Los circuitos osciladores electrónicos lineales , que generan una señal de salida sinusoidal , están compuestos por un amplificador y un elemento selectivo de frecuencia , un filtro . Un circuito oscilador lineal que utiliza una red RC , una combinación de resistencias y condensadores , para su parte selectiva de frecuencia se llama oscilador RC .
Los osciladores RC son un tipo de oscilador de retroalimentación ; Consisten en un dispositivo amplificador, un transistor , un tubo de vacío o un amplificador operacional , con parte de su energía de salida devuelta a su entrada a través de una red de resistencias y condensadores , una red RC , para lograr una retroalimentación positiva , lo que hace que genere un voltaje sinusoidal oscilante. [1] [2] [3] Se utilizan para producir frecuencias más bajas , principalmente frecuencias de audio , en aplicaciones tales como generadores de señales de audio e instrumentos musicales electrónicos. [4] [5] En frecuencias de radio , se utiliza otro tipo de oscilador de retroalimentación, el oscilador LC, pero en frecuencias inferiores a 100 kHz el tamaño de los inductores y condensadores necesarios para el oscilador LC se vuelve engorroso y en su lugar se utilizan osciladores RC. [6] Su falta de inductores voluminosos también los hace más fáciles de integrar en dispositivos microelectrónicos. Dado que la frecuencia del oscilador está determinada por el valor de las resistencias y condensadores, que varían con la temperatura, los osciladores RC no tienen una estabilidad de frecuencia tan buena como los osciladores de cristal .
La frecuencia de oscilación está determinada por el criterio de Barkhausen , que dice que el circuito sólo oscilará en frecuencias para las cuales el desplazamiento de fase alrededor del bucle de retroalimentación es igual a 360° (2π radianes) o un múltiplo de 360°, y la ganancia del bucle (la amplificación alrededor del circuito de retroalimentación) es igual a uno. [7] [1] El propósito de la red RC de retroalimentación es proporcionar el cambio de fase correcto a la frecuencia de oscilación deseada para que el bucle tenga un cambio de fase de 360°, de modo que la onda sinusoidal , después de pasar por el bucle, esté en fase con la onda sinusoidal al principio y reforzarla, dando como resultado una retroalimentación positiva. [6] El amplificador proporciona ganancia para compensar la energía perdida a medida que la señal pasa a través de la red de retroalimentación, para crear oscilaciones sostenidas. Mientras la ganancia del amplificador sea lo suficientemente alta como para que la ganancia total alrededor del bucle sea la unidad o superior, el circuito generalmente oscilará.
En los circuitos osciladores RC que utilizan un único dispositivo amplificador inversor, como un transistor, un tubo o un amplificador operacional con la retroalimentación aplicada a la entrada inversora, el amplificador proporciona 180° del cambio de fase, por lo que la red RC debe proporcionar el otro. 180°. [6] Dado que cada condensador puede proporcionar un máximo de 90° de cambio de fase, los osciladores RC requieren al menos dos condensadores determinantes de frecuencia en el circuito (dos polos ), y la mayoría tiene tres o más, [1] con un número comparable de resistencias.
Esto hace que sintonizar el circuito a diferentes frecuencias sea más difícil que en otros tipos, como el oscilador LC, en el que la frecuencia está determinada por un único circuito LC, por lo que solo se debe variar un elemento. Aunque la frecuencia se puede variar en un rango pequeño ajustando un solo elemento del circuito, para sintonizar un oscilador RC en un rango amplio se deben variar dos o más resistencias o capacitores al unísono, lo que requiere que se agrupen mecánicamente en el mismo eje. [2] [8] La frecuencia de oscilación es proporcional a la inversa de la capacitancia o resistencia, mientras que en un oscilador LC la frecuencia es proporcional a la raíz cuadrada inversa de la capacitancia o inductancia. [9] Por lo tanto, un condensador variable dado en un oscilador RC puede cubrir un rango de frecuencia mucho más amplio. Por ejemplo, un condensador variable que podría variarse en un rango de capacitancia de 9:1 le dará a un oscilador RC un rango de frecuencia de 9:1, pero en un oscilador LC solo le dará un rango de 3:1.
A continuación se enumeran algunos ejemplos de circuitos osciladores RC comunes:
En el oscilador de cambio de fase, la red de retroalimentación está formada por tres secciones RC idénticas en cascada. [10] En el diseño más simple, los condensadores y resistencias de cada sección tienen el mismo valor y . Luego, en la frecuencia de oscilación, cada sección RC contribuye con un cambio de fase de 60° para un total de 180°. La frecuencia de oscilación es
La red de retroalimentación tiene una atenuación de 1/29, por lo que el amplificador operacional debe tener una ganancia de 29 para obtener una ganancia de bucle de uno para que el circuito oscile.
Otro diseño común es el oscilador "Twin-T", ya que utiliza dos circuitos RC "T" operados en paralelo. Un circuito es un RCR "T" que actúa como filtro de paso bajo . El segundo circuito es un CRC "T" que funciona como filtro de paso alto . Juntos, estos circuitos forman un puente que se sintoniza a la frecuencia de oscilación deseada. La señal en la rama CRC del filtro Twin-T se adelanta, en el RCR se retrasa, por lo que pueden cancelarse entre sí en frecuencia si ; si se conecta como retroalimentación negativa a un amplificador, y x>2, el amplificador se convierte en un oscilador. (Nota: .)
El oscilador de cuadratura utiliza dos integradores de amplificador operacional en cascada en un bucle de retroalimentación, uno con la señal aplicada a la entrada inversora o dos integradores y un inversor. La ventaja de este circuito es que las salidas sinusoidales de los dos amplificadores operacionales están desfasadas 90° (en cuadratura). Esto es útil en algunos circuitos de comunicación.
Es posible estabilizar un oscilador de cuadratura elevando al cuadrado las salidas de seno y coseno, sumándolas ( identidad trigonométrica pitagórica ), restando una constante y aplicando la diferencia a un multiplicador que ajusta la ganancia del bucle alrededor de un inversor. Estos circuitos tienen una respuesta de amplitud casi instantánea a la entrada constante y una distorsión extremadamente baja.
El criterio de Barkhausen mencionado anteriormente no determina la amplitud de la oscilación. Un circuito oscilador con componentes únicamente lineales es inestable con respecto a la amplitud. Mientras la ganancia del bucle sea exactamente uno, la amplitud de la onda sinusoidal será constante, pero el más mínimo aumento en la ganancia, debido a una desviación en el valor de los componentes, hará que la amplitud aumente exponencialmente sin límite. De manera similar, la más mínima disminución hará que la onda sinusoidal desaparezca exponencialmente hasta cero. Por lo tanto, todos los osciladores prácticos deben tener un componente no lineal en el bucle de retroalimentación, para reducir la ganancia a medida que aumenta la amplitud, lo que lleva a un funcionamiento estable en la amplitud donde la ganancia del bucle es la unidad.
En la mayoría de los osciladores comunes, la no linealidad es simplemente la saturación (recorte) del amplificador cuando la amplitud de la onda sinusoidal se acerca a los rieles de la fuente de alimentación. El oscilador está diseñado para tener una ganancia de bucle de señal pequeña mayor que uno. La ganancia más alta permite que un oscilador comience amplificando exponencialmente algún ruido siempre presente. [11]
A medida que los picos de la onda sinusoidal se acercan a los rieles de suministro, la saturación del dispositivo amplificador aplana (recorta) los picos, reduciendo la ganancia. Por ejemplo, el oscilador puede tener una ganancia de bucle de 3 para señales pequeñas, pero esa ganancia de bucle cae instantáneamente a cero cuando la salida llega a uno de los rieles de la fuente de alimentación. [12] El efecto neto es que la amplitud del oscilador se estabilizará cuando la ganancia promedio durante un ciclo sea uno. Si la ganancia promedio del bucle es mayor que uno, la amplitud de salida aumenta hasta que la no linealidad reduce la ganancia promedio a uno; Si la ganancia promedio del bucle es menor que uno, entonces la amplitud de salida disminuye hasta que la ganancia promedio sea uno. La no linealidad que reduce la ganancia también puede ser más sutil que toparse con un riel de suministro de energía. [13]
El resultado de este promedio de ganancia es cierta distorsión armónica en la señal de salida. Si la ganancia de la señal pequeña es un poco mayor que uno, entonces sólo se necesita una pequeña cantidad de compresión de ganancia, por lo que no habrá mucha distorsión armónica. Si la ganancia de la señal pequeña es mucho mayor que uno, entonces habrá una distorsión significativa. [14] Sin embargo, el oscilador debe tener una ganancia significativamente superior a uno para comenzar de manera confiable.
Entonces, en osciladores que deben producir una onda sinusoidal de muy baja distorsión , se utiliza un sistema que mantiene la ganancia aproximadamente constante durante todo el ciclo. Un diseño común utiliza una lámpara incandescente o un termistor en el circuito de retroalimentación. [15] [16] Estos osciladores aprovechan la resistencia de un filamento de tungsteno de la lámpara que aumenta en proporción a su temperatura (un termistor funciona de manera similar). La lámpara mide la amplitud de salida y controla la ganancia del oscilador al mismo tiempo. El nivel de señal del oscilador calienta el filamento. Si el nivel es demasiado alto, la temperatura del filamento aumenta gradualmente, la resistencia aumenta y la ganancia del bucle cae (disminuyendo así el nivel de salida del oscilador). Si el nivel es demasiado bajo, la lámpara se enfría y aumenta la ganancia. El oscilador HP200A de 1939 utiliza esta técnica. Las variaciones modernas pueden utilizar detectores de nivel explícitos y amplificadores controlados por ganancia.
Uno de los circuitos con ganancia estabilizada más comunes es el oscilador del puente de Viena . [17] En este circuito se utilizan dos circuitos RC, uno con los componentes RC en serie y otro con los componentes RC en paralelo. El Puente de Viena se utiliza a menudo en generadores de señales de audio porque se puede sintonizar fácilmente utilizando un condensador variable de dos secciones o un potenciómetro variable de dos secciones (que se obtiene más fácilmente que un condensador variable adecuado para generación a bajas frecuencias). El oscilador de audio arquetípico HP200A es un oscilador de Puente de Viena.
Medios relacionados con los osciladores RC en Wikimedia Commons
