N O T A S D E A U L A, R E V 7.0 U E R J F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S. Eletrônica 4

Transcrição

1 Capítulo N O T A S D E A U L A, E V 7. U E J 5. F L Á V O A L E N C A D O Ê G O B A O S Eletrôica 4 Osciladores Seoidais Flávio Alecar do ego Barros Uiversidade do Estado do io de Jaeiro E-ail: falecarrb@gail.co

2 UEJ 5 Eletrôica 4 Cap. Osciladores Eletrôica 4 Flávio Alecar O capítulo Osciladores aborda as pricipais técicas de produção de osciladores seoidais feitas a partir de circuitos aplificadores realietados. Estão icluídos textos e figuras sobre: teoria dos osciladores realietados; características de redes C e L, estudo de casos de osciladores C e L, pote de Wie, Phase Shift, osciladores sitoizados FET e trasistor, osciladores a cristal. Estas otas de aulas se destia a reduzir o trabalho de cópia do aluo durate as aulas idica-se ater e cada aula, cada aluo a sua cópia, as tabé oferecer aterial de apoio a fora de exercícios propostos e referêcias ode o aluo poderá copleetar seu estudo. É iportate perceber que este aterial NÃO esgota o que o aluo deve ler durate o curso, e eso substitui a participação e sala de aula, devedo ser ecarado apeas coo aterial de apoio. É possível aida esta versão coteha algus erros que deverão ser cosertados ao logo das aulas.

3 UEJ 5 Eletrôica 4 Ídice do capítulo : 8. Osciladores Seoidais Teoria dos Osciladores Seoidais Características de edes C e L Estruturas C e L Práticas para Osciladores Phase-Shift Oscilação Cotrolada a Correte... 7 Pote de Wie e Outras Osciladores Sitoizados Teoria dos Osciladores Sitoizados Osciladores Sitoizados a FET Oscilador Collpits a FET Oscilador Hartley a FET... 8 Osciladores Sitoizados a Trasistor BJT... 8 Oscilador Collpits a Trasistor Oscilador Hartley a Trasistor esuo Osciladores a Cristal Aexo D: LSTA... i dico para todo este capítulo a leitura da referêcia Strauss.

4 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag Osciladores Seoidais Oscilador eletrôico é u circuito que produz ua saída periódica se que lhe seja aplicado u sial de etrada. No osso caso, o que se quer é obter ua oscilação quase seoidal. Codição básica: realietação co gaho de alha o poto crítico pólos coplexos cojugados Teoria dos Osciladores Seoidais O odelo básico de osciladores de realietação evolve segregar o coportaeto ão liear a Lv, coo ilustrado a Figura 66 abaixo. Figura 66: Modelo de Oscilador ealietado Os resultados ostrados a Figura 66 vê de: V V f V al V al G V V V al f gaho de alha fechada SW fechado

5 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 67 Para oscilar é preciso que: SW aberto al trasissão de alha Sigifica que a realietação deve ser regeerativa. Para pequeos siais Lv, deve-se toar seu valor áxio: Lv = Na região ativa a trasissão de alha liite threshold, a t é: at codição ecessária, as ão suficiete para oscilação CTÉO DE BAKHAUSEN OBS: a t é edido co a saída do aplificador carregado co ipedâcia de etrada da rede gaho liite. Na freqüêcia de oscilação: wo at wo a Para satisfazer à equação : w o t EEMPLO: O circuito abaixo é u oscilador seoidal siples. Deostre s abaixo e deduza a t. Figura 67: Oscilador Siples V s V se wo : C sc sc jw w j w o wo w SOLUÇÃO: E sala de aula. esposta:. Características de edes C e L Cada harôico itroduzido pelo liitador é atuado pela rede de realietação assi: H é o fator de realietação para o harôico a

6 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 68 H serve coo edida de qualidade da rede achado para a = a t : Quato eor H, elhor a qualidade da rede a saída Observe que: H. Vaos agora obter ua etodologia para avaliar e que a lugar é elhor tirar a oscilação do circuito lebre que o circuito é e alha circular!. Fora da saída: V V cos wot H V cos wot liitador = Fora da etrada do liitador e do aplificador direto: V V cos wot H V cos wot oralizado: V V cos w t o H V cos w t o se K H é a quatidade de realietação relativa à fudaetal: a se K = H harôicos a etrada e a saída são equivaletes. b se K > H ais harôicos a etrada saída é elhor. c se K < H ais harôicos a saída etrada é elhor. Observe que este poto teos u critério para avaliar a qualidade da oscilação de qualquer aplificador realietado. Obviaete, quato eores H e K, elhor! EEMPLO: Verifique a qualidade do oscilador seoidal siples. SOLUÇÃO: E sala de aula. espostas: H =.6; K =.

7 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag Estruturas C e L Práticas para Osciladores Phase-Shift Cosidere o circuito abaixo. A idéia é usá-lo a rede de realietação: Figura 68: ede para Phase Shift 6 5 V V f Para oscilar: = : 6] [ 6 fazedo C w o jwc 6 ; aproveitado da equação : o w o w a t = -9 gaho íio para sustetar oscilação Observe que o sial egativo idica u úero ipar de estágios. Observe aida que ua alterativa para chegar o eso resultado seria fazer C w o w 6 e w. EEMPLO: Verifique a qualidade do Phase-Shift jwc ;.

8 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 7 SOLUÇÃO: E sala de aula. espostas: H =.68; K =.5. Observe que este resultado ostra a superioridade do Phase Shift quado coparado ao oscilador seoidal siples! O Phase-Shift pode ser odificado para circuito L, co resultados siilares ; jwl : Figura 69: ede L para Phase Shift V f w o ; at 9 V 6L 5 6 sl sl sl j 6 6 H =.68 K =.64 Oscilação Cotrolada a Correte Se o trasistor é usado o seu odo atural de aplificador de correte, as oscilações produzidas pode ser ditas cotrolada a correte. Modelo: Figura 7: Oscilação Cotrolada por Correte Para ão cofudir co o fator de realietação de voltage, chaaos w o fator de realietação de correte. Poré, os resultados são siilares:

9 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 7 f a w c L i f codição de oscilação: w a L i c isto leva a rede Phase-Shift ao resultado: f s ; wo ; at 9 Prove! Y Y Y 5 6 6C Y Y Y Exeplo deste tipo de circuito: Figura 7: Circuito para Oscilação Cotrolada por Correte e suficieteete grade coparado co h ie h ie Na equação aterior: Y sc; Y G Pote de Wie e Outras Pote de Wie é ua adaptação do oscilador siples ode os s harôicos são aplificados, co o objetivo de trocar o gaho de loop ecessário. V Seja do oscilador siples. V Na figura 7 a seguir: V f = V V A cobiação de e é ajustada de odo a satisfazer à codição: Figura 7: Pote de Wie

10 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 7 V V ode é o grau de desbalaceaeto da pote, coo vereos a seguir. O fator de realietação total da rede pode ser expressa por: V V f, ode w w w w j o o do oscilador siples. Observe que a ressoâcia: o w w ; t a a Se : coo ; as coo at at E : coclusão: a pote está balaceada e w o, as às custas de gaho ifiito para sustetar oscilação isto é ipossível de ipleetar e aplificador real! b Se : at curto! A pote está totalete desbalaceada e se tora aquele oscilador siples rui H =.6; K =. A coclusão atural é que a pote ficará etre estes dois liites. Coportaeto dos harôicos: ; coo t a e coo t H a H Toado a relação do caso geral ń H co o caso totalete desbalaceado H :

11 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 7 H H H H Coclusão: A quatidade percetual de harôico presete a saída é reduzida a edida que aueta o gaho do aplificador! Exeplo: H.!!!!!! Na saída da pote V f, a elhora ão é tão sigificativa: K H : : K K pouco aior que Outras redes tê trataeto siilar à Pote de Wie. U exeplo é o Twi-T, coo ilustrado a Figura 7 a seguir. Para ajustar a freqüêcia deve variar três eleetos siultaeaete por isto é usada e operação de freqüêcia fixa. Twi-T + V i - C C C + V f - k ww j. k w w ode w C C k C Figura 7: Twi-T

12 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 74. Osciladores Sitoizados Para freqüêcias acia de 5 KHz tora-se prático usar u circuito sitoizado de alto Q seletividade para seleção de freqüêcia. Coo tal circuito TANQUE é resistivo apeas a freqüêcia de ressoâcia e reativo para qualquer outra freqüêcia, a codição de oscilação de desvio de fase ulo só ocorre esta freqüêcia. Teoria dos Osciladores Sitoizados Modelo geérico: Supodo H = : V f L V o L L Figura 74: Modelo Geérico para Osciladores Sitoizados Todos osciladores sitoizados cotrolados por tesão pode ser represetados por u dos odelos: Figura 75: Sitoizados - Modelo para FET e BJT E abos pode ser otado: A realietação apreseta dois odos: - através de, do dreo coletor para o gate base e,

13 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag através do acoplaeto útuo M do trasforador ligado alhas de etrada e de saída Os dois odelos pode ser tratados aalisados coo de costue, aalisado a w ou a c w para a situação e que a w ou a c w e: - freqüêcia de oscilação - e codição de partida ecordado as características de ipedâcia útua: Figura 76: pedâcia Mútua vi slp p sm s di p L M dis p o priário dt dt di p di M L s s i s L o secudário dt dt ou seja, se abas corretes etra pelo ó, os teros são de eso sial; se ua etra, outra sai, os teros são de siais diferetes. Osciladores Sitoizados a FET Aplicado-se o odelo do FET: Figura 77: Sitoizados Modelo para FET ode L ro, após aplicar Thevei equivalete o dreo:

14 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 76 Malha do secudário: siais cotrários g v gs devido ao priário Figura 78: FET, Malha do Secudário g v gs g v gs Malha ista: Figura 79: FET, Malha Mista siais cotrários siais cotrários devido ao priário devido ao secudário

15 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 77 Malha do priário: siais cotrários v gs devido ao secudário Figura 8: FET, Malha do Priário v v gs gs Jutado co e usado resulta o sistea: g g g ] [ g g Aplicado : Se : e self-startig: ] [ g g etão: o g agitude só é possível ser real se e do gaho fore do eso tipo L e L ou C e C Coclusões: Se a relação de ipedâcia NÃO for eor que o gaho, o OSCLADO NÃO PATE!

16 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 78 Por outro lado, se esta relação for uito eor que g, o liitador pode itroduzir uito harôico e deteriorar a fora de oda. Para haver realietação egativa, e deve ser do eso tipo. Oscilador Collpits a FET e - capacitores - idutor = o odo pricipal de realietação é através de Na Figura 8 a seguir está ilustrado o circuito do oscilador, e seus resultados pricipais, estes últios obtidos de: : j w o C j w o C jw o L Oscilador COLLPTS a FET V DD L C G D S FC w C g L C T C partida C C Figura 8: Collpits a FET CC etão wo L ode se CT : w C C C C

17 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 79 w o COLLPTS L CT Fazedo e : g g C C EEMPLO: Cosidere o oscilador Collpits básico a FET ode a freqüêcia oial para a situação se carga é w o 7 rd / s. O FET é polarizado o poto ode g 5 A/ V e ro. 5 K. O circuito sitoizado é projetado tal que L Q K e Q =. CT a Diesioe os eleetos reativos. b Se o efeito resistivo r série dos erolaetos vale r w o L, cotabilize este Q efeito e e calcule a freqüêcia real de ressoâcia % e relação à oial. SOLUÇÃO: E sala de aula. espostas: C T = pf; C = 5 pf; C = 8 pf; L = H;.69 x 7 rd/s;.6 %. OBS: A eos que r, o circuito será uito sesível ao carregaeto extero. Este efeito pode ser iiizado usado u aplificador para desacoplar a carga do estágio oscilador e tabé acoplado forteete este estágio ao taque.

18 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 8 Oscilador Hartley a FET é ua bobia co tap cetral - capacitor Oscilador HATLEY a FET V DD w H C L L M C L L g L M partida L M Outros osciladores L C M C L C L L C V DD V DD Oscilador sitoizado o dreo Oscilador sitoizado o dreo e o gate Figura 8: Hartley a FET Na Figura 8 são ilustrados o circuito do oscilador e seus resultados pricipais. Este oscilador é apropriado para operações de freqüêcias variáveis, pois ela pode ser udada variado apeas u úico capacitor. Caso o odo pricipal de acoplaeto se dê através da idutâcia útua e represete u acoplaeto parasita isigificate, existe dois circuitos possiveis:

19 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 8 Figura 8: Outros Osciladores a FET é u circuito sitoizado dêtico ao aterior, exceto que o circuito o dreo sitoizado vai tabé para o gate é u erolaeto o gate é o acoplaeto útuo etre os erolaetos Osciladores Sitoizados a Trasistor BJT A aálise é siilar ao caso do sitoizado co FET. A Figura 84 a seguir ilustra o odelo de osciladores sitoizados a trasistor. Figura 84: Osciladores a Trasistor Usado corretes de alha e aalisado as alhas do priário, alha ista e do secudário, respectivaete:

20 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 8 Malha do priário: siais cotrários, as setidos resultates cotrários MESMO SNAL! h ie devido ao secudário Figura 85: BJT Malha do Priário h ie Malha ista: Figura 86: BJT Malha Mista etra sai sai etra

21 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 8 Malha do secudário: Figura 87: BJT Malha do Secudário sai etra Deteriate: ie h Fazedo ] [ h ie têro ipedâcia e série dos têro correção devido à atureza do eleetos reativos do circuito carregaeto extero do taque auto-ressoate DEVE SE MNMADO Portato, ideticaete ao FET:

22 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 84 Aplicado agora e hie Se cosideraros o tero desprezível e relação ao tero : hie g codição idêtica ao FET Oscilador Collpits a Trasistor Na Figura 88 a seguir estão resuidos o circuito e os pricipais resultados obtidos quado se aplica as codições = e e =, e ode: e - capacitores - idutor = o odo pricipal de realietação é através de ie ealete, se colocado e : h h ie hie hie [ ], etão: hie hie hie realete desprezível!, que ostra que o têro iterediário é

23 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 85 Oscilador COLLPTS a trasistor V CC FC w C C C LC C C C h ie C h C ie L C C Figura 88: Collpits a Trasistor observe que o têro C C C C é a freqüêcia de ressoâcia do taque se carga. Oscilador Hartley a Trasistor De fora siilar, co: é ua bobia co tap cetral - capacitor Na Figura 89 estão tabé idicadas: a freqüêcia e que o oscilador Hartley oscila be coo a codição de self-startig.

24 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 86 Oscilador HATLEY a trasistor V CC C L L w H L M h L M ie L L M C L L M h ie Figura 89: Hartley a Trasistor E abos casos, o carregaeto resistivo do circuito sitoizado causa ua pequea variação a freqüêcia. sto pode ser iiizado, axiizado-se h ie e escolhedo adequadaete a razão etre L e C. Alé disso, usado bobias altaete acopladoras, o circuito Hartley, o uerador do tero de correção será reduzido, co acoplaeto uitário ele chegará a zero e oscilará exataete e w o. esuo O esquea ostrado a Figura 9 perite obter diferetes tipos de osciladores, cofore os seguites eleetos de reatâcia: Eleeto de eatâcia Tipo de oscilador Oscilador Colpitts C C L Oscilador Hartley L L C Etrada sitoizada, saída sitoizada LC LC -

25 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 87 Figura 9: Cofiguração Básica de Oscilador Sitoizado Apud Boytestad. Osciladores a Cristal É basicaete u oscilador sitoizado que explora o efeito piezo-elétrico: - quartzo cristalio: troca de eergia etre os estados elétrico e ecâico; - ua tesão alterada de freqüêcia adequada aplicada coveieteete ao TAL fará co que vibre ecaicaete. TAL apresetará ua freqüêcia de ressoâcia que depede das diesões do TAL. f o [ KHz; 6 MHz] Estes osciladores são utilizados quado é ecessária grade estabilidade de frequêcia, coo e trasissores e receptores de couicação. Característica do cristal: Cada corte diferete o cristal pode ser otado e vibrado de odo diferete. Figura 9: Oscilador a Cristal

26 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 88 Freqüêcia de ressoâcia série: w s freqüêcia de ipedâcia zero LC Na freqüêcia de ressoâcia o cristal apreseta alto Q. Q L, poré L e C são altos e baixo, etão E dada freqüêcia w s a reatâcia do rao LC é idutiva e etra e ressoâcia co C o ressoâcia paralela: w p freqüêcia de ipedâcia ifiita L C C o Coo C o >> C w p w s. Aspecto da reatâcia: Figura 9: eatâcia do Oscilador a Cristal Na Figura 9 a seguir é ilustrado u exeplo de oscilador a cristal, o Oscilador Pierce. O cristal cotrola a quatidade de realietação aplicada. Figura 9: Oscilador Pierce

27 UEJ 5 Eletrôica 4 Pag. 89 Na sua freqüêcia de ressoâcia série, a baixa ipedâcia apresetada aueta a quatidade de realietação a u poto ode as oscilações pode ser sustetadas. Coo a etrada gate é capacitiva, o cristal deve ser ligeiraete idutivo, por isto o taque deve ser sitoizado capacitivaete. Para todas outras freqüêcias que ão a do oscilador, o cristal se apreseta co reatâcia extreaete alta, o que abaixa o gaho da alha bastate aqué do liite. Na Figura 94 é apresetado u circuito ressoate paralelo: Figura 94: Circuito a Cristal: esoâcia Paralela Apud Boytestad

28 UEJ 5 Eletrôica 4 i Aexo D: LSTA Assuto: Osciladores seoidais. Oscilador seoidal Aalisar o oscilador seoidal siples e teros de: a critério de Barkhause b aálise de pólos C V V a C. Oscilador seoidal Verifique a qualidade do oscilador seoidal siples.. Phase Shift Verifique a qualidade do Phase Shift cosiderado = /jwc e =. V V f.4 Phase Shift epita o problea aterior para = e = jwl..5 Oscilações cotrolda a correte Cosidere o odelo dado a seguir:

29 UEJ 5 Eletrôica 4 ii + f aplificador ideal de correte a a C liitador de correte Li f w Prove que: f s Y Y 5 Y 6 Y Y Y.6 Oscilador sitoizado a FET Cosidere o odelo abaixo: g G S v gs D + v gs - g, r L priário secudário M M Deostre que a agitude do gaho é restrigida por: g ode = L // r.7 Collpits a FET Cosidere o oscilador Collpits básico a FET ode a frequêcia oial para situação se carga é w = 7 rad/s. O FET é polarizado o poto ode g = 5 A/V e r =.5 K. O circuito sitoizado é projetado tal que: L Q K e Q =. CT a Diesioe os eleetos reativos

30 UEJ 5 Eletrôica 4 iii b Se o efeito resistivo r série dos erolaetos vale r = w L/Q, cotabilize este efeito e e calcule a frequêcia real de ressoâcia % e relação à oial. V DD FC G D C S L C.8 Phase Shift Se g = 5 S, r d = 4 K e o circuito de realietação apreseta = K, calcule o valor do capacitor e de D para que haja oscilação e KHz quado a t > 9..9 Pote de Wie Para a pote de Wie abaixo: a Calcule a frequêcia de ressoâcia.

31 UEJ 5 Eletrôica 4 iv b Deterie os resistores e capacitores e C iguais para a operação e f = KHz.