TEMA 10 Generadores de señal

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1 Tema 0 TEMA 0 Generadores de señal 0..- Inroducción La función de un generador de señal es producir una señal dependiene del iempo con unas caracerísicas deerminadas de frecuencia, ampliud y forma. Algunas veces esas caracerísicas son exernamene conroladas a ravés de señales de conrol; el oscilador conrolado por ensión (volage-conrolled oscillaor o VO) es un claro ejemplo. Para ejecuar la función de los generadores de señal se emplea algún ipo de realimenación conjunamene con disposiivos que engan caracerísicas dependienes del iempo (normalmene condensadores). Hay dos caegorías de generadores de señal: osciladores sinonizados o sinusoidales y osciladores de relajación. Los osciladores sinonizados emplean un sisema que en eoría crea pares de polos conjugados exacamene en el eje imaginario para manener de una manera sosenida una oscilación sinusoidal. Los osciladores de relajación emplean disposiivos biesables ales como conmuadores, disparadores Schmi, pueras lógicas, comparadores y flip-flops que repeidamene cargan y descargan condensadores. Las formas de onda ípicas que se obiene con ese úlimo méodo son del ipo riangular, cuadrada, exponencial o de pulso Principios básicos de los osciladores sinusoidales Los osciladores sinusoidales juegan un papel imporane en los sisema elecrónicos que uilizan señales armónicas. A pesar de que en numerosas ocasiones se les denomina osciladores lineales, es preciso uilizar alguna caracerísica no-lineal para generar una onda de salida sinusoidal. De hecho, los osciladores son esencialmene no-lineales lo que complica las écnicas de diseño y análisis de ese ipo de circuios. El diseño de osciladores se realiza en dos fases: una lineal, basado en méodos en el dominio frecuencial que uilizan análisis de circuios realimenados, y ora no-lineal, que uiliza mecanismos no lineales para el conrol de la ampliud. Un oscilador es básicamene un circuio auónomo, es decir, es capaz de generar una señal periódica sinusoidal sin necesidad de aplicar ninguna enrada. Una diferencia fundamenal respeco a los circuios mulivibradores es que esos úlimos son circuios no lineales (basados en comparadores, disparadores de Schmi,...) frene a los circuios cuasi-lineales de los osciladores. La calidad de la onda sinusoidal se expresa a ravés del coeficiene de disorsión armónica oal (oal harmonic disorion o THD), definido como I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

2 Elecronica Básica para Ingenieros 2 THD = D2 + D3 2 + D (0.) donde D k represena la relación enre la ampliud del armónico k y el armónico fundamenal descria en series de Fourier. Por ejemplo, la ransformada de Fourier de una onda riangular únicamene iene armónicos impares (los pares son nulos) cuya ampliud relaiva al armónico fundamenal vale /k 2. En ese caso, el THD oma el valor THD = (0.2) Es decir, una onda riangular es una grosera aproximación de una onda sinusoidal con un THD del 2%. Es evidene que el objeivo de los osciladores sinusoidales es generar señales con THD=0. Mezclador X s +X f =X i + Amplificador Básico A Señal de salida X o =AX i X f =ßX o ed de realimenación ß Figura 0.. Esrucura básica de un oscilador sinusoidal. La esrucura básica de un oscilador sinusoidal consise en un amplificador (A) y una red seleciva de frecuencia (ß) conecada en un lazo de realimenación posiiva al como se muesra en el diagrama de bloques la figura 0.. Aunque en un oscilador no exise señal de enrada, es posible obener la ganancia de lazo del amplificador realimenado (A f ) que, debido a la realimenación posiiva, es de la forma A Af = A (0.3) donde A=A(ƒ) y ß=ß(ƒ) dependen de la frecuencia ƒ. Si exise una frecuencia ƒ o que ßA=, enonces el valor de A f en la ecuación 0.3 es infinio. Es decir, a esa frecuencia el circuio iene salida finia para una enrada cero; al circuio por definición es un oscilador. La condición del circuio realimenado que proporciona oscilaciones sinusoidales de frecuencia oscilación ƒ o es ( ƒo) A( ƒ o) = (0.4) El crierio de Barkhausen esablece esas condiciones de oscilación: a la frecuencia ƒ o, la fase de la ganancia de lazo debe ser 0+2kπ y la magniud de la ganancia de lazo debe ser. Expresado más formalmene, el crierio de Barkhausen de oscilación exige que fase( ( ƒo) A( ƒo) )= 0+ 2kπ ( ƒo) A( ƒ o) = (0.5) 70 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

3 Tema onrol no-lineal de la ampliud En odo oscilador prácico, la ganancia de lazo (ßA) iene que ser ligeramene mayor que la unidad para eviar que los parámeros de olerancia de los componenes, envejecimieno, efecos de la emperaura,..., haga que ßA < y el circuio no verifique una de las condiciones de oscilación especificadas en la ecuación 0.5, en cuyo caso el circuio dejará de oscilar. Por ora pare, si ßA > las ampliudes de oscilación crecen en ampliud y originarán señales sinusoidales de salida con fuere disorsión armónica (THD elevado). Por ello, es necesario un mecanismo que ajuse el valor de ßA= basado en un circuio de conrol de ganancia no-lineal del amplificador. Ese circuio hace que ßA>~ para valores de ampliud de salida bajos hasa que se alcanza un valor deerminado de salida en cuyo caso ßA=. Un ejemplo ípico de un circuio de ganancia no-lineal, ambién conocido como circuio limiador, se presena en la figura 0.2.a. Uiliza dos diodos D y D2 que en función de su esado o no de conducción, varía la ganancia del amplificador al como se indica en la VT de la figura 0.2.b. Para ensiones de salida bajas, ambos diodos esán en core y la ganancia del amplificador vale f /. En ese caso, aplicando el principio de superposición, las ensiones V A y V B se pueden expresar en érminos de ± y como VA = V VB = V 3 + Vo Vo (0.6) El diodo D esá en conducción cuando V A V D = 0.7 V y el D2 cuando V B V D =0.7 V, en cuyo caso la ganancia del amplificador disminuye a ( f 3 )/ y ( f 4 )/ respecivamene. La ensiones de salida que hacen enrar a esos diodos en conducción vienen dadas por la siguienes expresiones: L V ± = 3 VD L V = VD (0.7) D 2 V A 3 f 4 D2 ON L + f Vo D2 4 V B 5 D y D2 OFF L f f 3 D ON a) b) I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

4 Elecronica Básica para Ingenieros ircuios osciladores -OA Figura 0.2. a) ircuio de ganancia no-lineal; b) VT. En ese aparado se esudian algunos osciladores prácicos que uilizan amplificadores operacionales y redes Oscilador de puene de Wien El oscilador de puene de Wien, al como aparece en el esquema básico de la figura 0.3.a, esá consiuido por un OA en configuración no-inversora de ganancia + 2 / y una red de realimenación cuya función de ransferencia es donde V a Zp = = Vo Zp + Zs Zp = = jw jw y Z s = + + jw (0.8) (0.9) Susiuyendo 0.9 en 0.8 y operando se obiene La ganancia de lazo (ßA) vale = + j 3 w w (0.0) A + 2 = + j 3 w w (0.) D 2 V A 3 V a 2 Z s Z p =5V =0kΩ 2 =3kΩ 3 =kω 4 =20.3kΩ =0kΩ =6nF V a 4 D2 Vo 3 V B 2 a) b) 72 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

5 Tema 0 Figura 0.3. a) Esquema básico de un oscilador de puene de Wien; b) Oscilador de puene de Wien con conrol de ampliud. El crierio de Barkhausen esablece las condiciones de oscilación a la frecuencia ƒ o : fase( ( ƒo) A( ƒo) )= 0+ 2kπ ƒ o = 2π ( ƒo) A( ƒ o) = 2 = 2 (0.2) Para asegurar las condiciones de oscilación es necesario elegir 2 / ligeramene superior a 2 para corregir pequeñas variaciones en el circuio. Además, la ampliud de oscilación puede ser deerminada y esabilizada uilizando un circuio no-lineal como el que se muesra en la figura 0.3.b. Los diodos D y D2 y las resisencias 2 y 3 acúan como limiadores de ampliud de salida. K V 4 V V 2 V 3 ed de ealimenación 0 = ( V 3 V 4 )jw + V 3 + ( V 3 V 2 )jw 0 = ( V 2 V 3 )jw + V 2 + ( V 2 V )jw 0 = ( V V 2 )jw + V a) b) Figura 0.4. a) Esquema básico de un oscilador de cambio de fase; b) Ecuaciones de la red de realimenación Oscilador de cambio de fase El oscilador de cambio de fase, cuya esrucura básica se describe en la figura 0.4.a, consise en un amplificador de ganancia negaiva (-K) y una realimenación consiuida por una sección de ercer orden en escalera. La condición de oscilación exige que la red de realimenación inroduzca un desfase de 80 para ser compaible con la ganancia negaiva del amplificador que inroduce a su vez oro desfase de 80. En la figura 0.4.b se indica las ecuaciones de la red de realimenación. Pariendo de esas ecuaciones y ras realizar una serie de operaciones, se puede comprobar que la expresión de la ganancia de lazo es A V V K = 4 = V V4 5 6 j ( w ) 2 w ( w ) 3 (0.3) Las condiciones de oscilación esablecen el valor de ƒ o y el valor de K dados por fase( A )= 0+ 2kπ ƒ o = 2π 6 A = K 29 (0.4) I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

6 Elecronica Básica para Ingenieros =5V =00kΩ p =300kΩ 2 =3kΩ 3 =kω =0kΩ =6nF f = + p p 2 V D 3 3 Vo D2 2 Figura 0.5. Oscilador de cambio de fase con limiador de ampliud. B D Z i S S B2 E E ' ƒ o = 2π 6+ 4 ƒ o = 2π 6 hfe > y = + Zi a) b) Figura 0.6. Oscilador de cambio de fase basado en un a) FET y en un b) BJT. Ejemplos prácicos de ese ipo de osciladores se muesran en las figuras 0.5, 0.6.b y 0.6.c. En la figura 0.5 el oscilador esá basado en un OA cuya ganancia ( f /) se ajusa a ravés del poenciómero p y iene un limiador de ampliud en la salida a ravés de los diodos D y D2. En las figuras 0.6.a y 0.6.b se presenan dos osciladores que uilizan componenes discreos. El primero esá basado en un amplificador FET cuya ganancia es A gm D rd = ( ) (0.5) 74 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

7 Tema 0 y el segundo esá basado en un amplificador BJT cuya h fe y Z i deben verificar las relaciones indicadas en la figura con una frecuencia de oscilación que depende de Osciladores L Un oscilador muy sencillo se puede consruir con una eapa amplificadora y un red induciva-capaciiva (L) que proporcione un desplazamieno de -80. La frecuencia de oscilación puede ser fácilmene ajusada, o sinonizada (uned), sobre un rango de frecuencias que varían desde unos 00kHz hasa cienos de MHz cambiando únicamene el valor de la o L. Esos osciladores L sinonizados son usados en gran variedad de aplicaciones incluyendo radioransmisores, recepores de AM y FM y generadores de onda sinusoidal. Los osciladores L más conocidos son: a) oscilador de olpis y b) oscilador de Harley. Su diferencia se encuenra en la red de realimenación: el oscilador de olpis uiliza un divisor capaciivo en paralelo con una auoinducción y el oscilador de Harley uiliza un divisor inducivo en paralelo con una capacidad, es decir, ambos son duales. F F 2 2 L S B S 2 2 L B2 E E L a) b) c) Figura 0.7. Oscilador olpis basado en un a) JFET, b) BJT y c) OA. En la figura 0.7 se indican res posibles configuraciones de un oscilador olpis basado en ransisores FET y BJT, y en un OA aunque no suelen ser uilizado por su limiación en frecuencia; la auoinducción F sirve para aislar la línea de alimenación del oscilador, es decir, su valor es suficienemene alo para impedir que la señal sinusoidal se ransmia a la alimenación. Si la frecuencia de oscilación (ƒ o ) es suficienemene baja para considerar despreciable los efecos capaciivos inernos de los ransisores y el OA, y si la auoinducción L iene una resisencia inerna despreciable, enonces la frecuencia de oscilación será deerminada por la red L (ambién conocida en muchos casos con el nombre de circuio anque o ank porque se compora como una depósio de energía de almacenamieno). Para el oscilador olpis, esa frecuencia es I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

8 Elecronica Básica para Ingenieros ƒ o = 2π L y Av > 2 (0.6) Esa relación debe ser combinada con la ganancia de la eapa amplificadora para asegurar las condiciones de oscilación. F F L circuio "ank" L 2 S B G S G L L 2 B2 E E a) b) Figura 0.8. Oscilador Harley basado en un a) FET y b) BJT. De la misma manera, la frecuencia de oscilación de los osciladores Harley mosrados en la figura 0.8 viene dada por ƒ o = 2π L+ L2 ( ) y L Av > 2 L (0.7) Osciladores de crisal Un crisal de cuarzo presena la propiedad denominada efeco piezoelécrico por el cual al aplicar una presión mecánica a ravés de la superficie del crisal ése desarrolla una ensión en la caras opuesas. De una manera similar, una ensión aplicada en las caras del crisal origina una disorsión mecánica en su superficie. Una ensión alerna produce vibraciones mecánicas cuya frecuencia naural es muy esable y depende de la nauraleza y allado del crisal. El modelo circuial equivalene de un crisal de cuarzo (figura 0.9.a) esá caracerizado por una inducancia L muy elevada (unos pocos Henrios), una capacidad en serie muy pequeña s (<0.5pF), una resisencia en serie r (unos cienos de Ω), y una capacidad paralela p (unos pocos pf) que represena la capacidad elecrosáica enre las dos caras del crisal. El facor de calidad Q es muy alo (>20000). Si se desprecia r, la impedancia del crisal 76 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

9 Tema 0 Z(jw) viene dada por Zjw ( ) = jwp + jwl + / jws (0.8) eacancia del crisal L s r p 0 w s w p w a) b) Figura 0.9. risal piezoelécrico: a) Símbolo y equivalene circuial; b) eacancia del crisal. La ecuación 0.8 indica que el crisal iene dos frecuencias de resonancia: una resonancia en serie w s y una en paralelo w p dadas por las siguienes ecuaciones ( ) ws = / Ly s wp = / L s p/ s + p (0.9) La ecuación 0.8 se puede reescribir de la forma 2 2 w w Zjw ( )= j s w 2 2 p w wp (0.20) en donde w p >w s dado que p >> s. Una represenación gráfica de la reacancia Z(jw) se muesra en la figura 0.9.b. B XTAL F XTAL F G B2 E G S E S a) b) Figura 0.0. Oscilador de crisal usando una realimenación ipo serie: a) ircuio basado en un BJT, b) I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

10 Elecronica Básica para Ingenieros ircuio basado en un JFET Oscilador de crisal resonane en serie Un crisal exciado en modo resonancia en serie debe ser conecado a la realimenación del circuio en configuración serie. En esa configuración su impedancia más baja se produce para w s y, de esa manera, el facor de realimenación es mayor. Las figuras 0.0.a y 0.0.b presenan dos osciladores con esrucura resonane en serie. omo resulado, la frecuencia de oscilación del circuio es esable e insensible a variaciones de los parámeros del circuio Oscilador de crisal resonane en paralelo Un crisal exciado en modo resonancia en paralelo iene máxima impedancia a la frecuencia w p. El crisal de la figura 0..a acúa como un elemeno inducor en un oscilador modificado olpis cuya ensión de salida esá acoplada al emisor a ravés de y 2. El oscilador conrolado por crisal Miller de la figura 0..b uiliza un circuio L sinonizado de salida. La máxima ensión de puera del JFET se produce a la frecuencia w p del crisal. F L B B XTAL XTAL F S S B2 E 2 G a) b) Figura 0.. Oscilador de crisal usado en configuración paralelo: a) ircuio basado en un BJT, b) ircuio basado en un JFET onsideraciones prácicas de los osciladores sinusoidales Los osciladores sinusoidales presenan problemas de disorsión armónica y suelen ser sensibles a las olerancias de los disposiivos. Por ello, precisan de poenciómeros de ajuses que siuados en el lugar adecuado permien lograr disorsiones del hasa el 0.0%. La esabilidad y precisión de la frecuencia de oscilación (ƒ o ) es fueremene dependiene de la calidad de los componenes uilizados. Por ello, una buena elección son condensadores de policarbonao y resisencias de película delgada, y si se desea una precisión muy ala, se recomienda los crisales de cuarzo en configuración paralela que en el mercado se puede enconrar con diversidad de valores; en algunos casos, para asegurar su esabilidad, los crisales se manienen en recipienes a emperaura consane. El slew-rae de los amplificadores operacionales limian su máxima frecuencia de operación. Esa frecuencia 78 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

11 Tema 0 se puede incremenar uilizando circuios de conrol auomáico de ganancia a cosa de reducir la ampliud de salida. Los osciladores de baja frecuencias exige alos valores de los componenes. En ese caso, se recomienda la uilización de OAs con enrada JFET para minimizar los efecos de corriene de polarización y permiir valores de resisencias de decenas de MΩ para obener frecuencias de oscilación de hasa 0.0 Hz. Exisen circuio monolíicos como el oscilación de precisión 4023/75 de Burr-Brown basado en el puene de Wien y osciladores de cuadraura para ener señales de salida ipo seno y coseno (es un seno con desfasado 90º) como el 4423 de Burr-Brown, enre oros Mulivibrador asable Una onda cuadrada puede ser generada mediane un mulivibrador asable que conmua periódicamene enre sus dos esados inesables. Ese circuio puede ser realizado conecando a un disparador Schmi (circuio con dos esados esables) una realimenación consiuida por un red al cómo se muesra en la figura 0.2. El circuio resulane no presena ningún esado esable, y por ello se denomina mulivibrador asable. Disparador de Schmi inversor V OH T V V 2 T o o V TH =ßV OH V TL V TH V OH T2 T V TL =ßV OL V OL V OL Figura 0.2. Mulivibrador asable. El mulivibrador asable puede ser realizado a parir de un disparador de Schmi con dos esados esables correspondienes a los niveles de ensión de salida V OH y V OL. El cambio de un esado a oro se producirá cuando la alcance el valor de V TL (V OL V OH ) o cuando alcance el valor de V TH (V OH V OL ); V TH y V TL dependen de V OH y V OL a ravés del facor ß: V TH =ß V OH y VTL=ß V OL. Para obener las ecuaciones de ese circuio, se supone el disparador Schmi iene una ensión de salida inicial de =V OH y el condensador de =V TL. En ese momeno, el condensador se carga a ravés de hasa alcanzar la ensión =V TH, insane en el cual el disparador cambia de esado y pasa a =V OL. En ese momeno, el condensador que esaba cargado a V TH se descarga siguiendo la siguiene ecuación Vi( ) = VOL + ( VTH VOL) exp( / V ) = OL + ( VOH VOL) exp( / ) (0.2) El condensador dejará de descargarse hasa que =V TL insane en el cual el disparador Schmi pasa a ener el nivel de salida V OH. El iempo T de descarga del condensador corresponde al iempo que arda en variar su I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

12 Elecronica Básica para Ingenieros ensión de V TH a V TL. Ese iempo se obiene al resolver la ecuación 0.2 para que (=T )=V TH resulando T = ln VOH / VOL ( ) Similar al caso anerior, el proceso de carga del condensador viene dado por la siguiene ecuación (0.22) Vi( ) = VOH + ( VTL VOH) exp( / V ) = OH + ( VOL VOH) exp( / ) (0.23) Ese iempo T 2 se obiene al resolver la ecuación 0.23 para (=T 2 )=V TH resulando T2 = ln VOL / VOH ( ) (0.24) El periodo de la onda cuadrada T viene dado por T = T + T = ln (0.25) El circuio de la figura 0.3 es un ejemplo prácico de un mulivibrador asable basado en un amplificador operacional y su correspondiene diagrama emporal. Los niveles de salida esán fijados por la ensión de alimenación (V OH y V OL ) y el facor ß= /( + 2 ). 2 T V 2 T OH V OL ßV OH =V TH ßV OL =V TL Figura 0.3. ircuio Mulivibrador asable y diagrama emporal Generador de una onda riangular Las formas de onda sinusoidal generadas en el circuio asable anerior pueden converirse en una onda riangular reemplazando la red por un inegrador. En la figura 0.4 se muesra un generador de onda riangular basado en un inegrador y en un disparador de Schmi. El inegrador realiza la siguiene función Vo()= Vid + ce (0.26) Al ser la salida del disparador Schmi una onda cuadrada, es consane durane un inervalo de iempo, y la salida del inegrador es una ensión con una pendiene es V OH / o V OL /, en función del esado del 80 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

13 Tema 0 disparador. Durane el inervalo T, se verifica que VTH VTL VOH T V TH = V TL = T VOH (0.27) Similarmene, durane el inervalo T 2 VTH VTL VOL T V TH = V TL 2 = T2 VOL (0.28) Inegrador () = V OH + V TH V TH V TL T T 2 () = V OL + V TL 2 V TL V OH V TH 2 V OH V OL 2 T T 2 V OL Disparador Schmi no-inversor Figura 0.4. Generador de onda riangular. 8 4 ese Threshold 6 onrol Volage 5 2/3 Q 3 Ou Flip-Flop Trigger Inpu Gnd 2 /3 S Q 7 Figura 0.5. Diagrama circuial del emporizador Temporizadores inegrados Exisen en el mercado un conjuno de circuios inegrados denominados emporizadores (imers) especialmene diseñados para realizar mulivibradores monoesables y asables. El emporizador 555 (NE555 de Signeics en versión bipolar y TL555 de Texas Insrumens en versión MOS) es un circuio inegrado barao y I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

14 Elecronica Básica para Ingenieros muy popular que fue desarrollado en 972 por Signeics orporaion. En la figura 0.5 se muesra el diagrama circuial de ese emporizador. Esá consiuido por dos comparadores, un flip-flop S y un ransisor que acúa como un elemeno de conmuación. Las res resisencias en serie de valor definen las ensiones de comparación a /3 y 2/3. En la figura 0.6 se presena al 555 en la configuración monoesable. Al aplicar un pulso negaivo en con una ensión inferior a /3, el condensador se carga libremene a ravés de. Ese proceso de carga finalizará cuando la V c =2/3, en cuyo caso se produce la descarga brusca de a ravés del ransisor de salida. El pulso de salida iene una duración T, especificado por el iempo que arda el condensador en pasar de ~0V a 2/3, viene definido por la siguiene ecuación T = ln 3. (0.29) Vc TIME 3 /3 V c 2/3 0 0 T T 0 T Figura 0.6. Temporizador 555 en configuración monoesable y diagrama emporal. En la figura 0.7 se presena al 555 en la configuración mulivibrador asable. En ese caso el condensador varía su ensión enre /3 y 2/3. El proceso de carga se realiza a ravés de A + B y el de descarga a ravés de B. omo resulado se genera a la salida una onda cuadrada no-simérica definido por dos iempos T y T 2 T = ( A + B) ln ( A + B) y T2 = Bln B (0.30) V c A 8 2/3 7 /3 V c B TIME 3 T T I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

15 Tema 0 Figura 0.7. Temporizador 555 en configuración asable y diagrama emporal. El porcenaje de ocupación del ciclo (duy cycle) viene definido por Duy T cycle = A + = B T+ T2 A + 2B (0.3) Obsérvese que el duy cycle es mayor qur 0.5 (50%) lo que significa que la onda cuadrada no es simérica y la duración del esado lógico alo es mayor que el bajo (T > T 2 ). Por úlimo, la configuración asable y monoesable del 555 resula poco prácica cuando se desea iempos demasiado largos. El X-2240 es básicamene un 555 con un conador binario programable de 8 bi para alargar las caracerísicas emporales del circuio. Además, admie la opción de conecar varios X-2240 en cascada para obener señales emporales de hasa varios meses de duración. En la figura 0.8 se describe una aplicación básica del emporizador M45D de Moorola. Las resisencias c, c y S se uilizan para definir la frecuencia ƒ de reloj del oscilador inerno que debe verificar khz ƒ 00kHz. Ese oscilador consiuye la señal de sincronismo de un conador de 6-bi. La única salida Q se obiene selecionando el bi 8, 0, 3 y 6 de ese conador a ravés de dos líneas de enrada A y B lo que permie dividir la frecuencia del oscilador por 256, 024, 892 y ƒ= ; khz ƒ 00kHz 23. cc S 2c; S 0kΩ Figura 0.8. Temporizador M454D de Moorola Generadores de señal monolíicos Los circuios inegrados de generación de señales son diseñados para generar diferenes formas de onda con un número mínimo de disposiivos exernos. Sus principales campos de aplicación son comunicaciones, elemería, sineizadores de música elecrónica y verificación y calibración de insrumenal de laboraorio. El bloque fundamenal de esos circuios es el oscilador conrolado por ensión (volage-conrolled oscillaor o VO) que genera una onda riangular o cuadrada. La señal riangular puede ser converida a una sinusoidal mediane un conformador de forma de onda o on-chip wave shaper. Dos ejemplos ípicos de VO es el circuio inegrado 566 (LM566 de Naional Semiconducor) y el generador de formas de onda de precisión IL8038 (Inersil). I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

16 Elecronica Básica para Ingenieros El 566 es un generador VO que proporciona una onda cuadrada de salida ajusada a ravés de una resisencia y un condensador cuya frecuencia de salida depende de una ensión V c. En la figura 0.9 se describe una aplicación básica de ese circuio juno a sus caracerísicas elécricas y limiaciones., y V c fijan la frecuencia de salida de ese circuio. V c se obiene a parir del divisor de ensión de 2 y 3 de forma que 3 Vc = V = 0. 4 V 2+ 3 (0.32) Obsérvese que verifica 0.75 V c. La frecuencia de oscilación del 566 es 2 V ƒ = Vc o V (0.33) que en ese caso vale ƒ o =32.5kHz. V c Limiaciones del 566 2kΩ 20kΩ 075. V Vc V ƒo MHz 0V V 24V 3 7 =2V =0kΩ 2 =.5kΩ 3 =0kΩ =820pF Figura 0.9. Generador VO 566. El IL8038 es un generador de ondas riangular, cuadrada y sinusoidal de baja disorsión y ala linealidad con frecuencias de salida que varían desde 0.0Hz hasa 300KHz. En la figura 0.20 se presena una aplicación ípica de ese circuio cuya frecuencia de salida varía con la ensión de enrada. Las ampliudes pico-pico de salida son: para la salida cuadrada, 0.33 para la riangular y 0.22 para la sinusoidal, odas ellas cenradas a /2. La resisencia THD de 00kΩ sirve para reducir el THD de la salida sinusoidal. La frecuencia de salida viene dada por la siguiene ecuación ƒ = B V o 3 i 2 A AV (0.34) 5 A 4 0 B THD Figura Generador VO I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

17 Tema 0 Exise en el mercado gran variedad de generadores de señal monolíicos. Los VO acoplados por emisor son circuios muy simples, siméricos, baraos, ienen conrol auomáico de ganancia y pueden operar a alas frecuencias al no uilizar ransisores BJT en la región de sauración. Su mayor inconveniene es su deriva érmica que exige écnicas de esabilización con la emperaura. Ejemplos clásicos son el NE560 (Signeics) basado en un PLL, X-20/25 (Exar), X-22/2 (Exar), AD537 (Analog Devices), SSM203 (Solid Sae Micro Technology). Oro ipo de generadores monolíicos son los converidores ensión-frecuencia o frecuencia-ensión (volageo-frecuency converer o VF y frecuency-o-volage converer o FV) que como su propio nombre indica generan pulsos linealmene proporcional a una ensión analógica de enrada o, viceversa, proporciona una ensión de salida proporcional a la frecuencia de una señal (generalmene cuadrada) de enrada. Ejemplos de VF son: VF32/42/52 (Burr-Braun), LM33 (Naional Semiconducor), AD650/54 (Analog Devices), TS9400/0/02 (Teledyne Semiconducor) y 45 (ayheon). Ejemplos de FV son: 45/53 (Analog Devices) y LM2907/7 (Naional Semiconducor). I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

18 Elecronica Básica para Ingenieros Problemas P0. Para el circuio de la figura 0.2.a, se pide: a) Enconrar los punos críicos de la VT. b) Obener los diferenes valores de las ganancias. Daos: =5 V, =30kΩ, f =60kΩ, 2 = 5 =9kΩ, y 3 = 4 =3kΩ, V d =0.7V. P0.2 El circuio de la figura 0.3.b es un oscilador de puene de Wien. Se pide: a) epresenar gráficamene la frene a V a. b) Frecuencia de oscilación. c) Ampliud máxima de salida. P0.3 Deerminar la frecuencia de oscilación del circuio de la figura 0.5 y el valor mínimo de f requerido para que el circuio comience a oscilar. P0.4 El oscilador de cambio de fase de la figura 0.6.a uiliza un JFET con g m =5000µΩ - y r d =40kΩ y una red de realimenación con =0kΩ. Seleccionar el valor de para que la frecuencia de oscilación sea de khz y el valor de D que verifique las condiciones de oscilación. P0.5 alcular la frecuencia de oscilación del oscilador olpis de la figura 0.7.a siendo =750pF, 2 =2500pF y L=40µH. P0.6 Un oscilador de crisal es especificado con L=0.52H, s =0.02pF, p =4pF y r 0Ω. Deerminar la f s y la f p. P0.7 Enconrar la frecuencia de oscilación del mulivibrador asable de la figura 0.3. D a o s : V = ± 0 V, = 0 0 k Ω, 2 ==MΩ y =0.0µF. P0.8 Los diodos del mulivibrador asable de la figura P0.8 ienen una ensión V d que dependen de la emperaura de acuerdo a la siguiene expresión: V d (T)=V do + T (T-T o ) siendo T o =25, T= 2mV/ y V do =0.7V. Enconrar la expresión del periodo de oscilación y la frecuencia de oscilación a las siguienes emperauras: 0, 25, 50 y 00. Daos: =±2 V, =0kΩ y =0.µF. D D2 Figura P0.8 P0.9 epresenar gráficamene las ensiones y V s del generador de onda riangular de la figura P0.9. V s V Z V Z2 Figura P0.9 =0kΩ =µf V Z =3V V Z2 =4V P0.0 Diseñar con el emporizador 555 los siguienes circuios: monoesable de T=ms y asable de periodo 00µs. 86 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

19 Tema 0 P0. En la figura P0. se muesra un ejemplo de aplicación del emporizador 555 en configuración monoesable. Deerminar la duración del pulso de salida en los siguienes casos: a) V DD = ; b) V DD =2 ; c) V DD = /2. Noa: el iempo de duración del pulso esá fijado por el iempo que arda el condensador (inicialmene descargado) en omar el valor de 2/3. que el emporizador 566 funcione correcamene. alcular la frecuencia de salida para los diferenes valores de. V DD TIME 3 =0kΩ =0µF =2 V Figura P0. P0.2 on un emporizador 555 y un biesable, consruir un circuio que genere una onda de salida simérica de 50KHz P0.3 Al circuio de la figura P0.3 se le aplica a la enrada una onda cuadrada simérica de periodo 20ms. Deerminar la ensión V para V - V T=20ms V + =2V =8kΩ =20nF =kω =k2ω V c Figura P0.3 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA

20 Elecronica Básica para Ingenieros 88 I.S.B.N.: Depósio Legal:SA