Osciladores: Tipos, Princípios e Aplicações

Osciladores: Definição e Princípios

Definição: Amplificador com realimentação positiva onde o próprio sinal de saída é o sinal de entrada.

Componentes básicos

Circuitos básicos do oscilador: amplificador, circuito tanque e circuito de realimentação.

Critério de Barkhausen

Barkhausen: é necessário que o sinal realimentado tenha amplitude suficiente e fase 0°.

Condições relacionadas a AB: AB > 1 (condição inicial — inicia a oscilação); AB < 1 (o sinal de saída desvanecerá); AB = 1 (saída senoidal estável).

Disparo e estabilização

Disparo em oscilador: ao ligar a fonte, tensões de ruído geradas pelos resistores alimentam o circuito ressonante; o sinal realimentado produz aumento até a amplitude desejada, onde ocorre estabilização.

Parâmetros para início e continuidade da oscilação: condição inicial AB > 1; frequência cujo desvio de fase é 0°; amplitude atingida quando o fator AB = 1 por meio de redução de A ou B.

Osciladores LC

Osciladores LC — nas faixas de HF e VHF são implementados a partir de TJB e FET, pois essa faixa está bem acima da frequência útil dos amplificadores operacionais.

Satisfatório na faixa de frequência de 1 a 500 MHz.

Oscilador Colpitts (Emissor Comum - E.C.)

Colpitts (E.C.): tensão de realimentação feita através de uma capacitância dividida aplicada à base do transistor, que mantém as oscilações desenvolvidas através do circuito tanque.

Gampeamento (Colpitts E.C.): ajusta automaticamente o valor de AB para 1.

Q baixo: Q < 10 (Colpitts E.C.) — o oscilador não opera, visto que o ganho em alta frequência ficará abaixo de 1/B. Solução: usar C5 com valor baixo para que X_C seja maior que R_L, evitando carga excessiva no circuito tanque; a amplitude será pequena.

Frequência de operação no Colpitts: determinada pelo circuito tanque.

Acoplamento — capacitor C5: evita carga excessiva no circuito tanque.

Colpitts (Base Comum - B.C. e FET)

Colpitts (B.C.): oscila em frequências mais altas que o E.C.; a tensão de realimentação sofre pequenas alterações, pois a tensão de saída se desenvolve através de C1 e C2 em série; a parcela de tensão realimentada é a queda de tensão em C2.

Colpitts (FET): condição inicial A > C2/C1 para que o oscilador funcione; a frequência de oscilação deve ser menor que a frequência de corte. O sinal realimentado deve apresentar fase igual a 0°.

Oscilador Armstrong

Armstrong: formado por um transformador no circuito de realimentação com um capacitor em paralelo com a indutância do primeiro enrolamento; a realimentação é feita pelo secundário do transformador, com capacitância dividida. Enrolamentos construídos garantem defasagem de 180° entre primário e secundário para obter realimentação positiva.

Transcondutância em oscilador a FET: depende da resistência equivalente do transformador, da resistência de saída do FET, da indutância e do acoplamento mútuo; G_M deve ser maior que o valor mínimo necessário para a oscilação.

Oscilador Hartley

Hartley: indutância dividida; circuito tanque formado por indutores L1 (saída), L2 (realimentação) acoplados por M e capacitor C; circuito de realimentação: B (L1, L2, M, C).

Fórmula: F = 1 / (2π √(L_eq · C)).

Relações: B = L1 / L2; A = L2 / L1.

Hartley (TJB): realimentação é desenvolvida pelo divisor indutivo formado por L1 e L2; a tensão de saída se desenvolve em L1 e a realimentação em L2.

Equivalente CA Hartley: Cg e Cc calculados como curto para a frequência de operação e como circuito aberto para outras condições.

Osciladores RC e Ponte Wien

Oscilador RC: composto por um amplificador inversor de fase e uma rede RC de realimentação com três redes RC; ganho menor que 1 devido à composição de elementos passivos.

Ponte de Wien

Oscilador ponte Wien: padrão para frequência na faixa de 5 Hz a 1 MHz, usado em geradores de áudio comerciais; preferido para baixas frequências. O circuito oscilador possui duas formas de alimentação: positiva (porta inversora) e negativa (divisor de tensão).

Lâmpada de tungstênio no circuito Wien: o aquecimento da lâmpada provoca o aumento da realimentação negativa e a diminuição do ganho, estabilizando AB = 1.

Circuito de avanço-atraso: a tensão de saída cai ~70% do valor da entrada; conhecido corte de 3 dB; frequências muito baixas apresentam avanço de fase e frequências muito altas apresentam atraso.

Osciladores a Cristal

Osciladores a cristal: fator Q altíssimo, acima de 3000; a vibração do cristal determina a frequência do circuito; usados quando se necessita de grande estabilidade de frequência.

Variação de frequência do cristal ao longo do tempo: aproximadamente 1 ppm por dia.

Sais de Rochelle: maior atividade piezoelétrica, vibram mais quando aplicada tensão AC; frágeis; utilizados em microfones, alto-falantes e toca-discos.

Turmalina: menor atividade piezoelétrica, mais resistente e mais cara; usada em frequências muito altas.

Quartzo: baixo custo, facilmente encontrado; usado em osciladores RF e filtros; possui boa rigidez e atividade piezoelétrica adequada.

O quartzo funciona bem até ~10 MHz; para frequências maiores pode-se usar turmalina.

Corte do cristal: X, Y, XY e AT — cada corte tem propriedades piezoelétricas específicas; em eletrônica a fatia é aplicada entre placas metálicas.

Frequência fundamental do cristal: F = K / T, onde T é a espessura e K é constante relacionada ao corte.

Limites de operação do oscilador a cristal: limite inferior e superior determinados pela frequência do ramo série e pela frequência de ressonância paralela.

Colpitts com cristal: C1 e C2 produzem a tensão de realimentação para o amplificador; a frequência de oscilação fica entre F_s e F_p do cristal; realimentação aplicada ao emissor garante operação em frequências mais altas.

Oscilador FET tipo Clapp (cristal): usado para melhorar ainda mais a estabilidade de frequência, diminuindo o efeito das capacitâncias parasitas.

Formas de Onda e Harmônicas

Onda quadrada: formada por uma onda senoidal fundamental e todas as amplitudes das harmônicas ímpares em fase com a fundamental.

Onda dente de serra: formada pelo somatório das amplitudes da onda fundamental com as amplitudes das harmônicas pares e ímpares em fase com a fundamental.

Pulso ou impulso: somatório da amplitude senoidal fundamental com as amplitudes de todas as suas harmônicas ímpares defasadas de 180° da onda fundamental em relação à harmônica ímpar anterior.

Multivibradores

Multivibrador: circuito eletrônico que gera sinal de onda quadrada; formado por dois amplificadores polarizados no mesmo ponto de operação, operando em corte e saturação.

Classificação quanto ao estado de saída: biestáveis, monoestáveis ou astáveis.

Biestáveis (Flip-Flop)

Biestáveis (Flip-Flop): mudam o estado com disparo externo; C1;R3 e C2;R4 simétricos determinam a frequência em relação ao tempo e formam circuito de sintonia.

Aplicações dos biestáveis: divisor de frequência, circuitos de comutação, células básicas das memórias SRAM, contadores e registradores.

Monoestável (One Shot)

Monoestável: um disparo para mudar de estado; após decorrido certo tempo retorna à condição inicial. R3 e C1 determinam a constante de tempo do período instável.

Aplicações monoestáveis: gerador ou restaurador de pulsos, circuitos de retardo, disparo automático, temporizadores de alarmes e circuitos digitais.

Ciclo de trabalho (Duty Cycle)

Duty cycle: característica do monoestável que não deve ser excedida, pois há risco do sinal de saída não ter a duração planejada pelo circuito.

Fórmula: DC = Ton / (Ton + Toff) * 100

Circuitos retrigáveis e famílias lógicas

Circuitos retrigáveis: ciclo de trabalho ilimitado. Exemplos: One-Shot 74122 (família TTL) e Dual One-Shot 4098 (família CMOS).

Astável (Circuito clock)

Astável: não depende de disparo externo; R2C1 e R3C2 determinam a constante de tempo.

Funcionamento do astável: o duty cycle de cada transistor é ~50% quando Ton = Toff; se DC > 0,5 então Ton > Toff; se DC < 0,5 então Ton < Toff.

Astáveis com circuitos digitais: é possível construir osciladores a partir de CIs TTL ou CMOS. Se a estabilidade de frequência não é importante (por exemplo, áudio) usa-se osciladores RC; se a estabilidade for importante, o controle deve ser feito por cristal.

Oscilador digital controlado por cristal

Oscilador digital controlado por cristal: usa-se CI CD4001 (exemplo): G1 operando como amplificador, G2 como buffer isolador; F_o determinada pela frequência do cristal; C2 permite ajuste na faixa de 1 kHz a 1 MHz; R1 e C1 proporcionam rotação de fase no elo de realimentação.