Tema 4: osciladores sinusoidales

Transcripción

1 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II 4º Ingeniería Industrial Tema 4: osciladores sinusoidales ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

2 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

3 ntonio Lázaro Blanco - Efectos de la realimentación negativa en amplificadores esumen de los efectos de la realimentación costa de una pérdida de ganancia, el amplificador realimentado tiende a sus condiciones de funcionamiento ideal: Mejora (reducción) de las variaciones relativas a la ganancia en lazo abierto. Mejora (reducción) de la distorsión respecto a lazo abierto. Mejora (reducción) de la sensibilidad al ruido y otras perturbaciones. Mejora de la impedancia de entrada y salida. Mejora (aumento) del ancho de banda. pero, puede aumentar indefinidamente la ganancia del lazo,.β? ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

4 ntonio Lázaro Blanco - Ejemplo de simulación Pspice de un amplificador multietapa (-polos) Un concepto básico de estabilidad v IN k e err o + T*s + T*s + T*s V v FB k v o v fp = k o= fp = Meg fp = Meg PMET E: T = {/(6.8*{fp})} T = {/(6.8*{fp})} T = {/(6.8*{fp})} fb E OUT+ IN+ OUT- IN- EVLUE V(%IN+, %IN-)*(.) B=, ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

5 ntonio Lázaro Blanco - Ejemplo de simulación Pspice de un amplificador multietapa (-polos) Un concepto básico de estabilidad v IN v Divergente, respuesta inestable v o ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

6 ntonio Lázaro Blanco - Que es lo que ha sucedido? Un concepto básico de estabilidad onsiderando todas las frecuencias contenidas en la señal de entrada (series de Fourier). on que solo una de esas frecuencias cumpla las condiciones siguientes, se obtendrá una respuesta divergente e inestable. v IN ( j) ( j) 8º INETBLE ualquiera que sea la señal de entrada, incluso en el caso de un pico v o de ruido, si una de sus frecuencias cumpliera las condiciones anteriores, será amplificada de manera indefinida al pasar a través del bucle en pasadas sucesivas. v o Divergente, respuesta inestable ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

7 ntonio Lázaro Blanco - Diagramas de Bode Que es lo que ha sucedido? ( j) db Un concepto básico de estabilidad Frecuencia de corte ( db) ( j) La fase resultante es menor de -8º 4 MHz = ( / 5 ns) ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 7

8 ntonio Lázaro Blanco - El objetivo del diseño es estar lo más cerca posible de las condiciones de funcionamiento ideal del amplificador. Por lo tanto fue seleccionada la realimentación negativa con alta ganancia de lazo. Que es lo que ha sucedido? Un concepto básico de estabilidad El circuito se creo para presentar estructuralmente una realimentación negativa. in embargo, para una frecuencia particular, la inversión de fase en bucle cerrado provoca que la realimentación se convierte positiva. En el caso de realimentación positiva si la ganancia es mayor que la unidad el sistema se vuelve inestable. riterio de estabilidad (riterio simplificado de Nyquist ) El desplazamiento de fase debe ser menor 8º para la frecuencia de cruce con db: ( j ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial UE ) ( j ) 8º UE UE INETBLE 8

9 ntonio Lázaro Blanco - db Estabilidad del amplificador multietapa ( polos) se transforma en db Margen de fase y margen de ganancia db db de ganancia en lazo abierto, db de ganancia de lazo,.b = INETBLE ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 9

10 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

11 ntonio Lázaro Blanco - oncepto Oscilador sinusoidal Oscilador sinusoidal: concepto y aplicaciones + vt () - Bases del oscilador sinusoidal La tensión de salida sinusoidal se genera sin señal de entrada. El principal requisito es una muy baja distorsión armónica(thd), amplitud fija y frecuencia variable. plicaciones Generador de funciones Instrumentos de medición cíclica Multímetros digitales, osciloscopios eceptores de radiofrecuencia eloj en sistemas digitales y ordenadores Etc. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

12 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Etabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

13 ntonio Lázaro Blanco - Principio de funcionamiento: ealimentación negativa Bases del oscilador sinusoidal ealimentación negativa + (j) la entrada se le resta la salida - La perturbación tiende a desaparecer progresivamente ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

14 ntonio Lázaro Blanco - ealimentación positiva Principio de funcionamiento: ealimentación positiva Bases del oscilador sinusoidal + + la entrada se le suma la salida on realimentación positiva si se cumple que >, la perturbación es amplificada progresivamente. e produce un crecimiento exponencial de la perturbación. Ganancia en lazo cerrado para realimentación positiva y V G V O G β ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

15 ntonio Lázaro Blanco - = ondición de oscilación Principio de operación: condición de oscilación = Bases del oscilador sinusoidal + + la entrada se le suma la salida on realimentación positiva si se cumple que =, la perturbación se mantiene. Ganancia en lazo cerrado para realimentación positiva y = G V V O G β La ganancia en lazo cerrado tiende a infinito, por lo tanto no se requiere una entrada para obtener una salida. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

16 ntonio Lázaro Blanco - ondición de oscilación ondiciones de oscilación: riterio de Barkhausen (jω) =.e j Bases del oscilador sinusoidal riterio de fase: (jω o ) =º Desfase total en el lazo = º = π riterio de ganancia: (j ω o ) = La atenuación de β debe ser compensada por la ganancia de la frecuencia de oscilación, ω o, se cumplen simultáneamente ambas condiciones ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

17 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 7

18 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: mplificador Función del amplificador Puede servir para seleccionar la frecuencia de oscilación? ( j) log ( j) db El amplificador tiene una respuesta en frecuencia (jω) normalmente dominada por un único polo (compensación por polo dominante) Desde Hz hasta.ω p, su fase es constante e igual a º Por tanto hay infinitas frecuencias que cumplen : (jω) = º En conclusión, el amplificador no sirve para seleccionar la frecuencia de oscilación º p, p p ( j) -45º -9º ó f ó f ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 8

19 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: mplificador Función del amplificador V ε ( j) db V O Dado que el amplificador no permitirá seleccionar la frecuencia de oscilación, se buscará que a la frecuencia de oscilación se comporte como una ganancia constante, sin ningún efecto sobre la fase Esto supone una limitación: La frecuencia de oscilación ha de ser menor que.ω p ona válida (jω) = º ( j) p, p p ó f ω o <.ω p º -45º o ó f -9º ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 9

20 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: mplificador V ε V O Función del amplificador Normalmente el amplificador operará en bucle cerrado con realimentación negativa ería mejor hablar de G(jω) que de (jω) ( j) V ε + - V O o ( j) db G ( j) db db + V FB - f PD f B db ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

21 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: mplificador V ε V O o Función del amplificador ( jf ) db G ( jf ) db db ( jf ) db V ε + - V O ( jf ) º -45º f PD f o,f B f B ó f -9º + V FB - Es el polo resultante en BULE EDO, f B, el que limita la frecuencia de oscilación: f o <.f B ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

22 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: ed Beta Función de la red de realimentación β e buscará una red de realimentación cuya respuesta en frecuencia, β(jω), permita seleccionar la frecuencia de oscilación al cumplirse : β(jω o ) = º Para amplificadores No inversores β(jω o ) = -8º Para amplificadores inversores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

23 Fase ntonio Lázaro Blanco - Módulo Elementos de un oscilador: ed Beta β(jf) 9.54 log 9dB tenuación a Mf ( fo o ) Mf i 4 ed (jf) del oscilador en Puente de Wien 6 β(jf) 5 Ff i fm in f i fm ax Frecuencia fp fp º fm in f i fm ax Frecuencia ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

24 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: ed Beta β(jf) log 9,5 9 tenuación a f o n n n ed (j) del oscilador por desplazamiento de fase β(jf) V {} -8º {} {} {} {} {} f O 6 ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

25 ntonio Lázaro Blanco - Elementos de un oscilador: ed Beta β(jf) o L fb V 4u.u.u k ed (j) del oscilador olpitts β(jf) f O Leq -8º ; eq ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

26 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 esumen omponentes básicos del oscilador Vcc -Vcc ed de realimentación (j), permite la selección de la frecuencia de oscilación Presenta una atenuación o pérdida de ganancia a la frecuencia de oscilación V -5 V {} +Vcc {} METE : k. n k 5k {} in {} f U + - TL8 OUT -Vcc o {/(6.8*{}*{fo})} {{}*({G}-)} 4 {} {} mplificador realimentado, para compensar las pérdidas de ganancia de la red beta ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

27 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 7

28 ntonio Lázaro Blanco - ed (j) del oscilador olpitts Efecto O o O L fb O = W V 4u.u.u k O = k W Valores inferiores de O amortiguan más el sistema y hacen más blanda la fase, la red se hace menos selectiva. O = k W O = W ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 8

29 ntonio Lázaro Blanco - Estabilidad de frecuencia Estabilidad de frecuencia La frecuencia de un oscilador también se puede desviar. En algunas aplicaciones puede ser tolerable del al % de desviación. No obstante, en otras, la frecuencia debe ser constante durante todo el tiempo. La frecuencia de oscilación depende no solo de elementos del circuito sintonizado (ed β), sino también de los parámetros del dispositivo activo (mplificador). Por ejemplo, los parámetros del dispositivo activo varían con el voltaje de polarización, temperatura y edad. Otra causa de desviación de la frecuencia son las variaciones de la tensión de alimentación. Por tanto, para que haya buena estabilidad de frecuencia se deben minimizar los efectos de todos estos parámetros. i se establece que todos estos elementos son la causa de la mayor parte de la inestabilidad de frecuencia en el oscilador, es decir, si el ángulo de fase θ(ω) cambia rápidamente con la variación de los valores de estos parámetros, entonces la atención se debe concentrar en estos parámetros. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 9

30 ntonio Lázaro Blanco - Estabilidad de frecuencia En este caso dθ(ω)/dω, sirve como medida de la independencia respecto a la frecuencia de todos los otros elementos del circuito. La frecuencia de estabilidad mejora cuando dθ(ω)/dω aumenta. uando dθ(ω)/dω, la frecuencia de oscilación dependerá exclusivamente de este grupo de elementos. Puede demostrarse que dθ(ω)/dω en ω = ω es, en general, proporcional al factor de calidad del circuito, Q. Por tanto, un oscilador de sintonizado con alto factor de calidad Q tendrá una excelente estabilidad de frecuencia. Es por esta causa por la que los osciladores de cristal tienen una excelente estabilización en frecuencia. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

31 ntonio Lázaro Blanco - j j Estabilidad en frecuencia: ejemplo del efecto de la temperatura o o 5 Fase 5º Fase 5º Fase 75º o nte el mismo incremento de temperatura, el incremento de frecuencia de oscilación, ω o es menor en el caso de la red β muy selectiva ya que la pendiente de su fase es mucho más alta -75º -77º -8º β poco selectiva β muy selectiva o ed β poco selectiva T a 5º 5º j j o o 5 Fase 5º Fase 5º o o o d ( ) d % % 45º/dec º/dec Fase 75º -75º -77º -8º ed β MUY selectiva o ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

32 ntonio Lázaro Blanco - Estabilidad en frecuencia: relación Q y dfase((j)/d Q=,55 Q= Q=,67 Q=5 Q=5 ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

33 ntonio Lázaro Blanco - Estabilidad en frecuencia: en función del tipos de red (j) Q = / Q / 5 Q 5 XTL Q 5 ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial

34 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

35 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 ondición de inicio de la oscilación Los osciladores sinusoidales basados en realimentación, inician la oscilación por la amplificación del ruido (electromagnético, térmico, error de cuantificación en una simulación, etc.). +Vcc -Vcc +5 V -5 V {} +Vcc {} PMETE : fo = k G =. = n = k = 5k {} in {} f U + - TL8 OUT -Vcc o = {/(6.8*{}*{fo})} = {{}*({G}-)} 4 {} {} ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

36 ntonio Lázaro Blanco - ondición de inicio de la oscilación ondición de arranque: realimentación positiva con: > mplificación del ruido El sistema diverge, ya que la realimentación positiva con : > es inestable ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

37 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 7

38 ntonio Lázaro Blanco - Inicio de la oscilación y mantenimiento de la oscilación En el inicio, es necesario que el sistema sea inestable ( >), para que partiendo de ruido (unos pocos µv) se alcance la amplitud nominal de la oscilación. Después se necesita que el fenómeno divergente con el que se inicia la oscilación se frene, para dar paso a una oscilación sostenida con una amplitud constante (mantenimiento de la oscilación) mplificación del ruido recimiento exponencial de la amplitud de la tensión de salida amplitud de la tensión de salida constante rranque de la oscilación > Mantenimiento de la oscilación = ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 8

39 ntonio Lázaro Blanco - Inicio de la oscilación y mantenimiento de la oscilación Para pasar de la fase de arranque ( >) a la de mantenimiento de la oscilación ( =), es necesario que la ganancia del amplificador se reduzca según vaya aumentando la amplitud de la tensión de salida del oscilador. (j o ) Q Vpk mplitud de la oscilación Vpk Q mplitud en el equilibrio o en la fase de mantenimiento de la oscilación ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 9

40 ntonio Lázaro Blanco - Ganancia no lineal umplir la condición (j o ) > y (j o ) = para mantener la oscilación se va a lograr modificando la ganancia del amplificador. Que tendrá que ser mayor o igual que el valor frontera que impone la atenuación del la red β: / (j o ) e necesita un amplificador con una ganancia NO LINEL / (j o ) Q Vpk mplitud de la oscilación Vpk Q mplitud en el equilibrio o en la fase de mantenimiento de la oscilación ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

41 ntonio Lázaro Blanco - Ganancia no lineal del. operacional Es lineal la ganancia de este amplificador? En principio se ha considerado que sí y que viene dada por la relación: V i + - +Vcc -Vcc V O G V V O i in embargo cualquier amplificador tiene una NO-LINELIDD inherente, que es la saturación de su tensión de salida al valor de las tensiones de alimentación, Vcc V o +Vcc V i -Vcc ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

42 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 Ganancia no lineal del. operacional -Vcc V o -5 V {} +Vcc {} +Vcc TE : {} in {} U + - TL8 OUT -Vcc f o V i 8*{}*{fo})} *({G}-)} 4 {} -Vcc {} +Vcc -Vcc La saturación del operacional ONIGUE estabilizar la amplitud de la tensión de salida del oscilador. in embargo, la NO-LINELIDD de tipo TUIÓN, provoca que la tensión de salida se distorsione sensiblemente. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

43 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 Ganancia no lineal del. operacional La red actúa como filtro -Vcc -5 V {} +Vcc {} TE : in U + - TL8 OUT o {} {} f -Vcc 8*{}*{fo})} *({G}-)} 4 {} {} +Vcc La onda de salida no es totalmente cuadrada, ya que la red β filtraría esa onda cuadrada imponiendo una tensión algo más senoidal en la entrada del amplificador -Vcc ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 4

44 ntonio Lázaro Blanco - Ganancia no lineal del. operacional V o V i + - +Vcc -Vcc V O +Vcc V i -Vcc / (j o ) Q Para no provocar distorsión en la tensión de salida, se necesita una ganancia no lineal que no varíe tan bruscamente y cuyo valor final no sea cero. +Vcc Vpk ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 44

45 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos V i + +Vcc V O / (j o ) Q NO LINEL - -Vcc Vpk esistencia NO-LINEL Vamos a buscar una resistencia no lineal. Los diodos presentan este tipo de comportamiento por el cual su resistencia equivalente depende de la corriente? Í vamos a verlo: + v K - K i K v K rd rd rd La resistencia dinámica del diodo, rd, varía entre e. para valores altos de i ak e para i ak =. Entre esos dos extremos toma todos los valores posibles pero su valor es decreciente, es decir a mayor corriente menor resistencia. rd= i K ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 45

46 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos D trabaja durante el semiciclo negativo. V i + - +Vcc -Vcc D V O D trabaja durante el semiciclo positivo. Mientras que Vo no supere la tensión umbral de los diodos (,7V) la corriente de estos es cero y su resistencia dinámica infinita. Por tanto para Vo <,7V la ganancia del operacional será: ( j ) o i K D Una vez que Vo >,7V la rd ya es menor que y por tanto la ganancia vendrá dada por: ( rd) / (j o ) Q Ganancia para iniciar la oscilación. Vpk i aumenta la amplitud de Vo, Vpk, provocará un incremento de i K y un decremento de rd. i disminuye rd, el paralelo de con +rd disminuirá también. Por tanto a mayor Vpk menor ganancia. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 46

47 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 Limitador de amplitud con diodos {} +Vcc {} Este es el resultado: Limitación y estabilización de la amplitud con una distorsión muy reducida o nula. in UB TL8 OUT 7 o {} {} f -Vcc {} {} D DN448 D 4 {} DN448 ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 47

48 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos. Diseño aproximado (I) riterio cuantitativo aproximado para el diseño de las resistencias del limitador de amplitud con diodos: La ganancia para el valor de pico (V max ) =. v o V max G O _@_ V max La ganancia G O se va a calcular como el cociente entre la tensión de salida, v O y la tensión de realimentación, v FB : G O v v O FB La ganancia Go se obtiene considerando las dos redes de la realimentación: ama de ama de contando con la caída del diodo que conduce (supuesta aproximadamente constante = V D ) i v O v FB i v O V D v FB i i i V i V FB v FB + - i K +Vcc -Vcc D D V O ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 48

49 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial Limitador de amplitud con diodos. Diseño aproximado (II) 49 v v V v v v FB FB D O FB O + - V O V i +Vcc -Vcc i K D D V FB V v v D FB O riterio: La ganancia para el valor de pico (V max ) = : max max _@_ max V v G V v FB V O O max max V V V D v i i i FB v v i FB O v V v i FB D O ean: ; max max D V V V

50 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos. Diseño aproximado (III) riterio: La ganancia para el valor de pico (V max ) = : v O G V max O _@_ V max V max vfb V V max max V D ; ondición de arranque Pte. de Wien: V i V FB + - +Vcc -Vcc D i K D V O Ejemplo de diseño: = kw (valor de partida) =,4 <,5 = 5 kw Vmax =5V (queremos un oscilador cuya amplitud sea aproximadamente 5V) Vd =,7V álculo de V 5,8 ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial max V max V D kw 79kW,7 5,7,7 5

51 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos. Diseño aproximado (IV) ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

52 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 Limitador de amplitud con diodos zener {} +Vcc {} Los zener amplían la tensión umbral que marca la actuación de la rama de los diodos. Por tanto la amplitud final se establece en un valor más elevado. in UB TL8 OUT 7 o {} {} f -Vcc D5 D6 6 DN DN747 ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

53 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos y resistencias Dos redes simétricas (para valores positivos y negativos) Permite un mejor ajuste de la tensión de limitación. educe la ganancia hasta una cota predeterminada. D v ut v a +V L 5-5 / 6 v in 6 v out v in D v b -V -( // 5 )/ 6 L ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 5

54 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos y resistencias nálisis del limitador para el umbral negativo (L ) D v a V 5 V ortocircuito virtual a masa - + (OP) v out ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 54

55 ntonio Lázaro Blanco - Limitador de amplitud con diodos zener Ejemplo práctico: D +V = +V 4k 5 Vg in 6 k 4k k out v out D k 4 -V = -V v b 4k ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 55

56 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 56

57 ntonio Lázaro Blanco - 4 V- V+ 8 Oscilador en puente de Wien Oscilador sinusoidal en puente de Wien Vcc -Vcc V -5 V {} +Vcc {} METE : k. n k 5k {} in {} f U + - TL8 OUT -Vcc o {/(6.8*{}*{fo})} {{}*({G}-)} 4 {} {} ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 57

58 ntonio Lázaro Blanco - Oscilador en puente de Wien Estudio de la ganancia de lazo Otra forma de representarlo β BIMO EL LO Y ETUDIMO β Hay que abrir en el punto donde Ǝ el menor acoplamiento de i. ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 58

59 ntonio Lázaro Blanco - nálisis de la red β(jω) V V s i no se puede evitar, lo que habrá que hacer será cargar a la red β con la i del amplificador V FB nálisis de la red β(jω) V i + - o V o De aquí se puede calcular β(jω) V V i V V V V i V oβ ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 59

60 ntonio Lázaro Blanco - álculo de β(jω) s j j j O bien j j Finalmente j j PLIMO L ONDIIONE DE BKHUEN o j j ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

61 ntonio Lázaro Blanco - El criterio de Barkhausen ONDIIÓN DE FE j Por tanto: j j y de aquí la frecuencia de oscilación: f Fase = º parte imaginaria nula. ONDIIÓN DE MÓDULO mplificación de -9 db j j( ) tenuación de β ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

62 ntonio Lázaro Blanco - El criterio de Barkhausen ONDIIÓN DE MNTENIMIENTO DE L OILIÓN ONDIIÓN DE NQUE =, uido térmico ealimentación positiva inestable ETBILIIÓN DE L MPLITUD DE LID mplitud en la que se mantiene la oscilación ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial ˆv mplitud de la oscilación 6

63 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 6

64 ntonio Lázaro Blanco - Tipos de osciladores y aplicaciones Osciladores con elementos discretos de Baja Frecuencia () Tipos de Osciladores de lta Frecuencia y Frecuencia Variable (L) olpitts Hartley Otros (lapp,...) de lta Frecuencia y Frecuencia Fija (a cristal) olpitts Hartley Pierce Otros (lapp,...) ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 64

65 ntonio Lázaro Blanco - ed (j) de los osciladores L Objetivo osciladores L: incrementar j β(jf) Para un oscilador β(jf) Para un oscilador L ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 65

66 ntonio Lázaro Blanco - Punto de apertura del lazo i nálisis de la ganancia de lazo en los osciladores L v i v brimos el lazo: onsideraciones: pero i V v i i v i v T j i para que sea despreciable y no provoque ζ> en la red β, sino que trabaje en vacio. i V ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 66

67 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial Osciladores L 67 i i v v v v v v v v T i v v i T T i v v

68 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial Osciladores L 68 uáles pueden ser las redes β(jω)? jx jx jx L X X X donde O L P I T T E D X X j jx jx jx jx jx jx j X X X X X X j X X j

69 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial Osciladores L 69 ondiciones de mantenimiento o j j m Esto es así solo porque y eso permite que X + X + X deban cumplir: X + X + X = OLPITT: L L L HTLEY: L L H T L E Y E D L L L L L L

70 ntonio Lázaro Blanco - Osciladores L E L L D P jx jx P hora bien: riterio de LPP Xc L L Por tanto es OLPITT ONDIIÓN DE MÓDULO j Partimos ya de X + X + X para cumplir ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial j rranque y mantenimiento XX X X X X X X X X X 7

71 ntonio Lázaro Blanco - Osciladores L O mejor todavía es equivalente a: X X X X + X + X = X + X = - X OLPITT X X X X ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 7

72 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 7

73 ntonio Lázaro Blanco - ristales y osciladores de cuarzo B Efecto piezoeléctrico: e aplica una diferencia de potencial entre y B el cuarzo disminuye su volumen, se contrae i somos capaces de oprimir el cuarzo, aparece una diferencia de potencial V B. Ej -> Motor eléctrico. Oscilación natural a una frecuencia concreta ómo se representa eléctricamente este fenómeno de la oscilación piezoeléctrica? ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial B pérdidas P B Elasticidad del cuarzo apacidad entre terminales Masa vibrante del cristal 7

74 ntonio Lázaro Blanco - ristales y osciladores de cuarzo KHz Qué ocurre?, ómo son las impedancias? = 4 KΩ L = 4.8 H L MW Lω >> despreciable lgunos valores típicos f KHz MHz 4 KΩ 5 Ω L 4.8 H mh (pf) P (pf) P / 58 Q Por tanto el circuito se puede simplificar. uál es la (s)? L B ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial P P L P 74

75 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial ristales y osciladores de cuarzo 75 P P P P P P P P Ls L L L s L L L L L L L L L L P P P P P P P P P P P P P P P P P P s P P P L L L P Q

76 ntonio Lázaro Blanco - ristales y osciladores de cuarzo s P P j j X XTL j P P P Interesa operar en la zona entre fp y fs (fs < f < fp) ya que de esta manera la frecuencia de oscilación será algún valor entre ellas y éstas están muy juntas, son prácicamente idénticas. P L L L P L P Factor de calidad, Q Q El factor de calidad es tan alto, ya que s y P p son prácticamente idénticas, ya que: p >>> s X XTL lgunos valores típicos f KHz MHz 4 KΩ 5 Ω X XTL > Inductivo L 4.8 H mh XXTL < apacitivo f f p f X XTL < apacitivo (pf) P (pf) P / 58 Q ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 76

77 ntonio Lázaro Blanco - ristales y osciladores de cuarzo X XTL XXTL < apacitivo f f p X XTL > f X XTL < apacitivo En la zona útil (fs < f < fp), la impedancia del cristal presenta carácter inductivo. Para imponer que el oscilador trabaje entre fs y fp, la red el red (j) ha de estar compuesta por el Xtal y condensadores para que se pueda cumplir la condición de fase: X + X + X = La red válida será: E D O L P I T T jx jx jx ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 77

78 ntonio Lázaro Blanco - Índice ealimentación positiva e inestabilidad Oscilador sinusoidal, concepto y aplicaciones Principio de funcionamiento Elementos de un oscilador Estabilidad en frecuencia ondición de inicio de la oscilación ontrol de amplitud Oscilador en puente de Wien. nálisis de la ganancia del lazo Osciladores L. nálisis de la ganancia del lazo ristales y osciladores de cuarzo lgunos Ejemplos de osciladores ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 78

79 ntonio Lázaro Blanco - Oscilador en cuadratura Dz Dz V V osc osc j j ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 79

80 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial Oscilador trifásico 8 p v v B v D D p p p osc osc j j

81 ntonio Lázaro Blanco - ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial Oscilador por desplazamiento de fase 8 V V o (s) V e (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) i ) ( ) ( 6 ) ( ) ( 5 ) ( ) ( ) ( s s s s s s s V V O e V =

82 ntonio Lázaro Blanco - Oscilador sintonizado por filtro activo V osc osc j v j j V D D ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 8

83 ntonio Lázaro Blanco - Oscilador Hartley d ondensadores de desacoplo +V +V i d i d d d d ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 8

84 ntonio Lázaro Blanco - Oscilador a cristal + Vcc X XTL 68 kw c 7 W nf s L W Ls p XXTL < apacitivo f X XTL > Inductivo f p f X XTL < apacitivo X XTL B pf 8 W s B Figura ELETÓNI II -4 4º Ingeniería Industrial 84