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1 (1) Slide 1 Osciladores e temporizadores A maioria dos equipamentos eletrônicos inclui alguma forma de oscilador ou temporizador, que podem ser com formatos de onda pulsada, senoidal, quadrada, em dente-de-serra ou triangular. As fontes incluem relógios, cristais, atenuadores RC, filtros, etc. Aqui, iremos tratar de alguns dos mais básicos e úteis. Já vimos que unijunções podem formar a base de um oscilador (com um capacitor de carga). Em geral, qualquer elemento não-linear pode ser levado a oscilar.

2 (2) Slide 2 Oscilador de relaxação de onda quadrada Esse oscilador de onda quadrada usa realimentação positiva para levar o amplificador operacional para seus níveis. A carga do capacitor move a tensão não-inversora pelo valor limite e, dessa forma, faz com que o dispositivo comute de estado. É conveniente configurar R - = R g de forma que a tensão de comutação seja ½ do nível. A constante de tempo para carregar o capacitor, 1/R + C configura a freqüência. f = 2.2R + C Esse é um problema que demos na lição de casa, então não vamos resolvê-lo por completo aqui. Observe (1) que a saída será + ou Vcc, (2) que há realimentação positiva, então há histerese, e (3) que o capacitor será carregado na direção de Vsaída.

3 (3) Slide 3 Oscilador de relaxação de onda quadrada [x] Agora, simplesmente encontramos os tempos dos pontos de comutação, o tempo que leva para alcançarem o valor limite. À medida que o capacitor carrega, a saída é comutada e o estado oscila para trás e para a frente. O interesse para nós aqui é que o carregamento do capacitor fornece uma constante de tempo útil para a configuração de uma freqüência. Assim, podemos imaginar um sistema de 2 estados que é uma combinação de um comutador e o tempo gerado via capacitor para construir um oscilador.

4 (4) Slide 4 Uma solução CI, 555 1) limite 2) controle V 3) acionamento 4) descarga 5) reiniciar 6) saída pino 1, gnd pino 2, acionamento, configura o circuito biestável ( flip-flop ) para ser inferior a Vcc/3 pino 3, saída pino 4, reiniciar, não necessário pino 5, controle, não necessário, gnd pino 6, limite, reinicia o circuito biestável ( flip-flop ) para ser superior a 2Vcc/3 pino 7, descarga, curva para cap. pino 8, Vcc O conjunto de chips 555 é exatamente assim. É uma combinação de lógica digital (portanto, um dispositivo de 2 estados simples), com uma entrada analógica para medir a carga em um capacitor externo, e uma curva de baixa impedância (baixa corrente) para descarregar o capacitor. Observe que os amplificador operacionals são configurados como comparadores com voltagens de 1/3 e 2/3 Vcc. O circuito digital corresponde a um configurar/reiniciar flip-flop explicaremos isso nos próximos slides, e que a saída do flip-flop liga o BJT (a curva de descarga do capacitor). A forma como o circuito irá funcionar será que o capacitor externo irá carregar até que atinja 2/3 Vcc, então o amplificador operacional superior irá comutar de estado. Isso ativa o flip-flop, que aciona o BJT para descarregar o capacitor. O capacitor continua a descarregar até que atinja 1/3 Vcc, quando o amplificador operacional inferior muda de estado e o BJT é desligado. Então o processo se repete.

5 (5) Slide 5 Demonstração Flip-flop Nº1 Antes de discutirmos o flip-flop, vamos introduzir a porta OR, cuja saída é alta se uma das entradas (ou ambas) for alta. Do contrário, a saída é baixa. O pequeno círculo em NOR carrega um NÃO funcional para a saída e, dessa forma, inverte os estados de saída. As tabelas são chamadas tabelas verdade, e fornecem a correspondência entre os estados de entrada e saída. Já que isso é lógica digital, existem apenas dois estados possíveis 1, alto, 5V Ou 0, baixo, 0V Da mesma forma, 5 e 0 volts são apenas fictícios, e os valores reais dependem da classe de transistores que compõem o circuito lógico. Mas eles servem como uma aproximação inicial.

6 (6) Slide 6 Demonstração Flip-flop Nº2 1) reset 2) set 4) não utilizado O flip-flop set/reset pode ser composto de 2 portas NOR com a fiação mostrada. A idéia de um flip-flop é que trata-se de um dispositivo de dois estados que pode ser configurado ou reiniciado dependendo das entradas. Olhando para a tabela verdade, o flip-flop é configurado quando S é alto e R é baixo. Então, se S for configurado baixo, o flip-flop mantém o estado. Da mesma forma, se o flip-flop foi reiniciado por ter um R alto e S baixo, mais uma vez, quando R baixou, o flip-flop manteria o estado. Siga a lógica com os NORs para ver como isso funciona.

7 (7) Slide 7 Demonstração Flip-flop Nº3 1) alto, já que as 2 ent. são baixas 2) alto 3) Agora, comutar S para 0 4) baixo 5) baixo, já que S é alto 6) Agora, comutar R para 1 7) fica alto, já que as 2 ent. são baixas 8) fica baixo, já que 1 ent. é alta 9) Comuta para baixo, já que pelo menos 1 entrada é alta 10) Comuta para alto, já que as 2 entradas são baixas

8 (8) Slide 8 Breve introdução ao flip-flop SR 1) manter 2) reset 3) set 4) não utilizado O flip-flop SR é o dispositivo de armazenamento de dados mais simples, e pode ser encarado como um latch (entrelaço). Ele possui a seguinte tabela verdade. Para usar o flip-flop como um latch (entrelaço), configure-o e deixa tanto S quanto R baixos. Isso retém o estado até que S ou R seja comutado. O pino inferior é um pino de permissão que força [x] para baixo. Isso diz simplesmente a mesma coisa, mas é interessante pensar no flip-flop como um dispositivo de armazenamento primitivo embora ele seja muito mais complicado do que alguém desejaria usar hoje em dia.

9 (9) Slide 9 Operação astável do 555 1) limite 2) controle V 3) acionamento 4) descarga 5) reiniciar 6) saída 7) configura 8) retém 9) reinicia 10) descarregar transistor de fogo, saída baixa 11) Observe que o estado alto R é apenas momentâneo. O uso do 555 como um oscilador (um astável) requer a conexão de um capacitor externo e alguns resistores para termos uma curva para carga e descarga. Observe como os amplificador operacionais são conectados, o amplificador operacional S é conectado para ser alto quando a tensão do capacitor é inferior a 1/3 Vcc, o amplificador operacional R é conectado para ser alto quando a tensão do capacitor é superior a 2/3 Vcc. Entre 1/3 e 2/3 Vcc, tanto R quanto S são baixos, então o flip-flop retém as últimas saídas. O capacitor carrega através de R1 e R2 até atingir 2/3 Vcc, então o flip-flop reinicia, enviando a saída inversora alta. Isso liga o BJT, que descarrega o capacitor através de R2 (observe que R1 está fora do circuito). À medida que o capacitor descarrega, R volta a ser baixo, e o flip-flop é novamente configurado quando atinge 1/3 Vcc. A saída é uma versão invertida do sinal digital que impulsiona o transistor de descarga.

10 (10) Slide 10 Formatos de onda astável 1) sup 2) baixo 3) desligado 4) ligado 5) período 6) ciclo de trabalho Essa complexa figura mostras as duas razões separadas para carga e descarga do capacitor, e então calcula o tempo decorrido para carregar e descarregar. Observe que, ajustando-se R1 e R2, podemos ajustar tanto a freqüência quanto o ciclo de trabalho. O ciclo de trabalho é a fração de tempo em que a saída é alta.

11 (11) Operação astável do 555 1) limite 2) acionamento 3) descarga 4) saída 5) período 6) ciclo de trabalho 7) t ligado 8) t desligado Observe que o ciclo de trabalho > 0.5 Um resumo dos resultados anteriores. Já que a curva de carga inclui os dois resistores, a constante de tempo é maior e o ciclo de trabalho não pode ser configurado em 0,5. Evidentemente, não podemos fazer curto-circuito em R1 diretamente, já que o fornecimento Vcc seria levado à terra quando o transistor fosse ligado.

12 (12) Slide 12 Demonstração Astável 1) filtro V cap é apenas um ponto de teste. Uma simples demonstração, na qual o resistor de carga é variável e o resistor de descarga é configurado em 10 k. Se ambos fossem 10 k, então com o capacitor 0,01 µf, o período deveria ser de cerca de 0,21 ms, e a freqüência, 4,8 khz. O ciclo de trabalho deveria ser de aproximadamente 0,67.

13 (13) Slide 13 Demonstração Astável (cont.) 1) Período 2) ciclo de trabalho

14 (14) Slide 14 operação do 555 com baixo ciclo de trabalho 1) descarga 2) limite 3) acionamento 4) saída 5) ciclo de trabalho 6) período 7) t ligado 8) t desligado Se quisermos que o ciclo de trabalho seja inferior a 0,5, devemos separar as curvas de carga e descarga do capacitor. [x] Para reduzir o ciclo de trabalho para menos de 50%, precisaríamos separar a curva de carga e descarga. Isso é alcançado de forma conveniente com curto-circuito de R2 durante o estágio de carga. Agora o capacitor carrega através de R1 e descarrega através de R2, e podemos deixar o ciclo de trabalho tão baixo quanto desejarmos.

15 (15) Slide 15 Operação mono estável 1) limite 2) acionamento 3) descarga 4) saída O 555 também pode ser usado para gerar um pulso acionado de uma duração específica. Quando o acionamento é puxado para baixo, S vai para baixo e o flip-flop é configurado. Isso leva a uma carga do capacitor (através de R1) (e um pulso de saída) até que a tensão do capacitor atinja 2/3 Vcc. O resistor 10 k é apenas de elevação. A operação mono estável (1 pulso acionado por vez) é atingida pela separação da entrada de acionamento do capacitor. Agora, quando o acionamento é puxado para baixo, o capacitor irá carregar até atingir o limite de 2/3 Vcc e, nesse ponto, irá descarregar. O capacitor irá permanecer descarregado até que não haja mais nenhum pulso acionado. Lembre-se de que a ação do acionamento é reiniciar o flip-flop quando a entrada é inferior a 1/3 Vcc, então o pino 6 deve ser puxado para baixo ativamente para iniciar outro pulso.

16 (16) Slide 16 Compensação de desvio 1) acionamento 2) saída Se você re-acionar antes que o capacitor seja descarregado, o flip-flop vê o estado (S e R altos), que não é definido, e a saída é imprevisível. Observe que, para fazer o acionamento, você deve puxar a tensão para baixo no pino 6. Depois que o capacitor começar a carregar, ele irá continuar até que atinja 2/3 de Vcc e, nesse ponto, ele é descarregado através do transistor. [x] O pulso de tempo é configurado pela razão de descarga, [x] Os formatos de onda mostrando a ação do 555 são mono estável. Observe que a descarga é rápida, já que ela não é limitada por um resistor em série (apenas pela resistência do BJT).

17 (17) Slide 17 Demonstração mono estável 1) filtro 2) saída 3) t ligado Uma demonstração mostrando a ação do 555. Observe que um BJT foi usado para inverter o pulso acionado. Quando Vent é alta, o pino 2 é levado para baixo e, quando Vent é baixa, o pino 2 é configurado alto. Se o resistor é configurado em 10 k, o comprimento de pulso deve ser de cerca de 110 µs.

18 (18) Slide 18 Flasher de LED 1) R razão 2) descarga 3) limite 4) acionamento 5) saída O 555 fornece um pulso periódico que é convertido para um pulso de corrente pelo transistor. O resistor de 220 Ω é para limitar a potência entregue ao LED. Uma forma excessivamente complicada de produzir uma luz incandescente, mas funciona.

19 (19) Slide 19 Especificações do 555 Existem vários chips 555 baseados em transistores bipolares, CMOS ou uma combinação. O bipolar tipicamente é mais lento, exige maiores tensões de alimentação mas, ainda assim, pode fornecer correntes de saída mais altas. fornecimento acionamen to freqüência saída tipo V V µa na MHz ma fonte ma sink mín máx máx SN555 4, , ICL < LMC ,01 2,

20 (20) Slide 20 Manual do 555 nº1

21 (21) Slide 21 Manual do 555 nº2

22 (22) Slide 22 Manual do 555 nº3

23 (23) Slide 23 Manual do 555 nº4

24 (24) Slide 24 Osciladores LC Até agora, vimos os osciladores RC, que funcionam bem a baixa freqüência, contanto que não seja necessária muita estabilidade. Os osciladores LC são preferíveis a altas freqüências e, já que Q pode ser de várias centenas, a estabilidade é melhor. Até recentemente, os amplificador operacionais não atingiam freqüências altas o suficiente para serem usados com osciladores LC mas, atualmente, os amplificador operacionais com freqüências de 500 MHz 3 db estão disponíveis, e nos restringiremos a estes. O método mais simples de gerar um oscilador é, então, usar realimentação positiva e um filtro LC na curva de realimentação para selecionar a freqüência desejada.

25 (25) Slide 25 Osciladores LC Um oscilador LC essencialmente usa uma realimentação positiva, seletiva de freqüência, para levar o amplificador operacional para a oscilação (de nível para nível). O circuito tanque tem alta impedância para ligar à terra sua freqüência de ressonância, [x] e um curto, do contrário. Já que a saída é uma onda quadrada, todas as harmônicas pares da freqüência de ressonância também são geradas.

26 (26) Osciladores de cristal Há um fator de qualidade bastante limitado, Q, para um oscilador LC (~200), mas com os cristais, Qs de são possíveis. O circuito equivalente para um cristal quartzo piezoelétrico é: 1) C movimento A condição de ressonância é dada pelo braço superior (movimento). Para um cristal de 10 MHz, um valor típico para o indutor é L = 9,8 mh, levando a uma capacitância bastante baixa, e bastante energia alta armazenada. O cristal se assemelha a um filtro passa-banda.

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