Electrnica y microelectrnica para cientficos

Osciladores

Realimentacin positiva

Las alteraciones de los circuitos de un amplificador normal que lleva a la entrada

(no inversora) una parte de la seal de salida pueden analizarse aislando la

parte realimentadora del circuito y tratndola por separado.

Considere el amplificador realimentado de la figura que comprende un

amplificador normal de ganancia A y una red realimentadora indicada por el

cuadripolo marcado con . Segn este circuito, a la seal de entrada Vi se le aade una tensin Vo con lo que seal de entrada al amplificador es:

VoViV +=Introduciendo el hecho de que ).( VAVo =

VoAAViVo +=Por tanto

ViA

AVo = 1

Segn la ecuacin anterior, la ganancia total del amplificador con realimentacin

es

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=

==

AA

AViVoA

11

1

Puede ser mayor o menor que la del amplificador solo, segn sea el signo

algebraico de A.

La condicin de mayor inters en este apartado es la de realimentacin positiva,

si en la ecuacin anterior se hace A=1 la ganancia se haga infinita, lo cual

significa que existe seal de salida aun cuando sea nula la seal de entrada. En

el caso de oscilaciones sinusoidales se disea la red de realimentacin de

manera que se cumpla la ecuacin A=1, conocida por el nombre de criterio de

Barkhausen, para una sola frecuencia y el circuito oscilara a esta frecuencia. El

criterio de Barkhausen exige que la rotacin de fase total de la seal

realimentada sea de 360 y este ser el factor fundamental en la determinacin

de la frecuencia de oscilacin. Adems, la ganancia del amplificador ha de ser

suficientemente grande para asegurar que el producto A sea igual a la unidad

a fin de que se mantengan las oscilaciones.

La amplitud de la oscilacin la determina indirectamente la ecuacin A=1.

La ganancia de un amplificador cualquiera se ve reducida a amplitudes grandes

de la seal a causa de las condiciones de corte y saturacin en los transistores.

En consecuencia, la amplitud estacionaria es tal que el valor absoluto de la

ganancia sea 1/. Como la red de realimentacin es casi siempre un circuito

pasivo, la amplitud depender principalmente de las caractersticas del

amplificador.

Para iniciar las oscilaciones no es preciso suministrar seal de entrada. Las

tensiones de ruido aleatorio o los transitorios que acompaan la aplicacin de

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las tensiones de alimentacin son suficientes para iniciar el proceso de

realimentacin. Como la amplitud de la seal de realimentacin depende de la

ganancia del amplificador, cuando sta sea grande aumentar la rapidez con

que alcancen las oscilaciones el estado estacionario: Suele ser conveniente que

la ganancia de las seales dbiles sea considerablemente mayor que la

requerida por el criterio de Barkhausen. Ello da lugar a oscilaciones intensas no

afectadas por cambios secundarios del circuito. Por otra parte, si es muy grande

la ganancia se pueden originar oscilaciones no sinusoidales a causa de las faltas

de linealidad que acompaan a las amplitudes de seal grandes.

Un circuito que tenga un comportamiento como el descrito recibe el nombre de

sistema oscilante.

Las fuentes de excitacin senoidal son piezas fundamentales de muchos

sistemas. Se utilizan de manera extensa en sistemas de comunicacin, as como

en casi toda aplicacin de la electrnica.

Los osciladores se clasifican en:

(a) Osciladores sinusoidales (seal sinusoidal)

(b) Osciladores de relajacin (cuadrada, dientes de sierra, triangular, etc.)

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Envolvente de estado estacionario

limitada por la saturacin del circuitoForma de onda

senoidal debida

a la saturacin

Voltaje de ruido

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Se distinguen dos tipos de osciladores: los de redes desfasadoras y los de

circuitos oscilantes.

Los osciladores R-C de redes desfasadas ms comunes son:

a. Puente de Wien

b. Circuito en T puenteada

c. Oscilador con red doble T

d. Osciladores por desplazamiento o por corriente de fase

Los osciladores de circuitos resonantes se conocen como osciladores L-C. Se

conocen dos tipos: los osciladores que tienen acoplamiento inductivo y los que

no lo tienen, a su vez, dentro de los osciladores con acoplamiento inductivo

pueden citarse los sintonizados en drenador para transistores FET o colector en

transistores bipolares y los sintonizados en puerta para transistores FET o base

en los bipolares. Los que no tienen acoplamiento inductivo son los Colpitts,

Harley, Clapp y los de cristal de cuarzo.

Estabilidad de los Osciladores

Un oscilador se considera estable si su amplitud y su frecuencia de oscilacin se

mantienen constantes durante la operacin.

Estabilidad de amplitud

Recurdese que la condicin para que haya oscilacin es que A=1. Si la

magnitud de la ganancia de lazo abierto | A | es menor que la unidad, se

detendr la oscilacin. Esta disminucin en la magnitud puede ser provocada

por envejecimiento, cambios del punto de trabajo del dispositivo activo,

temperatura y otros factores. Por esta causa los circuitos osciladores se disean

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de modo que | A | sea ligeramente mayor que la unidad en la frecuencia de

oscilacin. Cuando aumenta la amplitud de la seal de salida, el dispositivo

activo reduce la ganancia al valor que se requiera.

Para que haya buena estabilidad, el cambio en la ganancia con la amplitud del

voltaje de salida debe ser grande, y un aumento en la amplitud debe provocar

que disminuya la ganancia. Esto es, A/v0 debe ser un nmero negativo grande

para que un oscilador sea estable.

Estabilidad de frecuencia

La frecuencia de un oscilador tambin se puede desviar. En algunas

aplicaciones puede ser tolerable del 1 al 2% de desviacin. No obstante, en

otras, la frecuencia debe ser constante durante todo el tiempo. La frecuencia de

oscilacin depende no solo de elementos del circuito sintonizado, sino tambin

de los parmetros del dispositivo activo. Por ejemplo, los parmetros del

dispositivo activo varan con el voltaje de polarizacin, temperatura y edad. Otra

causa de desviacin de la frecuencia son las variaciones de la tensin de

alimentacin. Por tanto, para que haya buena estabilidad de frecuencia se deben

minimizar los efectos de todos estos parmetros.

Si se establece que todos estos elementos son la causa de la mayor parte de la

inestabilidad de frecuencia en el oscilador, es decir, si el ngulo de fase ()

cambia rpidamente con la variacin de los valores de estos parmetros,

entonces la atencin se debe concentrar en estos parmetros. En este caso

d()/d, sirve como medida de la independencia respecto a la frecuencia de

todos los otros elementos del circuito. La frecuencia de estabilidad mejora

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cuando d(a)/d aumenta. Cuando d()/d , la frecuencia de oscilacin

depender exclusivamente de este grupo de elementos.

Puede demostrarse que d()/d en = 0 es, en general, proporcional al

factor de calidad del circuito, Q. Por tanto, un oscilador de sintonizado con alto

factor de calidad Q tendr una excelente estabilidad de frecuencia. Es por esta

causa por la que los osciladores de cristal tienen una excelente estabilizacin en

frecuencia.

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