factor de Stern K es menor que uno
Donde
G y g son conductancias
S= source; L=load; i=input; o=output;
f=forward; r=reverse
ys = admitancia de fuente ; yL=
admitancia de carga.
Tercer criterio:
Un oscilador es un amplificador que
aunque la entrada sea nula, la salida no será nula. Matemáticamente esto equivale
a que el determinante de las ecuaciones de las corrientes de malla o voltajes
de nodo, se hace cero.
A este criterio se lo conoce como
criterio de “ganancia infinita”
Cuarto criterio:
Si cualquier circuito potencialmente oscilador se separa
artificialmente en una porción activa y una carga, la impedancia de salida de
la parte activa tendrá una parte real negativa cuando se satisfagan las
condiciones para la oscilación.
Esta es una condición necesaria pero no suficiente. Una onda
de corriente puede circular indefinidamente por un lazo de impedancia cero; lo
mismo se puede decir sobre una tensión senoidal, que puede persistir
indefinidamente en un nodo de admitancia nula.
Oscilador Hartley
El Oscilador
Hartley es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de
radio con transistores adaptándose con facilidad a una gran gama de
frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con
derivación central. Analizando el diagrama, se ve que el punto de derivación D
de la bobina L1, estará puesto a tierra para corriente alterna (c.a.) (a
la frecuencia de oscilación) a través del condensador C4.
De esta
manera se logra que los extremos A y B de la bobina estén 180° fuera de fase
(funciona como un inversor). El extremo B se realimenta a la base del
transistor a través de C1, haciendo que éste (el transistor) cambie de estado,
esto a su vez cambia las polaridades en los extremos de la bobina, repitiéndose
el proceso y produciéndose así la oscilación. La función de la bobina L2 es de
choque de R.F. y evita que la señal del oscilador pase a la fuente de
alimentación.
La
frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por la fórmula: fo
= 1 / [2π x (LC)^1/2]
Oscilador
colpitts
El 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 oscilación este
circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos capacitores: C1 y C2. De
la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión
en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrán tensiones opuestas.
La
realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a
la base del transistor a través de una resistencia y un condensador. La bobina
L2 (choke) se utiliza para evitar que la señal 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 sería muy difícil utilizar el
oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas. La
frecuencia de oscilación del Oscilador Colpitts está por: fo = 1 / [2π x (LC)1/2]
dónde: C
= C1xC2 / [C1+C2] y L = L1
Oscilador a cristal
Existen algunos cristales, entre ellos el cuarzo (SiO2), la
sal de Rochelle (tartarato de sodio y potasio tetrahidratado, NaKC4H4O6⋅4H2O), el fosfato dihidrógeno de
amonio, ADP (NH4H2PO4), etc., que presentan efecto
piezoeléctrico, es decir que al aplicárseles un campo
eléctrico se deforman, y reversiblemente, al deformarlos aparece en ellos un campo
eléctrico. Estos cristales poseen una frecuencia de resonancia mecánica con un valor
de Q muy alto debido a que sus pérdidas por fricción interna son
pequeñas.
Cuando a un cristal piezoeléctrico se le adosan electrodos
se establece una interacción entre el comportamiento mecánico y el eléctrico,
denominada acoplamiento electromecánico. Es posible plantear un equivalente eléctrico del
comportamiento mecánico en el cual las fuerzas son representadas por tensiones
y las velocidades por corrientes.
El principio de conservación de la energía (debido la
reversibilidad del fenómeno) se traduce en una representación en forma de transformador
electromecánico, cuyo primario es eléctrico y cuyo secundario es mecánico. Las pérdidas
mecánicas corresponden a un elemento resistivo conectado en el secundario.
Desde el lado eléctrico el cristal es equivalente a un circuito tanque como el
que se indica en la figura siguiente.
(a)
estructura de un cristal piezoeléctrico. (b) símbolo de circuito del cristal.
(c) modelo eléctrico equivalente.
Bibliografía
