EII - Osciladores. Introdução:

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1 EII - Osciladores Introdução: Osciladores são circuitos que geram sinais periódicos (sinusoidais, quadrados, dente de serra, etc.), actualmente até frequências da ordem dos GHz. Têm aplicações em telecomunicações (portadoras, misturadores, etc.), video (varrimentos), DSP (relógios) e na electrónica em geral. Podem dividir-se em osciladores sinusoidais (lineares) e de relaxação (não lineares). J. Gerald V -

2 Introdução (cont.) Osciladores sinusoidais: E II - Osciladores Baseados em filtros muito selectivos e amplificadores com realimentação positiva fraca. Pólos sobre o eixo imaginário. egime transitório (amplitude e frequência) quando se muda a frequência. Osciladores C: - 0 Hz até MHz - Podem ter distorção relevante, devida à malha não linear de controlo da amplitude, que gera harmónicas pouco filtradas na malha β (C). Osciladores LC e com cristal: - 00 khz a centenas de MHz. - Factores de qualidade, Q, elevados. - Faixa de sintonia estreita (no limite só uma frequência de oscilação, para osciladores com cristal). J. Gerald V - 2

3 Introdução (cont.) Osciladores de relaxação: E II - Osciladores Baseados em amplificadores com forte realimentação positiva, com dois estados estáveis (astáveis) e malhas integradoras que definem o tempo de mudança de estado. Apesar de serem não lineares, a forma de onda de saída pode ser processada por forma a obter-se uma sinusóide aproximada (via filtragem) ou qualquer outra forma de onda clássica (dente de serra, triangular, etc.) via integração/diferenciação ou comparação do sinal. J. Gerald V - 3

4 Critério de Barkhausen x i + A - x o xo A K x A i (T = A = ganho de retorno) Critério de Barkhausen: Para se obter um oscilador sinusoidal, +Ab=0. ) A frequência de oscilação w 0 tira-se de: arg T( jw) 80º w ou Im T( jw) 0 0 T w º ( o ) 2) A condição de oscilalação tira-se de: T( jw0 ) J. Gerald V - 4

5 Critério de Barkhausen Controlo da amplitude das oscilações: Na prática, implementam-se os pólos ligeiramente à direita do eixo imaginário ( T >) e adiciona-se uma malha de controlo da amplitude do sinal de saída. 2 V o em série com lâmpada (muito baixa distorção ( 0,03%) V 0, lâmpada aquece,. 2 k Controlo Automático de Ganho (AGC) Termistência em paralelo com 2 V 0, termistência aquece, 2. V o E II - Osciladores 2 V x V x V 0, V x, canal, total. J. Gerald V - 5

6 Critério de Barkhausen Controlo da amplitude das oscilações (cont.): 3 ( 3 L V V ) D ( 4 L V V ) D 5 5 J. Gerald V - 6

7 TIL Oscilador de Quadratura Q>> V 0 =V bp V 02 =V lp Int Inv Int ñ Inv C A s C w 0 =/C C J. Gerald V - 7

8 Oscilador de Desvio de Fase E II - Osciladores f in,amp A = K () s A= - 3 s 6 5 C C C 3 2 s s s Arg = π // in,amp = w K/ para ww p K=29 0 6C J. Gerald V - 8

9 Oscilador Ponte de Wien Alternativa 2 A () s 3 Cs Cs Fundamental sinusóide pretendida Aw ( ) 3 A j Cw Cw A 3 A ImA 0 w0 C J. Gerald V - 9

10 Comentários O oscilador de quadratura fornece duas sinusóides em quadratura, o que é vantajoso em sistemas de telecomunicação, apresenta pouca distorção mas requer mais hardware (2 ampops). O oscilador de desvio de fase apresenta pouca distorção (filtro de 3ª ordem), mas sem buffering requer um ganho mais elevado. O oscilador em ponte de Wien tem boa estabilidade na frequência mas apresenta um sinal de saída com alguma distorção. J. Gerald V - 0

11 Outros Osciladores Baseado na Secção de Sallen & Key C 4 Baseado em Filtro BP com GIC 3 v O v 2 v C 5 (k-) V V o i k 3C4C5 2 k s s( ) C C C C C Com = 3 = e C 4 =C 5 =C GIC bobine V V o i k 2 2 C 2 3 k s s( ) C C 2 2 Q= k=3 w 0 =/C v 2 v w 0 =/C J. Gerald V -

12 Osciladores LC E II - Osciladores A desfasagem de 80º pode ser realizada mediante uma malha LC. Osciladores LC não se usam em baixa frequência devido às dimensões elevadas requeridas pelas bobines para estas frequências. Além disso, são mais estáveis a altas frequências. Usualmente não usam ampops pois estes têm largura de banda mais reduzida face a outros amplificadores. Osciladores com grande estabilidade podem ser obtidos usando cristais e ressoadores cerâmicos. Aplicações típicas nas áreas de rádio frequência, televisão, rádio e microprocessadores. J. Gerald V - 2

13 Osciladores de Colpitts e Hartley Colpitts w 0 Na Frequência de essonância X X \ X CTotal C C2 Frequência de Oscilação CC 2 L C C ( Z jx jx ) 2 X L CC 2 w C C2 Total X Total w 0 ( L ) C L Condição de Oscilação C L 2 gm gm C L C X X \ X LTotal L L2 w ( L L ) Hartley J. Gerald V - 3

14 Condição de Oscilação para Colpitts circuito equivalente C p incluído em C 2, r p e C m desprezados r 0 incluído em No nó C: 2 sc2v p gmvp sc ( s LC2 ) Vp 0 Eliminando V p (pois é diferente de zero, substituindo s por jw e rearranjando os termos, vem w0 CC 2 L 2 w LC gm j w( C C2 ) w LCC C C 2 0 C gm C J. Gerald V - 4 2

15 Oscilador de Colpitts (cont.) E II - Osciladores Circuito Completo Outros Exemplos J. Gerald V - 5

16 Oscilador a Cristal E II - Osciladores São realizados depositando um filme condutor sobre faces opostas de um cristal de quartzo (efeito piezoeléctrico). E depois encapsulados O símbolo é Circuito equivalente zs () sc Desprezando r w w s p LC s p CC s p L C s C sl sc eactância p s eactância (desprezando r) Indutiva Capacitiva Oscilador de Pierce (inversor CMOS como amplificador) w 0 J. Gerald V - 6 LC s w s

17 Oscilador a Cristal (cont.) Outros Exemplos E II - Osciladores Com Inversor Dos PIC6CXXX (PIC Peripheral Interface Controller Microchip J. Gerald V - 7

18 Osciladores de elaxação Multivibrador Astável (realizado com um comparador) Inversor vth vtl L L L L Não Inversor com eferência ( ) Não Inversor v vi v v L ( / ) TL 2 O v L ( / ) TH 2 v v ( / )( L L ) TH TL 2 V J. Gerald V - 8

19 Multivibrador Astável (cont.) L ( L ) T C ln L ( L ) T2 C ln Se L L T 2C ln J. Gerald V - 9

20 CI Timer v C Na descarga: V e TH t C B t VCC C B VTH e TL CB ln C B 3 Na carga: Período: t ( ) C A B v V ( V V ) e 2V 3 C CC CC TL CC Duty Cycle: L H A B t ( AB) C CC ( CC TL) H ( A B)ln ( A B) V V V e T C C T T T 0.69 C( 2 ) L H A B TH A B T T 2 J. Gerald V - 20

21 Geração de Onda Triangular e ectangular Durante T tem-se: VTH VTL L T C V T C TH V L Durante T 2 tem-se: TL VTH VTL L T C 2 V T C 2 V TH TL L Para ondas simétricas: L + =-L - J. Gerald V - 2

22 Geração de Sinusóides por Troços Assumindo os díodos ideais, para v I >V D 2 está ON e: v 5 o V ( v I V ) 4 5 Para v 0 >V 2 D está ON e v 0 =V 2 J. Gerald V - 22

23 Gerador de Impulsos v ( t) L ( L V ) e B D t C 3 Fazendo v B (T)=bL - : L L ( L V ) e D D T C 3 T V L T C3ln V L ln D C3 L L Há que respeitar o tempo de recuperação senão o novo impulso será mais curto. J. Gerald V - 23