Oscilador electronico

Un oscilador popular de relajación op-amp.

Un oscilador electrónico es un circuito electrónico que produce una señal electrónica oscilante periódica, a menudo una onda sinusoidal, una onda cuadrada o una onda triangular. Los osciladores convierten la corriente continua (CC) de una fuente de alimentación en una señal de corriente alterna (CA). Son ampliamente utilizados en muchos dispositivos electrónicos que van desde los generadores de reloj más simples hasta instrumentos digitales (como calculadoras) y computadoras y periféricos complejos, etc. Los ejemplos comunes de señales generadas por osciladores incluyen señales transmitidas por transmisores de radio y televisión, señales de reloj que regulan computadoras y cuarzo. relojes y los sonidos producidos por beepers electrónicos y videojuegos.

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

• Un oscilador de baja frecuencia (LFO) es un oscilador electrónico que genera una frecuencia inferior a 20 Hz. Este término se utiliza típicamente en el campo de sintetizadores de audio, para distinguirlo de un oscilador de frecuencia de audio.
• Un oscilador de audio produce frecuencias en la gama de audio, alrededor de 16 Hz a 20 kHz.
• Un oscilador RF produce señales en la frecuencia de radio (RF) de aproximadamente 100 kHz a 100 GHz.

En las fuentes de alimentación de CA, un oscilador que produce alimentación de CA a partir de una fuente de CC suele denominarse inversor. Antes de la llegada de los rectificadores basados en diodos, un dispositivo electromecánico que convertía de manera similar la energía de CA en CC se llamaba convertidor, aunque ahora el término se usa más comúnmente para referirse a los convertidores reductores de CC-CC.

Hay dos tipos principales de osciladores electrónicos: el oscilador lineal o armónico y el oscilador no lineal o de relajación.

Los osciladores de cristal son omnipresentes en la electrónica moderna y producen frecuencias de 32 kHz a más de 150 MHz, con cristales de 32 kHz comunes en el cronometraje y frecuencias más altas comunes en la generación de relojes y aplicaciones de RF.

1 Circuito de oscilador electrónico MHz que utiliza las propiedades resonantes de un cristal de cuarzo interno para controlar la frecuencia. Proporciona la señal de reloj para dispositivos digitales como computadoras.

Osciladores armónicos

Esquema de bloque de un oscilador lineal de retroalimentación; un amplificador A con su producción v_o alimentado de nuevo en su entrada v_f a través de un filtro, β(jω).

El oscilador armónico, o lineal, produce una salida sinusoidal. Hay 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 circuito de retroalimentación con su salida retroalimentada a su entrada a través de un filtro electrónico selectivo de frecuencia para proporcionar una retroalimentación positiva. Cuando la fuente de alimentación del amplificador se enciende inicialmente, el ruido electrónico en el circuito proporciona una señal distinta de cero para iniciar las oscilaciones. 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 circuito de retroalimentación:

• En un oscilador RC circuito, el filtro es una red de resistores y condensadores. Los osciladores RC se utilizan principalmente para generar frecuencias inferiores, por ejemplo en la gama de audio. Los tipos comunes de circuitos osciladores RC son el oscilador del cambio de fase y el oscilador del puente de Wien. Los osciladores LR, utilizando filtros de ductor y resistor también existen, sin embargo son mucho menos comunes debido al tamaño requerido de un ductor para lograr un valor apropiado para su uso en frecuencias inferiores.

• En un LC oscilator circuito, el filtro es un circuito sintonizado (a menudo llamado circuito de tanques) que consiste en un ductor (L) y condensador (C) conectados, que actúa como resonador. La carga fluye de ida y vuelta entre las placas del condensador a través del ductor, por lo que el circuito sintonizado puede almacenar energía eléctrica oscilando a su frecuencia resonante. El amplificador añade 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, cuando se necesita una fuente de frecuencia ajustable, como en generadores de señal, transmisores de radio tunables y osciladores locales en receptores de radio. Los circuitos típicos del oscilador LC son los circuitos Hartley, Colpitts y Clapp.

Dos circuitos de osciladores LC comunes, los osciladores Hartley y Colpitts

• En un oscilador de cristal el filtro es un cristal piezoeléctrico (comúnmente un cristal de cuarzo). El cristal vibra mecánicamente como resonador, y su frecuencia de vibración determina la frecuencia de oscilación. Los cristales tienen un factor Q muy alto y 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 utilizan a menudo los mismos circuitos que los osciladores LC, con el cristal reemplazando el circuito sintonizado; el circuito oscilador Pierce también se utiliza comúnmente. Los cristales de cuarzo generalmente se limitan a frecuencias de 30 MHz o abajo. Otros tipos de resonadores, resonadores dieléctricos y dispositivos de onda acústica superficial (SAW), se utilizan para controlar osciladores de frecuencia superior, hasta el rango de microondas. Por ejemplo, los osciladores SAW se utilizan para generar la señal de radio en los teléfonos celulares.

Oscilador de resistencia negativa

(izquierda) Esquema de bloque típico de un oscilador de resistencia negativa. En algunos tipos el dispositivo de resistencia negativa está conectado en paralelo con el circuito resonante. (derecho) Un oscilador de microondas de resistencia negativa que consiste en un diodo de Gunn en un resonador de cavidad. La resistencia negativa del diodo excita las oscilaciones de microondas en la cavidad, que irradian la abertura en una guía de onda.

Además de los osciladores de retroalimentación descritos anteriormente, que usan elementos activos amplificadores de dos puertos, como transistores y amplificadores operacionales, los osciladores lineales también se pueden construir usando dispositivos de un puerto (dos terminales) con resistencia negativa, como los tubos de magnetrón., diodos túnel, diodos IMPATT y diodos Gunn. Los osciladores de resistencia negativa generalmente se usan a altas frecuencias en el rango de microondas y superiores, ya que en estas frecuencias los osciladores de retroalimentación funcionan mal debido al cambio de fase excesivo 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 en 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 se reducen a cero. La resistencia negativa del dispositivo activo cancela la resistencia de pérdida interna (positiva) en el resonador, creando de hecho un resonador sin amortiguamiento, que genera oscilaciones continuas espontáneas en su frecuencia resonante.

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 válvulas, también tienen resistencia negativa. A altas frecuencias, los dispositivos de tres terminales, como transistores y FET, también se utilizan en osciladores de resistencia negativa. A altas frecuencias, estos dispositivos no necesitan un circuito 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. Los osciladores de alta frecuencia en general se diseñan utilizando técnicas de resistencia negativa.

Algunos de los muchos circuitos de osciladores armónicos se enumeran a continuación:

• oscilador de armadura, a.k.a. oscilador de Meissner
• Clapp oscilator
• Colpitts oscilator
• oscilador cruzado
• oscilador de Dynatron
• Hartley oscilator
• oscilador óptico-electrónico
• Pierce oscilator
• oscilador de la fase
• oscilador Robinson
• Tri-tet oscilator
• Vackář oscilator
• Bisagra puente de Wien

Oscilador de relajación

Un oscilador no lineal o de relajación produce una salida no sinusoidal, como una onda cuadrada, de diente de sierra o triangular. 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 circuito de retroalimentación. El dispositivo de conmutación carga y descarga periódicamente la energía almacenada en el elemento de almacenamiento provocando así cambios bruscos 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 a menudo se prefieren los osciladores de cristal 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 los 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 de anillo se componen de 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 sola transición se propaga sin fin alrededor del anillo.

Algunos de los circuitos osciladores de relajación más comunes se enumeran a continuación:

• Multivibrador
• Pearson-Anson oscilator
• oscilador de anillo
• oscilador de línea de derrame
• oscilador Royer

Oscilador controlado por voltaje (VCO)

Se puede diseñar un oscilador de modo que la frecuencia de oscilación se pueda variar en algún rango mediante un voltaje o corriente de entrada. Estos osciladores controlados por voltaje se usan ampliamente en bucles de sincronización de fase, en los que la frecuencia del oscilador puede sincronizarse con la frecuencia de otro oscilador. Estos 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 VCO de radiofrecuencia generalmente se fabrican agregando un diodo varactor al circuito sintonizado o resonador en un circuito oscilador. Cambiar el voltaje de CC a través del varactor cambia su capacitancia, lo que cambia la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado. Los osciladores de relajación controlados por voltaje pueden construirse cargando y descargando el capacitor de almacenamiento de energía con una fuente de corriente controlada por voltaje. El aumento del voltaje de entrada aumenta la tasa de carga del condensador, lo que reduce el tiempo entre los eventos de conmutación.

Teoría de los osciladores de retroalimentación

Un circuito oscilador de retroalimentación consiste en dos partes conectadas en un bucle de retroalimentación; un amplificador A{displaystyle A} y un filtro electrónico β β ()j⋅ ⋅ ){displaystyle beta (jomega)}. El propósito del filtro es limitar las frecuencias que pueden pasar a través del bucle para que el circuito sólo oscila a la frecuencia deseada. Dado que el filtro y los alambres en el circuito tienen resistencia consumen energía y la amplitud de las gotas de señal 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 suministrar energía a la carga adjunta a la salida.

Frecuencia de oscilación - el criterio de Barkhausen

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

Para determinar la frecuencia(s) ⋅ ⋅ 0=2π π f0{displaystyle omega ¿Por qué? en el que un circuito oscilador de retroalimentación oscilará, el bucle de retroalimentación se piensa como roto en algún punto (ver diagramas) para dar un puerto de entrada y salida. Una onda sine se aplica a la entrada vi()t)=Viej⋅ ⋅ t{displaystyle v_{i}(t)=V_{i}e^{j}{omega t} y la amplitud y fase de la onda sine después de atravesar el bucle vo=Voej()⋅ ⋅ t+φ φ ){displaystyle ¿Qué? calculado

vo=Avf{displaystyle ¿Qué? y vf=β β ()j⋅ ⋅ )vi{displaystyle v_{f}=beta (jomega)v_{i},} Así que... vo=Aβ β ()j⋅ ⋅ )vi{displaystyle v_{o}=Abeta (jomega)v_{i},}

Desde el circuito completo vo{displaystyle v_{o} está conectado a vi{displaystyle V_{i}, para que existan oscilaciones

vo()t)=vi()t){displaystyle v_{o}(t)=v_{i}(t)}

La relación entre la producción y la entrada del bucle, vovi=Aβ β ()j⋅ ⋅ ){displaystyle {v_{o} over v_{i}=Abeta (jomega)}, se llama la ganancia de bucle. Así que la condición para la oscilación es que la ganancia de bucle debe ser uno

Aβ β ()j⋅ ⋅ 0)=1{displaystyle Abeta (jomega _{0})=1,}

Desde Aβ β ()j⋅ ⋅ ){displaystyle Abeta (jomega)} es un número complejo con dos partes, una magnitud y un ángulo, la ecuación anterior realmente consiste en dos condiciones:

• La magnitud de la ganancia (amplificación) alrededor del bucle en ω₀ debe ser unidad

SilencioASilencioSilencioβ β ()j⋅ ⋅ 0)Silencio=11){displaystyle TENA SUPERVISIÓNbeta (jomega _{0})

para que después de un viaje alrededor del bucle la onda sine es la misma amplitud. Se puede ver intuitivamente que si la ganancia del bucle fuera mayor que una, la amplitud de la señal sinusoidal aumentaría a medida que viaja alrededor del bucle, dando lugar a una onda sine que crece exponencialmente con el tiempo, sin límites. Si la ganancia de bucle fuera inferior a una, la señal disminuiría alrededor del bucle, resultando en una onda de seno descompuesta exponencialmente que disminuye a cero.

• La onda sine al final del bucle debe estar en fase con la onda al principio del bucle. Puesto que la onda sine es periódica y repite cada 2π radians, esto significa que la fase gira alrededor del bucle en la frecuencia de oscilación ω₀ debe ser cero o múltiples de 2π radians (360°)

∠ ∠ A+∠ ∠ β β =2π π nn▪ ▪ 0,1,2...2){displaystyle angle A+angle beta =2pi nqquad nin 0,1,2...,qquad qquad {text{(2)}}}

Las ecuaciones (1) y (2) se denominan criterio de estabilidad de Barkhausen. 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 usa 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) tiene un par de polos en el eje imaginario.

En general, el cambio de fase de la red de retroalimentación aumenta con frecuencia creciente por lo que sólo hay algunas frecuencias discretas (a menudo sólo una) que satisfacen la segunda ecuación. Si el aumento del amplificador A{displaystyle A} es lo suficientemente alto que la ganancia de bucle es unidad (o mayor, ver sección de inicio) en una de estas frecuencias, el circuito oscilará a esa frecuencia. Muchos amplificadores como los circuitos transistores de emisor común son "invertir", lo que significa que su tensión de salida disminuye cuando su entrada aumenta. En estos el amplificador proporciona un cambio de fase de 180°, por lo que el circuito oscilará a la frecuencia a la que la red de retroalimentación proporciona el otro cambio de fase de 180°.

En frecuencias muy por debajo de los polos del dispositivo de amplificación, el amplificador actuará como una ganancia pura A{displaystyle A}, pero si la frecuencia de oscilación ⋅ ⋅ 0{displaystyle omega ¿Qué? está cerca de la frecuencia de corte del amplificador ⋅ ⋅ C{displaystyle omega ¿Qué?, dentro 0.1⋅ ⋅ C{displaystyle 0.1omega ¿Qué?, el dispositivo activo ya no se puede considerar una "ganancia pura", y contribuirá a algún cambio de fase al bucle.

Una prueba de estabilidad matemática alternativa que a veces se usa en lugar del criterio de Barkhausen es el criterio de estabilidad de Nyquist. Esto tiene una aplicabilidad más amplia que 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, el envejecimiento y las tolerancias de fabricación causarán que los valores de componentes se "digan" de sus valores diseñados. Cambios en frecuencia de determinación componentes como el circuito de tanques en los osciladores LC harán que la frecuencia de oscilación cambie, por lo que para una frecuencia constante estos componentes deben tener valores estables. Cuán estable es la frecuencia del oscilador a otros cambios en el circuito, como cambios en los valores de otros componentes, ganancia del amplificador, impedancia de carga o tensión de suministro, depende principalmente del factor Q ("factor de calidad") del filtro de retroalimentación. Desde amplitud la salida es constante debido a la nolinearidad del amplificador (ver sección de inicio a continuación), los cambios en los valores de componentes causan cambios en el cambio de fase φ φ =∠ ∠ Aβ β ()j⋅ ⋅ ){displaystyle phi ;=;angle Abeta (jomega)} del bucle de retroalimentación. Puesto que la oscilación sólo puede ocurrir en frecuencias donde el cambio de fase es un múltiplo de 360°, φ φ =360n∘ ∘ {displaystyle phi ;=;360n^{circ }, cambios en los valores de componentes causan la frecuencia de oscilación ⋅ ⋅ 0{displaystyle omega ¿Qué? para cambiar para llevar la fase del bucle a 360°. La cantidad de cambio de frecuencia Δ Δ ⋅ ⋅ {displaystyle Delta omega } causado por un cambio de fase determinado Δ Δ φ φ {displaystyle Delta phi } depende de la pendiente de la curva de fase de bucle en ⋅ ⋅ 0{displaystyle omega ¿Qué?, que es determinado por el Q{displaystyle Q}

dφ φ d⋅ ⋅ Silencio⋅ ⋅ 0=− − 2Q⋅ ⋅ 0{displaystyle {dphi over domega ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ ♫ _{0}=-{2Q over omega _{0},} Así que... Δ Δ ⋅ ⋅ =− − ⋅ ⋅ 02QΔ Δ φ φ {displaystyle Delta omega =-{omega _{0} over 2Q}Delta phi ,}

Los osciladores RC tienen el equivalente de un muy bajo Q{displaystyle Q}, por lo que la fase cambia muy lentamente con frecuencia, por lo tanto un cambio de fase dado causará un gran cambio en la frecuencia. En contraste, los osciladores LC tienen circuitos de tanque con alto Q{displaystyle Q} (~10²). Esto significa que el cambio de fase de la red de retroalimentación aumenta rápidamente con frecuencia cercana a la frecuencia resonante del circuito del tanque. Así que un gran cambio en la fase causa sólo 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 en el circuito. Los resonadores de cristal de cuarzo utilizados en osciladores de cristal tienen incluso más alto Q{displaystyle Q} (10)⁴ a 10⁶) y su frecuencia es muy estable e independiente de otros componentes del circuito.

Tunabilidad

La frecuencia de los osciladores RC y LC se puede ajustar en un amplio rango mediante el uso de componentes variables en el filtro. Una cavidad de microondas se puede sintonizar mecánicamente moviendo una de las paredes. Por el contrario, un cristal de cuarzo es un resonador mecánico cuya frecuencia resonante 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. Su frecuencia se puede cambiar ligeramente mediante el uso de un condensador de ajuste en serie o en paralelo con el cristal.

Arranque y amplitud de oscilación

El criterio de Barkhausen anterior, ecs. (1) y (2), simplemente dan las frecuencias a las que es posible la oscilación de 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 alimentación.. Para un oscilador práctico son necesarios dos requisitos adicionales:

• Para que las oscilaciones comiencen en el circuito desde cero, el circuito debe tener "ganancia de avanzada"; la ganancia de bucle para pequeñas señales debe ser mayor que una en su frecuencia de oscilación

1,}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">SilencioAβ β ()j⋅ ⋅ 0)Silencio■1{displaystyle TENAbeta (jomega) _{0}1,}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f8ab1f6a7986842a85724ce4b1f2603ee38cb9a" style="vertical-align: -0.838ex; width:14.284ex; height:2.843ex;"/>

• Para una operación estable, el bucle de retroalimentación debe incluir un componente no lineal que reduzca la ganancia a la unidad a medida que la amplitud aumenta a su valor operativo.

Una regla general típica es hacer que el bucle de señal pequeño gane en la frecuencia de oscilación 2 o 3. Cuando se enciende la energía, la oscilación se inicia por el ruido electrónico aleatorio o transitorio de encendido presente en el circuito. El ruido garantiza que el circuito no permanecerá "equilibrado" precisamente en su punto de equilibrio DC inestable (punto Q) indefinidamente. Debido a la estrecha banda de paso 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.

Durante la puesta en marcha, mientras que la amplitud de la oscilación es pequeña, el circuito es aproximadamente lineal, por lo que el análisis utilizado en el criterio Barkhausen es aplicable. Cuando la amplitud se hace lo suficientemente grande que el amplificador se convierte en no lineal, técnicamente el análisis de dominio de frecuencia utilizado en los circuitos amplificadores normales ya no es aplicable, por lo que el "gain" del circuito es indefinido. Sin embargo el filtro atenua los componentes armónicos producidos por la no linealidad del amplificador, por lo que el componente de frecuencia fundamental pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 0t{displaystyle sin omega No. principalmente determina la ganancia de bucle (esta es la técnica de análisis "balanza armónica" para circuitos no lineales).

La onda sinusoidal no puede crecer indefinidamente; en todos los osciladores reales, algún proceso no lineal en el circuito limita su amplitud, reduciendo la ganancia a medida que aumenta la amplitud, lo que da como resultado una operación estable a cierta amplitud constante. En la mayoría de los osciladores, esta no linealidad es simplemente la saturación (limitación) del dispositivo amplificador, el transistor, el tubo de vacío o el amplificador operacional. La oscilación de voltaje máxima de la salida del amplificador está limitada por el voltaje de CC proporcionado por su fuente de alimentación. Otra posibilidad es que la salida esté limitada por la velocidad de respuesta del amplificador.

A medida que la amplitud de la salida se acerca a los carriles de tensión de alimentación, el amplificador comienza a saturar en los picos (top y fondo) de la onda sine, aplanando o "clipping" los picos. Dado que la salida del amplificador ya no puede aumentar con el aumento de la entrada, los aumentos adicionales de la amplitud causan la ganancia equivalente del amplificador y por lo tanto la ganancia de bucle para disminuir. La amplitud de la onda sine, y el recortado resultante, sigue creciendo hasta que la ganancia de bucle se reduce a la unidad, SilencioAβ β ()j⋅ ⋅ 0)Silencio=1{displaystyle TENAbeta (jomega) _{0}, satisfaciendo el criterio de Barkhausen, en qué punto se alcanza la amplitud y la operación de estado estable, con la salida una onda sine ligeramente distorsionada con amplitud máxima determinada por el voltaje de suministro. Este es un equilibrio estable; si la amplitud de la onda sine aumenta por alguna razón, el recortado aumentado de la salida provoca la ganancia de bucle SilencioAβ β ()j⋅ ⋅ 0)Silencio{displaystyle TENAbeta (jomega _{0}) caer por debajo de uno temporalmente, reduciendo la amplitud de la onda sineosa de nuevo a su valor de unión-ganar. Del mismo modo, si la amplitud de la onda disminuye, el recorte reducido causará que el aumento del bucle aumente por encima de uno, aumentando la amplitud.

La cantidad de distorsión armónica en la salida depende del exceso de ganancia de bucle que tenga el circuito:

• Si la pequeña ganancia de bucle de señal se hace cerca de uno, sólo ligeramente mayor, la forma de onda de salida tendrá una distorsión mínima, y la frecuencia será más estable e independiente de tensión de suministro y impedancia de carga. Sin embargo, el oscilador puede ser lento comienzo, y una pequeña disminución de ganancia debido a una variación de los valores componentes puede evitar que oscila.
• Si la pequeña ganancia de bucle de señal se hace significativamente mayor que una, el oscilador comienza más rápido, pero se produce un recortado más severo de la onda sine, por lo que la distorsión resultante de la onda de salida aumenta. La frecuencia de oscilación puede depender más del voltaje de suministro y la corriente dibujada por la carga.

Una excepción a lo anterior son los circuitos osciladores de alto Q, como los osciladores de cristal; el estrecho ancho de banda del cristal elimina los armónicos de la salida, produciendo un sonido 'puro' onda sinusoidal 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 en el dominio de la frecuencia lineal utilizadas para amplificadores basados en la transformada de Laplace, como el lugar geométrico de las raíces y los diagramas de ganancia y fase (diagramas de Bode), no pueden capturar su comportamiento completo. Para determinar el comportamiento transitorio y de arranque y calcular la forma detallada de la forma de onda de salida, se utilizan programas informáticos de simulación de circuitos electrónicos como SPICE. Un procedimiento de diseño típico para circuitos osciladores es usar técnicas lineales como el criterio de estabilidad de Barkhausen o el criterio de estabilidad de Nyquist para diseñar el circuito, luego simular el circuito en una computadora para asegurarse de que arranque de manera confiable y para determinar los aspectos no lineales de la operación, como distorsión armónica. Los valores de los componentes se modifican hasta que los resultados de la simulación son 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 donde un 'puro' se necesita una onda sinusoidal de muy baja distorsión, como generadores de señales de precisión, a menudo se usa un componente no lineal en el bucle de retroalimentación que proporciona una señal 'lenta' Reducción de ganancia con amplitud. Esto estabiliza la ganancia del bucle en una amplitud por debajo del nivel de saturación del amplificador, por lo que no se satura ni se 'clipea'. 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 de luz incandescente ordinaria; 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 la señal a través de ellos durante el arranque del oscilador, el aumento de la resistencia 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 oscilación. Por lo tanto, durante un solo ciclo, actúan como elementos virtualmente lineales y, por lo tanto, introducen muy poca distorsión. La operación de estos circuitos es algo análoga a un circuito de control automático de ganancia (AGC) en un receptor de radio. El oscilador de puente de Wein es un circuito muy utilizado en el que se utiliza este tipo de estabilización de ganancia.

Limitaciones de frecuencia

A altas frecuencias se vuelve difícil implementar físicamente osciladores de retroalimentación debido a las deficiencias de los componentes. Dado que a altas frecuencias el circuito del tanque tiene una capacitancia e inductancia muy pequeñas, la capacitancia parásita y la inductancia parásita de los cables de componentes y las trazas de PCB se vuelven significativas. Estos pueden crear rutas de retroalimentación no deseadas entre la salida y la entrada del dispositivo activo, creando inestabilidad y oscilaciones en 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 generalmente se usan para frecuencias superiores.

Historia

Los primeros osciladores prácticos se basaron en arcos eléctricos, que se utilizaron para iluminación en el siglo XIX. La corriente a través de una luz de arco es inestable debido a su resistencia negativa y, a menudo, se rompe en oscilaciones espontáneas, lo que hace que el arco emita silbidos, zumbidos o aullidos que habían sido notados por Humphry Davy en 1821, Benjamin Silliman en 1822, Auguste Arthur de la Rive en 1846 y David Edward Hughes en 1878. Ernst Lecher en 1888 demostró que la corriente a través de un arco eléctrico podría ser oscilatoria.

Elihu Thomson construyó un oscilador en 1892 al colocar 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, trató de construir un oscilador de resistencia negativa con una dinamo, ¿qué sería? llamarse ahora un oscilador paramétrico. El oscilador de arco fue redescubierto y popularizado por William Duddell en 1900. Duddell, un estudiante del London Technical College, estaba investigando el efecto del arco sibilante. Adjuntó 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. Parte de la energía fue irradiada como ondas de sonido 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 lo largo del arco para tocar el himno nacional 'God Save the Queen'. El 'arco de canto' de Duddell no generó frecuencias por encima del rango de audio. En 1902, los físicos daneses Valdemar Poulsen y P. O. Pederson pudieron aumentar la frecuencia producida en el rango de radio operando el arco en una atmósfera de hidrógeno con un campo magnético, inventando el radiotransmisor de arco de Poulsen, el primer radiotransmisor de onda continua, que se utilizó hasta la década de 1920.

Un oscilador de 120 MHz a partir de 1938 utilizando un resonador de línea de transmisión de varillas paralelas (línea Licher). Las líneas de transmisión son ampliamente utilizadas para los osciladores UHF.

El oscilador de retroalimentación de tubo de vacío se inventó alrededor de 1912, cuando se descubrió que la retroalimentación ("regeneración") en el tubo de vacío de audion recientemente inventado 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. En el verano de 1912, Edwin Armstrong observó oscilaciones en los circuitos de los receptores de radio de audión y pasó a utilizar la retroalimentación positiva en su invención del receptor regenerativo. El austríaco Alexander Meissner descubrió de forma independiente la retroalimentación positiva e inventó los osciladores en marzo de 1913. Irving Langmuir, de General Electric, observó la retroalimentación en 1913. Fritz Lowenstein pudo haber precedido a los demás con un oscilador rudimentario a fines de 1911. En Gran Bretaña, H. J. Round patentó circuitos amplificadores y oscilantes en 1913. 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 hasta que leyó las patentes de Armstrong en 1914., que rápidamente desafió. Armstrong y De Forest libraron una prolongada batalla legal por los derechos del "regenerativo" circuito oscilador que ha sido llamado "el litigio de patentes más complicado en la historia de la radio". De Forest finalmente ganó ante la Corte Suprema en 1934 por motivos técnicos, pero la mayoría de las fuentes consideran que la afirmación de Armstrong es la más sólida.

El primer y más utilizado circuito oscilador de relajación, el multivibrador astable, fue inventado en 1917 por los ingenieros franceses Henri Abraham y Eugene Bloch. Llamaron a su circuito de doble tubo de vacío de acoplamiento cruzado un multivibrador, porque la señal de onda cuadrada que producía era rica en armónicos, 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 funcionó mal por encima de 300 MHz debido a la capacitancia entre electrodos. Para alcanzar frecuencias más altas, el nuevo "tiempo de tránsito" (modulación de velocidad) se desarrollaron tubos de vacío, 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 en producir 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 denominadas 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. Demostró que la estabilidad de las oscilaciones (ciclos límite) en los osciladores reales se debía a la no linealidad del dispositivo amplificador. Él originó el término "oscilación de relajación" y fue el primero en distinguir entre osciladores lineales y de relajación. Hendrik Wade Bode y Harry Nyquist realizaron más avances en el análisis matemático de la oscilación en la década de 1930. En 1969, K. Kurokawa derivó las condiciones necesarias y suficientes para la oscilación en circuitos de resistencia negativa, que forman la base del diseño moderno de osciladores de microondas.