Osciladores - Ricardo Hernandez

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Osciladores.
3.1 Generalidades.
El uso de retroalimentación positiva da como resultado que un amplificador retroalimentado tenga una ganancia de lazo cerrado () mayor o igual que y que satisface las condiciones de fase, proporcionara como resultado en su operación un circuito oscilador. Un oscilador es un circuito que genera una forma de onda repetitiva de amplitud fija a una frecuencia fija, sin ninguna señal externa de entrada. Un sistema con retroalimentación positiva oscila cuando el corrimiento de fase es . Tal sistema produce una salida son entrada. En cierto sentido, se sigue a sí mismo, con la señal recirculándose y regenerándose constantemente a sí misma. 
Es posible determinar con facilidad si un circuito oscilara retroalimentado. Se examina la ganancia de malla de un sistema con retroalimentación negativa. Si ocurre un corrimiento de fase de donde la ganancia de lazo es, el circuito es inestable y oscilara. La retroalimentación positiva proporciona suficiente señal de retroalimentación para mantener las oscilaciones.
Si bien el concepto básico de inestabilidad y de retroalimentación y de retroalimentación positiva es común para todos los osciladores, hay distintas variaciones en el diseño básico. Los osciladores comunes incluyen:
· El oscilador Colpitts. 
· El oscilador Hartley.
· El oscilador de puente de Wien. 
· El oscilador de corrimiento de fase. 
En el diseño de estos osciladores ocasionalmente las entradas se utilizan para controlar las frecuencias o para sincronizar las oscilaciones con una referencia externa. Por lo que la estrategia para el diseño de osciladores difiere del diseño de amplificadores lineales. 
3.2 Principio de operación de los osciladores.
Hasta este punto se sabe que un oscilador es un amplificador con realimentación positiva. A partir del diagrama de bloques de la figura 3.1(a) se sugieren las siguientes relaciones importantes.
En la unidad 1 se utilizaron estas relaciones, para obtener la ganancia en lazo cerrado , para la retroalimentación positiva y se dedujo que:
De tal forma que aproximando , la ganancia de lazo se puede hacer muy grande. Esto es, puede obtenerse una salida de una magnitud razonable con una señal de entrada de valor muy pequeño, que tiende a cero, según se puede observar en la figura 3.1 (b). Por tanto, cuando el amplificador sera inestable, lo que da la ganancia de lazo como:.
Figura 3.1Diagrama a bloques de un oscilador. (a) Amplificador con retroalimentación positiva. (b) Amplificador oscilador.
Es importante recordar que para que un oscilador haga su función (figura 3.1b) el circuito de retroalimentación () debe provocar un cambio de fase , esto es, debe ser un circuito con elementos complejos (capacitores y bobinas). Entonces la ganancia de lazo se puede escribir en notación polar:
A partir del análisis anterior conduce a los siguientes criterios de diseño para los osciladores:
1. La magnitud de la ganancia de lazo , a la frecuencia de socilacion deseada debe ser la unidad o ligeramente mayor, esto es, .
2. El desplazamiento de fase total , a esa misma frecuencia, debe ser o .
3. Las primeras dos condiciones no deben cumplirse en otras frecuencias. Esta situación normalmente se establece al seleccionar cuidadosamente los valores de los componentes.
4. Las dos primeras condiciones deben seguir cumpliéndose conforme los valores de los parámetros cambian como respuesta a la tolerancia de los componentes, cambios en la temperatura, envejecimiento y remplazos de dispositivos. El cumplimiento de este criterio a menudo requiere consideraciones especiales de diseño.
 El uso de retroalimentación positiva da como resultado que un amplificador retroalimentado tenga una ganancia de lazo cerrado () mayor o igual que y que satisface las
Este circuito oscilador se utiliza tanto para pequeñas frecuencias como para frecuencias moderadas en el rango de a . Se usa casi siempre en los generadores de audio comerciales y también se prefieren generalmente en otras aplicaciones de pequeña frecuencia
3.3 Multivibrador biestable.
El disparador Schmitt o multivibrador biestable utiliza la realimentación positiva como una ganancia de lazo superior a la unidad para producir una característica biestable. Se puede decir que un disparador Schmitt es una clase de comparador que utiliza el benéfico de la retroalimentación positiva para acelerar el ciclo de conmutación. Con la realimentación positiva, un pequeño cambio en la entrada se amplifica y se vuelve a alimentar en fase. Esto refuerza la señal de entrada, conduciendo de tal modo a cambios mayores y más rápidos. La retroalimentación incrementara la ganancia y hace más pronunciada la transición entre los dos estados o niveles de salida. La realimentación positiva mantienen un comparador en uno de los estados de saturación a menos que se aplique una entrada suficientemente grande para superar la realimentación. 
Circuito con un disparador Schmitt inversor
La figura 2.1muestra la configuración básica de un disparador Schmitt donde esta aplicado un voltaje de referencia de cero volts (entrada no inversora conectada a cero volts).
El voltaje en la entrada no inversora () se puede calcular en términos del voltaje de salida () utilizando la ecuación del divisor de voltaje:
Observe como el voltaje está en función de por lo tanto el voltaje en la entrada no inversora no es constante. Por otra parte, se aplica el voltaje de entrada en la terminal inversora.
Funcionamiento Circuito disparador Schmitt inversor.
Para determinar el funcionamiento del circuito disparador Schmitt de la figura 2.1 se supone primero que la salida se encuentra en un estado alto donde el cuál es el estado alto. Entonces:
Mientras , la señal de salida () permanecerá en el estado alto. El voltaje de cruce o excursión sucede cuando y está definido como (Upper Trip Point)
(Ec 2-1)
Cuando el voltaje en la entrda inversora () es mayor al voltaje de la entrada no inversora () y la salida cambia a su estado bajo entonces el voltaje en la entrada no inversora se transforma en:
Mientras , la señal de salida () permanecerá en el estado bajo. El voltaje de cruce o excursión sucede cuando y está definido como (Lower Trip Point)
(Ec 2-2)
Cuando el voltaje disminuye por debajo de este valor, el voltaje de la terminal no inversora es mayor que el voltaje de la termina inversora. El voltaje diferencial den las terminales del comparador es amplificada por la ganancia de lazo abierto, y la salida cambia a su estado alto . Conforme continúa disminuyendo, permanecerá esta condición. La figura 2.2a muestra la característica de transferencia del voltaje para este circuito.
Figura 2.2 Disparador Schmitt Inversor. a) Característica de transferencia del voltaje. b) Comportamiento frente a una señal de ruido.
La atípica grafica de la figura 2.2a tienen una propiedad muy útil llamada histéresis. Para entender este concepto observe como mientras el voltaje de entrada permanezca por debajo del voltaje UTP, el voltaje de salida tendrá el valor . Cuando el voltaje entrada es ligeramente superior a UTP, el voltaje de salida cambiara a . Ahora bien el voltaje de salida puede variar de tal forma que se haga negativo, así que, cuando el voltaje de salida sobrepase ligeramente LTP, entonces se presenta la transición de a .
La figura 2.2b muestra los puntos de conmutación los cuales se definen como las dos tensiones de entrada que provocan variaciones en la salida. Dichos puntos están definidos por las ecuaciones Ec 2-1 y Ec 2-2. 
La diferencia entre los puntos de conmutación es el valor de histéresis H, de tal forma que la histéresis queda definida como:
(Ec 2-3)
También se puede encontrar el valor de la histéresis como:
(Ec 2-4)
La histéresis es deseable en un circuito disparador Schmitt, porque evita que el ruido cause falsos disparos, de tal forma que mientras el voltaje pico a pico del ruido sea menor que la histéresis entonces este ruido no puede provocar falsos disparos.Por ejemplo si UTP=1V y LTP = -1, entonces H=+2V, en este caso, el disparador Schmitt es inmune a falsos disparos en tanto que la tensión de ruido pico a pico se menor que 2V
Ejemplo 2-1
Considere el disparador Schmitt de la figura 2.1 con valores de y . Sea la alimentación de . Determine la histéresis de este disparador Schmitt
De las ecuaciones para UTP y LTP el voltaje superior de cruce es:
Y el voltaje inferior LTP:
Por lo tanto el ancho de la histéresis es . Este ancho se puede diseñar para sea mayor o menor de acuerdo con las aplicaciones específicas ajustando la relación que existe en el divisor de voltaje que forman R1 y R2.
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