Oscilador Colpitts Clase A 4uu53

Osciladores. Puede decirse que los osciladores constituyen el corazón de los sistemas radioeléctricos de comunicaciones. Son los circuitos mediante los cuales se generan los portadores que serán moduladas por las señales de información y las fuentes de señal de las que se obtienen las señales de sincronismo o de reloj en los sistemas digitales. En el caso más general, un oscilador genera una señal senoidal de frecuencia y amplitud constantes. Puesto que señales generadas por los osciladores constituyen la referencia de frecuencias en los sistemas de comunicaciones resulta indispensable que la frecuencia de la señal generada por ellos sea efectivamente constante,

es decir, que no varíe, particularmente en los osciladores de

transmisiones radioeléctricos. La estabilidad en frecuencia se expresa en partes por millón o ppm, lo que equivale expresar la variación de frecuencias en Hz/MHz. Así un oscilador de 100 MHz con una estabilidad, por ejemplo de 0.1 ppm, significa que puede variar su frecuencia en 10 Hz respecto a la frecuencia nominal de 100 MHz. Los osciladores son instrumentos que generan señales senoidales; el término oscilador de baja frecuencia se utiliza para un margen de frecuencias desde 1 Hz a 1 MHz y los osciladores de alta frecuencia van desde 100 kHz hasta 500 MHz. Término generador de señal se utiliza, frecuentemente para osciladores que puedan también modular la señal. Todos los osciladores contienen tres elementos básicos: un circuito oscilante que determina la frecuencia, un amplificador para proporcionar amplificación y una señal de salida útil, y un circuito de realimentación para desviar hacia la entrada parte de la salida amplificada con el fin de compensar pérdidas en el circuito de oscilación y mantener las oscilaciones. Hay dos tipos principales de circuitos oscilantes que se utilizan para los osciladores: el de inductor-capacitor (LC) y el de resistencia-capacitor (RC). Un circuito inductor-capacitor resuena a una frecuencia

f=

f

dada por

1 2 π √ LC Los osciladores más ampliamente utilizados que se basan en la resonancia LC son los circuitos

de Hartley y de Colpitts. Tales osciladores se utilizan para proporcionar frecuencias en el margen

dentro los 10 KHz y los 100 MHz. No son útiles para bajas frecuencias porque sus frecuencias de resonancia requerirían grandes inductores y capacitores.

Oscilador Hartley En este oscilador, la relación necesaria de fase entre la salida y la entrada se consigue conectando el emisor y el colector a los extremos opuestos de un circuito sintonizado. Entre los circuitos de entrada y salida, la inductancia mutua debe tener la polaridad adecuada. En los circuitos sintonizados de salida y entrada la reactancia debe ser inductiva a la frecuencia de oscilación deseada.

Oscilador Colpitts Es muy similar al circuito Hartley. La diferencia es que aquí se emplean dos condensadores y una bobina y en el Hartley, dos bobinas y un condensador.

Osciladores RC. Los circuitos osciladores RC son circuitos que tienen una frecuencia selectiva. Las dos formas más comunes de los circuitos osciladores RC son el puente de Wien y el oscilador de desplazamiento de fase.

Efectos de la carga a la salida de los osciladores. Si la impedancia de carga a la salida de un oscilador varía, esto tendrá consecuencias sobre la estabilidad del oscilador, tanto en frecuencia como en amplitud de la señal. Si la salida del oscilador se aplica directamente al modulador, particularmente si se trata de modulación de amplitud, la impedancia que presenta la entrada del modulador al oscilador variará según el índice de modulación y por consecuencia el nivel de la señal de salida del oscilador y su frecuencia, sufrirán variaciones indeseables. Para evitar esta situación y conseguir que el oscilador vea a su salida la misma impedancia, es común emplear un amplificador con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Este amplificador suele designarse como buffer o amplificador separador.

Circuito Oscilador Colpitts en base común clase A.

Se determina la región de trabajo del transistor y la frecuencia de oscilación del circuito. Para esto se debe

encontrar

el

punto de

determinar el valor de

polarización

para

r π . El circuito en DC se

muestra en la figura 1(a). Como los capacitores se comportan en circuito abierto para la corriente continua, C1, C2 y C3 no aparecen en el análisis en DC. El inductor actúa como cortocircuito por lo que se sustituye por un simple conductor donde se tendrá el mismo voltaje de la fuente en el colector del transistor 2N2222.

Figura 1.

Diagrama eléctrico del circuito oscilador

a

b

Figuras 2. Circuitos equivalentes en DC del oscilador Colpitts en base común.

Sustituyendo el circuito de polarización de base por su equivalente Thévenin, se obtiene el circuito equivalente de la figura 1(b). Ahora se hace la suposición que el circuito opera en región activa, luego entonces se usan las siguientes ecuaciones para el análisis en la base del transistor.

v B=

V CC∗R 2 9 V ∗5 k Ω = =6.25 V R1 + R2 2.2 K Ω+5 K Ω

RB =

R 1 R2 11 M Ω = =1. 5 2k Ω R 1 + R2 7.2 k Ω

V B =RB I B +V BE+ R 3 (1+ β)∗I B Si

V BE =0.7 V ,

β=200 y sustituyendo los valores en la ecuación anterior resulta

6 . 25V =1.52 k Ω∙ I B +0.7 V +100 Ω ( 201 ) I B Por lo tanto se obtiene

IC e

Resulta luego que

I B=256.7 μA

IE

I C ¿ I E =β ∙ I B Y también VCE:

V CE =V CC −I E R 3=9 V −51.3 mA∗100 Ω=3.87V Como VCE es mayor a 0.2 V, e

rπ =

I B es positiva el transistor funciona en la región activa y se determina

β V T 200∗26 mV = =101.3 Ω IC 51.3 mA

Ahora que se puede afirmar que el transistor opera en la región activa y habiendo determinado la constante

rπ

se prosigue con determinar la frecuencia de oscilación de este modelo y se calcula

con la siguiente fórmula.

1

f 0= 2π

f 0=

√

LC 1 C 2 C 1+C 2

1 =1.16 MHz 17 μH ∙ 2.2 nF ∙ 2.2nF 2π 2.2nF +2.2 nF

√

Espectro de frecuencia en el osciloscopio. La respuesta del oscilador se muestra en el diagrama del osciloscopio del simulador digital, donde se puede observar el resultado del periodo en

1 =1.06 939 ns

939 ns

que representa en frecuencia de

MHz.

Este valor se acerca mucho al valor teórico de la fórmula que arroja un resultado de 1.16 MHz, con un

porcentaje de error relativo de

MHz ‖1.16 MHz−1.06 ‖x 100 =8.62 1.16 MHz

%ERP=

Figura 3. Resultado del espectro en el osciloscopio del simulador. Resultados experimentales. El circuito de la figura 1 se probó en una tableta con capacitores cerámicos de 2.2nF, dos inductores de valores aproximados hechos en laboratorio con valores obtenidos del medidor de impedancias como L1 = 82 uH y L2= 16.8 uH. El circuito oscila con estos valores de los elementos a una frecuencia aproximada de

1 =1.3 MHz 0.75us

obtenido de la lectura del osciloscopio. Esta es la frecuencia de resonancia real

experimental muy cercano al valor teórico de 1.16 MHz. Determinando el porcentaje de error relativo

MHz ‖1.16 MHz−1.33 ‖x 100 =14.6 1.16 MHz

%ERP=

Conclusiones.

Los resultados teóricos comparados con los experimentales son aceptables. La operación del oscilador es muy estable y puede oscilar a mayor frecuencia reduciendo el valor nominal de los capacitores, manteniendo fijo los valores de los inductores. Se pudo observar que cuando el valor de L2 es muy pequeño, no se observa oscilación en la simulación. Es importante realizar todos los cálculos matemáticos y físicos del circuito en su conjunto, como el voltaje de base, la corriente en el colector, en el emisor. También se observó que cuando el valor de la resistencia del emisor es grande, la amplitud de la señal se reduce significativamente, como ejemplo, para la resistencia de 100 Ohm para la configuración actual del oscilador se tuvo un voltaje de 15 Vpp y para un valor de 300 Ohm se tiene un valor muy pequeño de 500 mV. Caso contrario para un valor más pequeño de la resistencia en el emisor, la amplitud es muy grande, como ejemplo, para una resistencia de 20 Ohm se puede observar un valor de 20 Vpp. Cuando es mucho menor la resistencia del emisor, la señal mantiene la amplitud pero no mantiene una simetría útil, que se puede interpretar como una señal saturada, que significa una señal cortada en los picos. Con los valores que resultaron del experimento se puede determinar que el voltaje rms es de (7.5/2)/1.41 = 2.65 Vrms. La aplicación de los osciladores es muy recurrido en el área de radiofrecuencias para transporte de información, como la voz a través de la modulación de frecuencia modulada. También se puede utilizar para obtener un voltaje en AC a partir de DC, que comúnmente se le conoce como un inversor. Cuando se requiere mayor precisión de oscilación se usan osciladores de cristal hechos de silicio, aprovechando a lo máximo su oscilación natural. Estos osciladores se emplean en dispositivos digitales como celulares y relojes entre otros muchos dispositivos. Existen otros osciladores que producen señales cuadradas, triangulares o un tren de pulsos para muestreo digital de señales de información como video y datos. Estos osciladores tienen alta precisión y operan en el rango de frecuencias de los giga Hertz.