Oscilador electrónico

Tipo de circuito electrónico

Oscilador de relajación simple creado realimentando el voltaje de salida de un disparador Schmitt inversor a través de una red RC a su entrada.

Un oscilador electrónico es un circuito electrónico que produce una señal periódica, oscilante o de corriente alterna (CA), generalmente una onda sinusoidal , una onda cuadrada o una onda triangular , ^{[1] [2] [3]} alimentada por una fuente de corriente continua (CC). Los osciladores se encuentran en muchos dispositivos electrónicos, como receptores de radio , televisores , transmisores de radio y televisión , computadoras , periféricos de computadora , teléfonos celulares , radares y muchos otros dispositivos. ^[1]

Los osciladores a menudo se caracterizan por la frecuencia de su señal de salida:

• Un oscilador de baja frecuencia (LFO) es un oscilador que genera una frecuencia inferior a aproximadamente 20 Hz. Este término se utiliza normalmente en el campo de los sintetizadores de audio , para distinguirlo de un oscilador de audiofrecuencia.
• Un oscilador de audio produce frecuencias en el rango de audio , de 20 Hz a 20 kHz. ^[2]
• Un oscilador de radiofrecuencia (RF) produce señales por encima del rango de audio, más generalmente en el rango de 100 kHz a 100 GHz. ^[2]

Oscilador de cristal

Hay dos tipos generales de osciladores electrónicos: el oscilador lineal o armónico y el oscilador no lineal o de relajación . ^{[2] [4]} Los dos tipos son fundamentalmente diferentes en cómo se produce la oscilación, así como en el tipo característico de señal de salida que se genera.

El oscilador lineal más común en uso es el oscilador de cristal , en el que la frecuencia de salida está controlada por un resonador piezoeléctrico que consiste en un cristal de cuarzo vibrante . Los osciladores de cristal son omnipresentes en la electrónica moderna, siendo la fuente de la señal de reloj en computadoras y relojes digitales, así como una fuente para las señales generadas en transmisores y receptores de radio. Como la forma de onda de salida "nativa" de un oscilador de cristal es sinusoidal , se puede utilizar un circuito de acondicionamiento de señal para convertir la salida a otros tipos de formas de onda, como la onda cuadrada que se utiliza típicamente en los circuitos de reloj de computadora.

Osciladores armónicos

Diagrama de bloques de un oscilador lineal con realimentación; un amplificador A con su salida v _o realimentada a su entrada v _f a través de un filtro , β(jω) .

Los osciladores lineales o armónicos generan una señal sinusoidal (o casi sinusoidal). Existen dos tipos:

Oscilador de retroalimentación

La forma más común de oscilador lineal es un amplificador electrónico, como un transistor o un amplificador operacional, conectado en un bucle de retroalimentación con su salida retroalimentada a su entrada a través de un filtro electrónico selectivo de frecuencia para proporcionar retroalimentación positiva . Cuando se enciende inicialmente la fuente de alimentación del amplificador, el ruido electrónico en el circuito proporciona una señal distinta de cero para iniciar las oscilaciones. ^{[5] : p.113–114} El ruido viaja alrededor del bucle y se amplifica y filtra hasta que muy rápidamente converge en una onda sinusoidal a una sola frecuencia.

Los circuitos osciladores de retroalimentación se pueden clasificar según el tipo de filtro selectivo de frecuencia que utilizan en el bucle de retroalimentación: ^{[2] [4]}

• En un circuito oscilador RC , el filtro es una red de resistencias y condensadores . ^{[2] [4]} Los osciladores RC se utilizan principalmente para generar frecuencias más bajas, por ejemplo, en el rango de audio. Los tipos comunes de circuitos osciladores RC son el oscilador de cambio de fase y el oscilador de puente de Wien . También existen osciladores LR, que utilizan filtros de inductor y resistencia, sin embargo, son mucho menos comunes debido al tamaño requerido de un inductor para lograr un valor apropiado para su uso en frecuencias más bajas.

Dos circuitos osciladores LC comunes, los osciladores Hartley y Colpitts

• En un circuito oscilador LC , el filtro es un circuito sintonizado (a menudo llamado circuito tanque ) que consta de un inductor (L) y un condensador (C) conectados entre sí, que actúa como un resonador . ^{[2] [4]} La carga fluye de ida y vuelta entre las placas del condensador a través del inductor, por lo que el circuito sintonizado puede almacenar energía eléctrica oscilando a su frecuencia de resonancia . El amplificador agrega potencia para compensar las pérdidas de energía resistiva en el circuito y suministra la potencia para la señal de salida. Los osciladores LC se utilizan a menudo en frecuencias de radio , ^[2] cuando es necesaria una fuente de frecuencia sintonizable, como en generadores de señales , transmisores de radio sintonizables y los osciladores locales en receptores de radio . Los circuitos osciladores LC típicos son los circuitos Hartley , Colpitts ^[2] y Clapp .
• En un circuito oscilador de cristal el filtro es un cristal piezoeléctrico (comúnmente un cristal de cuarzo ). ^{[2] [4]} El cristal vibra mecánicamente como un resonador , y su frecuencia de vibración determina la frecuencia de oscilación. Los cristales tienen un factor Q muy alto y también una mejor estabilidad de temperatura que los circuitos sintonizados, por lo que los osciladores de cristal tienen una estabilidad de frecuencia mucho mejor que los osciladores LC o RC. Los osciladores de cristal son el tipo más común de oscilador lineal, utilizado para estabilizar la frecuencia de la mayoría de los transmisores de radio y para generar la señal de reloj en computadoras y relojes de cuarzo . Los osciladores de cristal a menudo utilizan los mismos circuitos que los osciladores LC, con el cristal reemplazando el circuito sintonizado ; ^[2] el circuito oscilador Pierce también se usa comúnmente. Los cristales de cuarzo generalmente están limitados a frecuencias de 30 MHz o menos. ^[2] Otros tipos de resonadores, resonadores dieléctricos y dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW), se utilizan para controlar osciladores de frecuencias más altas, hasta el rango de las microondas . Por ejemplo, los osciladores SAW se utilizan para generar la señal de radio en los teléfonos celulares . ^[6]

Oscilador de resistencia negativa

(izquierda) Diagrama de bloques típico de un oscilador de resistencia negativa. En algunos tipos, el dispositivo de resistencia negativa está conectado en paralelo con el circuito resonante. (derecha) Un oscilador de microondas de resistencia negativa que consta de un diodo Gunn en un resonador de cavidad . La resistencia negativa del diodo excita oscilaciones de microondas en la cavidad, que irradian a través de la abertura hacia una guía de ondas .

Además de los osciladores de retroalimentación descritos anteriormente, que utilizan elementos activos amplificadores de dos puertos , como transistores y amplificadores operacionales, también se pueden construir osciladores lineales utilizando dispositivos de un puerto (dos terminales) con resistencia negativa , ^{[2] [4]} como tubos de magnetrón , diodos túnel , diodos IMPATT y diodos Gunn . Los osciladores de resistencia negativa se utilizan generalmente a altas frecuencias en el rango de microondas y superiores, ya que a estas frecuencias los osciladores de retroalimentación funcionan mal debido al excesivo desplazamiento de fase en la ruta de retroalimentación.

En los osciladores de resistencia negativa, un circuito resonante, como un circuito LC , un cristal o un resonador de cavidad , se conecta a través de un dispositivo con resistencia diferencial negativa y se aplica un voltaje de polarización de CC para suministrar energía. Un circuito resonante por sí mismo es "casi" un oscilador; puede almacenar energía en forma de oscilaciones electrónicas si se excita, pero debido a que tiene resistencia eléctrica y otras pérdidas, las oscilaciones se amortiguan y decaen a cero. La resistencia negativa del dispositivo activo cancela la resistencia de pérdida interna (positiva) en el resonador, creando en efecto un resonador sin amortiguamiento, que genera oscilaciones continuas espontáneas en su frecuencia de resonancia .

El modelo de oscilador de resistencia negativa no se limita a dispositivos de un puerto como diodos; los circuitos osciladores de retroalimentación con dispositivos amplificadores de dos puertos como transistores y tubos también tienen resistencia negativa. ^{[7] [8] [9]} A altas frecuencias, también se utilizan dispositivos de tres terminales como transistores y FET en osciladores de resistencia negativa. A altas frecuencias, estos dispositivos no necesitan un bucle de retroalimentación, pero con ciertas cargas aplicadas a un puerto pueden volverse inestables en el otro puerto y mostrar resistencia negativa debido a la retroalimentación interna. El puerto de resistencia negativa está conectado a un circuito sintonizado o cavidad resonante, lo que hace que oscilen. ^{[7] [8] [10]} Los osciladores de alta frecuencia en general se diseñan utilizando técnicas de resistencia negativa. ^{[7] [8] [9]}

Lista de circuitos osciladores armónicos

A continuación se enumeran algunos de los muchos circuitos osciladores armónicos:

• Oscilador Armstrong , también conocido como oscilador Meissner
• Oscilador Hartley
• Oscilador de Colpitts
• Oscilador de Clapp
• Oscilador de Seiler
• Oscilador de Vackář
• Oscilador Pierce
• Oscilador tri-tet
• Oscilador seguidor de cátodo
• Oscilador de puente de Viena
• Oscilador de cambio de fase
• Oscilador de acoplamiento cruzado
• Oscilador Dynatron
• Oscilador optoelectrónico
• Oscilador Robinson

Oscilador de relajación

Un oscilador de relajación de amplificador operacional popular .

Un oscilador no lineal o de relajación produce una salida no sinusoidal, como una onda cuadrada , de diente de sierra o triangular . ^[4] Consiste en un elemento de almacenamiento de energía (un condensador o, más raramente, un inductor ) y un dispositivo de conmutación no lineal (un pestillo , un disparador Schmitt o un elemento de resistencia negativa) conectados en un bucle de retroalimentación . El dispositivo de conmutación carga periódicamente el elemento de almacenamiento con energía y cuando su voltaje o corriente alcanza un umbral lo descarga nuevamente, causando así cambios abruptos en la forma de onda de salida.

Los osciladores de relajación de onda cuadrada se utilizan para proporcionar la señal de reloj para circuitos lógicos secuenciales como temporizadores y contadores , aunque los osciladores de cristal suelen preferirse por su mayor estabilidad. Los osciladores de onda triangular o de diente de sierra se utilizan en los circuitos de base de tiempo que generan las señales de deflexión horizontal para tubos de rayos catódicos en osciloscopios analógicos y televisores . También se utilizan en osciladores controlados por voltaje (VCO), inversores y fuentes de alimentación conmutadas , convertidores analógicos a digitales (ADC) de doble pendiente y en generadores de funciones para generar ondas cuadradas y triangulares para equipos de prueba. En general, los osciladores de relajación se utilizan a frecuencias más bajas y tienen una estabilidad de frecuencia más pobre que los osciladores lineales.

Los osciladores en anillo están formados por un anillo de etapas de retardo activas. Generalmente, el anillo tiene un número impar de etapas inversoras, de modo que no existe un único estado estable para los voltajes internos del anillo. En cambio, una única transición se propaga sin fin alrededor del anillo.

A continuación se enumeran algunos de los circuitos osciladores de relajación más comunes:

• Multivibrador
• Oscilador de Pearson-Anson
• Oscilador de anillo
• Oscilador de línea de retardo
• Oscilador Royer

Oscilador controlado por voltaje (VCO)

Un oscilador puede diseñarse de modo que la frecuencia de oscilación pueda variarse en un rango determinado mediante una corriente o un voltaje de entrada. Estos osciladores controlados por voltaje se utilizan ampliamente en bucles de enganche de fase , en los que la frecuencia del oscilador puede bloquearse con la frecuencia de otro oscilador. Son omnipresentes en los circuitos de comunicaciones modernos, se utilizan en filtros , moduladores , demoduladores y forman la base de los circuitos sintetizadores de frecuencia que se utilizan para sintonizar radios y televisores.

Los osciladores de relajación controlados por voltaje se construyen generalmente agregando un diodo varactor al circuito sintonizado o resonador en un circuito oscilador. Al cambiar el voltaje de CC a través del varactor, cambia su capacitancia , lo que cambia la frecuencia resonante del circuito sintonizado. Los osciladores de relajación controlados por voltaje se pueden construir cargando y descargando el capacitor de almacenamiento de energía con una fuente de corriente controlada por voltaje . Al aumentar el voltaje de entrada, aumenta la velocidad de carga del capacitor, lo que disminuye el tiempo entre eventos de conmutación.

Teoría de osciladores de retroalimentación

Un circuito oscilador de retroalimentación consta de dos partes conectadas en un bucle de retroalimentación : un amplificador y un filtro electrónico . El propósito del filtro es limitar las frecuencias que pueden pasar a través del bucle para que el circuito solo oscile a la frecuencia deseada. ^[11] Dado que el filtro y los cables en el circuito tienen resistencia , consumen energía y la amplitud de la señal disminuye a medida que pasa a través del filtro. El amplificador es necesario para aumentar la amplitud de la señal para compensar la energía perdida en las otras partes del circuito, por lo que el bucle oscilará, así como para suministrar energía a la carga conectada a la salida. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \beta (j\omega )}$

Frecuencia de oscilación: criterio de Barkhausen

Para determinar la ganancia del bucle , se considera que el bucle de retroalimentación del oscilador (izquierda) está roto en algún punto (derecha) .

Para determinar la frecuencia a la que oscilará un circuito oscilador de retroalimentación, se considera que el bucle de retroalimentación se interrumpe en algún punto (ver diagramas) para proporcionar un puerto de entrada y salida. Se aplica una onda sinusoidal a la entrada y se calcula la amplitud y la fase de la onda sinusoidal después de pasar por el bucle ^{[12] [13]} ${\displaystyle \omega _{0}\;=\;2\pi f_{0}}$ ${\displaystyle v_{i}(t)=V_{i}e^{j\omega t}}$ ${\displaystyle v_{o}=V_{o}e^{j(\omega t+\phi )}}$

${\displaystyle v_{o}=Av_{f}\,}$      y           entonces      ${\displaystyle v_{f}=\beta (j\omega )v_{i}\,}$ ${\displaystyle v_{o}=A\beta (j\omega )v_{i}\,}$

Dado que en el circuito completo está conectado a , para que existan oscilaciones ${\displaystyle v_{o}}$ ${\displaystyle v_{i}}$

${\displaystyle v_{o}(t)=v_{i}(t)}$

La relación entre la salida y la entrada del bucle, , se denomina ganancia del bucle . Por lo tanto, la condición para la oscilación es que la ganancia del bucle debe ser uno ^{[14] : p.3–5  [13] [15] [16]} ${\displaystyle {v_{o} \over v_{i}}=A\beta (j\omega )}$

${\displaystyle A\beta (j\omega _{0})=1\,}$

Dado que es un número complejo con dos partes, una magnitud y un ángulo, la ecuación anterior en realidad consta de dos condiciones: ^{[17] [16] [13]} ${\displaystyle A\beta (j\omega )}$

• La magnitud de la ganancia ( amplificación ) alrededor del bucle en ω ₀ debe ser la unidad.

${\displaystyle |A||\beta (j\omega _{0})|=1\,\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad {\text{(1)}}}$

de modo que después de un viaje alrededor del bucle la onda sinusoidal tiene la misma amplitud . Se puede ver intuitivamente que si la ganancia del bucle fuera mayor que uno, la amplitud de la señal sinusoidal aumentaría a medida que viaja alrededor del bucle, lo que daría como resultado una onda sinusoidal que crece exponencialmente con el tiempo, sin límite. ^[11] Si la ganancia del bucle fuera menor que uno, la señal disminuiría alrededor del bucle, lo que daría como resultado una onda sinusoidal que decae exponencialmente y disminuye hasta cero.

• La onda sinusoidal al final del bucle debe estar en fase con la onda al principio del bucle. ^[13] Dado que la onda sinusoidal es periódica y se repite cada 2π radianes, esto significa que el cambio de fase alrededor del bucle en la frecuencia de oscilación ω ₀ debe ser cero o un múltiplo de 2π radianes (360°)

${\displaystyle \angle A+\angle \beta =2\pi n\qquad n\in 0,1,2...\,\qquad \qquad {\text{(2)}}}$

Las ecuaciones (1) y (2) se denominan criterio de estabilidad de Barkhausen . ^{[16] [14] : p.3–5} Es un criterio necesario pero no suficiente para la oscilación, por lo que hay algunos circuitos que satisfacen estas ecuaciones que no oscilarán. Una condición equivalente que se utiliza a menudo en lugar de la condición de Barkhausen es que la función de transferencia de bucle cerrado del circuito (la impedancia compleja del circuito en su salida) tenga un par de polos en el eje imaginario .

En general, el cambio de fase de la red de retroalimentación aumenta con el aumento de la frecuencia, por lo que solo hay unas pocas frecuencias discretas (a menudo solo una) que satisfacen la segunda ecuación. ^{[16] [11]} Si la ganancia del amplificador es lo suficientemente alta como para que la ganancia del bucle sea la unidad (o mayor, consulte la sección de Inicio) en una de estas frecuencias, el circuito oscilará a esa frecuencia. Muchos amplificadores, como los circuitos de transistores de emisor común , son "inversores", lo que significa que su voltaje de salida disminuye cuando aumenta su entrada. ^{[17] [13]} En estos, el amplificador proporciona un cambio de fase de 180° , por lo que el circuito oscilará a la frecuencia en la que la red de retroalimentación proporciona el otro cambio de fase de 180°. ^{[14] : p.3–5  [13]} ${\displaystyle A}$

En frecuencias muy por debajo de los polos del dispositivo amplificador, el amplificador actuará como una ganancia pura , pero si la frecuencia de oscilación está cerca de la frecuencia de corte del amplificador , dentro de , el dispositivo activo ya no puede considerarse una 'ganancia pura', y contribuirá con algún cambio de fase al bucle. ^{[14] : p.3–5  [18]} ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \omega _{C}}$ ${\displaystyle 0.1\omega _{C}}$

Una prueba de estabilidad matemática alternativa que a veces se utiliza en lugar del criterio de Barkhausen es el criterio de estabilidad de Nyquist . ^{[14] : p.6–7} Este tiene una aplicabilidad más amplia que el criterio de Barkhausen, por lo que puede identificar algunos de los circuitos que pasan el criterio de Barkhausen pero no oscilan.

Estabilidad de frecuencia

Los cambios de temperatura, otros cambios ambientales, el envejecimiento y las tolerancias de fabricación harán que los valores de los componentes se "desvíen" de sus valores diseñados. ^{[19] [20]} Los cambios en los componentes que determinan la frecuencia , como el circuito tanque en los osciladores LC, harán que la frecuencia de oscilación cambie, por lo que para una frecuencia constante estos componentes deben tener valores estables. La estabilidad de la frecuencia del oscilador ante otros cambios en el circuito, como cambios en los valores de otros componentes, la ganancia del amplificador, la impedancia de carga o el voltaje de suministro, depende principalmente del factor Q ("factor de calidad") del filtro de retroalimentación. ^[19] Dado que la amplitud de la salida es constante debido a la no linealidad del amplificador (consulte la sección de Puesta en marcha a continuación), los cambios en los valores de los componentes causan cambios en el cambio de fase del bucle de retroalimentación. Dado que la oscilación solo puede ocurrir en frecuencias donde el cambio de fase es un múltiplo de 360°, los cambios en los valores de los componentes hacen que la frecuencia de oscilación cambie para llevar la fase del bucle de nuevo a 360n°. La cantidad de cambio de frecuencia causado por un cambio de fase dado depende de la pendiente de la curva de fase del bucle en , que está determinada por ^{[19] [20] [21] [22]} ${\displaystyle \phi \;=\;\angle A\beta (j\omega )}$ ${\displaystyle \phi \;=\;360n^{\circ }}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \Delta \omega }$ ${\displaystyle \Delta \phi }$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle Q}$

${\displaystyle {d\phi \over d\omega }{\Bigg |}_{\omega _{0}}=-{2Q \over \omega _{0}}\,}$      entonces      ${\displaystyle \Delta \omega =-{\omega _{0} \over 2Q}\Delta \phi \,}$

Los osciladores RC tienen el equivalente a un muy bajo , por lo que la fase cambia muy lentamente con la frecuencia, por lo tanto, un cambio de fase dado causará un gran cambio en la frecuencia. Por el contrario, los osciladores LC tienen circuitos tanque con alto (~10 ² ). Esto significa que el cambio de fase de la red de retroalimentación aumenta rápidamente con la frecuencia cerca de la frecuencia de resonancia del circuito tanque. ^[19] Por lo tanto, un gran cambio en la fase causa solo un pequeño cambio en la frecuencia. Por lo tanto, la frecuencia de oscilación del circuito está muy cerca de la frecuencia de resonancia natural del circuito sintonizado y no depende mucho de otros componentes del circuito. Los resonadores de cristal de cuarzo utilizados en osciladores de cristal tienen incluso más altos (10 ⁴ a 10 ⁶ ) ^[22] y su frecuencia es muy estable e independiente de otros componentes del circuito. ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

Capacidad de ajuste

La frecuencia de los osciladores RC y LC se puede ajustar en un amplio rango utilizando componentes variables en el filtro. Una cavidad de microondas se puede ajustar mecánicamente moviendo una de las paredes. En contraste, un cristal de cuarzo es un resonador mecánico cuya frecuencia de resonancia está determinada principalmente por sus dimensiones, por lo que la frecuencia de un oscilador de cristal solo se puede ajustar en un rango muy estrecho, una pequeña fracción del uno por ciento. ^{[5] : p.39–40  [23] [24 ] [25 ] [26] [27] [28]} Su frecuencia se puede cambiar ligeramente utilizando un condensador de ajuste en serie o en paralelo con el cristal. ^{[5] : p.39–40}

Arranque y amplitud de oscilación

El criterio de Barkhausen anterior, ecuaciones (1) y (2), simplemente proporciona las frecuencias en las que es posible la oscilación en estado estable, pero no dice nada sobre la amplitud de la oscilación, si la amplitud es estable o si el circuito comenzará a oscilar cuando se encienda la energía. ^{[29] [14] : p.5  [30]} Para un oscilador práctico son necesarios dos requisitos adicionales:

• Para que las oscilaciones comiencen desde cero en el circuito, el circuito debe tener "ganancia excedente"; la ganancia del bucle para señales pequeñas debe ser mayor que uno en su frecuencia de oscilación ^{[16] [11] [17] [14] : p.3–5  [30]}

${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|>1\,}$

• Para un funcionamiento estable, el circuito de retroalimentación debe incluir un componente no lineal que reduzca la ganancia a la unidad a medida que la amplitud aumenta hasta su valor operativo. ^{[16] [11]}

Una regla empírica típica es hacer que la ganancia del bucle de señal pequeña en la frecuencia de oscilación sea 2 o 3. ^{[31] [17]} Cuando se enciende la alimentación, la oscilación se inicia por el ruido electrónico transitorio o aleatorio presente en el circuito. ^{[14] : p.5  [5] : p.113–114} El ruido garantiza que el circuito no permanecerá "equilibrado" precisamente en su punto de equilibrio de CC inestable ( punto Q ) indefinidamente. Debido a la banda de paso estrecha del filtro, la respuesta del circuito a un pulso de ruido será sinusoidal, excitará una pequeña onda sinusoidal de voltaje en el bucle. Dado que para señales pequeñas la ganancia del bucle es mayor que uno, la amplitud de la onda sinusoidal aumenta exponencialmente. ^{[16] [11]}

Durante el arranque, aunque la amplitud de la oscilación es pequeña, el circuito es aproximadamente lineal , por lo que es aplicable el análisis utilizado en el criterio de Barkhausen. Cuando la amplitud se vuelve lo suficientemente grande como para que el amplificador se vuelva no lineal , técnicamente el análisis del dominio de frecuencia utilizado en los circuitos amplificadores normales ya no es aplicable, por lo que la "ganancia" del circuito no está definida. Sin embargo, el filtro atenúa los componentes armónicos producidos por la no linealidad del amplificador, por lo que el componente de frecuencia fundamental determina principalmente la ganancia del bucle ^[32] (esta es la técnica de análisis de " equilibrio armónico " para circuitos no lineales). ${\displaystyle \sin \omega _{0}t}$

La onda sinusoidal no puede crecer indefinidamente; en todos los osciladores reales algún proceso no lineal en el circuito limita su amplitud, ^{[16] [33] [5] : p.120} reduciendo la ganancia a medida que aumenta la amplitud, lo que resulta en un funcionamiento estable a alguna amplitud constante. ^[16] En la mayoría de los osciladores esta no linealidad es simplemente la saturación (limitación o recorte ) del dispositivo amplificador, el transistor , el tubo de vacío o el amplificador operacional . ^{[31] [34] [35] [14] : p.5} La oscilación máxima de voltaje de la salida del amplificador está limitada por el voltaje de CC proporcionado por su fuente de alimentación. Otra posibilidad es que la salida pueda estar limitada por la velocidad de respuesta del amplificador .

A medida que la amplitud de la salida se acerca a los rieles de voltaje de la fuente de alimentación , el amplificador comienza a saturarse en los picos (superior e inferior) de la onda sinusoidal, aplanando o " recortando " los picos. ^[18] Dado que la salida del amplificador ya no puede aumentar con el aumento de la entrada, mayores aumentos en la amplitud hacen que la ganancia equivalente del amplificador y, por lo tanto, la ganancia del bucle disminuyan. ^[30] La amplitud de la onda sinusoidal, y el recorte resultante, continúa creciendo hasta que la ganancia del bucle se reduce a la unidad, , satisfaciendo el criterio de Barkhausen, punto en el que la amplitud se nivela y se logra el funcionamiento en estado estable , ^[16] con la salida de una onda sinusoidal ligeramente distorsionada con amplitud pico determinada por el voltaje de suministro. Este es un equilibrio estable; si la amplitud de la onda sinusoidal aumenta por alguna razón, el aumento del recorte de la salida hace que la ganancia del bucle caiga por debajo de uno temporalmente, reduciendo la amplitud de la onda sinusoidal de nuevo a su valor de ganancia unitaria. De manera similar, si la amplitud de la onda disminuye, el recorte reducido hará que la ganancia del bucle aumente por encima de uno, aumentando la amplitud. ${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|\;=\;1\,}$ ${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|}$

La cantidad de distorsión armónica en la salida depende de la cantidad de ganancia de bucle excedente que tenga el circuito: ^{[30] [31] [18] [11]}

• Si la ganancia del bucle de señal pequeña se hace cercana a uno, apenas un poco mayor, la forma de onda de salida tendrá una distorsión mínima y la frecuencia será más estable e independiente del voltaje de suministro y la impedancia de carga. Sin embargo, el oscilador puede tardar en arrancar y una pequeña disminución en la ganancia debido a una variación en los valores de los componentes puede impedir que oscile.
• Si la ganancia del bucle de señal pequeña se hace significativamente mayor que uno, el oscilador se pone en marcha más rápido, pero se produce un recorte más severo de la onda sinusoidal y, por lo tanto, aumenta la distorsión resultante de la forma de onda de salida. La frecuencia de oscilación se vuelve más dependiente de la tensión de alimentación y de la corriente consumida por la carga. ^[18]

Una excepción a lo anterior son los circuitos osciladores de alto Q , como los osciladores de cristal ; el ancho de banda estrecho del cristal elimina los armónicos de la salida, produciendo una onda sinusoidal "pura" casi sin distorsión incluso con grandes ganancias de bucle.

Procedimiento de diseño

Dado que los osciladores dependen de la no linealidad para su funcionamiento, las técnicas habituales de análisis de circuitos de dominio de frecuencia lineal utilizadas para amplificadores basados ​​en la transformada de Laplace , como el lugar de las raíces y los gráficos de ganancia y fase ( diagramas de Bode ), no pueden capturar su comportamiento completo. ^[29] Para determinar el comportamiento de arranque y transitorio y calcular la forma detallada de la forma de onda de salida, se utilizan programas informáticos de simulación de circuitos electrónicos como SPICE . ^[29] Un procedimiento de diseño típico para circuitos de osciladores es utilizar técnicas lineales como el criterio de estabilidad de Barkhausen o el criterio de estabilidad de Nyquist para diseñar el circuito, utilizar una regla general para elegir la ganancia de bucle, luego simular el circuito en la computadora para asegurarse de que se inicia de manera confiable y para determinar los aspectos no lineales de la operación, como la distorsión armónica. ^{[11] [29] [31]} Los valores de los componentes se ajustan hasta que los resultados de la simulación sean satisfactorios. Las oscilaciones distorsionadas de los osciladores del mundo real (no lineales) se denominan ciclos límite y se estudian en la teoría de control no lineal .

Osciladores estabilizados en amplitud

En aplicaciones en las que se necesita una onda sinusoidal "pura" con muy baja distorsión , como los generadores de señales de precisión , se suele utilizar un componente no lineal en el bucle de retroalimentación que proporciona una reducción de ganancia "lenta" con la amplitud. Esto estabiliza la ganancia del bucle a una amplitud por debajo del nivel de saturación del amplificador, de modo que no sature ni "recorte" la onda sinusoidal. Las redes de diodos de resistencia y los FET se utilizan a menudo para el elemento no lineal. Un diseño más antiguo utiliza un termistor o una bombilla incandescente común ; ambos proporcionan una resistencia que aumenta con la temperatura a medida que aumenta la corriente a través de ellos.

A medida que aumenta la amplitud de la corriente de señal que pasa a través de ellos durante el arranque del oscilador, la resistencia creciente de estos dispositivos reduce la ganancia del bucle. La característica esencial de todos estos circuitos es que el circuito de control de ganancia no lineal debe tener una constante de tiempo larga , mucho más larga que un solo período de la oscilación. Por lo tanto, durante un solo ciclo actúan como elementos prácticamente lineales y, por lo tanto, introducen muy poca distorsión. El funcionamiento de estos circuitos es algo análogo a un circuito de control automático de ganancia (AGC) en un receptor de radio. El oscilador de puente Wein es un circuito ampliamente utilizado en el que se utiliza este tipo de estabilización de ganancia.

Limitaciones de frecuencia

A altas frecuencias, resulta difícil implementar físicamente osciladores de retroalimentación debido a las deficiencias de los componentes. Dado que a altas frecuencias el circuito tanque tiene una capacitancia e inductancia muy pequeñas, la capacitancia parásita y la inductancia parásita de los cables de los componentes y las trazas de PCB se vuelven significativas. Estas pueden crear rutas de retroalimentación no deseadas entre la salida y la entrada del dispositivo activo, creando inestabilidad y oscilaciones a frecuencias no deseadas ( oscilación parásita ). Las rutas de retroalimentación parásitas dentro del propio dispositivo activo, como la capacitancia entre electrodos entre la salida y la entrada, hacen que el dispositivo sea inestable. La impedancia de entrada del dispositivo activo cae con la frecuencia, por lo que puede cargar la red de retroalimentación. Como resultado, los osciladores de retroalimentación estables son difíciles de construir para frecuencias superiores a 500 MHz, y los osciladores de resistencia negativa se utilizan generalmente para frecuencias superiores a esta.

Historia

Los primeros osciladores prácticos se basaron en arcos eléctricos , que se utilizaron para iluminación en el siglo XIX. La corriente a través de un arco de luz es inestable debido a su resistencia negativa , y a menudo se rompe en oscilaciones espontáneas, lo que hace que el arco emita sonidos silbantes, zumbidos o aullidos ^{[36] : p.161–165} que habían sido observados por Humphry Davy en 1821, Benjamin Silliman en 1822, ^[37] Auguste Arthur de la Rive en 1846, ^[38] y David Edward Hughes en 1878. ^[39] Ernst Lecher en 1888 demostró que la corriente a través de un arco eléctrico podía ser oscilatoria. ^{[40] [41] [42]}

Un oscilador fue construido por Elihu Thomson en 1892 ^{[43] [44]} colocando un circuito sintonizado LC en paralelo con un arco eléctrico e incluyó una explosión magnética. Independientemente, en el mismo año, George Francis FitzGerald se dio cuenta de que si la resistencia de amortiguamiento en un circuito resonante podía hacerse cero o negativa, el circuito produciría oscilaciones y, sin éxito, intentó construir un oscilador de resistencia negativa con un dinamo, lo que ahora se llamaría un oscilador paramétrico . ^{[45] [36] : p.161–165} El oscilador de arco fue redescubierto y popularizado por William Duddell en 1900. ^{[46] [47]} Duddell, un estudiante del London Technical College, estaba investigando el efecto del arco silbante. Duddell conectó un circuito LC (circuito sintonizado) a los electrodos de una lámpara de arco, y la resistencia negativa del arco excitó la oscilación en el circuito sintonizado. ^{[36] : p.161–165} Parte de la energía fue irradiada como ondas sonoras por el arco, produciendo un tono musical. Duddell demostró su oscilador ante el Instituto de Ingenieros Eléctricos de Londres conectando secuencialmente diferentes circuitos sintonizados a través del arco para tocar el himno nacional " God Save the Queen ". ^{[36] : p.161–165} El "arco cantante" de Duddell no generó frecuencias por encima del rango de audio. En 1902, los físicos daneses Valdemar Poulsen y PO Pederson pudieron aumentar la frecuencia producida en el rango de radio al operar el arco en una atmósfera de hidrógeno con un campo magnético, inventando el transmisor de radio de arco Poulsen , el primer transmisor de radio de onda continua, que se utilizó hasta la década de 1920. ^{[48] [49] [50]}

Oscilador de 120 MHz de 1938 que utiliza un resonador de línea de transmisión de varillas paralelas ( línea Lecher ). Las líneas de transmisión se utilizan ampliamente para osciladores UHF.

El oscilador de retroalimentación de tubo de vacío se inventó alrededor de 1912, cuando se descubrió que la retroalimentación ("regeneración") en el recientemente inventado tubo de vacío de audión (triodo) podía producir oscilaciones. Al menos seis investigadores hicieron este descubrimiento de forma independiente, aunque no se puede decir que todos ellos hayan tenido un papel en la invención del oscilador. ^{[51] [52]} En el verano de 1912, Edwin Armstrong observó oscilaciones en circuitos de receptores de radio de audión ^[53] y luego utilizó la retroalimentación positiva en su invención del receptor regenerativo . ^{[54] [55]} El austriaco Alexander Meissner descubrió de forma independiente la retroalimentación positiva e inventó los osciladores en marzo de 1913. ^{[53] [56]} Irving Langmuir en General Electric observó la retroalimentación en 1913. ^[56] Fritz Lowenstein puede haber precedido a los demás con un oscilador rudimentario a fines de 1911. ^[57] En Gran Bretaña, HJ Round patentó circuitos amplificadores y oscilantes en 1913. ^[53] En agosto de 1912, Lee De Forest , el inventor del audión, también había observado oscilaciones en sus amplificadores, pero no entendió el significado y trató de eliminarlo ^{[58] [59]} hasta que leyó las patentes de Armstrong en 1914, ^[60] que rápidamente impugnó. ^[61] Armstrong y De Forest libraron una prolongada batalla legal por los derechos del circuito oscilador "regenerativo" ^{[61] [62]} que ha sido llamada "el litigio de patentes más complicado en la historia de la radio". ^[63] De Forest finalmente ganó ante la Corte Suprema en 1934 por razones técnicas, pero la mayoría de las fuentes consideran que la demanda de Armstrong es la más sólida. ^{[59] [61]}

El primer y más ampliamente utilizado circuito oscilador de relajación, el multivibrador astable , fue inventado en 1917 por los ingenieros franceses Henri Abraham y Eugene Bloch. ^{[64] [65] [66]} Llamaron a su circuito de tubo de vacío doble y acoplado cruzado un multivibrador , porque la señal de onda cuadrada que producía era rica en armónicos , ^{[65] [66]} en comparación con la señal sinusoidal de otros osciladores de tubo de vacío.

Los osciladores de retroalimentación de tubo de vacío se convirtieron en la base de la transmisión de radio en 1920. Sin embargo, el oscilador de tubo de vacío de triodo tuvo un rendimiento deficiente por encima de los 300 MHz debido a la capacitancia entre electrodos. ^[67] Para alcanzar frecuencias más altas, se desarrollaron nuevos tubos de vacío de "tiempo de tránsito" (modulación de velocidad), en los que los electrones viajaban en "racimos" a través del tubo. El primero de ellos fue el oscilador Barkhausen-Kurz (1920), el primer tubo que produjo energía en el rango UHF . Los más importantes y ampliamente utilizados fueron el klistrón (R. y S. Varian, 1937) y el magnetrón de cavidad (J. Randall y H. Boot, 1940).

Las condiciones matemáticas para las oscilaciones de retroalimentación, ahora llamadas criterio de Barkhausen , fueron derivadas por Heinrich Georg Barkhausen en 1921. El primer análisis de un modelo de oscilador electrónico no lineal, el oscilador de Van der Pol , fue realizado por Balthasar van der Pol en 1927. ^[68] Demostró que la estabilidad de las oscilaciones ( ciclos límite ) en osciladores reales se debía a la no linealidad del dispositivo amplificador. Originó el término "oscilación de relajación" y fue el primero en distinguir entre osciladores lineales y de relajación. Hendrik Wade Bode y Harry Nyquist ^[69] realizaron avances adicionales en el análisis matemático de la oscilación en la década de 1930. En 1969, Kaneyuki Kurokawa derivó las condiciones necesarias y suficientes para la oscilación en circuitos de resistencia negativa, ^[70] que forman la base del diseño moderno de osciladores de microondas. ^[10]

Véase también

• Oscilador bloqueado por inyección
• Oscilador controlado numéricamente
• Oscilador de interacción extendida
• Variador de frecuencia
• Resonador acústico de película fina a granel

Referencias

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Lectura adicional

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Enlaces externos

• Howstuffworks: oscilador.
• Rarezas del oscilador.
• Tutorial sobre generación de frecuencia de precisión.