slides aulas eletronica oscilador senoidal

Slides Aulas de Eletrnica Material didtico auxiliar

Observao importante

Os slides aqui apresentados no refletem todo o contedo abordado em sala de aula. Muitos exerccios, demonstraes e detalhamento da teoria, expostos na aula presencial, no esto contemplados nestes slides. Portanto, considere-o apenas como material de referncia parcial a ser complementado com o auxlio de livros, apostilas, guias de laboratrio e literatura correspondente. Material auxiliar adicional encontra-se disponibilizado no site da disciplina atravs de textos e links.

Geradores de Sinais

Osciladores Senoidais

Oscilador Senoidal

Um oscilador senoidal um circuito capaz de produzir um sinal senoidal sem a necessidade de aplicao de um sinal externo.

CONVERSOR DC AC

Realimentao Positiva

Critrios de Barkhausen

01

==

A

Realimentao Negativa


Oscilador Senoidal

Deve possuir um dispositivo ativo (transistor, amplificador operacional) capaz de proporcionar ganho (amplificar);

Dever possuir uma malha responsvel pela estabilidade em frequncia;

Deve possuir um sistema de controle de amplitude.

Condies de Barkhausen

Para que um circuito oscilador senoidal funcione preciso que duas condies sejam atendidas:

1) O ganho do circuito fechado deve ser igual a 1. 2) O deslocamento total da fase do sinal no circuito deve

ser de zero radianos.

criado um par de plos complexos conjugados exatamente colocados no eixo imaginrio do plano complexo para garantir a instabilidade do circuito e a consequente oscilao.

Localizao dos plos

Funcionalidade

A principal funo de um oscilador a de transformar energia contnua em energia alternada sem necessitar de qualquer excitao exterior.

O espectro do seu sinal de sada deve conter apenas a frequncia fundamental, para a qual o circuito foi dimensionado.

Ao ligar a fonte de alimentao do oscilador, apenas a frequncia fundamental, presente no rudo de entrada, amplificada originando o incio das oscilaes e o seu crescimento at atingirem o limite imposto pelo circuito devido sua no linearidade.

Oscilador Senoidal por Deslocamento de Fase

(Shift Phase)

Oscilador por deslocamento de fase o termo destinado a uma classe de circuitos osciladores cuja topologia usa uma rede RC na malha de realimentao de um transistor ou amplificador operacional para gerar a necessria mudana de fase em uma frequncia particular para sustentar as oscilaes.

So moderadamente estveis na frequncia e amplitude, e muito fcil de projetar e construir.

Oscilador Senoidal por deslocamento de fase (Shift Phase Oscilattor)

Oscilador Senoidal Deslocamento de Fase

(Shift Phase)

Oscilador Senoidal por deslocamento de fase (Shift Phase)

Oscilador senoidal por deslocamento de fase

Oscilador Bubba Oscilador em Quadratura

Capaz de produzir simultaneamente senos e cossenos de mesma frequncia.

Oscilador Bubba

Oscilador por Deslocamento de Fase Oscilador Bubba

Oscilador por Deslocamento de Fase

Oscilador por Deslocamento de Fase com Transistor

Oscilador Senoidal

-AR

C C C

R R

v1 v2

3332221

2

CjRCR5jRC611

vv

+=

RC6

0 =

29A =

Oscilador Deslocamento de Fase Shift Phase Oscillator

3=

RCo1=

Defasador (Shift Phase)

)(21800 RCarctg =

Gerao de sinal senoidal por deslocamento de fase

4)( =RCarctg 2

=)(21800 RCarctg =

Oscilador senoidal por deslocamento de fase

Oscilador Senoidal

13)( 222 ++= sRCCRs

sRCsH

RCjCRRCjjH

3)1(

)( 222 +=

Funo de Transferncia H(s)

Oscilador Ponte de Wien

Oscilador Senoidal Ponte de Wien

Oscilador Senoidal Ponte de Wien com controle de amplitude

Ponte de Wien

Possui uma realimentao positiva dependente da frequncia e uma realimentao negativa independente da frequncia.

Oscilao inicial

Quando inicialmente energizado, o nico sinal no circuito oscilador o rudo.

Como componente deste rudo, a freqncia que satisfaz a condio de fase da oscilao, propagada em todo o ciclo com amplitude crescente.

A amplitude continua a aumentar at que o ganho do amplificador seja reduzido, quer por no-linearidades dos elementos ativos ("auto-limitao") ou por algum controle de nvel automtico.

Oscilador Senoidal LC

LCo1=

Osciladores LCPara oscilaes com frequncias na faixa aproximada de 1MHz a 500 MHz

utilizam-se osciladores LC em vez de osciladores com ponte de Wien.

Oscilador LC

Osciladores LC

Oscilador Colpitts

Oscilador a Cristal

R L1

L2C

RC1

C2L

Hartley Oscillator Colpitts Oscillator

CLLo )(1

21 +=

To LC

1=21

21

CCCCCT +=

Oscilador Colpitts

Oscilador Colpitts, em homenagem a seu inventor, Edwin Henry Colpitts.

Projetos para circuitos osciladores eletrnicos usando a combinao de uma indutncia (L) com dois capacitores (C) para a determinao da freqncia, tambm chamado de oscilador LC.

Oscilador Colpitts Patente

Oscilador a cristal

3-34

1880 Piezoelectric effect discovered by Jacques and Pierre Curie1905

First hydrothermal growth of quartz in a laboratory -

by G. Spezia

1917

First application of piezoelectric effect, in sonar1918

First use of piezoelectric crystal in an oscillator

1926

First quartz crystal controlled broadcast station1927

First temperature compensated quartz cut discovered

1927

First quartz crystal clock built1934

First practical temp. compensated cut, the AT-cut, developed

1949

Contoured, high-Q, high stability AT-cuts developed1956

First commercially grown cultured quartz available

1956

First TCXO described1972

Miniature quartz tuning fork developed; quartz watches available

1974

The SC-cut (and TS/TTC-cut) predicted; verified in 19761982

First MCXO with dual c-mode self-temperature sensing

Histrico

Paul Langevin primeiro investigado ressonadores de quartzo para uso em sonar durante a Primeira Guerra Mundial I.

O primeiro cristal oscilador controlado, utilizando um cristal de sal de Rochelle, foi construdo em 1917 e patenteado em 1918 por Alexander M. Nicholson na Bell Telephone Laboratories, embora sua prioridade era disputado por Walter Guyton Cady.

Cady construiu o primeiro oscilador de cristal de quartzo em 1921.

Military & AerospaceCommunicationsNavigationIFFRadarSensorsGuidance systemsFuzesElectronic warfareSonobouys

Research & MetrologyAtomic clocksInstrumentsAstronomy & geodesySpace trackingCelestial navigation

IndustrialCommunicationsTelecommunicationsMobile/cellular/portableradio, telephone & pagerAviationMarineNavigationInstrumentationComputersDigital systemsCRT displaysDisk drivesModemsTagging/identificationUtilitiesSensors

ConsumerWatches & clocksCellular & cordlessphones, pagersRadio & hi-fi equipmentTV & cable TVPersonal computersDigital camerasVideo camera/recorderCB & amateur radioToys & gamesPacemakersOther medical devicesOther digital devices

AutomotiveEngine control, stereo,clock, yaw stability control, trip computer, GPS

1-1

Electronics Applications of Quartz Crystals

Uma compreenso de como funciona um ressonador a cristal de quartzo pode fornecer aos engenheiros projetistas um melhor entendimento dos osciladores a cristais.

Entender como o cristal de quartzo operafornece ao engenheiro de projeto uma compreenso de como eles se comportam em um circuito oscilador.

Cristal de quartzo

O cristal de quartzo produto do fenmeno da piezoeletricidade descoberto pelos irmos Jacques e Pierre Curie na Frana em 1880, quando constataram que uma corrente eltrica surgia em certos cristais quando submetidos a presses.

O cristal de quartzo um componente indispensvel na tecnologia eletrnica moderna.

O uso de cristais osciladores indicado quando for necessrio alta estabilidade em freqncia.

No aspecto macroscpico, o princpio simples: certos cristais, como o quartzo e tambm alguns materiais cermicos, geram um campo eltrico sob ao de um esforo mecnico e o processo inverso tambm ocorre.

O quartzo um material piezoeltrico e quando um campo eltrico aplicado sobre ele, um deslocamento fsico ocorre.

Funcionalidade

Piezoletricidade

Quando uma mudana de estresse mecnico aplicada ao cristal, surge uma tenso na freqncia das vibraes mecnicas.

Inversamente, quando uma tenso alternada aplicada ao cristal, ele vibra na freqncia da tenso aplicada.

A maior vibrao ocorre na freqncia natural de ressonncia do cristal.

Piezoletricidade

Constituo fsica

Formado por um cristal de quartzo entre duas superfcies metlicas que servem de eletrodos.

A frequncia de ressonncia inversamente proporcional a espessura do cristal.

5-5

Si Si

Si Si

O

O

O

O

Si

109o

Z

Y

144.2o

Quartzo Estrutura atmica interna

Quartzo & Cermica

O material piezeltrico do elemento ressonante pode ser quartzo ou cermica.

O quartzo apresenta menor tolerncia de freqncia, menor variao com a temperatura e menor capacitncia prpria e, por isso, adequado para freqncias mais altas.

A cermica tem melhor resistncia mecnica, menor volume e menor custo e usada em muitos aplicaes, onde as melhores caractersticas do quartzo no so determinantes.

Frequncia operacional

A menor frequncia fundamental disponveis em um cristal de quartzo cerca de 1 MHz.

A maior frequncia fundamental de cerca de 32 MHz, acima do qual, o cristal se torna muito fino e delicado para ser manuseado.

Em sobretom, ou seja, atuando com harmnicos pode operar de 30 MHz a 250 MHz (3rd; 5th; 7th; 9th).

Caractersticas

Os cristais de quartzo, tm caractersticas muito desejveis para o uso em circuitos osciladores sintonizados.

Suas frequncias de oscilao natural so muito estveis.

A ressonncia tem um fator de qualidade muito alto (Q), que vai de 10.000 a vrias centenas de milhares.

Boa estabilidade com a temperatura

Cs

Ls

Rs

Cp

EquivalenteEltrico

XTAL

Smbolo

Equivalente Eltrico

3-21

C

L

R

Mola

Massa

Amortecedor

Circuito Equivalente

Modelo Matemtico Sistema mecnico

y

k

f

F

m

Define: input F output y. We have:

Fkydtdyf

dtydm

tdydm

dtdyfkyF

=++

=

2

2

2

2

Fk

ydtdyT

dtydTThavewe

TfmT

kfmakeweIf

1:

:

12

2

21

2,1

=++

==

C1 representa a elasticidade do quartzo, a espessura e forma da pastilha de quartzo.

Os valores de C1 intervalo em femtofarads (10-15 F). L1 representa a massa mecnica de vibrao do quartzo em

movimento. R1 representa as perdas resistivas dentro do cristal. C0 representa a capacitncia paralela. resultado da soma das

capacitncias devido aos eletrodos do cristal mais capacitncias parasitas devido ao gabinete que contm o cristal.

Os valores de C0 situam-se na faixa de 3 a 7 pF.

Um cristal de quartzo fornece uma frequncia de ressonncia srie e uma frequncia ressonncia paralela.

Um cristal tem duas freqncias ressonantes caracterizada por uma mudana de fase zero.

dAC 0

-

Permissividade dieltrica do quartzo

40 pF/m (mdia)d -

Distncia entre eletrodos (espessura)1

0

CCr

r razo de capacitncias

Cristal - Curva de Impedncia

3-24

0

+

-

R

e

a

t

n

c

i

a

0fC21

Area usual de operao

emum oscilador

Antiresonancia, fa

Frequncia

Resonancia, fr

Reatncia vs. Frequncia

Frequncia de ressonncia srie FS

A frequncia de ressonncia srie determinada na freqncia em que as reatncias indutiva e capacitiva so iguais e se cancelam, isto , XL1 = XC1 . Neste caso o cristal comporta-se como um dispositivo resistivo.

Portanto, quando o cristal est operando na sua freqncia de ressonncia srie Fs a sua impedncia ser mnima e a corrente ser mxima.

Na ressonncia, o valor de XC0 <

Frequncia de ressonncia paralela Fa

Quando um cristal est operando na sua freqncia antiresonante Fa , a impedncia ser mxima e a sua corrente estar em seu mnimo.

Fs inferior a Fa e a freqncia de um cristal normalmente especificada entre FS e Fa , na qual fs < fXTAL

Entre as freqncias fs e fa, a impedncia do cristal indutivo, e nas freqncias menores que fs e nas freqncias maiores do que fa a impedncia do cristal capacitivo.

Cristal como resistor

A freqncia de oscilao fortemente determinada pelo cristal, uma vez que s em Fs faz o cristal no acrescentar nenhuma mudana de fase, ou seja, comporta-se como um RESISTOR.

Desde que a resistncia do cristal muito pequena em Fs, a energia do oscilador pode danificar o cristal.

Por isso, cristais especiais precisam ser selecionados para uso da ressonncia srie.

Resistncia Srie Equivalente (ESR)

A Resistncia Srie Equivalente (ESR) a resistncia do cristal na freqncia de ressonncia srie (FS ).

No deve ser confundida com a resistncia dinmica (R1 ).

ESR normalmente especificada como um valor mximo da resistncia (em ohms).

Fator de qualidade Q

Um cristal de ressonncia mecanicamente visto de seus eletrodos como ressonncia eltrica. Assim, um cristal se comporta como um circuito

sintonizado e como um circuito sintonizado o cristal pode armazenar energia.

Ns podemos quantificar a quantidade de energia armazenada, definindo um fator de qualidade (Q) para o cristal.

O fator de qualidade Q do cristal definido como a proporo de energia armazenada na componente reativa (capacitor ou indutor) para a energia dissipada.

Onde XL1 (ou XC1 ) a reatncia de L1 (ou C1 ) na freqncia de operao do cristal.

No confundir a freqncia de operao com fa ou fs. A freqncia de operao pode ser em qualquer lugar entre fa

ou fs na faixa de ressonncia paralela habitual.

ciclo por dissipada Energiaciclo um durante armazenada EnergiaQ

Operao do cristal em srie

Oscilador senoidal a cristal por deslocamento de fase

Ponte Meacham

A primeira tentativa conhecida para eliminar o dispositivo ativo em osciladores de cristal foi o circuito de uma ponte estabilizada descrito por Meacham, em 1938.

No oscilador Ponte Meacham, o cristal substituiu um dos resistores em uma ponte de Wheatstone.

Oscilador Ponte Meacham

Cs

Ls

Rs

Cp

EquivalenteEltrico

XTAL

Smbolo

Em freqncias ligeiramente superior a Fs a impedncia do cristal indutiva.

A poro de ressonncia paralela da curva de reatncia do cristal extremamente ngreme e curta.

Oscilador Pierce

Um cristal operando na regio de ressonncia paralela apresenta-se ao circuito como um indutor e pode, ento, substituir a reatncia indutiva no oscilador Colpitts dando origem ao oscilador Pierce.

Slides Aulas de Eletrnica Material didtico auxiliarSlide Number 2Slide Number 3Osciladores SenoidaisOscilador SenoidalSlide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Oscilador SenoidalSlide Number 13Condies de BarkhausenSlide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19FuncionalidadeSlide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45Slide Number 46Slide Number 47Slide Number 48Slide Number 49Slide Number 50Slide Number 51Slide Number 52Slide Number 53Oscilao inicial Slide Number 55Osciladores LCSlide Number 57Slide Number 58Slide Number 59Slide Number 60Slide Number 61Slide Number 62Slide Number 63Slide Number 64Oscilador ColpittsSlide Number 66Oscilador a cristalHistricoSlide Number 69Electronics Applications of Quartz CrystalsSlide Number 71Cristal de quartzoFuncionalidadePiezoletricidadeSlide Number 75Slide Number 76Slide Number 77Slide Number 78Constituo fsicaQuartzo Estrutura atmica internaQuartzo & CermicaFrequncia operacionalCaractersticasSlide Number 84Slide Number 85Slide Number 86Circuito EquivalenteModelo MatemticoSistema mecnico Slide Number 89Slide Number 90Slide Number 91Slide Number 92Slide Number 93Slide Number 94Slide Number 95Slide Number 96Cristal - Curva de ImpednciaReatncia vs. FrequnciaSlide Number 99Slide Number 100Frequncia de ressonncia srie FSFrequncia de ressonncia paralela FaSlide Number 103Cristal como resistorResistncia Srie Equivalente (ESR)Fator de qualidade QSlide Number 107Slide Number 108Slide Number 109Slide Number 110Ponte MeachamSlide Number 112Slide Number 113Slide Number 114Slide Number 115Slide Number 116Slide Number 117Slide Number 118Oscilador PierceSlide Number 120Slide Number 121Slide Number 122Slide Number 123Slide Number 124Slide Number 125Slide Number 126Slide Number 127

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