LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES

LABORATORIO DE RADIOCOMUNICACIONES

LABORATORIO N2: CIRCUITOS OSCILADORES SINUSOIDAL DE ALTA FRECUENCIA

I. Objetivos:

1. Estudio de los sistemas electrnicos usados en radiocomunicacin.2. Anlisis y diseo de los sistemas electrnicos.3. Simular, implementar y analizar un circuito Oscilador Colpitts. 4. estudio y diseo de osciladores de onda sinusoidal de alta impedancia de entrada.II. Marco Terico:Introduccin:Un oscilador es un circuito que produce una oscilacin propia de frecuencia, forma de onda y amplitud determinadas. Aqu se estudiarn los osciladores sinusoidales. Segn habamos visto, un sistema realimentado puede ser oscilante a causa de una inestabilidad. Aprovecharemos esta particularidad, que en otro contexto se consideraba desventajosa, y consideraremos primeramente una estructura como la de la figura 1.

Figura 1. Estructura bsica de realimentacin para lograr un Oscilador.Muchos circuitos osciladores sinusoidales se basan en un esquema de realimentacin inestable, es decir, son circuitos con una realimentacin positiva. El anlisis de la funcin de transferencia (cociente de la salida entre la entrada) de estos sistemas demuestra que tienen una respuesta transitoria oscilante en ausencia de excitacin. La respuesta transitoria de un circuito incluye, en principio, su respuesta a una seal de excitacin (tambin llamada respuesta estacionaria) sumada a la salida cuando la entrada es nula (respuesta a las condiciones inciales). Para sistemas estables este ltimo trmino tiende a cero a partir de un cierto tiempo (de una forma que depende de las condiciones inciales del circuito). Sin embargo, para sistemas inestables puede dar lugar a una seal oscilante o llevar al circuito fuera de su regin de funcionamiento lineal (que es donde tiene validez la funcin de transferencia). El oscilador de puente de Wien se basa en el esquema de realimentacin positiva presentado anteriormente. Utiliza un operacional en configuracin no inversora y una realimentacin positiva a travs de una red RC, que es la que selecciona la frecuencia de oscilacin. El conjunto de ambas realimentaciones tiene la forma caracterstica de un puente de Wien. En la figura 2 se muestra un esquema del circuito, y en la figura 3 y figura 4 se han representado por separado la etapa amplificadora y la red de realimentacin, respectivamente. A la hora de realizar el circuito tngase presente la numeracin de las patillas que aparece en las figuras junto a cada uno de los pines del operacional. En el chip que se utiliza en el laboratorio esta numeracin se obtiene empezando a contar las patillas por el lado izquierdo del encapsulado con la muesca situada hacia arriba (como si apuntara a las 12 de un reloj) y contando entonces en sentido contrario a las agujas del reloj (el lateral izquierdo de arriba hacia abajo y el derecho de abajo hacia arriba). Las patillas 1 y 5 son un ajuste de offset que no utilizaremos en este curso, por lo que se dejan sin conectar.

Figura 2. Figura 3.

Oscilador Sinusoidal de Alta Frecuencia:Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energa de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisin, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catdicos, etc. La mayora de los equipos electrnicos utiliza para su funcionamiento seales elctricas de uno de estos tres tipos: ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. Los osciladores son circuitos electrnicos generalmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada frecuencia. Existe una gran variedad de tipos de osciladores que, por lo general, se conocen por el nombre de su creador. Igualmente, los multivibradores son circuitos electrnicos que producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositivos, es utilizado ampliamente en conmutacin. Los generadores de frecuencia son, junto con los amplificadores y las fuentes de alimentacin, la base de cualquier circuito electrnico analgico. Son utilizados para numerosas aplicaciones entre las que podemos destacar las siguientes: como generadores de frecuencias de radio y de televisin en los emisores de estas seales, osciladores maestros en los circuitos de sincronizacin, en relojes automticos, como osciladores locales en los receptores, como generadores de barrido en los tubos de rayos catdicos y de televisores, etc.

Figura 4. A) Onda Sinusoidal. B) Onda Cuadrada. C) Onda Diente de Sierra

Osciladores:Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito oscilador est compuesto por: un "circuito oscilante", "un amplificador" y una "red de realimentacin". El circuito oscilante suele estar compuesto por una bobina (o inductancia) y por un condensador. El funcionamiento de los circuitos osciladores (osciladores de ahora en adelante) suele ser muy similar en todos ellos; el circuito oscilante produce una oscilacin, el amplificador la aumenta y la red de realimentacin toma una parte de la energa del circuito oscilante y la introduce de nuevo en la entrada produciendo una realimentacin positiva.

Figura 5.Esquema de un circuito oscilante. Figura 6.Esquema general de un oscilador.

Hay que tener cuidado y no confundir "circuito oscilante" con "oscilador". El circuito oscilante es el encargado de producir las oscilaciones deseadas; sin embargo, no es capaz de mantenerlas por s solo. El oscilador es el conjunto que forman el circuito oscilante, el amplificador y la red de realimentacin juntos.

Circuito Oscilante:Supongamos un circuito compuesto por un condensador y una inductancia conectados en paralelo. En primer lugar, conectamos el condensador a una batera. Entonces, comienza a circular corriente elctrica que va a provocar que el condensador se cargue. Llegado este momento, la corriente elctrica dejara de circular y el condensador se encontrara totalmente cargado. A continuacin movemos el interruptor y conectamos el condensador con la inductancia. En este mismo instante, la bobina, en principio, se opone al paso de la corriente. Sin embargo, comienza a circular corriente de forma progresiva haciendo que el condensador se descargue y creando un campo magntico en la bobina. Al cabo de cierto tiempo, la corriente elctrica comienza a cesar de forma progresiva y, por lo tanto, el campo magntico se reduce. Se crea entonces una tensin inducida en la bobina que hace que el condensador se cargue de nuevo, pero esta vez con la polaridad contraria. Una vez que el condensador se encuentra totalmente cargado volvemos a estar como al principio, aunque esta vez con el condensador cargado de forma inversa a como estaba antes. Comienza pues otra vez el proceso de descarga progresiva del condensador sobre la inductancia y de nuevo vuelve a cargarse el condensador. Vemos, pues, cmo es un vaivn de corriente de un elemento a otro. Esto es lo que se conoce como circuito oscilante. Para poder entender mejor este proceso se han esquematizado los pasos en la ilustracin correspondiente.

Oscilador de Hartley:La principal caracterstica de estos circuitos osciladores es que no utilizan una bobina auxiliar para la realimentacin, sino que aprovechan parte de la bobina del circuito tanque, dividindose sta en dos mitades, y . Colocamos dos resistencias para polarizar adecuadamente el transistor. Hay dos formas de alimentar al transistor: en serie y en paralelo. La alimentacin serie se produce a travs de la bobina, , circulando por ella una corriente continua. La alimentacin en paralelo se efecta a travs de la resistencia del colector, quedando en este caso perfectamente aislados el componente de continua y el componente de alterna de seal. La reaccin del circuito se obtiene a travs de la fuerza electromotriz que se induce en la bobina, , y que se aplica a la base del transistor a travs de un condensador. En estos circuitos la frecuencia de oscilacin depende de la capacidad C y de las dos partes de la bobina, y , del circuito oscilante. Segn donde se coloque la toma intermedia de la bobina se va a producir una amplitud de tensin u otra; pudiendo llegar a conectarse o desconectarse el circuito.

Figura 7. Oscilador de Hartley.

Oscilador Colpitts:Este oscilador es bastante parecido al oscilador de Hartley. La principal diferencia se produce en la forma de compensar las prdidas que aparecen en el circuito tanque y la realimentacin, para lo cual se realiza una derivacin de la capacidad total que forma el circuito resonante. Una parte de la corriente del circuito oscilante se aplica a la base del transistor a travs de un condensador, aunque tambin se puede aplicar directamente. La tensin amplificada por el transistor es realimentada hasta el circuito oscilante a travs del colector. Como en todos los circuitos que tengan transistores necesitamos conectar resistencias para polarizarlos. La tensin de reaccin se obtiene de los extremos de uno de los condensadores conectados Figura8. a la bobina en paralelo.

Oscilador en Puente de Wien:Hasta ahora hemos visto los osciladores tipo , vamos a ver ahora un oscilador tipo RC, el denominado oscilador en puente de Wien. Cuando trabajemos en bajas frecuencias no vamos a poder usar los osciladores tipo , debido a que el tamao de la bobina y de la resistencia tendria que ser demasiado grandes y caros. Para sustituirlos vamos a usar una red de desfase formada por , es decir, resistencias y condensadores, como es el caso del ya mencionado oscilador en puente de Wien. Est constituido por una etapa oscilante, dos etapas amplificadoras, formadas por dos transistores. El circuito est conectado en emisor comn y al tener dos etapas en cascada la seal es desfasada y despus vuelve a ser realimentada al circuito puente. La seal de salida del segundo transistor se aplica al circuito puente constituido por dos resistencias y tambin es aplicada a la entrada del puente de Wien, que es el circuito oscilante formado por una resistencia y un condensador muestra el esquema de un oscilador Colpitts en base comn, as como distintos circuitos equivalentes en pequea seal, tiles para su diseo y anlisis. En este esquema, el circuito tanque est constituido por la autoinduccin y las capacidades C1 y C2. La capacidad es una capacidad que se suele introducir para ajuste fino de la frecuencia y en principio se puede suprimir. La resistencia es una pequea resistencia que se introduce para evitar que el comportamiento del oscilador dependa de la impedancia de entrada del transistor (a la que llamaremos re). RL es la resistencia de carga, que est conectada al colector a travs del condensador de desacoplo CC. Las resistencias R1, R2 y RE se utilizan para polarizar el circuito y no afectan en pequea seal gracias al condensador de base CB y al choque RFC. Bajo el circuito completo se muestra el circuito equivalente para seal variable, donde se ha incluido la resistencia parsita rc asociada a la bobina del circuito tanque, la impedancia de entrada del transistor re y la capacidad de la unin colector-base . Este circuito se puede simplificar sucesivamente teniendo en cuenta las reglas de transformacin serie-paralelo para circuitos RL y RC. De este modo, Rp es la resistencia resultante de transformar rc a su equivalente paralelo; Rs y Cs resultan de transformar el circuito tapped-capacitor formado por C1, C2 y finalmente, y . Normalmente, el diseo de un oscilador viene condicionado por las especificaciones (en las que se suele indicar la frecuencia de oscilacin y la potencia que debe suministrarse a una determinada resistencia de carga) y los componentes disponibles (normalmente hay ms variedad de condensadores que de autoinducciones).Con respecto a la potencia suministrada a la carga, conviene disear el oscilador para condiciones de mxima transferencia a la carga, lo que supone que R0 debe ser igual a la mitad de RL. Por otra parte (tal y como se ver en las clases de teora), la potencia suministrada a la resistencia R0 a la frecuencia de oscilacin es:

donde es la corriente de colector de polarizacin. De esta potencia, la mitad es disipada por la resistencia de carga y la otra mitad por las resistencias y suponiendo que se cumplen las condiciones de mxima transferencia de potencia. La potencia suministrada a la carga es, por tanto:

lo que permite establecer la corriente de polarizacin del transistor:

as como la tensin colector-base de polarizacin:

Con respecto al circuito tanque, se debe tener en cuenta, por una parte, la frecuencia de resonancia (que va a determinar la frecuencia de oscilacin):

y por otra parte, el factor de calidad (que conviene que sea, al menos del orden de 50):

Figura 8. Oscilador Puente de Wien Figura 9. Forma de onda

III.- Descripcin y Anlisis del Circuito:

Figura 10. Oscilador Sinusoidal de Alta Frecuencia.

El proceso de diseo puede ser el siguiente:1. Como primer paso, se puede escoger un factor de calidad mnimo para el circuito a disear. ste determinar un valor mnimo para la capacidad y un valor mximo para la autoinduccin .2. Una vez determinado el valor mximo para la autoinduccin, se puede escoger de acuerdo con la disponibilidad de componentes. La autoinduccin escogida determinar tanto como rc. El valor Rp se calcula haciendo la correspondiente transformacin serie-paralelo de circuitos RL.3. Puesto que , en este punto se puede calcular el valor de Rs.4. Por otra parte y Re se puede escoger de modo que sea bastante mayor que re (normalmente, unas decenas de ohmios suele ser suficiente). Esto determina tambin .5. Conocido Ccb (a travs de las caractersticas del transistor) y , podemos determinar Cs.6. Finalmente, C1 y C2 se calculan fcilmente teniendo en cuenta los valores de Ri, Rs y Cs (es un problema equivalente al diseo de una red tapped-capacitor).

Los valores de las resistencias de polarizacin RE, R1 y R2 se establecen teniendo en cuenta el punto de polarizacin del circuito. Las capacidades de desacoplo CB y CC se deben escoger de modo que se comporten como cortocircuitos efectivos a la frecuencia de oscilacin. Igualmente, el choque de radio frecuencia debe elegirse para que se comporte como un circuito abierto a la frecuencia de oscilacin.

IV.- Datos del Transistor BF194:ReferenciaEquivalentesCaractersticasCajaPines

BF194

NPN SilicioBF 240, BF 254, BF 494, BF 594

260MHz

Amplificador, mixer, FI e oscilador AM-FM

CARACTERSTICAS. TRANSISTOR BF 194.- Nombre del transistor:BF194

Temperatura lmite de unin pn (Tj):125C

La estructura de transistor:npn

Mxima disipacin de potencia continua colector del transistor (Pc):250mW

Limite el colector DC-base (Ucb):30V

Lmite de colector-emisor del transistor de tensin (Uce):20V

Lmite de tensin emisor-base (Ueb):5V

Frecuencia de corte de la relacin de transferencia corriente del transistor (Ft):260MHz

Capacidad de la unin de colector (Cc), Pf:1.9

Esttica coeficiente de transferencia de corriente en el circuito con emisor comn (Hfe), min/max:67/220

Fabricante:PHILIPS

Figura 11. Transistor BF194

V.- Parmetros significativos que determinan la Calidad de un Oscilador:Los principales parmetros que permiten caracterizar el comportamiento de un oscilador son: la potencia, el rendimiento, el nivel de armnicos, la frecuencia de oscilacin, el margen de sintona, el espectro de ruido, y la deriva de la frecuencia con la tensin de alimentacin, con la carga, o con la temperatura. Estas caractersticas van a determinar la calidad del oscilador y la posibilidad de utilizarlo en determinadas aplicaciones. A continuacin se describen estos parmetros y la forma de medirlos.

A. POTENCIA, RENDIMIENTOB. NIVEL ARMONICOS Y ESPUREASC. FRECUENCIA DE SINTONIAD. PULLINGE. PUSHINGF. ESPECTRO DE RUIDO .RUIDO DE FASEG. DERIVA CON LA TEMPERATIRA

A.1- La Potencia:De salida PL de un oscilador es la potencia que se entrega a la carga a la frecuencia de oscilacin. Se puede determinar mediante un osciloscopio, aunque es preferible utilizar un analizador de espectro para considerar nicamente la potencia suministrada a la frecuencia fundamental y descartar la suministrada a otras frecuencias (armnicos o frecuencias espurias).

A.2- El Rendimiento:Del oscilador se define como el cociente entre la potencia suministrada a la carga (PL) y la potencia tomada de la fuente de alimentacin de continua.

B- El Nivel Armnicos y Espreas:Un oscilador sinusoidal ideal proporciona una seal peridica con forma sinusoidal. Sin embargo, puesto que la amplitud de las oscilaciones se ve limitada por el comportamiento no lineal de los circuitos activos, la forma de onda se desva siempre del comportamiento ideal sinusoidal. Esto hace que en el espectro aparezca una serie de armnicos a las frecuencias mltiplo de la frecuencia fundamental.Se denomina nivel de armnicos al cociente entre la potencia del armnico de mayor nivel y la potencia para la frecuencia fundamental. Se mide usualmente en decibelios y su determinacin se puede realizar mediante un analizador de espectro. Una vez encendido y estabilizado el oscilador, en la seal generada se observan pequeas variaciones en la amplitud o en la frecuencia de oscilacin, debidas al valor finito del factor de calidad de la red resonante. stas variaciones hacen que las lneas espectrales correspondientes a la frecuencia fundamental y a los armnicos tengan una cierta anchura, y dan lugar a lo que se conoce como espectro de ruido. El espectro de ruido da lugar a la aparicin de un ruido de amplitud (que usualmente se puede compensar con circuitos limitadores) y un ruido de fase (que va a tener en general ms importancia, dependiendo de la aplicacin del oscilador).

C.- Frecuencia de Sintona:Se puede medir mediante el osciloscopio o mediante un contador de frecuencia. Sin embargo, conviene que sea medida con el analizador de espectro, con el objeto de apreciar, adems de la frecuencia fundamental, otras componentes, como armnicos y frecuencias espurias, as como el espectro de ruido alrededor de los armnicos. Otro mtodo para la medida de frecuencias es el que se conoce como medida por comparacin de frecuencias. Para ello es necesario un generador de seal de precisin calibrada y un osciloscopio que admita la representacin de la suma de ambas entradas (la salida del generador de seal y la salida del oscilador). El generador de seal debe configurarse para proporcionar una seal de la misma amplitud y frecuencia muy parecida a la del oscilador. En esta situacin, se observarn en el osciloscopio batidos de frecuencia :

y ajustando la frecuencia del generador de seal se tratar de minimizar la frecuencia de los batidos . Cuando se minimiza la frecuencia de los batidos, las frecuencias de ambos sistemas son muy parecidas, de modo que la frecuencia de oscilacin del generador de seal permite determinar la frecuencia del oscilador. La sintona se define como el margen de frecuencias que puede barrer un oscilador cuando se modifica alguno de sus parmetros. Segn el mtodo de sintona utilizado, se distinguen:

Sintona mecnica: la frecuencia de oscilacin se sintoniza modificando mecnicamente un elemento del circuito oscilador (una autoinduccin o un condensador variables). Sintona electrnica: la frecuencia de oscilacin se modifica aplicando una tensin a un elemento de control. Este mtodo de sintona da lugar a los osciladores controlados por tensin, (de especial inters para solucionar el problema del arrastren la sintonizacin de canales y para la modulacin FM).D- Pulling:Se denomina pulling a la variacin de la frecuencia del oscilador cuando se modifica la impedancia de carga. Depende fundamentalmente del factor de calidad Q del circuito de sintona y del acoplamiento entre el oscilador y la carga.

E- Pushing:El pushing se define como la variacin de la frecuencia del oscilador con la tensin de alimentacin del oscilador. Depende de Q y del tipo de elemento activo utilizado.

F.1- Espectro de Ruido:Da lugar a la aparicin de un ruido de amplitud (que usualmente se puede compensar con circuitos limitadores).

F.2- Ruido de Fase:Que va a tener en general ms importancia, dependiendo de la aplicacin del oscilador.

G- Deriva con la Temperatura:La deriva con la temperatura es debida, fundamentalmente, a las variaciones trmicas de los componentes que forman el oscilador. Tiene especial importancia durante el transitorio trmico del circuito en el proceso de encendido. En los osciladores con redes de sintona de bajo Q, la deriva trmica se debe especialmente a cambios en el dispositivo activo. En los circuitos de alto Q la deriva trmica se suele deber a cambios en la frecuencia de resonancia del resonador, asociados a variaciones de los componentes, dilataciones, etc.

VI.- Simulacin del Circuito:

Figura 12. Oscilador Sinusoidal de Alta Frecuencia.(en SIMULIM)

Figura 13.

Figura 14.

Figura 15.Laboratorio de RadiocomunicacionesPgina 1