Esta é a primeira parte da série de posts sobre os vários tipos de osciladores, que são circuitos bastante úteis.
Circuitos osciladores
Os osciladores são circuitos cuja saída é um sinal periódico com uma amplitude que varia com o tempo. Consiste em um amplificador e um circuito de realimentação positiva.
Todos os componentes eletrônicos geram um ruído térmico, ou ruído de Johnson-Nyquist, que é causado pelo movimento aleatório dos elétrons nos condutores e semicondutores, quando a temperatura ambiente for acima do zero absoluto. Este ruído produz valores pequenos e aleatórios de tensão e corrente. O circuito de realimentação filtra o ruído para haver oscilação em uma determinada frequência, enquanto o amplificador aumenta a amplitude do sinal filtrado.
Critérios de Barkhausen
Ganho de malha unitário
São os critérios que um circuito deve atender para ser um oscilador. Um destes critérios é a condição abaixo:
\left | \beta \cdot A\right |=1
Onde A é o ganho de tensão do amplificador, ou seja, a tensão de saída dividida pela tensão de entrada do amplificador. \beta é a atenuação do sinal da saída em relação ao sinal de entrada, no circuito de realimentação. As barras \left | \right | indicam o módulo, ou seja, o valor \beta \cdot A pode ser tanto negativo quanto positivo.
Se o ganho de malha (\beta \cdot A) for menor que 1, a oscilação se atenuará até desaparecer (damped oscillations). Se for maior que 1 (closed loop gain >1), haverá saturação, consequentemente, distorção do sinal.
Na prática, projeta-se o \beta \cdot A para ser ligeiramente maior que 1, para que o circuito possa produzir um sinal oscilante por conta própria.
Deslocamento de fase total de 360º
Tanto o circuito de realimentação quanto o amplificador precisam ter um deslocamento de fase de 180º, para que o deslocamento de fase total da malha seja de 360º.
Sem este deslocamento de fase não há realimentação positiva.
Tipos de osciladores
Oscilador de deslocamento de fase
Neste circuito, os resistores e capacitores na realimentação fazem o deslocamento de fase de 180º. O amplificador pode ser com amp-op, um BJT ou um FET. Para obter uma oscilação sustentável na saída, o ganho do amplificador Av deve ser maior que 29. Abaixo é a fórmula para calcular a frequência f de oscilação.
f=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{6}}
Onde R e C são os valores dos resistores e dos capacitores no circuito de realimentação, respectivamente.
Projeto do oscilador de deslocamento de fase
Este projeto possui um amplificador inversor com um amp-op LM741, cujo datasheet se encontra aqui. Para ter um ganho maior que 29, escolhi arbitrariamente os valores dos resistores R1 e Rf como 1kΩ e 33kΩ, respectivamente.
Os valores dos resistores (R2 e R3) e capacitores (C, C1 e C2) da realimentação devem ser iguais, os valores que eu escolhi foram: 1kΩ e 100nF, respectivamente.
Calculando a frequência de oscilação com os os valores determinados acima:
f=\frac{1}{2\pi RC\sqrt{6}}=\frac{1}{2\pi 10^{3}\cdot 100\cdot 10^{-9}\sqrt{6}}=\frac{1}{15,39\cdot 10^{-4}}=0,0649\cdot 10^{4}=649Hz
O oscilador de deslocamento de fase em protoboard e o sinal de saída no osciloscópio, respectivamente.
Oscilador de ponte de Wien
Neste circuito, a malha de realimentação é uma ponte RC. Os resistores (R1 e R2) ligados à entrada inversora do amp-op determinam o ganho, enquanto os demais resistores (R3 e R4) e os capacitores (C1 e C2) definem a frequência de oscilação. O amp-op, R1 e R2 formam um amplificador não inversor. Portanto, para ter uma oscilação estável, o ganho do amplificador deve ser no mínimo maior que 3, logo, a relação R1/R2 deve ser maior que 2.
Para este projeto, o ganho é de 33. A fórmula para calcular a frequência fo:
fo=\frac{1}{2\pi \sqrt{R3\cdot C1\cdot R4\cdot C2}}
Como R3=R4=R e C1=C2=C, a equação fica:
fo=\frac{1}{2\pi RC}
Se R=220Ω e C=1μF:
fo=\frac{1}{2\pi RC}=\frac{1}{2\pi \cdot 220\cdot 10^{-6}}=723,34Hz
O amplificador operacional também é o LM741. Simulando no Qucs-S, este é o sinal de saída.
Melhorando o sinal de saída
Devido ao ganho elevado, o sinal na saída do oscilador ponte de Wien ficou distorcido. Com o propósito de tornar o sinal o mais próximo possível de uma senoide, é colocado um estabilizador, que consiste em diodos em antiparalelo, em série, com um resistor R5, e este conjunto é posicionado em paralelo com R1. Quando um dos diodos fica na polarização direta, ele reduz a amplitude do sinal.
Embora o ganho seja reduzido, o sinal se torna mais próximo de uma senoide. Porém, há uma pequena distorção.
Vídeo de demonstração dos osciladores.
