Electrónica para telecomunicaciones: Osciladores sinusoidales

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.

Estructura básica de realimentación para lograr un oscilador.

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.