Slide 1
Propaganda
ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES OSCILADORES 1 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES CONTEÚDO 4- Osciladores (4 aulas) Principios básicos, critério de Barkhausen, estabilização de amplitude. Osciladores RC-Activos Osciladores de cristal e LC Osciladores de relaxação 2 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Geradores de sinal Aplicações: Computadores e sistemas de controlo impulsos de relógio Sistemas de telecomunicações sinais de formas variadas são utilizados ---------------------------------------------------------- como portadores Equipamento e teste e medida sinais de formas variadas são utilizados -------------------------------------------------------para testar e caracterizar dispositivos e --------------------------------------------------------circuitos electrónicos Osciladores Sinusoidais: Osciladores Lineares --------------------------------------------------------- utilizam o fenómeno de ressonância e são constituídos ----por um A.O. com realimentação positiva e um circuito - --RC ou LC selectivo na frequência. Osciladores Não Lineares resultam da modificação de uma onda triangular obtida -------------------------------------- por um processo não linear. Geradores de onda quadrada, triangular, impulsos: Geradores não lineares empregam multivibadores (biestável, astável, monoestável) 3 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Geradores de sinal Osciladores Sinusoidais – Princípios básicos de osciladores lineares Passo 1 – empregam-se métodos de análise de realimentação no domínio da frequência Passo 2 – aplica-se um método não linear para controlo de amplitude x f ( s ) xO ( s ) ( s ) xO (s) A(s)xS (s) xO (s) (s) xO (s) A(s) (s) xO (s) A(s) xS (s) Estrutura básica de um oscilador sinusoidal. Ganho da malha de rectroacção: Equação característica: xO ( s ) A( s ) A f ( s) xs ( s ) 1 A( s ) ( s ) L( s ) A( s ) ( s ) 1 L( s) 1 A( s) ( s) 0 4 ELECTRÓNICA GERAL Critério de oscilação OSCILADORES Geradores de sinal (Critério de Barkhausen) Ganho da malha de rectroacção: Equação característica: Condição para se ter um oscilador sinusoidal à frequência w0 L( s ) A( s ) ( s ) 1 L( s) 1 A( s) ( s) 0 L( jw0 ) A( jw0 ) ( jw0 ) 1 A( jw0 ) ( jw0 ) 1 arg( A( jw0 ) ( jw0 )) 0 Deve verificar-se apenas para a frequência de oscilação 5 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Geradores de sinal xS ( s ) 0 x f ( s ) xO ( s ) ( s ) Ax f ( s ) xO ( s ) A ( s) xO ( s) xO ( s) Estrutura básica de um oscilador sinusoidal. Examinando os pólos da função de transferência, (1-A(s)(s)=0 ). A( s) ( s ) 1 xO ( s) A( s) Af ( s) x f ( s) 1 A( s) ( s) Para que o circuito produza oscilações à frequência w0 a equação característica deverá ter zeros sobre o eixo imaginário s=±jw0, pelo que a função deverá ter um factor da forma (s2+w02). 6 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Dependência da estabilidade da frequência do oscilador com a variação de fase f arg( ( jw0 )) arg( ( jw0 )) 0 Para uma variação acentuada de fase Df variação de Dw0 grande df/dw Dw0 pequeno (resultante de uma mudança num componente devido por exemplo à temperatura) Quanto mais inclinada for a característica arg[(jw)] menor será a variação da frequência de oscilação: Circuito de realimentação com alta selectividade na frequência Circuito ressonante com Q elevado 7 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Estabilização da amplitude A=1 e w=w0 A=1 e w=w0 Variação de temperatura Variação de temperatura A<1 A>1 As oscilações amortecem A amplitude das oscilações aumenta Mecanismo para forçar A=1 circuito de controlo do ganho não linear 8 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Estabilização da amplitude Funcionamento do circuito não linear de controlo do ganho 1 - Projeta-se o circuito de modo a A>1 (pólos próximo do eixo imaginário) 2 - Quando a fonte de alimentação é ligada as oscilações aumentam 3 - Quando a amplitude da oscilação atinge o valor desejado o controlo não linear actua e põe o ganho da malha de rectroacção a 1. (os pólos são deslocados para o eixo imaginário) 4 - Esta acção faz com que o circuito mantenha as oscilações na amplitude desejada. 5 - Se o ganho A ficar menor que 1 as oscilações diminuem de amplitude. Isto é detectado pelo controlador que volta a colocar o ganho A em 1. 9 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Caracteristica de Transferência Circuito Limitador para Controlo de Amplitude L V vI 0 vO 0 vA 0 vB 0 D1 e D2 vO R R4 VD 1 4 R5 R5 " off " Rf R1 Teorema de Sobreposição L V vA V R3 R2 vO R2 R3 R2 R3 R R L V 3 VD 1 3 R2 R2 R R3 VD 1 3 R2 R2 vB V R5 R4 vO R4 R5 R4 R5 R4 R4 L V VD 1 R5 R5 10 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Caracteristica de Transferência Circuito Limitador para Controlo de Amplitude vI 0 vA 0 D2 vO 0 L V vB 0 R R4 VD 1 4 R5 R5 " off " vA ( positivo) vA 0.7V D1 " on" L V R R3 VD 1 3 R2 R2 D1 " on" Valor de vO para o qual D1 conduz: R3 R3 L V VD 1 R2 R2 R3 R2 vA V vO R2 R3 R2 R3 vA =-VD D1 vI L / R f / R1 " on" G 1 R f R3 R1 R f R3 vB V R5 R4 vO R4 R5 R4 R5 vB =-VD L V R R4 VD 1 4 R5 R5 Valor de vO para o qual D2 conduz: 11 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Circuito Limitador para Controlo de Amplitude Quando Rf é removida o circuito transforma-se num comparador. vI 0 vO L vI 0 vO L 12 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores RC Activos Oscilador em ponte de Wien Ampop ligado em montagem não inversora com um ganho de 1+R2/R1 Na malha de realimentação positiva liga-se um circuito RC Determinação do ganho: O ganho determina-se multiplicando a função de transferência Va(s)/Vo(s) da malha de realimentação positiva pelo ganho da montagem não inversora R2 Z p L( s) 1 R1 Z p Z s 1 R2 R1 L( s ) 3 sCR 1 / sCR s jw A jw jw 1 arg A jw jw 0 Condição para haver oscilação L( jw ) w0CR 1 R2 R1 3 j wCR 1 / wCR 1 w0CR R2 / R1 2 w0 1 CR R2 / R1 2 13 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Osciladores RC Activos A jw jw 1 Oscilador em ponte de Wien arg A jw jw 0 1 R2 R1 3 sCR 1 / sCR s jw Condição para haver oscilação L( s ) L( jw ) w0CR 1 R2 R1 3 j wCR 1 / wCR 1 w0CR w0 1 CR A 1 3 jw 0 R2 / R1 2 R2 / R1 2 Os pólos são as raizes de 1-AB(s)=0 ou 1-L(s)=0 1 L( s ) 0 1 L( s ) 1 1 R2 R1 0 3 sCR 1 / sCR 1 R2 R1 1 3 sCR 1 / sCR A 3 sCR 1/ sCR 0 3 AsCR s C R 1 2 2 2 0 s 3 Asw0 w 2 2 0 s1, 2 2 3 Aw0 3 A w02 2w 2 2 0 2 14 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Osciladores RC Activos Oscilador em ponte de Wien Lugar geométrico dos pólos quando A varia 0 s 2 3 Asw0 w02 A=3 3 Aw0 3 A w 2 s1, 2 2 2 2 0 2w02 Para 1<A<5 os pólos são complexos e situamse sobre uma circunferência de raio w0 Para A=3 os pólos são imaginários puros e situam-se sobre o eixo imaginário Para A>3 os pólos passam para adireita do eixo imaginário A=1 A=0 x x A=0 O circuito é dimensinado para A aproximadamente igual a 3 mas um pouco maior para que as oscilações se iniciem A 1 R 1 2 3 jw 0 R1 R2 / R1 2 R2 / R1 2 15 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores RC Activos Oscilador em ponte de Wien com limitador para controlo de amplitude Oscilador em ponte de Wien limitador para controlo de amplitude 16 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores RC Activos Oscilador de desvio de fase. Princípio de operação 17 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores RC Activos Oscilador de desvio de fase com limitador para estabilização de amplitude. Ganho da cadeia de rectroacção, sem o limitador. w 2C 2 RR f VO jw A VX jw 4 j 3wCR 1 / wCR 18 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores RC Activos Princípio de operação Diagrama de Blocos do oscilador filtro-activo-sintonizado 19 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores RC Activos Implementação prática do oscilador filtro-activo-sintonizado Limitador 20 ELECTRÓNICA GERAL Conclusões: OSCILADORES Osciladores RC Activos • Os osciladores RC activos utilizam-se para frequências entre 10Hz e 100kHz (máx 1MHz) • O limite inferior de frequência resulta das dimensões dos componentes • O limite superior de frequência resulta da resposta em frequência e do slew-rate dos amplificadores operacionais. • Para frequências superiores utilizam-se osciladores de cristal e circuitos formados por transistores e malhas LC sintonizadas 21 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores de cristal e LC Sintonizados Osciladores LC sintonizados Um transistor com um circuito LC paralelo sintonizado entre o colector e a base (ou dreno e fonte), com uma fracção da tensão deste circuito a alimentar o emissor (fonte Oscilador de Hartley Oscilador de Colpitts w0 1 CC L 1 2 C1 C2 Frequência de oscilação 1 w0 L1 L2 C 22 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Oscilador de Colpitts Circuito equivalente Equação no nó C: sC2V g mV 1 / R sC1 1 s 2 LC2 V 0 V 0 s 3 LC1C2 s 2 LC2 / R sC1 C2 g m 1 / R 0 as oscilações começam V pode ser eliminado g 1 w LC / R j w C C w LC C 0 s jw 2 m 3 2 1 =0 C2 gm R C1 Para as oscilações começarem C2 gm R C1 Condição de oscilação 2 1 2 =0 w0 1 CC L 1 2 C1 C2 Frequência de oscilação 23 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Circuito completo de um oscilador de Colpitts 24 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Oscilador de Cristal piezoeléctrico Reactância do cristal em função da frequência símbolo Circuito equivalente [Despresando a pequena resistência r, Zcristal = jX(w)]. 1 Z s 1 / sC p sL 1 / sCS s 2 1 / LCs Z s 1 / sC p 2 s C p CS / LCS C p wp 1 CC L S p C C p S wS 1 LCS 1 Z s j wC p w 2 w S2 w2 w2 p wp>wS 25 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Oscilador de cristal utilizando um inversor CMOS como amplificador (Pierce) Frequência de ressonância definida por L e pela série de Cs com (Cp+C1C2/(C1+C2)) como Cs é muito menor torna-se dominante e a frequência de ressonância é: w0 1 wS LCS 26 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores de Relaxação Realimentação positiva capaz de operação biestável. Analogia fisica para a operação do circuito biestável A bola não pode permanecer indefinidamente na situação em que está, qualquer perturbação a fará cair para um dos dois estados estáveis. 27 ELECTRÓNICA GERAL Gerador de onda rectangular OSCILADORES Osciladores de Relaxação multivibrador biestável circuito RC na malha de realimentação Uma onda quadrada pode ser gerada por um multivibrador biestável com um circuito RC na malha de realimentação como mostra a figura 28 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Osciladores de Relaxação Multivibrador Astável Operação (carga): v L 1. vO=L+ vO=L+ 2. O condensador carrega através de R com t=CR 3. A tensão na entrada (–) do A.O. é v L ( L L )e t /t 4. A tensão na entrada (+) do A.O. é v L 5. Quando v- atinge o valor de v+ o A.O. Muda de estado e vo=L- 29 OSCILADORES ELECTRÓNICA GERAL Osciladores de Relaxação Multivibrador Astável Operação (descarga): v L 6. vO=L- vO=L- 7. O condensador descarrega através de R com t=CR 8. A tensão na entrada (–) do A.O. é v L ( L L )e t T1 /t 4. A tensão na entrada (+) do A.O. é v L 5. Quando v- atinge o valor de v+ o A.O. Muda de estado e vo=L+ 30 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Osciladores de Relaxação Multivibrador Astável Cálculo do período T = T1+T2 Durante T1 a tensão v- é: Durante T2 a tensão v- é: (t=0 no início de T1) (t=T1 no início de T2) v L ( L L )e t /t v L ( L L )e t /t Fazendov L em t= T1 fica: L L ( L L )e T1 /t 1 ( L / L ) ou: T t ln 1 1 v L Fazendo v L em t= T1 fica: L L ( L L )eT /t 2 ou: T2 t ln 1 ( L / L ) 1 T T1 T2 2t ln 1 1 31 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Esquema geral para gerar formas de onda triangulares e rectangulares Cálculo do período T = T1+T2 VTH VTL L T1 CR VTH VTL L T1 CR VTH VTL L T2 CR VTH VTL T2 CR L Onda simétrica L+=L32 ELECTRÓNICA GERAL Estado estável OSCILADORES Circuito monoestável 1 - Tensão em A = L+ 2 - Diodo D1 “on” 3 – Se R4>>>R1 o diodo D2 conduz uma corrente muito pequena e, 4 - O ganho da montagem é aprox. =R1/(R1+R2) 5 - vC=L+>VD1 Gerador de onda rectangular 33 ELECTRÓNICA GERAL Estado quasi-estável Surge um flanco descendente na entrada de trigger OSCILADORES Circuito monoestável 1 – D2 conduz francamente pois a Tensão em E diminui fortemente. 2 – A tensão vC diminui. 3 – Qd vC<vB o A.O. muda de estado e a tensão em A=L-. 4 – vC=L- e D2 corta. 5 – D1 corta. 6 – C1 descarrega exponencialmente para L- com t=C1R3. 7 – Qd vB fica menor L- o A.O. Muda de estado para L+. Gerador de onda rectangular 8 – Condensador C1 carrega até L+ , até o diodo D1 entrar em condução e o circuito entra no estado estável 34 ELECTRÓNICA GERAL OSCILADORES Circuito monoestável Estado quasi-estável Determinação de T vB t L ( L VD1 )e t / C1R3 Gerador de Londa rectangular L L ( L VD1 )e T / C R 1 3 VD1 L 1 C1R3 ln T C1R3 ln 1 L L 35
