ampops osciladores

Electrónica Analógica

03-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

Electrónica Analógica: Ampop's - Osciladores

Osciladores

Amplificadores

Operacionais




Um gerador de funções é um aparelho electrónico utilizado para gerar sinais eléctricos de formas de onda, frequências (de alguns Hz a dezenas de MHz) e amplitude (tensão) diversas. São muito utilizados em laboratórios de electrónica como fonte de sinal para teste de diversos aparelhos e equipamentos electrónicos.

Um gerador de funções deve poder gerar sinais sinusoidais, triangulares, quadrados, dente-de-serra, com sweep (frequência variável), todos com diversas frequências e amplitudes.

Os circuitos até agora estudados já dão para fazermos algumas destas coisas...

Um oscilador “astável”, dá uma onda quadrada... Seguida de integrador dá uma onda triangular...

Geradores de FunçõesIntrodução




Quando se liga o ponto A fica em +Sat, e a corrente através de R1 irá carregar C, que começa a ficar positivo na entrada V(-), produzindo na saída de A2 (ponto B) uma rampa descendente negativa, que está aplicada á entrada V(+) (ponto C) de A1 que faz o divisor de tensão para o +Sat de A1.

Quando a voltagem em C baixar abaixo de 0 volts, A1 comutará para –Sat e dar-se-á inicio a um processo inverso. O condensador C, irá carregar negativamente, e produzirá uma rampa de ascendência positiva em A2, até que a voltagem no ponto C, ultrapasse 0 volts que fará comutar A1 para +Sat, iniciando novo ciclo.

B

Geradores de FunçõesExemplo + Prático




Neste caso, usamos um “Schmitt” para gerar a onda quadrada, e um integrador (inversor) para gerar a onda triangular, e porque usamos um integrador com ampop, a fórmula para calcular a frequência, deixou de ser logarítmica (no astável), para passar a ser linear… Se acrescentarmos um conversor

triangular sinusoidal ( a conversão é devida á característica logarítmica dos diodos) temos também uma sinusóide, embora com distorção.

A amplitude das onda triangular é estabelecida pela relação R3/R2.

Os eventuais problemas com esta montagem tem a ver com os “offsets” dos ampops que devem estar devidamente balanceados, caso contrário serão integrados acumulativamente pelo integrador e param as oscilações… Calcular a Frequência das oscilações.

Geradores de FunçõesExemplo + Prático




No entanto… existem circuitos integrados que já fazem tudo…

Geradores de Funções




Ou Inversor positivo de impedância, é um circuito electrónico que inverte uma impedância.

Por outras palavras, pode fazer com que um circuito capacitivo tenha um comportamento indutivo, um filtro passa-banda se transforme em elimina banda, etc…

É usado especialmente na tecnologia de circuitos integrados, onde construir bobines físicas é muito complicado devido ao seu volume e aos pico de FCEM, e em tecnologias de filtros activos, usando circuitos giradores para simularem comportamento de bobines.

O circuito funciona invertendo o efeito do condensador. O efeito desejado é uma impedância de uma indutância L ideal, em série com uma resistência RL: e

Com RL.R.C = L, pode-se ver que a impedância da bobine simulada, é a impedância desejada, em paralelo com a impedância de C e R. Tipicamente , R é escolhido adequadamente grande de modo a tornar-se termo dominante:

Circuito Girador




O que se pretende afinal é:

Circuito Girador




Se Vi constante em amplitude e se variar a frequência, Vo será constante e igual a Vi em amplitude, enquanto a fase muda em relação a Vi.

Se variar “r” de 0 a , a determinada frequência, Vo Variará a fase de 180º, em relação a Vi.

Quando “r”= 0, e entrada V(+) está á massa, e ter-se-á um amplificador inversor de ganho -1, a que corresponde uma inversão máxima de 180º.

Quando “r”=, V(+) = V(-) o condensado C praticamente curto circuita a R1 e devido ao curto virtual entre a entrada não inversora e a entrada inversora. Não havendo corrente em R1 também não haverá em R2.

Nestas condições, o circuito comporta-se com seguidor de tensão não inversor pelo que Vo = Vin e o desfasamento será zero.

Na prática “r” será bastante elevado e permitirá variar o desfasamento entre -180º e zero graus. Se se inverter a posição do condensador C com r será de 0 a +180º.

Circuito Desfasador




O oscilador realimentado é amplamente usado para a geração de sinais de onda sinusoidal.

Realimentação positiva é a condição em que uma porção da voltagem de saída de um amplificador é alimentado de volta para a entrada sem deslocamento de fase, resultando num reforço do sinal de saída.

A realimentação positiva é também referida como realimentação regenerativa.

OsciladoresIntrodução




OsciladoresIntrodução Oscilações continuadas:

o sinal de realimentação (feedback) deve ser positivo.o ganho global deve ser igual a um (ganho unitário).

(Boylestad)A mudança de fase em torno do ciclo de realimentação deve ser de 0º.Ganho de tensão em anel fechado, (Acl) em torno do ciclo de realimentação (ganho

loop) deve ser igual a 1 (unidade).(Floyd)

O circuito de realimentação deverá ser regenerativo, isto é, o feedback, deve resultar num combinado de 360 ° (ou 0 °) de deslocamento de fase da tensão em torno do circuito em anel fechado.

O circuito deve receber algum sinal de disparo para iniciar as oscilações.(Paynter)

Para que as oscilações de comecem, Acl em torno do ciclo de realimentação positiva deve ser maior que 1, de modo que a tensão de saída possa elevar-se a um nível desejado. Em seguida, Acl diminuir para 1 e mantém a magnitude desejadas.




Vamos agora abordar alguns geradores de ondas sinusoidais, em contraponto aos Osciladores de Relaxação (Multivibradores de onda quadrada).

Osciladores: são circuitos que produzem uma onda de saída sinusoidal, sem qualquer fonte externa de sinal, usando realimentação positiva (regenerativa)..

Para que um oscilador funcione, são necessários 3 requisitos:

1. Ter Realimentação positiva ou regenerativa, o que quer dizer que o sinal de realimentação no final tem que ter um desfasamento de 360°(ou 0°).

2. O circuito deve ter um sinal de disparo inicial que inicie as oscilações.

3. O circuito deve cumprir o critério de Barkhausen, isto é, o produto do factor de realimentação pelo ganho do amplificador, deve de ser igual a 1 (av.Av=1) av=

Se, av.Av 1 as oscilações param ao fim de alguns ciclos. Se, av.Av 1 o oscilador vai á saturação limitando os picos com saturação.Se , av.Av=1 o oscilador continuará oscilando indefinidamente, como se pretende.

Se os critérios não forem cumpridos acontece o seguinte:

Osciladores

Critérios de Oscilação




Osciladores: Critérios de oscilação

Distorção

Vf e Vin em fase

OsciladoresCritérios Barkhausen




Oscilador Hartley O oscilador Hartley consiste de um circuito tanque

paralelo LC ressonador cujo feedback é conseguido por meio de um divisor de indutivo. Tal como a maioria dos circuitos de oscilador, o oscilador Hartley existe em várias formas, com a forma mais comum é o circuito de transistor com o circuito tanque sintonizado tendo a sua bobina aproveitado para alimentar uma fracção do sinal de saída de volta para o emissor do transistor.

A vantagem da construção de um oscilador de Hartley usando um amplificador operacional como elemento activo é que o ganho do Ampop pode ser muito facilmente ajustado usando as resistências de realimentação R1 e R2.

L1 L2

C

A frequência de oscilação pode ser ajustada variando o "ajuste" condensador, C ou por variação da posição do núcleo no interior da bobine (sintonização indutiva) dando uma saída através de uma vasta gama de frequências, tornando muito mais fácil para ajustar. Além disso, o oscilador Hartley produz uma amplitude de saída que é constante ao longo de toda a gama de frequências.

Sendo:




Oscilador HartleyExercícioUm circuito oscilador Hartley tendo duas bobines individuais com 0.5mH cada, estão

concebidas para ressonar em paralelo com um condensador variável que pode ser variado de 100pF a 500pF. Determinar as frequências máxima e mínima e também a largura de banda do oscilador Hartley.

A frequência de oscilação de um oscilador Hartley é dada por:

O circuito consiste de duas bobinas indutivas, de modo que a indutância total é dada por:

Frequência mínima:

Frequência máxima:

Largura de Banda:

Solução:




Oscilador Colpitts

Oscilador Colpitts, parecido com o oscilador Hartley, consiste de um circuito tanque paralelo LC ressonador cujo feedback é alcançada por meio de um divisor de capacitivo. Como a maioria dos circuitos osciladores, o oscilador Colpitts existe em várias formas, com a forma mais comum é o circuito de transistor. A operação de um oscilador Colpitts com Ampop é exactamente a mesma que para a versão transistorizada com a frequência de operação calculada da mesma maneira.

O centro do sub-circuito tanque é feito na junção de uma malha " divisora de tensão capacitiva " para alimentar uma fracção do sinal de saída de volta para a entrada do Ampop. Os dois condensadores em série produzem uma mudança de fase 180º que é invertida por um outros 180º do Ampop, para produzir o requerido feedback positivo. A frequência de oscilação, que é uma pura tensão sinusoidal é determinada pela frequência de ressonância do circuito tanque.

Funcionamento




Oscilador Colpitts

Exercício

Um circuito oscilador Colpitts, tendo dois condensadores de 10pF e 100pF, respectivamente, são ligados em paralelo com um indutor de 10mH. Determinar a frequência das oscilações do circuito.

A frequência de oscilação para um oscilador Colpitts é dada por:

O circuito consiste de dois condensadores em série, de modo a capacitância total é dada por:

O bobine é de 10mH, então a frequência de oscilação é:

Solução:




Oscilador RC desvio de fase

Já sabemos que Amplificadores com um único andar produzirá 180º de deslocamento de fase entre a sua saída e os sinais de entrada. Para um oscilador sustentar indefinidamente as oscilações, é suficiente um feedback da fase correcta, ou seja, "Feedback positivo" deve ser fornecido com o amplificador a ser usado como uma etapa inversora para alcançar este objectivo.

Funcionamento

Realimentação

60º 120º 180º

Num oscilador RC a entrada é desfasada 180º numa malha RC e mais 180º pelo andar amplificador dando "180º + 180º = 360º" de deslocamento de fase, que é o mesmo que 0º de desfasamento, dando assim a requerida realimentação positiva.




Oscilador RC desvio de faseFuncionamento

Realimentação

60º 120º 180º

O circuito da esquerda mostra uma malha RC única e cuja tensão de saída “desfasa" a tensão de entrada por algum ângulo menor que 90º. Um circuito RC ideal produziria um deslocamento de fase de exactamente 90 °. A quantidade de deslocamento de fase no circuito de real depende dos valores da resistência e do condensador e da frequência escolhida de oscilação, sendo o ângulo de fase (Φ) dado por:





FuncionamentoRealimentação

60º 120º 180º

No nosso exemplo, os valores de R e C foram escolhidos de modo que á frequência escolhida, a tensão de saída produz uma tensão de entrada por um ângulo de cerca de 60 °. Em seguida, o ângulo de fase entre cada secção RC, aumenta sucessivamente por mais 60º dando no final, uma diferença de fase entre a entrada e a saída de 180º (3 x 60º), como mostrado pelo diagrama de vector seguinte.





Amplificadores Operacionais são mais comuns nos Osciladores RC, do que suas contrapartes transistores bipolares. O circuito oscilador consiste de um amplificador operacional de ganho negativo, e uma secção de três malhas RC, que produzem o deslocamento de fase de 180º. A malha de deslocamento de fase é ligada a partir da saída do Ampop, de volta à sua entrada "inversora (-)" , como mostrado .

Embora seja possível em cascata em conjunto apenas duas malhas de RC para fornecer os necessários 180º de deslocamento de fase (90º + 90º), a estabilidade do oscilador a baixas frequências seria pobre.

Pôr três ou mesmo quatro malhas de RC em cascata, conjunto (4 x 45º), a estabilidade do oscilador pode ser grandemente melhorada.

Os osciladores RC com quatro andares são geralmente utilizados porque os amplificadores operacionais normalmente estão disponíveis IC’s quad (4), sendo assim mais fácil conceber um oscilador de 4 fases com 45º de deslocamento de fase em relação ao outro.

Funcionamento




Oscilador RC desvio de faseFuncionamentoAo variar uma ou mais das resistências ou

condensadores na malha de deslocamento de fase, a frequência pode ser variada e geralmente isto é feito utilizando um condensador triplo variável.

Se todas as resistências, R e os condensadores C, na malha de deslocamento de fase forem iguais em valor, a frequência das oscilações produzidas pelo oscilador RC é dada por:

Onde:ƒ é a frequência de saída em Hertz.R é a resistência em Ohms.C é a capacidade em Farads.N é o número de andares de malha RC. (Neste exemplo N = 3)




Oscilador RC desvio de faseFuncionamento

Uma vez que a combinação resistência-condensador no circuito oscilador RC, também actua como um atenuador, produzindo uma atenuação de -1/29th (Vo / Vi = β) por fase, o ganho do amplificador deve ser suficiente para ultrapassar as perdas e na nossa malha RC de 3 andares, o ganho do amplificador deve ser maior do que 29.

O efeito de carga do amplificador na rede de realimentação tem um efeito sobre a frequência de oscilação e pode causar a frequência do oscilador de ser até 25% superior à calculada. Em seguida, a rede de realimentação deverá ser conduzida a partir de uma fonte de alta impedância de saída e alimentados para uma carga de baixa impedância, tais como um amplificador operacional que satisfaz estas condições perfeitamente.




O oscilador ”phase shift” produz realimentação positiva usando um amplificador inversor e somar mais 180° de desfasamento com três circuitos filtro passa-alto (ou Baixo) e tem ter sensivelmente um ganho de 29.

:

Tendo o valor de 1/29 Somente para a frequência:

É um oscilador muito simples de construir, mas tem pouca estabilidade.





+

Rf

R1

R R R

C C C

Usando uma montagem inversora, invertemos o sinal 180º. O desfasamento adicional de 180º é dado pela malha de desfasamento RC, de

3 andares.

Oscilador RC desvio de faseAnálise

Matemática




Utiliza três circuitos RC para fornecer 180 º de desfasamento que, quando acoplado com os 180 º do Ampop, fornece o feedback necessário (360º=0º) para sustentar as oscilações.

Frequência do oscilador:

6RC21f

π


Matemática

O ganho deve ser pelo menos 29 para manter as oscilações. A frequência de ressonância para o tipo isto é semelhante para qualquer oscilador circuito RC.




R R R

C C CV1 Vo

I1 I2 I3Para I3 temos:

)2(.......0

)2(0)(

32

321

211

C

C

C

jXRIRI

RIjXRIRIRIjXRIV

..

C

C

C

C

C

jXRRRjXRR

RjXRRjXRR

VRjXR

I

202

00002

3

1

)2(])2)[(( 222

21

3CCC jXRRRjXRjXR

RVI

ou


MatemáticaAplicando KVL, temos:



Electrónica Analógica: Ampop's - OsciladoresThe output voltage,

)2(])2)[(( 222

31

3CCC

o jXRRRjXRjXRRVRIV

Por conseguinte, a função de transferência da malha de deslocamento de fase é dada por:

)6()5( 2323

3

1 CCC

o

XRXjRXRR

VV

Para 180º de desfasamento a parte imaginária deve ser = 0 (zero)

RC

R

XXRX CCC

61

6

0062

23

X )(Rejeitada or

2C

Pelo que:291

Nota: O sinal – significa inversão de fase, como pretendido.


MatemáticaA voltagem de saída V0:




Determine o valor de Rf necessário para que o circuito funcione como oscilador.

Determine a frequência de oscilação.

Dados:C1=C2=C3= 0.001 uF

R1=R2=R3= 10 kΩ

Oscilador RC desvio de faseExercício

Solução:Acl = 29, B = 1/29 = R3 /Rf logo:

Se R3 = 10 KΩ e C1 =0,001 μF

Com R1=R2=R3 = 10 KΩ e C1=C2=C3=0,001 μF




Determine a frequência de oscilação.

Qual o valor de Rf.

Dados:C1=C2=C3= 500 pF

R1=R2=R3= 10 kΩ

Oscilador RC desvio de faseExercício

Solução:Acl = 29, B = 1/29 = R3 /Rf logo:

Se R3 = 10 KΩ e C1 =500 pFCom R1=R2=R3 = 10 KΩ e C1=C2=C3=500 pF




Estability Adjusr.

:

Osciladores de Quadratura

O oscilador ”quadratura” , é uma variante do oscilador por desvio de fase, e apresentam saídas em termos de seno e coseno. (±90º).

A estabilidade das oscilações é simples sem introduzir grande distorção. Se RF 12R, C =0,01F e R =10K

Fo 920 Hz e 1V A 10V A (é a amplitude).

t1 t2

Sen.

Cos.

Osciladores de desvio de Fase Oscilador por desvio de fase com limitador da

amplitude a diodos.





R1 C1

R2 C2

O Oscilador Ponte de Wien é assim chamado porque o circuito de sintonia forma um circuito de ponte Whetstone. O oscilador Ponte de Wien é constituído por duas malhas RC acopladas a um amplificador com boa estabilidade á sua frequência de ressonância, baixa distorção e é muito fácil para ajustar tornando-se um circuito popular como um oscilador de frequência de áudio…

Filtro Passa-Alto

Filtro Passa-Baixo

R1=R2 C1=C2

O oscilador Ponte de Wien usa um circuito de realimentação constituído por um circuito RC série, ligado com um circuito RC paralelo com componentes com valores iguais, que produzem um atraso de fase ou um de avanço, dependendo da frequência. Na ƒr frequência de ressonância a mudança de fase é 0º. O circuito é o seguinte:

Oscilador Ponte de Wein

A Malha RC consiste de um circuito RC série ligado a um circuito RC paralelo formando basicamente um filtro passa-alto ligado a um filtro passa-baixo produzindo uma frequência de segunda ordem muito selectiva da banda de passagem de um filtro de elevado Q para a frequência de ressonância, ƒr.

A baixas frequências, a reactância do condensador em série (C1) é muito elevada de modo age como um circuito aberto e bloqueia qualquer sinal de entrada em Vin. Portanto, não há sinal de saída, Vout. Em altas frequências, a reactância do condensador paralelo, (C2) é muito baixa para esta ligação em paralelo pelo que actua como um curto-circuito na saída e novamente não há sinal de saída. No entanto, entre estes dois extremos da tensão de saída atinge um valor máximo com a frequência em que isso acontece sendo chamado o frequência de ressonância, (ƒr).




Para a frequência ressonante, a reactância dos circuitos é igual à sua resistência, logo Xc = R de modo que o deslocamento de fase entre a entrada e a saída é igual a zero graus. A magnitude da tensão de saída é, por conseguinte, atinge o seu máximo e é igual a um terço (1/3) da tensão de entrada, como mostrado.


Vin31

ϕ

f

+90º

-90º

0º

Desfasamento

Ressonância

fr

Vout

f

Ganho de Voltagem

Baixas freqs. Altas freqs.

Pode-se observar que nas frequências muito baixas, o ângulo de fase entre a entrada e sinais de saída é "positivo" (fase avançada), enquanto que nas frequências muito altas, o ângulo de fase torna-se "negativo" (atraso de fase). No meio destes dois pontos do circuito é a sua frequência de ressonância, (ƒr) com os dois sinais a estarem "em fase" ou 0º. Podemos, portanto, definir esse ponto com a frequência de ressonância com a seguinte expressão:

RC21fr

Funcionamento





R

R

C

C

Á frequência de ressonância a malha selectiva RC constitui a base do circuito oscilador de Ponte de Wien. Se agora colocarmos esta malha RC através de um amplificador não-inversor que tem um ganho de 1 + R1/R2 o circuito oscilador seguinte é produzido.

Realimentação

A outra parte é alimentada de volta ao terminal de entrada não inversora (feedback positivo), através da malha RC da Ponte de Wien. A malha RC está ligada no circuito de realimentação positiva do amplificador e tem zero de deslocamento de fase apenas numa frequência. Para a frequência ressonante seleccionada, (ƒr) as tensões aplicadas às entradas inversora e não inversora serão iguais e "em fase", de modo que a realimentação positiva irá anular o sinal de realimentação negativa fazendo o circuito oscilar.

A saída do amplificador operacional é alimentado de volta para as entradas do amplificador. Uma parte do sinal de realimentação é ligado ao terminal de entrada de inversora (feedback negativo), através da malha divisora resistiva de R1 e R2 que permite que o ganho de tensão deste amplificador seja ajustado dentro de limites estreitos.

Funcionamento





Além disso, o ganho de tensão do circuito amplificador deve ser igual a três "Ganho = 3" para as oscilações começarem. Este valor é definido pela malha resistiva de realimentação, R1 e R2 para um amplificador inversor e é dada como a razão de -R1/R2.

Além disso, devido às limitações do ganho em malha aberta dos amplificadores operacionais, as frequências acima de 1MHz são inatingíveis sem o uso ampop’s especiais de alta frequência.

R

R

C

C

31Realimentação

Funcionamento




Malha RC de Selecção de FrequênciaSendo:

11

1C

X C e

111 CjXRZ 2

21C

X C

22

22

1

222

11

C

C

C jXRXjR

jXRZ

)/()()/(

222211

2222

21

2

CCC

CC

i

o

jXRXjRjXRjXRXjR

ZZZ

VV

222211

22

))(( CCC

C

XjRjXRjXRXjR

Vi Vo

R1 C1

R2C2

Z1

Z2


Análise Matemática

Sendo o factor de realimentação:




Pode ser reescrito como:

)( 2121221221

22

CCCCC

C

XXRRjXRXRXRXR

Pelo critério de Barkhausen a parte imaginária de ser = 0.

02121 CC XXRR

2121

2121

/1

11

CCRR

CCRROu

)(3 22CC

C

XRjRXRX

0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

Feed

back

fact

or

-1

-0.5

0

0.5

1

Phas

eFrequency

=1/3

Phase=0

f(R=Xc)

Sendo : R1=R2=R e XC1= XC2=XC,


Análise Matemática




Rf

+

R

R

C

CZ1

Z2

R1

Vo

RC1

31

Devido ao critério de Barkhausen, em que o ganho em anel Av=1 onde Av é o ganho do amplificador, vem:

1

131RR

AA fvv

21

RR f


Análise MatemáticaFazendo a parte imaginária = 0 temos: se

Sendo:




“Ponte de Wien”

O seu esquema mais genérico é o seguinte:

Sem qualquer explicação teórica diremos que (R=R1=R2 e C=C1=C2):

Existem muitos tipos de osciladores, mas o que quase universalmente é usado em bandas áudio, é o ponte de Wien (Wien Bridge).

é o escolhido, devido á sua estabilidade, baixa distorção e fácil sintonia.

Control Automático de ganho

O circuito de Control automático de ganho (RNeg), é necessário para estabilizar a realimentação, e portanto, a amplitude das oscilações.

eo

Então:

e:

= 1/3 ganho=3 R3=2R4 f – Frequência de oscilação - Quantidade de realimentação devido á ponte ( malha) de desvio de fase).





C1, C2, R1, R2 fazem parte do circuito de realimentação positiva do A.O. determinando através da constante RC, a frequência de oscilação.

R3 e R4 controlam a realimentação () negativa com o respectivo control da amplitude, fazendo o balanço dessa condição.

Como se disse anteriormente a condição ()=1/3 para o respectivo control da amplitude é essencial, de modo a que o oscilador oscile, com um ganho GF = 3, mas a saída do A.O. Satura se GF3, pelo que tem que ser mantida em 3. O control é exercido por R3 e R4 sendo R3=2R4, GF= (1+R3/R4)(não inversora)

A frequência de oscilação pode ser calculada pela seguinte fórmula:

No caso de C=C1=C2, R=R1=R2, vem: Para que o oscilador funcione é necessário portanto um ganho de GF=3 na entrada

não inversora pelo que : GF=3=(1+R3/R4) o que torna necessário que R3= 2R4.





O circuito da malha de realimentação positiva é constituída por dois filtros; um passa-baixo e outro passa-alto.

O filtro PB deixa passar as baixas frequência e bloqueia as altas. O sinal passa-se para a massa através de C1 e a tensão de saída baixa quando a frequência aumenta.

Por outro lado o filtro PA deixa passar as altas frequência e bloqueia as baixas. É por isso que a tensão em C2 baixa quando a frequência baixa…

A combinação destas duas condições no oscilador de ponte de Wien, formando um filtro passa-banda determina o seu funcionamento.

O maior problema dos osciladores de ponte de Wien com Amp Ops. é a estabilidade em amplitude, daí haver várias formas de contornar esses problemas, quer adicionando mais componentes para um controlo mais eficaz, e/ou usando componentes de elevada qualidade.

Oscilador Ponte de WeinDeterminar a frequência através da Malha RC




O circuito composto por IC(2/2) é um rectificador de onda - completa.

Nos semiciclos positivos da saída do oscilador, o sinal passa por D2 e entra na entrada inversora de IC(2/2). Na entrada não inversora o sinal é bloqueado por polarização inversa de D3: Então, IC(2/2) executa a função de amplificador inversor dando um impulso negativo na saída.

Nos semiciclos negativos da saída do oscilador, o sinal passa por D3 e entra na entrada não inversora de IC(2/2). Na entrada inversora o sinal é bloqueado por polarização inversa de D2: Então, IC(2/2) executa a função de amplificador não inversor dando também um impulso negativo na saída.

Só vamos ter impulsos negativos á saída de IC(2/2) que vão passar por D1 e filtrados por R7 e C4 e aplicados á Gate do FET TR1 que em série com R4 se comporta como resistência variável, alterando o factor e controlando assim o ganho em amplitude.

0V

0V

Ponte de Wien Com CAG

R variável Rectificador de Onda Completa

(picos negativos)

Oscilador Ponte de WeinControlo automático de Ganho




Métodos alternativos


Controlo automático de Ganho





ExercícioDeterminar a frequência máxima e mínima de oscilações de um circuito

oscilador Ponte de Wien, tendo uma resistência de 10kΩ e um condensador variável de 1nF a 1000nF.

A frequência de oscilação para um oscilador ponte de Wien é dada por:

Frequência mínima:

Frequência máxima:

Rf

+

R

R

C

CZ1

Z2

R1

Vo

Solução:




Oscilador Ponte de WeinSumárioEntão, para oscilações a ocorrer em um circuito oscilador Wien Ponte seguintes

condições devem ser aplicadas.

Sem sinal de entrada, o Oscilador Ponte de Wein produz oscilações de saída. O Oscilador Ponte de Wein pode produzir uma grande gama de frequências. O ganho de tensão do amplificador deve ser pelo menos 3. A malha RC pode ser usada com um amplificador não inversor. A resistência de entrada do amplificador tem de ser elevada em comparação com R de

modo que a malha RC não seja sobrecarregada e alter as condições exigidas. A resistência de saída do amplificador deve ser baixa de modo a que o efeito da carga

externa seja minimizada. Alguns métodos para estabilizar a amplitude das oscilações deve ser utilizado, porque

se o ganho de tensão do amplificador é muito pequeno as oscilação desejadas decairão e o oscilador pára. Se for muito grande, a amplitude de saída, sobe para o valor da alimentação, que satura o Ampop dando distorção.

Com a estabilização de amplitude sob a forma de diodos de realimentação, as oscilações do oscilador podem continuar indefinidamente.




É um oscilador electrónico, desenhado especificamente, para que a sua frequência seja controlada por um entrada de voltagem DC variável, enquanto que os sinais moduladores podem ser aplicados ao VCO , para gerar modulação de frequência (FM) ou por impulsos (PWM ou PAM ou QAM).

Uma das aplicações mais comuns dos VCO’s, são os sintonizadores de canais de TV, em que era seleccionada uma tensão a aplicar por cada canal, a um “varicap” que iria alterar a capacidade e alterar a frequência do oscilador, conforme ajustado… quando não têm nenhuma tensão aplicada, oscilam a um frequência que depende dos valores dos componentes do circuito electrónico, chamada “oscilação livre” (free running)…

VCOOscilador controlado por voltagem




VCOOscilador controlado por voltagemO oscilador controlado por tensão, VCO, é um circuito cuja frequência de saída

é directamente proporcional à voltagem de controle aplicada na entrada.

VCOaplicadaVoltagem de saídaFrequência

fVKoo .Em que:o é a frequência de saída do VCO.Vf é a voltagem de controlo de entrada do VCO, vinda do loop do filtro.Ko é o ganho de conversão do VCO (rad/s/V).

O VCO poder-se-á também chamar um conversor de voltagem em frequência (VFO) como matematicamente se demonstra.

O ganho de conversão do VCO (Ko) é uma constante de proporcionalidade que converte a voltagem de controlo de entrada em frequência




Propriedades dos VCO’sDesvio de frequência (frequency deviation), é a amplitude da gama de

variação linear da frequência em relação à frequência central (free running), e será quanto maior melhor;

Estabilidade de frequência (frequency stability), para maior estabilidade utilizam-se osciladores a cristal porém podemos ter problemas ao nível do desvio de frequência;

Sensibilidade de modulação (modulation sensitivity), uma pequena variação na voltagem de controlo deve produzir uma relativamente grande alteração na frequência do oscilador;

Velocidade de resposta (response), o VCO deve responder prontamente às variações da tensão de controlo de forma a não afectar a estabilidade do loop;

Característica Frequência-voltagem (Frequency-voltage characteristics), esta deve ser o mais linear possível;

Pureza Espectral (spectral purity), o VCO deve possuir uma saída o mais pura possível (sinusóide pura).

VCOPropriedades dos VCOs




Mas há outras aplicações como por exemplo no control de osciladores “astáveis” para controlar o seu “Duty Cycle” (regime de trabalho), fazendo com que as oscilações ocorram mais rápido ou mais lentamente, variando a sua duração e portanto a frequência, para control de equipamentos de potência, fontes comutadas, telemetria, etc., onde, para efeitos de control só são possíveis dois estados…Ligado ou desligado…

São usados em modulação FM e de Impulsos.

A tensão Vin é aplicada de forma diferencial ao integrador através duma malha resistiva.

Descrição:

Quanto maior Vin, mais rápida será a variação das rampas de A1. Então a frequência é determinada por Vin (positiva) e linearmente proporcional a esta tensão de control.

VCO

Oscilador controlado por voltagem




Tal como se disse anteriormente, varia-se assim a frequência das oscilações em função duma tensão…

VoA1

Vin

on

VoA2

Q1off offon

Então, á saída o integrador começa a descer (rampa descendente da onda triangular), até que a saída do Schmitt seja positiva, pondo Q1 “On” e a tensão na entrada inversora é negativa em relação á entrada não inversora e A1, então gera a rampa ascendente.

Descrição:

Quando a saída de A2 é negativa, Q1 vai ao corte e assim o sinal de entrada Vin é aplicado á entrada inversora.

VCO

Oscilador controlado por voltagem




São similares aos VCO’s. Uma das aplicações em comunicações pode ser Modulação em FSK. Mas em aplicações com ampops não vão muito além dos VCO’s; basicamente usam-se para os mesmos fins, em que dão uma frequência de saída precisa e proporcional á tensão de entrada, enquanto que os VCO´s variam a frequência em função da tensão.

O limite prático da frequência deste circuito, depende do tempo que A2 demora a passar dum estado de saturação para o outro, o que depende das características do A.O. Usados.

Ti

Tp

-8V

t+6V

A1

-10V

tQ1Sat

-8V

Para estes amplificadores requer-se boas características de saturação e alta impedância de entrada.

Voltage frequency converter




Ti

-8V

t+6V

A1

-10V

tQ1Sat

-8V

A largura do impulso Tp pode ser de 20 a 100 s usando o A.O. 3402 com entrada FET.

Factores de Conversão

R1.C1

=Vin.Ti 8,6V

e

Vem:

f= 1Ti+Tp

f= 1+Tp 8,6.R1.C1

c1

Se Tp «Ti:

Vem:

f= Vin8,6.R1.C1

Os 8,6V vêm do ajuste, mais 0,6V de VBE de Q1.

A linearidade é boa nas baixas frequências onde Tp é muito « que Ti e baixa nas altas frequências, uma vez que Tp é determinado pelo tempo de retardo de disparo do integrador, sendo portanto constante. Vout é sensível a variações de carga pelo que se a carga for inferior a 100K, deve-se usar um “buffer”.

Voltage frequency converterDescrição




-8V

t+6V

A1

-10V

tQ1Sat

-8V

Diminui tempo de retardo

Se o potenciómetro de ajuste de amplitude for ajustado para uma saída de –8V, a saída de A2 será negativa (-12V) se A1 for mais positivo do que –8V põe Q1 no corte.

A voltagem de entrada é positiva e A1 fará a integração no sentido negativo, até que a saída de A2 chega a «-8V que põe Q1 em condução servindo de fonte de corrente, o que fará A1 integrar rapidamente no sentido positivo até 0V.

Que fará A2 ir para –Sat iniciando novo ciclo.

O diodo serve para evitar o “overshoot” e reduzir o retardo.

Voltage frequency converterDescrição




Basicamente são Multivibradores astáveis controlados por tensão

t

t

vosc

Vcomp

Vcond

Vramp

Frequência de oscilação:f = ·(VCC-vc)/(RB·C·Vramp)

V

comp

+

-vosc

+ CC

-

+ V

+

-

v c

+

-

R B

Vcond-+

C

VCO – Onda quadrada




(ARRL Handbook 2001)

Disposição dos diodos “varicap” para compensar o efeito de não linearidade da capacidade.

VCO

VCOs com saída sinusoidal

Saída

CD4046IC




Osciladores a CristalIntroduçãoUma das características mais importantes de qualquer oscilador é a sua

estabilidade de frequência, ou em outras palavras sua capacidade de proporcionar uma saída de frequência constante sob diferentes condições de carga.

Estabilidade da frequência do sinal de saída pode ser melhorada pela selecção adequada dos componentes utilizados para o circuito de realimentação ressonante incluindo o amplificador, mas não há um limite para a estabilidade que pode ser obtida com os circuitos de tanques LC e de RC normais. Para se obter um nível muito elevado de estabilidade, é geralmente utilizado um oscilador a cristal de quartzo, dispositivo que determina a frequência a produzir, dando um outro tipo de circuito oscilador, conhecido geralmente como um oscilador de cristal de quartzo, (XO).

Alguns dos factores que afectam a estabilidade de frequência de um oscilador incluem:

Temperatura. Variações na carga. Variações na fonte de alimentação DC.




Osciladores a CristalIntroduçãoO oscilador mais estável e preciso utiliza um cristal piezoeléctrico no controle de

feedback da frequência.

Um cristal tem uma frequência natural de ressonância. Material de quartzo pode ser cortado ou formatado para ter uma determinada frequência

Symbol Equivalent Circuit




Osciladores a Cristal

O Cristal

Equivalent Circuit

O circuito equivalente para o cristal de quartzo mostra um circuito RLC série, que representa as vibrações mecânicas do cristal, em paralelo com uma capacitância Cp, que representa as ligações eléctricas para o cristal.

Os Osciladores a cristal de quartzo operam em "ressonância paralela", e a impedância equivalente do cristal tem uma ressonância série Cs onde ressoa com indutância L, e uma ressonância paralela onde L, que ressoa com a combinação série de Cs e Cp como mostrado.

A inclinação do reactância contra a frequência, mostra que a reactância série á frequência ƒs é inversamente proporcional a Cs porque abaixo de ƒs e acima de ƒp, o cristal é capacitivo, isto é, dX / dƒ, onde X é a reactância. Entre as frequências ƒs e ƒp, o cristal aparece indutivo porque as duas capacitâncias paralelas se cancelam. O ponto em que os valores das reactâncias indutivas e capacitivas se anulam mutuamente Xc = XL é a frequência fundamental do cristal.





Oscilador ColppitsA concepção de um oscilador de cristal é muito semelhante ao desenho do

oscilador Colpitts, excepto que o circuito tanque LC foi substituído por um cristal de quartzo.

Este tipo de osciladores de cristal são projectados em torno do amplificador de emissor comum do oscilador Colpitts. O sinal de entrada para a base do transistor está invertido na saída do colector do transistor. O sinal de saída no colector passa então através de uma malha de desfasamento de 180º, que inclui a operação de cristal em modo ressonante série

As resistências, R1 e R2, polarizam o transistor na operação tipo classe A, enquanto que a resistência Re é escolhida de modo que o ganho da malha seja ligeiramente maior que a unidade.

Funcionamento

A saída também é realimentado para a entrada (Base) que está "em fase“, para fornecer a feedback positiva necessária.





Oscilador Colppits Funcionamento

O diagrama do circuito oscilador de cristal Colpitts mostra que os condensadores, C1 e C2 “shuntam” a saída do transistor, o que reduz o sinal de realimentação. Portanto, o ganho do transistor limita os valores máximos de C1 e C2. A amplitude de saída deve ser mantida baixa, a fim de evitar a dissipação de energia excessiva no cristal, que de outra forma poderia destruir-se por vibração excessiva.

Os Condensadores, C1 e C2 são tão grandes quanto possível, a fim de que a frequência de oscilação possa se aproximar para o modo de ressonância série do cristal, embora não seja dependente dos valores destes condensadores.





Oscilador Pierce Funcionamento

Outra concepção comum do oscilador a cristal é a do oscilador Pierce. O oscilador Pierce é um oscilador a cristal que usa o cristal como parte do seu circuito de realimentação e, por conseguinte, não tem nenhum circuito tanque ressonante. O oscilador Pierce utiliza um JFET como seu dispositivo de amplificação em que prevê uma impedância de entrada muito elevada com o cristal ligado entre o terminal de saída Drain (D) e do terminal de entrada Gate (G), como mostrado.

É um circuito muito simples, o cristal determina a frequência das oscilações e opera na sua frequência ressonante série dando um caminho de baixa impedância entre a saída e a entrada do JFET. Há um desfasamento de 180 ° á frequência de ressonância, fazendo a realimentação positiva. A amplitude da onda sinusoidal de saída é limitada à gama de tensão máxima no terminal de drenagem (D). A Resistência, R1 controla a quantidade de realimentação ao cristal, enquanto a tensão através do choke de RF, RFC, inverte durante cada ciclo. A maioria dos Relógios digitais, e temporizadores usam um oscilador Pierce de uma ou outra forma, uma vez que pode ser implementado usando o mínimo de componentes.




Osciladores a CristalMicroprocessor Clocks

O “Clock” da CPU determina o quão rápido o processador pode executar e processar os dados. Com um microprocessador, PIC ou micro-controlador com uma velocidade de clock de 1MHz, significa que ele pode processar dados internamente um milhão de vezes por segundo em cada ciclo de “Clock”. Geralmente tudo o que é necessário para produzir uma forma de onda de relógio do microprocessador é um cristal e dois condensadores cerâmicos de valores que variam entre 15 a 33pF como mostrado.

Não podemos terminar, sem mencionar algo sobre os “Clocks” dos microprocessadores. Praticamente todos os microprocessadores, micro-controladores, PICs e CPU, em geral, operam com um oscilador de cristal de quartzo, para gerar a sua forma de onda do “Clock”, pois como já sabemos, osciladores de cristal fornecem a mais alta precisão e estabilidade de frequência em relação aos osciladores RC ou LC.

A maioria dos microprocessadores, micro-controladores e PICs têm dois pinos oscilador rotulados OSC1 e OSC2 para se conectar a um cristal de quartzo externo, malha RC ou até mesmo um ressonador cerâmico. Nesta aplicação, o oscilador de cristal de quartzo produz um trem contínuo de impulsos de onda quadrada, cuja frequência é controlada pelo cristal que regulam as instruções que controla o dispositivo. Por exemplo, o “Master Clock” e o “System Timing”.




Osciladores a CristalExercícioUm cristal ressonante série tem os seguintes valores após o

corte, R = 1kΩ, C = 0.05pF e L = 3H. Calcula-se a frequência fundamental de oscilações do cristal.

Equivalent Circuit

A frequência das oscilações de osciladores de cristal é dada por:

Solução:




Osciladores a CristalAcrónimos

XO…………..Crystal Oscillator

VCXO………Voltage Controlled Crystal Oscillator

OCXO………Oven Controlled Crystal Oscillator

TCXO………Temperature Compensated Crystal Oscillator

TCVCXO..…Temperature Compensated/Voltage ControlledCrystal Oscillator

OCVCXO.….Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator

MCXO………Microcomputer Compensated Crystal Oscillator

RbXO……….Rubidium-Crystal Oscillator




TemperatureSensor

CompensationNetwork orComputer

XO

Temperature Compensated (TCXO)

Ovencontrol

XO

TemperatureSensor

Oven

Oven Controlled (OCXO)

Crystal Oscillator (XO)

VoltageTune

Output-450C

-10 ppm

+10 ppm250C

T+1000C

ff

-450C +1 x 10-8

-1 x 10-8

+1000CT

ff

-450C +1 ppm

-1 ppm

+1000CT

ff

Osciladores a CristalCategorias




Crystal oscillator (XO) 10-5 to 10-4 Computer timing

Temperature compensated crystal oscillator (TCXO 10-6 Frequency control in tactical

Radios.

Microcomputer compensated crystal oscillator (MCXO) 10-8 to 10-7 Spread spectrum system

clock.

Oven controlled crystal oscillator (OCXO)

10-8 (with 10-10

per g option)Navigation system clock &frequency standard, MTI radar.

Small atomic frequency standard (Rb, RbXO) 10-9 C3 satellite terminals, bistatic,

& multistatic radar.

Tipo de Oscilador Fiabilidade** Aplicação típica

High performance atomic standard (Cs) 10-12 to 10-11 Strategic C3, EW.

Osciladores a CristalHierarquia dos

Osciladores

(**)Incluindo os efeitos ambientais (por exemplo:-40ºC a +75 ºC) e um ano de envelhecimento.




Dos numerosos tipos de circuitos osciladores, três dos mais comuns, Pierce, Colpitts e o Clapp, consistem do mesmo circuito, excepto que os pontos de terra de RF são em locais diferentes. O Butler e Butler modificado também são semelhantes um ao outro, em ambos, a corrente do emissor é a corrente do cristal. O oscilador “Gate”, é um tipo de oscilador Pierce que utiliza uma porta lógica além de uma resistência no lugar do transistor no oscilador. (Alguns osciladores “Gate”, podem usar mais de uma porta lógica).

Osciladores a Cristal Tipos de circuitos Osciladores




Usando um ampop como comparador

Modulação PWMExemplo




Usa-se um CI LM324, de 14-pinos, tendo 4 ampops individuais, alimentado com fonte de polaridade simples. A onda dente-de-serra é gerada por 2 ampops (U1A e U1B), configurados como um Schmitt Trigger e um Integrador de Miller, e um terceiro (U1C) é usado como comparador que compara a dente-de-serra com a voltagem de referência e comuta p transistor de potência.

O quarto Ampop é usado como “Buffer” do divisor da tensão de referência. A alta impedância de entrada e baixa de saída, faz com que pouca corrente seja absorvida deste divisor de tensão.

Modulação PWMExemplo




(Modulação em Frequência)

Vamos ver como se processa a modulação num Oscilador Controlado por Tensão (Voltage Controlled Oscillator) V.C.O.

O V.C.O. Tem normalmente uma saída sinusoidal e de frequência proporcional a uma voltagem DC.

Os factores de maior importância são a variação linear da frequência com a tensão e o alcance dinâmico desse desvio.

A Modulação FM é uma modulação em que se altera a frequência da portadora, de acordo com o sinal modulador (informação)

Usando um VCO. Usando um VFC.

Um VCO deverá ser o conjunto de duas operações: O control de frequência de uma onda quadrada e a conversão desta em onda sinusoidal.

Há dois processos de se obter modulação FM com amplificadores operacionais:

Vantagens: Melhor qualidade do sinal. Indiferente a variações de amplitude.

Modulação FM




Modulação: Transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de frequências original para uma outra faixa de frequência. É também a adição de informação (ou sinal) a uma portadora electrónica ou óptica.

Tipos de Sinal Originais Analógico – Modulação Analógica Digital – Modulação Digital

Tipos de Portadora Sinusoidal Sequência de impulsos

PSK FSKASK

PMAM/FM

Modulações




v1(t)t

v1(t)t

Modulação em Amplitude (AM)(Amplitude Modulatiom)

Modulação em Frequência (FM)(Frequency Modulatiom)

Modulação por Largura de Impulsos (PWM)(Pulse width Modulatiom)

v1(t)

t

v1(t)

t

Modulação de Impulsos em Amplitude (PAM)(Pulse Amplitude Modulatiom)

v1(t)t

(Modulation signal)

Modulações




Modulação de amplitude em quadratura QAM) (Quantized Phase Modulation )

Modulações




Modulação AM




Modulação FM




Modulação QAM




R1

Vin

(Modulação em Frequência) Um circuito que aplica

essa técnica é o seguinte:

O alcance dinâmico em frequência é de 100/1...

Em qualquer posição dos comparadores a linearidade é de 1%.

A frequência de oscilação é dada por:

f= in40.R1.C1

V Hz

-10V

Vout+10V

T/2 T 3T/2

Vouts

A1

-10V

A1+10V

T/2

T3T/2

Control da frequência.

Control Amplitude e sinusoidal.

Sinais Modulador e modulado.

Modulador FM




VOSão amplificadores em que a tensão

de saída é proporcional ao logaritmo da entrada:

Conversão analógica-digital (A/D) de sinais a variar numa gama muito extensa ou seja com uma elevada gama dinâmica. Multiplicar e dividir dois sinais eléctricos.

Para que um amplificador logaritmo funcione é necessário que o seu elemento não linear (diodo ou transistor) esteja na sua função logarítmica

Para um diodo a sua queda de tensão Vd em função da corrente é essencialmente dada pela relação: Vd = A Log I

onde a constante A é baseada nas propriedades do diodo. Na prática usam-se normalmente transístores aos díodos como o esquema

seguinte onde a queda de tensão no diodo é a tensão base emissor VBE E a corrente é a corrente de colector do transistor, assim: VBE = A Log IC

VBE

Logarítmicos VoLog ViAplicação principal dos amplificadores logarítmicos

Amplificadores LogarítmicosO que são?




O condensador C em paralelo com o transistor para reduzir o ganho AC.

O diodo protege o transistor contra os picos de tensão inversa colector/emissor.

Geralmente R1 é determinada pelo par das inequações seguintes:

e(Vi) Max. (Ic) Max.

R1(Vi) Min.

IBR1

VO= -lnVi

Exemplo + PráticoAmplificadores Logarítmicos

Os amplificadores logarítmicos com A.O.’s devem ser dimensionados de modo a cancelarem a pequena tensão de “offset”, será também convertida logaritmicamente.




Trocando para a entrada a posição dos elementos de realimentação do amplificador Logarítmico, tem-se um amplificador antilogarítmico.

usando ambos os circuitos amplificadores, pode-se multiplicar ou dividir tensões de entrada.

Recordando a Álgebra, existem duas relações básicas de logaritmos:

Log (AB) = Log A + Log BLog (A/B) = Log A - Log B

Somando os logaritmos de duas tensões de entrada A e B, usando um circuito antilogarítmico, obtém-se o produto de A por B.

Amplificador ExponencialAmplificadores Logarítmicos




Se em vez de um Somador usarmos um Subtractor, ter-se-á o cociente de A por B.

Amplificador Antilogarítmico




2e1e V·Vlne 21 ee V·V

21 eeo V·VV

21 ee V·Vln

Ve2

ln(Ve2)

ln(Ve1)Ve1

+

-R DR1

+

-R DR1

ln(Ve1)+ln(Ve2)

+

-R1

Ve1·Ve2

+

-

R

D

2eV 2eVln

1eV 1eVln

21 ee VlnVln

Amplificador AntilogarítmicoMultiplicar Tensões




Amplificadores Logarítmicos




Dúvidas?




Bibliografias

http://www.electronics-tutorials.ws/http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_ckt18_2.htmwww.ee.cityu.edu.hkuniversiti Malaysia Pahang: Oscillators.ppthttp://www.williamson-labs.com/480_am.htm

http://www.ieee-uffc.org/frequency_control/teaching.asp

ampops osciladores

Technology