Circuitos osciladores com realimentação

Vicente Cesar · 19 de janeiro de 2016

Estou começando a estudar circuitos RF e algo muito importante que tenho visto nesta área são os osciladores, porém não consigo entende-los direito. Já estudei sobre como fazer circuitos LC oscilarem, mas vi que essa oscilação vai diminuindo até parar e então seria necessário uma realimentação e amplificação do sinal. Eu não consegui entender bem como funciona isso, já li em alguns lugares sobre a teoria mas não consigo relaciona-la com a pratica. Se alguém puder me ajudar com uma maneira bem simples de entender a realimentação e como implementa-la agradeço.
~~ Vicente

MOR_AL · 19 de janeiro de 2016

Circuitos com um indutor e um capacitor, seja ele em série os em paralelo, possui ressonância em apenas uma frequência.

Um impulso elétrico (na prática um pulso) possui infinito número de frequências possíveis (na teoria). Como o circuito LC tem a ressonância em apenas uma frequência, apenas esta frequência passará pelos L e C. Mas apenas um pulso não é suficiente para manter uma oscilação. Com apenas um pulso, a amplitude na frequência de ressonância vai decaindo de forma exponencial. Aí é que entram os componentes ativos (transistores, fets etc).

O componente ativo tem a função de amplificar o sinal que decairia e o circuito reenvia este sinal para a entrada. O sinal vai cada vez mais sendo amplificado, até que se torne uma oscilação contínua. Como o circuito LC só deixa passar uma frequência, a oscilação tende a ser senoidal. Ocorre que quando a amplitude da oscilação fica grande, as tensões e correntes no dispositivo ativo fazem alcançarem, também, as regiões não lineares, como o corte e a saturação. Nestas regiões o ganho cai a ponto de limitar a amplitude da oscilação. Saindo destas regiões, o dispositivo ativo tem seu ganho aumentado. Estas condições fazem com que a amplitude da oscilação fique aproximadamente constante.

Quando o circuito entra nestas regiões não lineares, ocorre distorção. Isso logicamente deforma a senóide.

Em osciladores senoidais ou não, existe uma exigência natural para que o circuito oscile.

Se você interromper o circuito por onde transita a oscilação, gerará dois pontos limites. A condição de oscilação é que se você enviar uma senóide no limite inicial do percurso do sinal. Esta senóide tem que aparecer no outro limite com uma amplitude igual ou maior que a amplitude da sua senóide enviada. Isso, em outras palavras o ganho tem que ser um ou mais que um. Mas tem que haver outra condição presente. A diferença de fase entre o sinal enviado e o sinal obtido no outro ponto limite, tem que ser nula (fase zero).

Fisicamente é óbvio.

Imagine que você está empurrando uma criança em um balanço.

Se você empurrar o balanço de modo a que ele ao voltar alcance um ponto mais alto, o seu ganho é maior que um. Se você empurrar o balanço sempre de modo a que o balanço alcance a mesma altura, o seu ganho será um. Se você der apenas um empurrão no balanço, ele terá cada vez menos amplitude, até que pare.

Observe que você esta empurrando o balanço sempre quando ele vai começar a descer. Isso significa que você está aplicando um empurrão em fase com o movimento do balanço.

Então Ganho um Fase zero, garantem a oscilação.

MOR_AL

Ops!

Tentei fazer as correções de digitação, mas não está sendo possível editar minha postagem.

Onde se lê

seja ele em série os em paralelo,

leia-se

seja ele em série ou em paralelo,

etc.

MOR_AL

Vicente Cesar · 2 de fevereiro de 2016

@MOR , desculpe a demora para responder. A primeira coisa que não entendi foi "Um impulso elétrico (na prática um pulso) possui infinito número de frequências possíveis (na teoria)". Nuca ouvi falar sobre isso, poderia me explicar o que quis dizer ou algum link sobre ?

A segunda duvida que tenho é que a corrente, na teoria sairia do ponto positivo e iria para o negativo, então como funciona essa realimentação que faz o sinal voltar para entrada ? Talvez esteja esquecendo de algum conceito, mas não consigo entender como funciona esse fluxo da corrente elétrica nos osciladores.

E o que são esses "pontos limites" que você citou ?

Se forem muitas duvidas para responder já ajuda um link simples para que está começando a entender do assunto haha

MOR_AL · 2 de fevereiro de 2016

agora, Vicente Cesar disse:

@Vicente Cesar @MOR , desculpe a demora para responder. A primeira coisa que não entendi foi "Um impulso elétrico (na prática um pulso) possui infinito número de frequências possíveis (na teoria)". Nuca ouvi falar sobre isso, poderia me explicar o que quis dizer ou algum link sobre ?
É como eu mencionei! Na teoria, um impulso possui amplitude infinita e largura deste pulso nula. Na teoria este impulso é "criado" a partir de um pulso com área "A". Duração vezes amplitude igual a "A". Para este PULSO se transformar em IMPULSO, faz-se o período, ou a duração tender para zero, mas mantendo a mesma área "A". Com isso a amplitude tende para o infinito. O impulso ocorre no limite. Amplitude infinita e período zero. Este impulso possui TODAS as frequências do espectro, por isso é que se você aplicar este impulso a um filtro, por exemplo, a saída será a curva de amplitude versus frequência do filtro. Só mais um detalhe. Neste impulso, todas as frequências iniciam no mesmo instante, já que sua duração é nula. Ou seja todas iniciam com fase zero.

Claro que na prática isso nunca vai ocorrer. Serve apenas como estudo.
A segunda duvida que tenho é que a corrente, na teoria sairia do ponto positivo e iria para o negativo, então como funciona essa realimentação que faz o sinal voltar para entrada ? Talvez esteja esquecendo de algum conceito, mas não consigo entender como funciona esse fluxo da corrente elétrica nos osciladores.

Não pense como corrente. Pense como um sinal, que possui amplitude de tensão ou corrente e fase, em relação a outro sinal.

E o que são esses "pontos limites" que você citou ?
Como em um oscilador, parte do sinal existente na saída é aplicado à entrada (realimentado), fica meio que difícil analisar o comportamento do circuito. Para se poder analisar, interrompe-se o circuito em um ponto qualquer, mas costuma-se interromper o circuito entre o sinal de saída e o circuito que leva parte deste sinal para a entrada. Uma vez interrompido, você criou dois pontos limites.

Para analisar este circuito, você aplica um sinal vin no ponto que o sinal é retornado para a entrada e vê o sinal que vai aparecer no outro ponto, que é a saída (vout). Os sinais vin e vout são sinais teóricos e servem para determinar se o oscilador pode ou não oscilar. Na verdade você chega a uma expressão (Vout / vin), que é função dos componentes usados em seu oscilador. Como os circuitos possuem capacitores e indutores, a análise geraria integrais e derivadas. Isso daria imenso trabalho para se calcular. Por sorte apareceu um matemático francês, chamado Laplace. Ele criou um método que pode ser usado para a análise dos circuitos. Este método transforma as integrais e derivadas em meras equações algébricas (sem integrais e derivadas). Em homenagem a este brilhante matemático, o método tem seu nome "Transformada de Laplace".

A condição de oscilação é que o módulo da relação (Vout / vin) tem que ser maior ou igual a um. A outra condição é que a diferença de fase entre Vin e vout seja nula, ou ambos os sinais em fase.

À partir destas duas condições (e mais algumas) deve-se escolher os componentes para que isso aconteça.
Se forem muitas duvidas para responder já ajuda um link simples para que está começando a entender do assunto haha

Sinceramente. Eu te passei o conceito de forma mais simples que eu imaginei.

Eu não conheço apenas um link que explicaria isso de forma mais simples que esta que eu te apresentei.

Na verdade, para osciladores simples, há diversos "atalhos" a seguir. A maioria se encontra nos data sheets ou em application notes dos fabricantes de componentes ativos, como transistores, circuitos integrados (amplificadores operacionais) etc.

MOR_AL