LABORATORIO LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
LABORATORIO N°2: LABORATORIO N°2 : “CIRCUITOS “C IRCUITOS OSCILADORES SINUSOIDAL DE ALT AL TA FR FREC ECUE UENC NCIA IA” ” I.
Objetivos:
1. 2. 3. 4.
Estudio Estudio de los los sistemas sistemas electróni electrónicos cos usados usados en radiocomun radiocomunicació icación. n. Análisi Análisiss y diseño diseño de los los sistema sistemass electró electrónic nicos. os. Simular Simular,, implementar implementar y analizar analizar un circu circuito ito Oscilador Oscilador Colpitt Colpitts. s. estud estudio io y diseñ diseñoo de oscil oscilad ador ores es de onda onda sinuso sinusoid idal al de alta alta impeda impedanci nciaa de entrada.
II.. Ma II Marc rco o Teó Teóri ric co:
Introducción: n oscilador es un circuito !ue produce una oscilación propia de "recuencia, "orma de onda y amplitud determinadas. A!u# se estudiarán los osciladores sinusoidales. Se$%n &a'#amos (isto, un sistema realimentado puede ser oscilante a causa de una inesta'ilidad. Apro(ec&aremos esta particularidad, !ue en otro conte)to se considera'a des(enta*osa, y consideraremos primeramente una estructura como la de la figura 1.
Figura 1. Estructura 'ásica de realimentación realimentación para lo$rar un Oscilador. Oscilador.
+uc&os circuitos osciladores sinusoidales se 'asan en un es!uema de realimentación inesta'le, es decir, son circuitos con una realimentación positi(a. El Laorator Laoratorio io d! Radioco"un Radioco"unicaci icacion!# on!# $%&ina $%&ina '
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
análisis de la "unción de trans"erencia cociente de la salida entre la entrada- de estos sistemas demuestra !ue tienen una respuesta transitoria oscilante en ausencia de e)citación. a respuesta transitoria de un circuito incluye, en principio, su respuesta a una señal de e)citación tam'i/n llamada respuesta estacionaria- sumada a la salida cuando la entrada es nula respuesta a las condiciones in#ciales-. 0ara sistemas esta'les este %ltimo t/rmino tiende a cero a partir de un cierto tiempo de una "orma !ue depende de las condiciones in#ciales del circuito-. Sin em'ar$o, para sistemas inesta'les puede dar lu$ar a una señal oscilante o lle(ar al circuito "uera de su re$ión de "uncionamiento lineal !ue es donde tiene (alidez la "unción de trans"erencia-. El oscilador de puente de ien se 'asa en el es!uema de realimentación positi(a presentado anteriormente. tiliza un operacional en con"i$uración no in(ersora y una realimentación positi(a a tra(/s de una red C, !ue es la !ue selecciona la "recuencia de oscilación. El con*unto de am'as realimentaciones tiene la "orma caracter#stica de un puente de ien. En la figura 2 se muestra un es!uema del circuito, y en la figura 3 y figura 4 se &an representado por separado la etapa ampli"icadora y la red de realimentación, respecti(amente. A la &ora de realizar el circuito t/n$ase presente la numeración de las patillas !ue aparece en las "i$uras *unto a cada uno de los pines del operacional. En el c&ip !ue se utiliza en el la'oratorio esta numeración se o'tiene empezando a contar las patillas por el lado iz!uierdo del encapsulado con la muesca situada &acia arri'a como si apuntara a las 12 de un relo*- y contando entonces en sentido contrario a las a$u*as del relo* el lateral iz!uierdo de arri'a &acia a'a*o y el derec&o de a'a*o &acia arri'a-. as patillas 1 y son un a*uste de offset !ue no utilizaremos en este curso, por lo !ue se de*an sin conectar.
Figura 2.
Figura 3.
O#ci(ador Sinu#oida( d! A(ta Fr!cu!ncia: n oscilador es un dispositi(o capaz de con(ertir la ener$#a de corriente continua en corriente alterna a una determinada "recuencia. ienen numerosas aplicaciones5 $eneradores de "recuencias de radio y de tele(isión, osciladores locales Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina 2
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
en los receptores, $eneradores de 'arrido en los tu'os de rayos catódicos, etc. a mayor#a de los e!uipos electrónicos utiliza para su "uncionamiento señales el/ctricas de uno de estos tres tipos5 ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. os osciladores son circuitos electrónicos $eneralmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada "recuencia. E)iste una $ran (ariedad de tipos de osciladores !ue, por lo $eneral, se conocen por el nom're de su creador. 6$ualmente, los multi(i'radores son circuitos electrónicos !ue producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositi(os, es utilizado ampliamente en conmutación. os $eneradores de "recuencia son, *unto con los ampli"icadores y las "uentes de alimentación, la 'ase de cual!uier circuito electrónico analó$ico. Son utilizados para numerosas aplicaciones entre las !ue podemos destacar las si$uientes5 como $eneradores de "recuencias de radio y de tele(isión en los emisores de estas señales, osciladores maestros en los circuitos de sincronización, en relo*es automáticos, como osciladores locales en los receptores, como $eneradores de 'arrido en los tu'os de rayos catódicos y de tele(isores, etc.
Figura 4. A) Onda Sinusoidal. B) Onda Cuadrada. C) Onda 7iente de Sierra
O#ci(ador!#: os osciladores son $eneradores !ue suministran ondas sinusoidales y e)isten multitud de ellos. 8eneralmente, un circuito oscilador está compuesto por5 un 9circuito oscilante9, 9un ampli"icador9 y una 9red de realimentación9. El circuito oscilante suele estar compuesto por una 'o'ina o inductancia- y por un condensador. El "uncionamiento de los circuitos osciladores osciladores de a&ora en adelante- suele ser muy similar en todos ellos: el circuito oscilante produce una oscilación, el ampli"icador la aumenta y la red de realimentación toma una parte de la ener$#a del
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina )
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
circuito oscilante y la introduce de nue(o en la entrada produciendo una realimentación positi(a.
Figura 5. Es!uema de un circuito oscilante. oscilador.
Figura 6. Es!uema $eneral de un
;ay !ue tener cuidado y no con"undir 9circuito oscilante9 con 9oscilador9. El circuito oscilante es el encar$ado de producir las oscilaciones deseadas: sin em'ar$o, no es capaz de mantenerlas por s# solo. El oscilador es el con*unto !ue "orman el circuito oscilante, el ampli"icador y la red de realimentación *untos.
Circuito O#ci(ant!: Supon$amos un circuito compuesto por un condensador y una inductancia conectados en paralelo. En primer lu$ar, conectamos el condensador a una 'ater#a. Entonces, comienza a circular corriente el/ctrica !ue (a a pro(ocar !ue el condensador se car$ue. le$ado este momento, la corriente el/ctrica de*ar#a de circular y el condensador se encontrar#a totalmente car$ado. A continuación mo(emos el interruptor y conectamos el condensador con la inductancia. En este mismo instante, la 'o'ina, en principio, se opone al paso de la corriente. Sin em'ar$o, comienza a circular corriente de "orma pro$resi(a &aciendo !ue el condensador se descar$ue y creando un campo ma$n/tico en la 'o'ina. Al ca'o de cierto tiempo, la corriente el/ctrica comienza a cesar de "orma pro$resi(a y, por lo tanto, el campo ma$n/tico se reduce. Se crea entonces una tensión inducida en la 'o'ina !ue &ace !ue el condensador se car$ue de nue(o, pero esta (ez con la polaridad contraria. Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina *
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
na (ez !ue el condensador se encuentra totalmente car$ado (ol(emos a estar como al principio, aun!ue esta (ez con el condensador car$ado de "orma in(ersa a como esta'a antes. Comienza pues otra (ez el proceso de descar$a pro$resi(a del condensador so're la inductancia y de nue(o (uel(e a car$arse el condensador.
O#ci(ador d! +art(!,: a principal caracter#stica de estos circuitos osciladores es !ue no utilizan una 'o'ina au)iliar para la realimentación, sino !ue apro(ec&an parte de la 'o'ina del circuito tan!ue, di(idi/ndose /sta en dos mitades, L 1
y L 2 . Colocamos dos
resistencias para polarizar adecuadamente el transistor. ;ay dos "ormas de alimentar al transistor5 en serie y en paralelo. a alimentación serie se produce a tra(/s de la 'o'ina, L 2 , circulando por ella una corriente continua. a alimentación en paralelo se e"ect%a a tra(/s de la resistencia del colector, !uedando en este caso per"ectamente aislados el componente de continua y el componente de alterna de señal. a reacción del circuito se o'tiene a tra(/s de la "uerza electromotriz !ue se induce en la 'o'ina, L 1 , y !ue se aplica a la 'ase del transistor a tra(/s de un condensador. En estos circuitos la "recuencia de oscilación depende de la capacidad C y de las dos partes de la 'o'ina, L 1
y L 2 , del
circuito oscilante. Se$%n donde se colo!ue la toma intermedia de la 'o'ina se (a a producir una amplitud de tensión u otra: pudiendo lle$ar a conectarse o desconectarse el circuito.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina -
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
Figura 7. O#ci(ador d! +art(!,.
O#ci(ador Co(/itt#: Este oscilador es 'astante parecido al oscilador de ;artley. a principal di"erencia se produce en la "orma de compensar las p/rdidas !ue aparecen en el circuito tan!ue y la realimentación, para lo cual se realiza una deri(ación de la capacidad total !ue "orma el circuito resonante. na parte de la corriente del circuito oscilante se aplica a la 'ase del transistor a tra(/s de un condensador, aun!ue tam'i/n se puede aplicar directamente. a tensión ampli"icada por el transistor es realimentada &asta el circuito oscilante a tra(/s del colector. Como en todos los circuitos !ue ten$an transistores necesitamos conectar resistencias para polarizarlos. a tensión de reacción se o'tiene de los e)tremos de uno de los condensadores Figura8. conectados a la 'o'ina en paralelo.
O#ci(ador !n $u!nt! d! 0i!n: ;asta a&ora &emos (isto los osciladores tipo LC , (amos a (er a&ora un oscilador tipo C, el denominado oscilador en puente de ien. Cuando tra'a*emos en 'a*as "recuencias no (amos a poder usar los osciladores tipo LC , de'ido a !ue el tamaño de la 'o'ina y de la resistencia tendria !ue ser demasiado $randes y caros. 0ara sustituirlos (amos a usar una red de des"ase "ormada por
RC , es decir,
resistencias y condensadores, como es el caso del ya mencionado oscilador en puente de ien. Está constituido por una etapa oscilante, dos etapas ampli"icadoras, "ormadas por dos transistores. El circuito está conectado en emisor com%n y al tener dos etapas en cascada la señal es des"asada
360 º
y despu/s (uel(e a ser realimentada al circuito puente. a
señal de salida del se$undo transistor se aplica al circuito puente constituido por dos resistencias y tam'i/n es aplicada a la entrada del puente de ien, !ue es el circuito Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina 1
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
oscilante "ormado por una resistencia y un condensador muestra el es!uema de un oscilador Colpitts en 'ase com%n, as# como distintos circuitos e!ui(alentes en pe!ueña señal, %tiles para su diseño y análisis. En este es!uema, el circuito tan!ue está constituido por la autoinducción ¿ y las capacidades C1 y C2. a capacidad Cf es una capacidad !ue se suele introducir para a*uste "ino de la "recuencia y en principio se puede suprimir. a resistencia ℜ es una pe!ueña resistencia !ue se introduce para e(itar !ue el comportamiento del oscilador dependa de la impedancia de entrada del transistor a la !ue llamaremos re-. es la resistencia de car$a, !ue está conectada al colector a tra(/s del condensador de desacoplo CC . as resistencias R1 , R2 y RE se utilizan para polarizar el circuito y no a"ectan en pe!ueña señal $racias al condensador de 'ase CB y al c&o!ue =C. >a*o el circuito completo se muestra el circuito e!ui(alente para señal (aria'le, donde se &a incluido la resistencia parásita rc asociada a la 'o'ina del circuito tan!ue, la impedancia de entrada del transistor re y la capacidad de la unión colector?'ase Ccb . Este circuito se puede simpli"icar sucesi(amente teniendo en cuenta las re$las de trans"ormación serie?paralelo para circuitos RL y RC . 7e este modo, Rp es la resistencia resultante de trans"ormar rc a su e!ui(alente paralelo: Rs y Cs resultan de trans"ormar el circuito Ri =(ℜ+ℜ); "inalmente, tapped?capacitor "ormado por C1 , C2 y R 0= RL / ¿ Rp / ¿ Rs
y Ct =Ccb /¿ Cs .
@ormalmente, el diseño de un oscilador (iene condicionado por las especi"icaciones en las !ue se suele indicar la "recuencia de oscilación y la potencia !ue de'e suministrarse a una determinada resistencia de car$a- y los componentes disponi'les normalmente &ay más (ariedad de condensadores !ue de autoinducciones-.Con respecto a la potencia suministrada a la car$a, con(iene diseñar el oscilador para condiciones de má)ima trans"erencia a la car$a, lo !ue supone !ue R0 de'e ser i$ual a la mitad de RL. 0or otra parte tal y como se (erá en las clases de teor#a-, la potencia suministrada a la resistencia R0 a la "recuencia de oscilación es5 1
2
P0= I CQ R 0 2
donde ICQ es la corriente de colector de polarización. 7e esta potencia, la mitad es disipada por la resistencia de car$a y la otra mitad por las resistencias
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina
RC
y
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
(ℜ+ℜ) , suponiendo !ue se cumplen las condiciones de má)ima trans"erencia de potencia. a potencia suministrada a la car$a es, por tanto5 1
2
1
2
P L = I CQ R 0= I CQ R L 4
8
lo !ue permite esta'lecer la corriente de polarización del transistor5 I CQ=
√
8
P L R L
as# como la tensión colector?'ase de polarización5 V CBQ= I CQ R 0
Con respecto al circuito tan!ue, se de'e tener en cuenta, por una parte, la "recuencia de resonancia !ue (a a determinar la "recuencia de oscilación-5 f 0=
1 2 π √ Lt C t
y por otra parte, el "actor de calidad !ue con(iene !ue sea, al menos del orden de -5 Q =2 π f 0 R 0 C t
Figura 8. Oscilador 0uente de ien
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina 3
Figura 9. =orma de onda
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
III.4 D!#cri/ción , An%(i#i# d!( Circuito:
Figura 10. Oscilador Sinusoidal de Alta =recuencia.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina 5
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
El proceso de diseño puede ser el si$uiente5 1.
Como primer paso, se puede esco$er un "actor de calidad m#nimo para el circuito a diseñar. Bste determinará un (alor m#nimo para la capacidad Ct y
2.
3. 4.
un (alor má)imo para la autoinducción ¿ . na (ez determinado el (alor má)imo para la autoinducción, se puede esco$er ¿ de acuerdo con la disponi'ilidad de componentes. a autoinducción esco$ida determinará tanto ¿ como rc. El (alor Rp se calcula &aciendo la correspondiente trans"ormación serie?paralelo de circuitos RL. 0uesto !ue R 0= RpkRLkRs , en este punto se puede calcular el (alor de Rs. 0or otra parte ℜ=(VT / ICQ ) y e se puede esco$er de modo !ue sea 'astante mayor !ue re normalmente, unas decenas de o&mios suele ser su"iciente-. Esto determina tam'i/n Ri =ℜ+ℜ .
5.
6.
Conocido Cc a tra(/s de las caracter#sticas del transistor- y Ct , podemos determinar Cs. =inalmente, C1 y C2 se calculan "ácilmente teniendo en cuenta los (alores de Ri , Rs y Cs es un pro'lema e!ui(alente al diseño de una red tapped? capacitorD-.
os (alores de las resistencias de polarización RE , R1 y R2 se esta'lecen teniendo en cuenta el punto de polarización del circuito. as capacidades de desacoplo CB y CC se de'en esco$er de modo !ue se comporten como cortocircuitos e"ecti(os a la "recuencia de oscilación. 6$ualmente, el c&o!ue de radio "recuencia de'e ele$irse para !ue se comporte como un circuito a'ierto a la "recuencia de oscilación.
I6.4 Dato# d!( Tran#i#tor BF'5*: Refere!cia
E"ui#a$e!tes
Caracter%sticas
BF194
>= 24, >=
2F+;z
24, >= ('( i$icio
44, >= 4
Ampli"icador, mi)er, =6 e oscilador A+? =+
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '7
Ca&a
'i!es
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
CARAC*ER+*,CA. *RA(,*-R BF 194.
@om're del transistor5 emperatura l#mite de unión pn *-5 La estructura /e tra!sistor +á)ima disipación de potencia continua colector del transistor 0c-5 imite el colector 7C?'ase c'-5 #mite de colector?emisor del transistor de tensión ce-5 #mite de tensión emisor?'ase e'-5 =recuencia de corte de la relación de trans"erencia corriente del transistor =t-5 Capacidad de la unión de colector Cc-, 0"5 Estática coe"iciente de trans"erencia de corriente en el circuito con emisor com%n ;"e-, minGma)5 =a'ricante5
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina ''
BF194 128C npn 2m 3< 2< < 2F+;z
1. FHG22 0;660S
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
Figura 11. ransistor >=14
6.4 $ar%"!tro# #i&ni9catio# ;u! d!t!r"inan (a Ca(idad d! un O#ci(ador: os principales parámetros !ue permiten caracterizar el comportamiento de un oscilador son5 la potencia, el rendimiento, el ni(el de armónicos, la "recuencia de oscilación, el mar$en de sinton#a, el espectro de ruido, y la deri(a de la "recuencia con la tensión de alimentación, con la car$a, o con la temperatura. Estas caracter#sticas (an a determinar la calidad del oscilador y la posi'ilidad de utilizarlo en determinadas aplicaciones. A continuación se descri'en estos parámetros y la "orma de medirlos.
A. B. C. D. E. F. G.
0OE@C6A, E@76+6E@O @6
A.'4 La $ot!ncia: 7e salida 0 de un oscilador es la potencia !ue se entre$a a la car$a a la "recuencia de oscilación. Se puede determinar mediante un osciloscopio, aun!ue es pre"eri'le utilizar un analizador de espectro para considerar %nicamente la potencia suministrada a la "recuencia "undamental y descartar la suministrada a otras "recuencias armónicos o "recuencias espurias-.
A.24 E( R!ndi"i!nto: 7el oscilador se de"ine como el cociente entre la potencia suministrada a la car$a 0- y la potencia tomada de la "uente de alimentación de continua. Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '2
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
B4 E( Ni!( Ar"ónico# , E#/
C.4 Fr!cu!ncia d! Sinton=a: Se puede medir mediante el osciloscopio o mediante un contador de "recuencia. Sin em'ar$o, con(iene !ue sea medida con el analizador de espectro, con el o'*eto de apreciar, además de la "recuencia "undamental, otras componentes, como armónicos y "recuencias espurias, as# como el espectro de ruido alrededor de los armónicos. Otro m/todo para la medida de "recuencias es el !ue se conoce como medida por comparación de "recuenciasD. 0ara ello es necesario un $enerador de señal de precisión cali'rada y un osciloscopio !ue admita la representación de la suma de am'as entradas la salida del $enerador de señal y la salida del oscilador-. El $enerador de señal de'e con"i$urarse para proporcionar una señal de la misma amplitud y "recuencia muy parecida a la del oscilador. En esta situación, se o'ser(arán en el osciloscopio 'atidosD de "recuencia
Δf 2
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina ')
5
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
( 2 π f t ) +¿ A sin ( 2 π f g t )=2 A sin 0
(
2 π
f 0+ f g 2
) (
t
cos 2 π
f 0 + f g 2
)
t ≈ 2 A sin ( 2 π f 0 t ) cos
(
2 π
V 0 ( t ) + V gen ( t ) = A sin ¿
y a*ustando la "recuencia del $enerador de señal se tratará de minimizar la "recuencia de los 'atidos
Δf 2
. Cuando se minimiza la "recuencia de los 'atidos, las "recuencias
de am'os sistemas son muy parecidas, de modo !ue la "recuencia de oscilación del $enerador de señal permite determinar la "recuencia del oscilador. a sinton#a se de"ine como el mar$en de "recuencias Δf !ue puede 'arrer un oscilador cuando se modi"ica al$uno de sus parámetros. Se$%n el m/todo de sinton#a utilizado, se distin$uen5
i!to!%a ec!ica la "recuencia de oscilación se sintoniza modi"icando mecánicamente un elemento del circuito oscilador una autoinducción o un condensador (aria'les-. i!to!%a e$ectr!ica la "recuencia de oscilación se modi"ica aplicando una tensión a un elemento de control. Este m/todo de sinton#a da lu$ar a los osciladores controlados por tensión, de especial inter/s para solucionar el pro'lema del arrastren la sintonización de canales y para la modulación =+-.
D4 $u((in&: Se denomina pullin$D a la (ariación de la "recuencia del oscilador cuando se modi"ica la impedancia de car$a. 7epende "undamentalmente del "actor de calidad del circuito de sinton#a y del acoplamiento entre el oscilador y la car$a.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '*
Δf 2
)
t
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
E4 $u#>in&: El pus&in$D se de"ine como la (ariación de la "recuencia del oscilador con la tensión de alimentación del oscilador. 7epende de J y del tipo de elemento acti(o utilizado.
F.'4 E#/!ctro d! Ruido: 7a lu$ar a la aparición de un ruido de amplitud !ue usualmente se puede compensar con circuitos limitadores-.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '-
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
F.24 Ruido d! Fa#!: Jue (a a tener en $eneral más importancia, dependiendo de la aplicación del oscilador.
?4 D!ria con (a T!"/!ratura: a deri(a con la temperatura es de'ida, "undamentalmente, a las (ariaciones t/rmicas de los componentes !ue "orman el oscilador. iene especial importancia durante el transitorio t/rmico del circuito en el proceso de encendido. En los osciladores con redes de sinton#a de 'a*o J, la deri(a t/rmica se de'e especialmente a cam'ios en el dispositi(o acti(o. En los circuitos de alto J la deri(a t/rmica se suele de'er a cam'ios en la "recuencia de resonancia del resonador, asociados a (ariaciones de los componentes, dilataciones, etc.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '1
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
6I.4 Si"u(ación d!( Circuito:
Figura 12. Oscilador Sinusoidal de Alta =recuencia.en S6+6+-
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
Figura 13.
Figura 14.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '3
LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES
Figura 15.
Laoratorio d! Radioco"unicacion!# $%&ina '5
