Diseño del oscilador Hartley de 64,5 kHz

Estoy tomando un curso de electrónica analógica y me han asignado la tarea de crear/desarrollar un oscilador Hartley de 64,5 kHz utilizando cualquier amplificador operacional de riel a riel de 5 V. Estoy tratando de diseñar el circuito en simulación primero antes de construir.

Usaré este circuito:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Las ecuaciones de diseño que nos han dado para el oscilador Hartley son:

ω 0 = 1 C 3 ( L 1 + L 2 )

k ( ω 0 ) = − L 1 L 2

A = L 2 L 1 = R 2 R 1

Empecé eligiendo L 1 = L 2 = 10 m H y luego resolviendo C 3 con ω 0 = 129000 π para obtener C 3 = 3.04 × 10 − 7 F

entonces A = 10 m H 10 m H = 100 k Ω 100 k Ω

He simulado en LTspice usando el circuito a continuación dándole un pulso rápido para que la oscilación funcione:

Circuito LTspice

Los resultados:

Respuesta en el dominio del tiempo respuesta en el dominio de la frecuencia

De esto observo que la frecuencia de oscilación es muy cercana (64.3kHz) pero la respuesta se apaga muy rápidamente y no se sostiene. Mi comprensión de los osciladores es que quiero que la retroalimentación negativa sea igual a la retroalimentación positiva para cumplir con los criterios de Barkhausen en los que la magnitud de la retroalimentación total debe ser 1 y el cambio de fase 0. Obviamente me estoy perdiendo algo importante. Cualquier consejo sobre cómo hacer que este circuito tenga una oscilación sostenida sería muy apreciado.

editar:

Según las sugerencias a continuación, agregué una resistencia adicional entre la salida y el circuito resonante y ajusté mi ganancia. La nueva simulación dio estos resultados en LTspice. He agregado tres capturas de pantalla a continuación de la simulación. El primero tiene más de 10 ms, el segundo lo he ampliado cuando la oscilación se estabiliza y el tercero es un gráfico de dominio de frecuencia que muestra un impulso a 64,5 kHz:

Tiempo de rediseño

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Frecuencia de rediseño

Establezca su ganancia más alta. Esto significa que necesita diferentes valores de inductor. Tal vez 10 o 100 por la ganancia. Además, ¿por qué usa pulsos tan cortos en el terminal positivo? Aumente el tiempo de encendido para que sea como una función de paso.
La ganancia es marginal, no sostendrá la oscilación. Agregue un potenciómetro de 20k o 50k entre la salida opamp y R2 para aumentar la ganancia. Su ganancia teórica de 1 no tiene en cuenta las pérdidas en la red LC.
Como ya se señaló, establezca la ganancia del amplificador operacional a través de R1/R2 en más de 1. Por lo general, R1/R2 sería una relación de 3:1. Su cct sintonizado está bien, pero realmente debería ser un inductor con derivación central y no dos inductores separados.
Su elección de L1=L2 parece arbitraria. Una mejora podría ser L2 >> L1 para que la baja impedancia de salida del amplificador operacional coincida más con el resonador. También puede intentar estimar dos resistencias de valor pequeño en serie con L1 y L2, para modelar su Q finito.

Respuestas (4)

Al igual que con el oscilador colpitts, se necesita una resistencia adicional. Este oscilador colpitts tiene correctamente una resistencia de 200 ohmios (R3) en serie con la salida del amplificador operacional. Pero puede ser de unos pocos ohmios a un kohm principalmente: -

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Si esa resistencia no está presente, la impedancia de salida muy baja del amplificador operacional evitará que se produzca un cambio de fase suficiente para causar una oscilación sostenida predecible. Con un Hartley tienes el mismo problema: -

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Si no tiene esa resistencia, puede oscilar, pero a la frecuencia incorrecta y solo debido a la demora a través del amplificador operacional, es similar a agregar un cambio de fase. Aquí está la prueba de que para un oscilador colpitts de colector común BJT necesita "R" para obtener el cambio de fase correcto y esto es exactamente lo mismo para un oscilador Hartley: -

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Una nota final: el oscilador Hartley NO necesita tener un inductor acoplado a pesar de lo que otros han dicho.

Y esa resistencia "extra" también se necesita en los osciladores de cristal Pierce precisamente por la misma razón: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

La resistencia de la que estoy hablando es R1 arriba: agrega un cambio de fase adicional que lleva el cambio de fase general más allá del punto de 180 grados, por lo tanto, siempre habrá una frecuencia en la que se formen exactamente 180 grados y esta es la frecuencia en la que funcionará el oscilador. en.

Esta pregunta y mi respuesta muestran cómo el cambio de fase puede no ser suficiente sin la resistencia en serie que alimenta el condensador C1 y el cristal.

Gracias por una respuesta tan detallada. Agregar la resistencia adicional y ajustar mi ganancia resolvió el problema. Estoy obteniendo un resultado realmente bueno en la simulación ahora.
@Blargian, es posible que aún tenga problemas de distorsión: nada en el amplificador operacional teórico básico hartley (o colpitts) define la amplitud de la onda sinusoidal, por lo que lo que sucede en la práctica es que la salida sinusoidal se engancha contra los rieles o se ve un poco triangular debido a la rotación limitaciones de velocidad que proporcionan la no linealidad necesaria para estabilizar la amplitud.
Creo que debería decir explícitamente que la impedancia de salida está cargando C1 sin una resistencia de retroalimentación. Me tomó un minuto más o menos conseguirlo.
@Andy alias, edité mi publicación original para mostrar los resultados que ahora obtengo en la simulación. La señal parece triangular y alcanza +- 4V, así que supongo que la salida se está recortando contra los rieles. ¿Hay algunos cambios que podría hacer para que la salida sea más sinusoidal?
Si es triangular, entonces su límite de velocidad de respuesta opamp es la causa dominante.

Debe diseñar el oscilador para que la ganancia del bucle esté un poco por encima de 1 para señales pequeñas, de modo que las oscilaciones se acumulen y luego, de alguna manera, se conviertan en la unidad en la amplitud deseada.

Hay tres formas principales de hacer esto con los amplificadores operacionales, desde lo rudimentario hasta lo ideal.

El crudo. Deje que el amplificador se sature. Si bien su salida se encuentra en el riel, la ganancia es cero, por lo que durante un ciclo, la ganancia promediará menos. El amplificador pasará la cantidad correcta de tiempo saturado para promediar la ganancia a uno. Esto distorsionará la salida. Sin embargo, tal vez no mucho, especialmente si la ganancia fija no está muy por encima de 1.

Un problema con este método es que algunos amplificadores hacen cosas extrañas cuando están saturados y pueden tardar mucho en salir de la saturación, por lo que los resultados no serán necesariamente buenos.

Una mejor versión de esto es usar diodos consecutivos en parte de R2 para reducir la ganancia a medida que conducen. Tal vez una ganancia de 1.1 cuando están apagados y una ganancia de 0.9 cuando están dirigiendo. La amplitud se establecerá rápidamente en un nivel que promedia la ganancia del bucle en 1. Como nunca nada se satura, hay mucha menos distorsión de forma de onda. A medida que diseña los dos valores de ganancia más juntos, la distorsión disminuye, pero debe ser más preciso al establecerlos, para asegurarse de tener uno a cada lado de la unidad.

La ruta de distorsión más baja es usar un control de ganancia en el bucle, tal vez un FET polarizado en modo de resistencia impulsado por un detector de nivel. Una técnica más simple es usar una resistencia térmicamente sensible en el circuito de retroalimentación, que cambia la ganancia a medida que varía su disipación, por lo que varía el nivel de operación. A menudo se usaba una simple bombilla de filamento de tungsteno para este propósito, aunque necesitan bastante energía, un termistor de perlas es más fácil de manejar. La distorsión es muy baja a alta frecuencia, pero aumenta a medida que el período de la señal se convierte en una fracción significativa de la constante de tiempo térmica.

Hace mucho tiempo para mí (¡mi primer Hartley Osc usó un tubo de vacío!), Pero recuerdo algo sobre el uso de una pequeña lámpara incandescente como parte de la configuración de retroalimentación / ganancia, por lo que el coeficiente de resistencia negativo inherente daría como resultado un estable Salida de onda sinusoidal sin distorsiones. ¿Crees que sigue siendo un enfoque viable, o es demasiado "viejo"?
@Randy es un enfoque excelente, puede obtener una variación de resistencia de 10: 1 con una lámpara de filamento. Lo único "viejo" al respecto es que no puede obtener lámparas de filamento SMD. El truco es encontrar una lámpara de baja potencia (por lo que no necesita mucho) de alto voltaje y baja resistencia (impedancia tan razonable). Probablemente sea mejor usar un termistor, de mayor impedancia, menor potencia, fácilmente disponible, pero tampoco parecen venir en montaje superficial.
¡No me sorprendería que lo hubiera! ¡Parece que acaban de bajar un tubo de triodo dual a un dispositivo SMD cercano! ¡¡JAJAJA!! synthtopia.com/content/2015/01/29/…

A 67 KHz, el amplificador operacional tiene una impedancia de salida muy baja y no permite que suene el circuito del tanque; en cambio, el opamp succiona energía del tanque.

Agregue una resistencia grande de la salida OpAmp al tanque.

Solo miré el esquema, pero L1 no está haciendo nada útil. Está directamente en la salida del opamp, que idealmente tiene 0 impedancia. Por supuesto que no, por lo que el efecto es impredecible hasta ese punto.

Deshazte de L1. No es hacer lo que piensas.

Eso haría que no sea un oscilador Hartley. Sospecho que el error no está modelando el acoplamiento entre los dos inductores; los Hartley que he visto son impulsados ​​​​por una impedancia bastante alta (ánodo) o una unidad de baja impedancia (como aquí) alimenta el grifo en un inductor con derivación (autotransformador)
No puede deshacerse de L1... pero L1/L2 debe ser un inductor con derivación central para convertirlo en un Hartley Osc.
L1 no solo no está haciendo nada útil, sino que también podría causar que fluya una corriente continua significativa desde la salida del opamp. Como han dicho otros, la característica definitoria de un oscilador Hartley es un inductor con tomas, esto no tiene eso.
@Brian: Echa otro vistazo. L1 está directamente en la salida del amplificador operacional a tierra. Si el amplificador operacional fuera ideal, su impedancia de salida sería 0 y el inductor no tendría absolutamente ningún efecto sobre el voltaje. L1 solo hace algo en este circuito por accidente en la medida en que el opamp no es ideal. Estas características están mal especificadas y pueden variar considerablemente de una parte a otra. L1 también puede imponer requisitos de corriente excesivos en la salida del amplificador operacional, como señala Kevin. Tal vez había una resistencia destinada a estar allí en alguna parte, pero L1 tal como está ahora simplemente no tiene sentido.
Chicos, un Hartley no necesita tener un inductor con derivaciones al igual que un colpitt no necesita condensadores que compartan el mismo dieléctrico.
Diseño del oscilador Hartley de 64,5 kHz
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