Oscilador eletrônico - Electronic oscillator

Um oscilador de relaxamento de amplificador operacional popular .

Um oscilador electrónico é um circuito electrónico que produz um periódica, oscilando sinal electrónico, muitas vezes uma onda sinusoidal ou uma onda quadrada ou uma onda triangular . Os osciladores convertem a corrente contínua (DC) de uma fonte de alimentação em um sinal de corrente alternada (AC). Eles são amplamente usados ​​em muitos dispositivos eletrônicos, desde geradores de relógio mais simples a instrumentos digitais (como calculadoras) e computadores e periféricos complexos, etc. Exemplos comuns de sinais gerados por osciladores incluem sinais transmitidos por transmissores de rádio e televisão , sinais de relógio que regulam computadores e quartzo relógios e os sons produzidos por bipes eletrônicos e videogames .

Os osciladores são frequentemente caracterizados pela frequência de seu sinal de saída:

  • Um oscilador de baixa frequência (LFO) é um oscilador eletrônico que gera uma frequência abaixo de aproximadamente 20 Hz. Este termo é normalmente usado no campo dos sintetizadores de áudio , para distingui-lo de um oscilador de frequência de áudio.
  • Um oscilador de áudio produz frequências na faixa de áudio , cerca de 16 Hz a 20 kHz.
  • Um oscilador de RF produz sinais na faixa de radiofrequência (RF) de cerca de 100 kHz a 100 GHz.

Em fontes de alimentação CA, um oscilador que produz energia CA a partir de uma fonte CC é geralmente chamado de inversor . Antes do advento dos retificadores baseados em diodo , um dispositivo eletromecânico que convertia energia CA em CC era chamado de conversor, embora o termo agora seja mais comumente usado para se referir a conversores buck CC-CC .

Existem dois tipos principais de oscilador eletrônico - o oscilador linear ou harmônico e o oscilador não linear ou de relaxamento .

Os osciladores de cristal são onipresentes na eletrônica moderna e produzem frequências de 32 kHz a mais de 150 MHz, com cristais de 32 kHz comuns na manutenção do tempo e as frequências mais altas comuns na geração de relógios e aplicações de RF.

Circuito oscilador eletrônico de 1 MHz que usa as propriedades ressonantes de um cristal de quartzo interno para controlar a frequência. Fornece o sinal do relógio para dispositivos digitais, como computadores.

Osciladores harmônicos

Diagrama de blocos de um oscilador linear de feedback; um amplificador A com sua saída v o realimentada em sua entrada v f por meio de um filtro , β (jω) .

O oscilador harmônico ou linear produz uma saída senoidal . Existem dois tipos:

Oscilador de feedback

A forma mais comum de oscilador linear é um amplificador eletrônico como um transistor ou amplificador operacional conectado em um loop de feedback com sua saída realimentada em sua entrada por meio de um filtro eletrônico seletivo de frequência para fornecer feedback positivo . Quando a fonte de alimentação do amplificador é ligada inicialmente, o ruído eletrônico no circuito fornece um sinal diferente de zero para iniciar as oscilações. O ruído viaja ao redor do loop e é amplificado e filtrado até muito rapidamente convergir em uma onda senoidal em uma única frequência.

Os circuitos do oscilador de feedback podem ser classificados de acordo com o tipo de filtro seletivo de frequência que usam no circuito de feedback:

Dois circuitos osciladores LC comuns, os osciladores Hartley e Colpitts
  • Em um circuito oscilador de cristal , o filtro é um cristal piezoelétrico (comumente um cristal de quartzo ). O cristal vibra mecanicamente como um ressonador , e sua frequência de vibração determina a frequência de oscilação. Os cristais têm um fator Q muito alto e também melhor estabilidade de temperatura do que circuitos sintonizados, portanto, os osciladores de cristal têm estabilidade de frequência muito melhor do que os osciladores LC ou RC. Os osciladores de cristal são o tipo mais comum de oscilador linear, usado para estabilizar a frequência da maioria dos transmissores de rádio e para gerar o sinal do relógio em computadores e relógios de quartzo . Os osciladores de cristal geralmente usam os mesmos circuitos que os osciladores LC, com o cristal substituindo o circuito sintonizado ; o circuito do oscilador Pierce também é comumente usado. Os cristais de quartzo são geralmente limitados a frequências de 30 MHz ou menos. Outros tipos de ressonadores, ressonadores dielétricos e dispositivos de onda acústica de superfície (SAW), são usados ​​para controlar osciladores de frequência mais alta, até a faixa de microondas . Por exemplo, osciladores SAW são usados ​​para gerar o sinal de rádio em telefones celulares .

Oscilador de resistência negativa

(esquerda) Diagrama de blocos típico de um oscilador de resistência negativa. Em alguns tipos, o dispositivo de resistência negativa é conectado em paralelo com o circuito ressonante. (direita) Um oscilador de microondas de resistência negativa consistindo de um diodo Gunn em um ressonador de cavidade . A resistência negativa do diodo excita as oscilações de microondas na cavidade, que irradiam para fora da abertura em um guia de ondas .

Além dos osciladores de feedback descritos acima, que usam elementos ativos de amplificação de duas portas , como transistores e amplificadores operacionais, os osciladores lineares também podem ser construídos usando dispositivos de uma porta (dois terminais) com resistência negativa , como tubos magnetron , diodos de túnel , Diodos IMPATT e diodos Gunn . Os osciladores de resistência negativa são geralmente usados ​​em altas frequências na faixa de micro - ondas e acima, uma vez que nessas frequências os osciladores de feedback têm um desempenho ruim devido ao deslocamento de fase excessivo no caminho de feedback.

Em osciladores de resistência negativa, um circuito ressonante, como um circuito LC , cristal ou ressonador de cavidade , é conectado a um dispositivo com resistência diferencial negativa e uma tensão de polarização CC é aplicada para fornecer energia. Um circuito ressonante por si só é "quase" um oscilador; ele pode armazenar energia na forma de oscilações eletrônicas se excitado, mas como tem resistência elétrica e outras perdas, as oscilações são amortecidas e decaem para zero. A resistência negativa do dispositivo ativo cancela a resistência de perda interna (positiva) no ressonador, na verdade criando um ressonador sem amortecimento, que gera oscilações contínuas espontâneas em sua frequência de ressonância .

O modelo de oscilador de resistência negativa não se limita a dispositivos de uma porta, como diodos; circuitos osciladores de feedback com dispositivos de amplificação de duas portas , como transistores e válvulas, também têm resistência negativa. Em altas frequências, três dispositivos terminais, como transistores e FETs, também são usados ​​em osciladores de resistência negativa. Em altas frequências, esses dispositivos não precisam de um loop de feedback, mas com certas cargas aplicadas a uma porta podem se tornar instáveis ​​na outra porta e mostrar resistência negativa devido ao feedback interno. A porta de resistência negativa é conectada a um circuito sintonizado ou cavidade ressonante, fazendo com que oscile. Os osciladores de alta frequência em geral são projetados usando técnicas de resistência negativa.

Alguns dos muitos circuitos osciladores harmônicos estão listados abaixo:

Dispositivos ativos usados ​​em osciladores e frequências máximas aproximadas
Dispositivo Frequência
Tubo de vácuo triodo ~ 1 GHz
Transistor bipolar (BJT) ~ 20 GHz
Transistor bipolar heterojunção (HBT) ~ 50 GHz
Transistor de efeito de campo semicondutor de metal (MESFET) ~ 100 GHz
Diodo Gunn , modo fundamental ~ 100 GHz
Tubo magnetron ~ 100 GHz
Transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) ~ 200 GHz
Tubo de clístron ~ 200 GHz
Diodo Gunn , modo harmônico ~ 200 GHz
Diodo IMPATT ~ 300 GHz
Tubo girotron ~ 600 GHz

Oscilador de relaxamento

Artigo principal: Oscilador de relaxamento

Um oscilador não linear ou de relaxamento produz uma saída não senoidal, como uma onda quadrada , dente de serra ou triângulo . Consiste em um elemento de armazenamento de energia (um capacitor ou, mais raramente, um indutor ) e um dispositivo de chaveamento não linear (uma trava , gatilho Schmitt ou elemento de resistência negativa) conectado em um loop de feedback . O dispositivo de comutação carrega e descarrega periodicamente a energia armazenada no elemento de armazenamento, causando mudanças abruptas na forma de onda de saída.

Os osciladores de relaxamento de onda quadrada são usados ​​para fornecer o sinal do relógio para circuitos lógicos sequenciais , como temporizadores e contadores , embora os osciladores de cristal sejam frequentemente preferidos por sua maior estabilidade. Os osciladores de onda triangular ou dente de serra são usados ​​nos circuitos de base de tempo que geram os sinais de deflexão horizontal para tubos de raios catódicos em osciloscópios analógicos e aparelhos de televisão . Eles são também utilizados em osciladores controlados por tensão (VCOs), inversores e comutação de fontes de alimentação , com inclinação dupla conversor analógico-digital (ADCs), e em geradores de função para gerar ondas quadradas e triangulares de equipamento de teste. Em geral, os osciladores de relaxamento são usados ​​em frequências mais baixas e têm estabilidade de frequência mais baixa do que os osciladores lineares.

Os osciladores de anel são construídos a partir de um anel de estágios de retardo ativo. Geralmente, o anel tem um número ímpar de estágios de inversão, de modo que não há um único estado estável para as tensões do anel interno. Em vez disso, uma única transição se propaga infinitamente ao redor do anel.

Alguns dos circuitos osciladores de relaxamento mais comuns estão listados abaixo:

Oscilador controlado por tensão (VCO)

Artigo principal: oscilador controlado por tensão

Um oscilador pode ser projetado de forma que a frequência de oscilação possa ser variada em algum intervalo por uma tensão ou corrente de entrada. Esses osciladores controlados por tensão são amplamente usados ​​em loops de fase , em que a frequência do oscilador pode ser bloqueada para a frequência de outro oscilador. Eles são onipresentes nos circuitos de comunicação modernos, usados ​​em filtros , moduladores , demoduladores e formando a base dos circuitos sintetizadores de frequência usados ​​para sintonizar rádios e televisores.

Os VCOs de radiofrequência geralmente são feitos adicionando-se um diodo varator ao circuito sintonizado ou ressonador em um circuito oscilador. Mudar a tensão DC através do varactor muda sua capacitância , que muda a frequência ressonante do circuito sintonizado. Os osciladores de relaxamento controlados por tensão podem ser construídos carregando e descarregando o capacitor de armazenamento de energia com uma fonte de corrente controlada por tensão . Aumentar a tensão de entrada aumenta a taxa de carregamento do capacitor, diminuindo o tempo entre os eventos de comutação.

História

Os primeiros osciladores práticos baseavam-se em arcos elétricos , usados ​​para iluminação no século XIX. A corrente através de uma luz de arco é instável devido à sua resistência negativa e muitas vezes quebra em oscilações espontâneas, fazendo com que o arco emita sons de assobio, zumbido ou uivo que foram notados por Humphry Davy em 1821, Benjamin Silliman em 1822, Auguste Arthur de la Rive em 1846, e David Edward Hughes em 1878. Ernst Lecher em 1888 mostrou que a corrente através de um arco elétrico pode ser oscilatória. Um oscilador foi construído por Elihu Thomson em 1892, colocando um circuito LC sintonizado em paralelo com um arco elétrico e incluiu um blowout magnético. De forma independente, no mesmo ano, George Francis FitzGerald percebeu que se a resistência de amortecimento em um circuito ressonante pudesse ser zerada ou negativa, o circuito produziria oscilações e, sem sucesso, tentou construir um oscilador de resistência negativa com um dínamo, o que seria agora ser chamado de oscilador paramétrico . O oscilador de arco foi redescoberto e popularizado por William Duddell em 1900. Duddell, um estudante do London Technical College, estava investigando o efeito de arco sibilante. Ele conectou um circuito LC ( circuito sintonizado) aos eletrodos de uma lâmpada de arco e a resistência negativa da oscilação excitada do arco no circuito sintonizado. Parte da energia foi irradiada como ondas sonoras pelo arco, produzindo um tom musical. Duddell demonstrou seu oscilador perante o Instituto de Engenheiros Elétricos de Londres, conectando sequencialmente diferentes circuitos sintonizados ao longo do arco para tocar o hino nacional " God Save the Queen ". O "arco de canto" de Duddell não gerou frequências acima da faixa de áudio. Em 1902, os físicos dinamarqueses Valdemar Poulsen e PO Pederson foram capazes de aumentar a frequência produzida no alcance do rádio operando o arco em uma atmosfera de hidrogênio com um campo magnético, inventando o rádio transmissor de arco de Poulsen , o primeiro transmissor de rádio de onda contínua, que foi usado durante a década de 1920.

Um oscilador de 120 MHz de 1938 usando um ressonador de linha de transmissão de haste paralela ( linha Lecher ). As linhas de transmissão são amplamente utilizadas para osciladores UHF.

O oscilador de feedback de tubo de vácuo foi inventado por volta de 1912, quando foi descoberto que o feedback ("regeneração") no tubo de vácuo audion recentemente inventado poderia produzir oscilações. Pelo menos seis pesquisadores fizeram essa descoberta independentemente, embora nem todos possam ter um papel na invenção do oscilador. No verão de 1912, Edwin Armstrong observou oscilações nos circuitos do receptor de rádio audion e passou a usar feedback positivo em sua invenção do receptor regenerativo . O austríaco Alexander Meissner descobriu independentemente o feedback positivo e inventou osciladores em março de 1913. Irving Langmuir, da General Electric, observou o feedback em 1913. Fritz Lowenstein pode ter precedido os outros com um oscilador bruto no final de 1911. Na Grã-Bretanha, HJ Round patenteou circuitos amplificadores e oscilantes em 1913. Em agosto de 1912, Lee De Forest , o inventor do audion, também observou oscilações em seus amplificadores, mas não entendeu o significado e tentou eliminá-lo até ler as patentes de Armstrong em 1914, que ele prontamente contestou. Armstrong e De Forest travaram uma longa batalha legal sobre os direitos do circuito oscilador "regenerativo", que foi chamado de "o litígio de patentes mais complicado da história do rádio". Por fim, De Forest venceu na Suprema Corte em 1934 por motivos técnicos, mas a maioria das fontes considera a afirmação de Armstrong a mais forte.

O primeiro e mais usado circuito oscilador de relaxamento, o multivibrador astável , foi inventado em 1917 pelos engenheiros franceses Henri Abraham e Eugene Bloch. Eles chamaram seu circuito de tubo de vácuo duplo de acoplamento cruzado de multivibrateur , porque o sinal de onda quadrada que ele produzia era rico em harmônicos , em comparação com o sinal sinusoidal de outros osciladores de tubo de vácuo.

Os osciladores de feedback de tubo de vácuo se tornaram a base da transmissão de rádio em 1920. No entanto, o oscilador de tubo de vácuo triodo teve um desempenho ruim acima de 300 MHz por causa da capacitância entre os eletrodos. Para atingir frequências mais altas, novos tubos de vácuo de "tempo de trânsito" (modulação de velocidade) foram desenvolvidos, nos quais os elétrons viajavam em "feixes" através do tubo. O primeiro deles foi o oscilador Barkhausen – Kurz (1920), o primeiro tubo a produzir energia na faixa de UHF . Os mais importantes e amplamente usados ​​foram o klystron (R. e S. Varian, 1937) e o magnetron de cavidade (J. Randall e H. Boot, 1940).

As condições matemáticas para oscilações de feedback, agora chamadas de critério de Barkhausen , foram derivadas por Heinrich Georg Barkhausen em 1921. A primeira análise de um modelo de oscilador eletrônico não linear, o oscilador Van der Pol , foi feita por Balthasar van der Pol em 1927. Ele mostrou que a estabilidade das oscilações ( ciclos limite ) em osciladores reais era devida à não linearidade do dispositivo amplificador. Ele originou o termo "oscilação de relaxamento" e foi o primeiro a distinguir entre osciladores lineares e de relaxamento. Outros avanços na análise matemática da oscilação foram feitos por Hendrik Wade Bode e Harry Nyquist na década de 1930. Em 1969, K. Kurokawa derivou as condições necessárias e suficientes para a oscilação em circuitos de resistência negativa, que formam a base do design moderno do oscilador de micro-ondas.

Veja também

Referências

  • Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast: Its story and patents , London: Ernest Benn. História do rádio em 1925. O oscilador afirma 1912; Processo judicial De Forest e Armstrong cf p. 45. Hummer / oscilador de telefone por AS Hibbard em 1890 (o microfone de carbono tem ganho de potência); Larsen "usou o mesmo princípio na produção de corrente alternada de uma fonte de corrente contínua"; desenvolvimento acidental de oscilador de tubo de vácuo; tudo na p. 86. Von Arco e Meissner são os primeiros a reconhecer o pedido ao transmissor; Rodada para o primeiro transmissor; ninguém patenteou o transmissor triodo na p. 87

Leitura adicional

links externos