Dispositivos Semicondutores - Osciladores
Um oscilador é um circuito eletrônico que gera oscilações sinusoidais conhecidas como sinusoidal oscillator. Ele converte a energia de entrada de uma fonte CC em energia de saída CA de forma de onda periódica, em uma frequência específica e com amplitude conhecida. A característica do oscilador é que ele mantém sua saída CA.
A figura a seguir mostra um amplificador com sinal de feedback, mesmo na ausência de um sinal de entrada aplicado externamente. Um oscilador sinusoidal é essencialmente uma forma de amplificador de feedback, onde requisitos especiais são colocados no ganho de tensãoAv e as redes de feedback β.
Considere o amplificador de feedback da figura acima, onde a tensão de feedback V f = βV O fornece toda a tensão de entrada
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Ou $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Se uma tensão de saída for produzida, a tensão de entrada não pode ser zero. Portanto, para que V i exista, a Equação (2) requer que
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Ou $ A_V \ beta = 1 $ (3)
Equação (3) é conhecida como “Barkhausen criterion”, que estabelece dois requisitos básicos para oscilação -
O ganho de tensão em torno do amplificador e do loop de feedback, chamado de ganho do loop, deve ser unitário ou $ A_V \ beta = 1 $.
O deslocamento de fase entre $ V_i $ e $ V_f $, denominado deslocamento de fase do loop, deve ser zero.
Se essas duas condições forem satisfeitas, o amplificador de feedback da figura acima irá gerar uma forma de onda de saída senoidal de forma consistente.
Vamos agora discutir em detalhes sobre alguns circuitos osciladores típicos.
Oscilador de mudança de fase
Um circuito oscilador que segue o progresso fundamental de um circuito de feedback é o oscilador de deslocamento de fase. Um oscilador de deslocamento de fase é mostrado na figura a seguir. Os requisitos para oscilação são que o ganho da malha (βA) deve ser maior que a unidade e o deslocamento de fase entre a entrada e a saída deve ser 360 o .
O feedback é fornecido da saída da rede RC de volta para a entrada do amplificador. O estágio do amplificador op-amp fornece uma mudança inicial de 180 graus e a rede RC introduz uma quantidade adicional de mudança de fase. Em uma frequência específica, a mudança de fase introduzida pela rede é exatamente 180 graus, então o loop será de 360 graus e a tensão de feedback está na tensão de entrada de fase.
O número mínimo de estágios RC na rede de feedback é três, pois cada seção fornece 60 graus de mudança de fase. O oscilador RC é ideal para a faixa de frequências de áudio, de alguns ciclos a aproximadamente 100 KHz. Nas frequências mais altas, a impedância da rede torna-se tão baixa que pode carregar seriamente o amplificador, reduzindo assim seu ganho de tensão abaixo do valor mínimo exigido, e as oscilações cessarão.
Em baixas frequências, o efeito de carregamento geralmente não é um problema e os grandes valores de resistência e capacitância necessários estão prontamente disponíveis. Usando a análise de rede básica, a oscilação de frequência pode ser expressa como
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Oscilador da ponte Wien
Um circuito oscilador prático usa um amplificador operacional e circuito de ponte RC, com a frequência do oscilador definida pelo R e Ccomponentes. A figura a seguir mostra uma versão básica de um circuito oscilador de ponte de Wien.
Observe a conexão de ponte básica. Os resistores R 1 e R 2 e os capacitores C 1 e C 2 formam os elementos de ajuste de frequência, enquanto os resistores R 3 e R 4 fazem parte do caminho de feedback.
Nesta aplicação, a tensão de entrada (V i ) para a ponte é a tensão de saída do amplificador e a tensão de saída (V o ) da ponte é o feedback para a entrada do amplificador. Negligenciando os efeitos de carregamento das impedâncias de entrada e saída do amplificador operacional, a análise do circuito de ponte resulta em
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
e
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Se R 1 = R 2 = R e C 1 = C 2 = C, a frequência do oscilador resultante é
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Hartley Oscillator
A figura a seguir mostra o oscilador Hartley. É um dos circuitos de RF mais comuns. É normalmente usado como o oscilador local em um receptor de broadcast de comunicação. O transistor de junção bipolar na conexão emissora comum é o amplificador de tensão e é polarizada por um circuito de polarização universal consistindo de R 1 , R 2 , R E . O capacitor de bypass do emissor (C E ) aumenta o ganho de tensão desse único estágio do transistor.
O Radio Frequency Choke (RFC) no circuito do coletor atua como um circuito aberto na frequência de RF e evita que a energia de RF entre na fonte de alimentação. O circuito tanque consiste em L 1 , L 2 e C. A frequência das oscilações é determinada pelo valor de L 1 , L 2 e C e é determinada pelas oscilações na frequência ressonante do circuito tanque LC. Esta frequência ressonante é expressa como
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
O sinal de saída pode ser retirado do coletor por acoplamento capacitivo, desde que a carga seja grande e a frequência de oscilação não seja afetada.
Piezoeletricidade
As propriedades piezoelétricas são exibidas por uma série de substâncias cristalinas naturais, das quais as mais importantes são o quartzo, o sal de Rochelle e a turmalina. Quando uma tensão senoidal é aplicada a esses materiais, eles vibram na frequência de tensão aplicada.
Por outro lado, quando esses materiais são comprimidos e colocados sob tensão mecânica para vibrar, eles produzem uma tensão sinusoidal equivalente. Portanto, esses materiais são chamados de cristal piezoelétrico. O quartzo é o cristal piezoelétrico mais popular.
Oscilador de cristal
O diagrama do circuito do oscilador de cristal é mostrado na figura a seguir.
O cristal aqui atua como um circuito sintonizado. O circuito equivalente de um cristal é dado abaixo.
Um oscilador de cristal tem duas frequências ressonantes: frequência ressonante em série e frequência ressonante paralela.
Freqüência Ressonante Série
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Freqüência Ressonante Paralela
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
As duas frequências de ressonância são quase iguais, já que C / Cm é muito pequeno. Na figura acima, o cristal está conectado para operar no modo ressonante paralelo.
Os resistores R 1 , R 2 , R E e o transistor juntos formam um circuito amplificador. Os resistores R 1 e R 2 fornecem uma polarização DC estabilizada por tensão. O capacitor (C E ) fornece bypass AC do resistor emissor (R E ) e o RFC fornece alta impedância para a frequência gerada pelo oscilador, de forma que eles não entrem nas linhas de força.
O cristal está em paralelo com os capacitores C 1 e C 2 e permite a realimentação de tensão máxima do coletor ao emissor, quando sua impedância é máxima. Em outras frequências, a impedância do cristal é baixa e, portanto, o feedback resultante é muito pequeno para sustentar as oscilações. A frequência do oscilador é estabilizada na frequência ressonante paralela do cristal.