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Tema A.4. Generadores de señal
Electrónica Básica
Gustavo A. Ruiz Robredo Juan A. Michell Mar<n
DPTO. DE ELECTRÓNICA Y COMPUTADORES
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Introducción
2
Ø La función de un generador de señal es producir una señal dependiente del Iempo con caracterísIcas específicas de frecuencia, amplitud y forma.
Ø Hay dos categorías:
§ Osciladores sintonizados o sinusoidales → Generan de manera sostenida una salida sinusoidal.
§ Osciladores de relajación → Generan señales de Ipo cuadrada, triangular, pulsos, etc .... Están basados en comparadores, disparadores SchmiR y puertas lógicas que cargan y descargan repeIIvamente condensadores.
Ø En algunos casos sus caracterísIcas son contoladas por un señal de control. Por ejemplo, los VCO (Voltage-‐controlled oscillator) u osciladores controlados por tensión.
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Osciladores sinusoidales Ø Los osciladores sinusoidales juegan un papel importante en los sistemas
electrónicos que uIlizan señales armónicas.
Ø El diseño de osciladores se realiza en dos fases: una lineal, basado en métodos en el dominio frecuencial que uIlizan análisis de circuitos realimentados, y otra no-‐lineal, que uIliza mecanismos no lineales para el control de la amplitud.
3
RED REALIMENTACIÓN
β
AMPLIFICADOR BÁSICO
A
Mezclador
+
Xs+Xf=Xi
Xf=βXo
Xo=AXi
ESTRUCTURA BÁSICA DE UN OSCILADOR SINUSOIDAL
Xs=0
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Osciladores sinusoidales (cont 2)
4
Ø La ganancia del oscilador, debido a su realimentación posiIva es
fA
A1 A
=−β
Ø La condición de oscilación: 1-‐βA=0 ⇒ Criterio de Barkhausen
( )fase A 0 2k
A 1
β = + π
β =
Clasificación de los osciladores sinusoidales
β→RC Frecuencias bajas
Puente de Wien Cambio de fase
β→LC Frecuencias altas
ColpiRs Hartley
β→Cristal Estabilidad
Cristal de cuarzo
Ganancia de lazo
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Osciladores sinusoidales (cont 3)
Oscilador de puente de Wien
5
2
1
R 2R
=
2) Condición de oscilación:
o oo
fase( A) 0 2k 1RC 0RCω=ωβ = + ⇒ω − =
ωπ ⇒
Prob A.IV.1
2
1
R1
RA
13 j RCRC
+β =
⎛ ⎞+ ω −⎜ ⎟ω⎝ ⎠
o o1 1fRC 2 RC
ω = ⇒ =π
C1 1ZCs C j
= =ω
o
2
1
oo
R1R
13 j RCR
A
C
1ω=ω
+=
⎛ ⎞+ ω −
ω
β
⎜⎝
=
⎟⎠
0 ⇒
1) Frecuencia de oscilación (ωo):
v Ganancia de lazo
2
1
R1 3R
+ = ⇒
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Osciladores sinusoidales (cont 4)
Oscilador de cambio de fase
6
2R 29R
=
o o1 1f
RC 6 2 RC 6ω = ⇒ =
π
( ) ( )
2
2 3
RRA
5 6 11 jRCRC RC
−β =
⎛ ⎞⎜ ⎟− − −⎜ ⎟ωω ω⎝ ⎠
v Ganancia de lazo Aβ
Prob A.IV.3
1) Frecuencia de oscilación (ωo):
2) Condición de oscilación:
( )o 3o o
fase( A) 0 6R R
2k 1 0C Cω=ωβ = + π⇒ − = ⇒
ω ω
( ) ( )
o
2
2 3oo o
RR
5 6 11 jRCR
A
C R
1
C
ω=ωβ−
= ⇒⎛ ⎞⎜ ⎟− − −⎜ω ω⎝ ⎠
=
⎟ω
0
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Osciladores sinusoidales (cont 5)
Osciladores LC
7
Oscilador ColpiRs
1v
21 2
1 2
C1f y A
CC C2 L
C C
= >
π+
Oscilador Hartley
( )2
v11 2
L1f y A
L2 C L L= >
π +
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Osciladores sinusoidales (cont 6)
8
Wikimedia Commons@OhanaUnited Wikimedia Commons@Natrij
Osciladores de cristal de cuarzo Ø Un cristal de cuarzo presenta la propiedad denominada piezoeléctrica
por la cual cuando se aplica una presión mecánica genera una tensión eléctrica, y viceversa, reacciona mecánicamente cuando se somete a un cierto voltaje.
Ø Un cristal de cuarzo someIdo a un es<mulo eléctrico puede conInuar vibrando a una cierta frecuencia (dependiente de la propia naturaleza del cristal), de forma que si se manIene el es<mulo de manera periódica y s inc ron i zada , t endremos una seña l de una f re cuenc ia extraordinariamente precisa.
Cristal de 4MHz
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación 9
Osciladores sinusoidales (cont 7)
Símbolo
( )2 2
s2 2
p p
1Z j
C
⎛ ⎞ω −ω⎜ ⎟ω = −⎜ ⎟ω ω −ω⎝ ⎠
p s s pSi C C>> ⇒ω ≅ω
pps
ps
1CC
LCC
ω=
+
ss
1LC
ω=
Circuito equivalente
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación 10
Osciladores sinusoidales (cont 8)
Ø Ejemplos de osciladores de cristal a la frecuencia ωs
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Oscilador de relajación basado en un disparador SchmiR
11
Ø O s c i l a c i ó n d e r e l a j a c i ó n (mulIvibrador astable) es un c ircuito con real imentación posiIva que genera una señal de salida cuadrada externa.
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Oscilador de relajación basado en un disparador SchmiR (cont 2)
tRC
i OH TL OHV (t) V (V V )e−
= + −
( )i 1 THV t T V= =
Ecuación de carga:
Condición del cambio de estado del disparador: VOH→ VOL
OH TL1
OH TH
V VT RC ln
V V−
= ⋅−
tRC
i OL TH OLV (t) V (V V )e−
= + −
( )i 2 TLV t T V= =
Ecuación de carga:
OL TH2
OL TL
V VT RC ln
V V−
= ⋅−
Condición del cambio de estado del disparador: VOL→ VOH
12
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Oscilador de relajación basado en un disparador SchmiR (cont 3)
OH TL OL TH1 2
OH TH OL TL
V V V VT T T RC ln
V V V V⎛ ⎞− −
= + = ⋅ ⎜ ⎟− −⎝ ⎠
Ø Periodo de la onda rectangular
Caso ParIcular: Simetría
OH OL
TH TL OH
V VV V V
= −
= − = β
Entonces:
1T 2RC ln
1⎛ ⎞+β
= ⋅ ⎜ ⎟−β⎝ ⎠
13
Prob A.IV.5.A
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Generador de una onda triangular
14
Ø El oscilador de relajación anterior se convierte en un generador de onda triangular si se reemplaza la red RC por un integrador.
( )( )
( )
OHi OH o
o iOL
i OL o
VV V V t t cte1 RCV t Vdt Cte
VRC V V V t t cteRC
⎧= ⇒ = − +⎪⎪
= − + ⇒ ⎨⎪ = ⇒ = − +⎪⎩
∫
Ø Si la entrada del integrador es una constante, como la salida de un disparador SchmiR, entonces su salida es
Ø Estas ecuaciones representan a una rampa cuya pendiente varía en función del signo de VOH y VOL:
§ Si Vi > 0 ⇒Vo ↓ § Si Vi < 0 ⇒Vo ↑
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Generador de una onda triangular (cont 1)
15
Ø Esquema de un generador de onda triangular
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Generador de una onda triangular (cont 2)
16
( ) OHo2 TH
VV t t V
RC= − + ( ) OL
o2 TLV
V t t VRC
= − +
TH TL1
OH
V VT RC
V−
= TH TL2
OL
V VT RC
V−
= −
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
( )1 2 TH TLOH OL
1 1T T T RC V V
V V⎛ ⎞
= + = − −⎜ ⎟⎝ ⎠
Ø Periodo de la onda rectangular
Caso ParIcular: Simetría
OH OL
TH TL OH
V VV V V
= −
= − = β
Entonces:
T 4RC= β
17
Prob A.IV.8
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Temporizadores integrados
18
Ø Los temporizadores integrados (Timers) son circuitos monolíIcos diseñados para realizar mulIvibradores monostables y astables.
Ø El 555, desarrollado por SigneIcs CorporaIon in 1972, es el más popular.
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Prob A.IV.9
Temporizadores integrados (cont 1)
19
Configuración monoestable del 555
Ø La duración del monoestable T se calcula a parIr de la ecuación de carga del condensador
( ) ( )t/RCC CCV t V 1 e−= −
Ø La carga finalizará cuando la tensión del condensador alcance VC(T)=2/3VCC
( ) ( )T/RCC CC CC
2V t T V V 1 e
3−= = = − ⇒ ( )T RC ln 3= ⋅
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Temporizadores integrados (cont 2)
20
Configuración astable del 555
( ) ( )( )
1 A B
2 B
T R R C ln 2
T R C ln 2
= + ⋅
= ⋅
( ) ( )1 2 A BT T T R 2R C ln 2= + = + ⋅Ø Periodo de la señal
Ø Señal no simétrica (T1≠T2) 1 A B
1 2 A B
T R RDuty cycle
T T R 2R+
= =+ +
Prob A.IV.10
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación 21
Ø Método gráfico para ajustar rápidamente valores al astable
( )A BR 2R 10k+ = Ω
f 10kHz≅
C 0.015 F≅ µ
log10(f) en Hz
log 1
0(C) e
n µF
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Generadores de señal monolíIcos
22
Ø Existen una gran variedad de generadores de señal monolíIcos para producir diferentes formas de onda. Sus principales campos de aplicación son:
Generador de formas de onda de precisión XR8038A
§ Comunicaciones § Telemetría § SinteIzadores de música electrónica § Verificación y calibración de equipos de laboratorio
Ø El XR-‐8038A de EXAR es un circuito integrado para generar señales cuadradas, triangulares, dientes de sierra y pulsos, con un mínimo número de componentes externos y de ajuste.
Ø El rango de frecuencias varía de 0.001Hz a 200KHz, ajustable con componentes externos RC.
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Generadores de señal monolíIcos (cont 1)
23
Ø Aplicación <pica del XR-‐8038A
BA 1
A B
1f
R5R C 13 2R R
=⎛ ⎞+⎜ ⎟−⎝ ⎠
Ø Frecuencia de las señales de salida:
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Generadores de señal monolíIcos (cont 2)
24
CC C
1 1 CC
V V2.4fR C V
⎛ ⎞−= ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Ø Frecuencia de las señales de salida:
Generador VCO 566 Ø E l VCO (vo l t age -‐ c on t r o l l e d
o s c i l l a to r ) 566 de NaIona l Semiconductor proporciona una onda cuadrada y trangular de salida ajustada a través de red RC cuya frecuencia de salida depende de la tensión VC.
Ø Limitaciones: 1
CC C CC
CC
2k R 20k0.75V V Vf 1MHz10V V 24V
Ω ≤ ≤ Ω
≤ ≤
<
≤ ≤