Concepto de oscilador de transistores

La mejor manera de ver los osciladores de transistores es en el dominio de la frecuencia, en lugar de tratar de aplicar la intuición y las transiciones imprecisas en el dominio del tiempo. Puede tener sentido para circuitos realmente simples o sistemas mecánicos, pero en un oscilador de transistor típico hay suficientes elementos dinámicos (capacitancias e inductancias) que un análisis manual ad-hoc como ese no necesariamente lo llevará lejos. De hecho, el viaje/derivación que presentaré a continuación no considera que los transistores estén activos hacia adelante o en saturación, y ni siquiera considera los transistores en absoluto.

En última instancia, puede ver el circuito frente a usted como un sistema de retroalimentación. Los sistemas de retroalimentación son comunes y bien entendidos en ingeniería eléctrica; los ejemplos incluyen algo tan simple como un amplificador operacional. En general, nos gusta que sean estables, pero los osciladores son un ejemplo de una red de retroalimentación que es intencionalmente inestable.

Para discutir cómo un oscilador puede sostener una oscilación, primero debemos observar una red de retroalimentación estable. Aquí está la estructura de retroalimentación de circuito cerrado estereotipada, junto con un ejemplo de realización de una. Los colores se utilizan para marcar las partes correspondientes de la estructura de retroalimentación y la realización de ejemplo que muestro aquí.

Veamos la llamada "ganancia de bucle" de la estructura. Para hacer esto, anulamos la entrada y rompemos el ciclo en cualquier punto. Luego inyectamos una señal, dejamos que haga un viaje alrededor del bucle y vemos qué obtenemos después de que da una vuelta ¹ :

En un mundo ideal, la ganancia del bucle es negativa. Sin embargo, la ganancia del bucle en realidad depende de la frecuencia. Bajo la suposición típica de que el circuito es lineal e invariable en el tiempo , podemos considerar su respuesta a cada frecuencia de onda sinusoidal de forma independiente. Por cada onda sinusoidal que ingresa, obtiene una onda sinusoidal con la misma frecuencia . Esta suposición se mantiene muy bien para señales pequeñas , mientras que para señales más grandes, el amplificador puede saturarse (no necesariamente saturando ningún transistor individual).

La ganancia del bucle es entonces una función de la frecuencia y se compone de una magnitud (cuán grande es la onda sinusoidal de salida, en comparación con el tamaño de la onda sinusoidal de entrada) y una fase (cuánto se desplaza la onda de salida ) en comparación con el onda de entrada La ganancia del bucle nos dice todo acerca de cómo responde nuestro sistema a una onda sinusoidal que recorre el bucle, incluso si crece o se reduce. En la definición de ganancia de bucle, considero que la resta es parte de ella (ya que está en línea con las herramientas que uso y es conceptualmente más simple de pensar ya que no hay un "doble negativo" para realizar un seguimiento de la oscilación).

Una onda sinusoidal que crece (magnitud > 1) mientras mantiene su fase exacta (la fase de ganancia de bucle es cero grados) se convertirá en una oscilación, y si existe alguna frecuencia en la que el amplificador tenga una ganancia de bucle de fase cero, ganancia > 1 , el sistema oscilará a esa frecuencia.

Volviendo a nuestro mundo ideal donde queremos un amplificador estable que no oscile, queremos que tenga una ganancia de bucle cuya fase sea de 180 grados: cuando ponemos una desviación de onda sinusoidal en el bucle, el amplificador la corrige.

Podemos graficar la ganancia y la fase usando el llamado Diagrama de Bode:

Observe el marcador naranja y cómo indica una característica importante del circuito del amplificador: en el punto en que la fase alcanza los cero grados (lo que significa que coloca un seno y sale exactamente en la misma fase), la ganancia está por debajo de 0 dB ( lo que significa que la oscilación se extingue). Este amplificador es estable.

Ahora considere el mismo cálculo de su oscilador Colpitts: tiene una estructura que es intrínsecamente inestable y su fase alcanza los cero grados (lo que significa que una entrada sinusoidal crea una salida sinusoidal en la misma fase) mientras que la ganancia es positiva: una la derivación se da en esta respuesta .

De hecho, la ganancia y la fase de los osciladores pueden tener formas bastante inusuales, diferentes a las gráficas suaves y generalmente con pendiente descendente que se observan en los amplificadores (o amplificadores que oscilan inadvertidamente debido a la inestabilidad). La siguiente gráfica es del oscilador para el que estoy diseñando actualmente. una aplicación de radio de baja potencia que usa una topología algo similar y un resonador externo para establecer la respuesta de fase adecuada y el comportamiento resonante en la oscilación:

Tenga en cuenta que hay dos frecuencias en las que la fase de ganancia del bucle es cero: una corresponde a un modo altamente suprimido que no oscila y otra corresponde al modo oscilatorio en mi frecuencia de salida prevista. El que sí oscila es el de alta ganancia, por supuesto.

Esto significa que obtiene un seno a la frecuencia correcta desde cualquier lugar y comenzará a acumularse más y más hasta que alcance los límites de la capacidad del circuito para aumentar aún más (en ese punto, la parte "lineal" de nuestro lineal invariante en el tiempo la suposición se rompe y el seno se mantiene en la misma amplitud sin más crecimiento). Aquí es donde puede ocurrir la saturación y, por lo tanto, el control de ganancia.

¿De dónde viene ese seno inicial en la frecuencia correcta? El ruido térmico que está presente en todas partes en el oscilador contiene todas las frecuencias posibles, e incluso las más diminutas volutas de energía en la frecuencia correcta se acumularán ciclo tras ciclo, creciendo hasta que las no linealidades las controlen y devuelvan la ganancia a la unidad.

Por supuesto, esta no es la única forma de ver las topologías de osciladores. Otra topología que es bastante común es la topología del oscilador Pierce utilizada para el oscilador a bordo de microcontroladores como Arduino; puede verse como un circuito RLC (es decir, un resonador con pérdida) en paralelo con una impedancia negativa tal que el resultado combinado es un circuito RLC con una resistencia negativa , es decir, una pérdida negativa , es decir, una oscilación automantenida y creciente.

¹ Esto es una simplificación. Para obtener la máxima precisión, debe considerar las impedancias de entrada y salida (por lo que realmente necesita inyectar voltajes y corrientes, y probar tanto con circuitos abiertos como con cortocircuitos a tierra). También debe considerar la llamada retroalimentación bilateral : aunque el amplificador "apunta" en una dirección determinada, puede pasar señales en la dirección inversa muy ligeramente.

por qué en los circuitos osciladores con solo una fuente de CC, los condensadores y los inductores no alcanzan un estado estable donde el primero es un circuito abierto y el segundo un cortocircuito (por lo que todo se comporta como un circuito de CC).

Ciertamente, se pueden diseñar circuitos que alcancen un estado estable, donde los capacitores actúen como circuitos abiertos y los inductores como cortocircuitos. Sin embargo, cualquier circuito, en tal estado estable y no oscilante, por definición, no es un oscilador en funcionamiento .

Por otro lado, no existe una respuesta general de por qué los osciladores no se comportan de esa manera, porque no existe un oscilador general. Hay muchas topologías de osciladores diferentes, y su pregunta no especifica ningún circuito en particular para analizar.

si el transistor siempre mantuviera un solo estado (es decir, adelante activo), entonces, de hecho, el circuito habría alcanzado un estado estable de CC simple (sin oscilaciones después de alcanzar el estado estable).

No, un oscilador no requiere salir del modo Forward Active para poder operar. Más bien es necesario que en alguna frecuencia haya una ganancia de bucle cerrado de exactamente uno. Esto se puede lograr de varias maneras. Un método, que quizás no sea tan común ahora, es controlar la ganancia a través de una lámpara incandescente como elemento de retroalimentación. A medida que aumentan las oscilaciones, la lámpara se calienta y se reduce la ganancia. Otro método es hacer uso de las características no lineales de un diodo para lograr el control de ganancia.

Me pregunto si, en la medida de lo posible, la declaración anterior es válida.

Se puede diseñar un oscilador para usar la saturación del transistor como parte de su mecanismo general. Pero no se requiere que todos los osciladores se comporten de esta manera.

¿Por qué [un oscilador Colpitts] no alcanza el estado estable de CC independientemente del patrón de voltaje que se produzca a medida que oscila?

Existe un estado posible en el que un oscilador Colpitts (bien diseñado) podría estar estático. Sin embargo, este estado es metaestable . Eso significa que aunque es estático o "estable", es estable de la misma manera que una pelota en equilibrio sobre la punta de una pirámide podría ser estable. Incluso una pequeña perturbación hará que la pelota se vuelva inestable. De manera similar, para el oscilador Colpitts. Cualquier ruido (y en los circuitos eléctricos, siempre hay ruido), y el oscilador comenzaráoscilar La razón es que el oscilador Colpitts, como muchos osciladores de onda sinusoidal, está diseñado para tener una ganancia de bucle cerrado superior a 1 para oscilaciones pequeñas, pero esa ganancia de bucle cerrado disminuye a 1 a medida que las oscilaciones aumentan hasta la amplitud de oscilación diseñada. Entonces, lo que comienza como una oscilación muy pequeña crece y crece hasta que el oscilador alcanza una oscilación constante.

[Si el oscilador Colpitts no está bien diseñado, puede tener dificultades para iniciarse y requerir una "patada" para hacerlo funcionar. Esto se debe a que tiene una ganancia de bucle cerrado insuficiente en amplitudes bajas.]

Una vez que ha comenzado a oscilar, nunca se acercaría al estado metaestable , porque cualquier disminución en la amplitud de oscilación aumenta la ganancia de bucle cerrado.

Creo que comprenderá que los transistores son amplificadores muy no lineales.

No hay voltaje de corriente constante, impedancia, ganancia de corriente o ganancia de voltaje.

Para obtener una onda sinusoidal, necesita algún método para linealizar la oscilación, como filtros de paso de banda Q altos o una red de cambio de fase RC lineal con retroalimentación negativa para linealizar la ganancia no lineal.

• Con un poco más de complejidad, puede obtener simplicidad con ganancia lineal usando retroalimentación negativa usando relaciones de resistencia para retroalimentación/entrada

• mediante una limitación suave o una ligera reducción de la ganancia, puede reducir el borde cuadrado a una onda sinusoidal.

ejemplos de no linealidad

• Ic siendo un exponente de Vbe
• hFE se reduce a medida que Vce se acerca a Vbe (es decir, Vcb=0) al 10 % del máximo hFE en Vce(sat)
• no hay estado estacionario lineal en un oscilador de transistor simple, es muy no lineal.
• usted describe FA y Saturado como dos estados, pero en realidad varía continuamente en un solo transistor osc.

Sin embargo, con una relación Q muy alta, puede convertir pulsos de corriente en ondas sinusoidales con un filtro de ancho de banda estrecho en el circuito de retroalimentación.

En esencia, esto es lo que hacen los osciladores Hartley-Colpitts.
Convierte corrientes de pulso en voltajes de onda sinusoidal.

La mayor parte de la ganancia está en la Q del filtro.

Aquí hay uno del que no he oído hablar. Bomba de corriente diferencial de acoplamiento directo de Tony.