Instituto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Catarinense

Resumo – Projeto de osciladores senoidais com A.O

Eduardo Miguel Frigeri Medeiros

Instituto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Catarinense

Engenharia Elétrica – Campus Videira

Resumo ⎯ O presente trabalho trata-se de uma síntese do artigo científico Design Of Op Amp Sine Wave Oscillators, da Texas Instruments que, em português, corresponde a Projeto de osciladores senoidais com A.O.

Introdução

     Os osciladores senoidais podem ser implementados com amplificadores operacionais, conforme suas características como o ganho elevado, impedância de entrada alta e dentre outras; possibilitam a obtenção de sinais com baixo grau de distorção e em frequências que atendem muitas aplicações comuns. Diante disso, através da literatura da Texas Instruments, formulou-se o presente resumo que busca discorrer sobre importantes informações acerca do assunto.

Conceitos Básicos

     Um oscilador pode ser visto como um circuito de realimentação e pode ser descrito pela seguinte equação:

[pic 1]

     Para tanto, sabemos que as oscilações ocorrem devido a um estado instável presente no circuito. Isso porque a função de transferência nunca pode ser satisfeita, já que A/0 é uma indeterminação. Portanto, faz-se essencial ao projetar um oscilador garantir que β = -1, o que é tecnicamente denominado como critério de Barkhausen.    

     Além disso, tem-se que -180° consiste numa rotação de fase necessária aos circuitos de realimentação negativa, do mesmo que usamos o 0° para uma realimentação positiva. Quando a tensão de saída se aproxima da tensão de alimentação, altera-se o ganho dos elementos ativos nos amplificadores e, do mesmo modo, altera-se o valor da expressão uma vez que o valor de A muda e Aβ passa a ser diferente de -1.

     Desta forma, a subida da tensão tendendo ao infinito diminui e pode acontecer três coisas. Em primeiro, a não linearidade na saturação ou cutoff pode fazer com que o sistema sature e corte, assim o sistema ficará estável e trava.  Em segundo, a carga inicial pode fazer com que o sistema sature e fique estável por um tempo antes de travar com a tensão oposta da linha de alimentação. Por último, o circuito permanece linear e tende ao valor oposto da linha de alimentação.

Deslocamento de Fase em osciladores

    Os componentes ativos ou passivos em um oscilador podem induzir o deslocamento de 180° necessária à realimentação. Os componentes ativos têm suas características alteradas pela temperatura e podem ser compensadas com componentes passivos. Os amplificadores devem ser selecionados de modo que não contribuam com o deslocamento de fase na frequência de oscilação. É fato que um circuito RL ou RC contribuí até com 90° de deslocamento de fase por polo, como sabemos, são necessários 180°. Deste modo, pelo menos dois polos devem ser usados, entretanto os circuitos RL são caros, grande e não ideais. Portanto, osciladores LC são muito mais apropriados para projetos de alta frequência.

Ganho nos Osciladores

    Com o sinal defasado em 180° o ganho de um oscilador deve ser igual ou maior que 1 na frequência de oscilação. O circuito se torna estável quando o ganho passa de 1 e, desta maneira, a não linearidade do dispositivo reduz o ganho para 1. Quando o ganho é muito baixo as oscilações param, e quando o ganho é muito alto o sinal distorce. Assim, a distorção é causada pelo excesso de ganho e o mesmo deve ser ajustado com cuidado em osciladores com baixa distorção.

Oscilador por Ponte de Wien

    Na figura 1 observamos o oscilador por Ponte de Wien (Wien Bridge Oscilador).

[pic 2]

Fig. 1.  Oscilador por Ponte de Wien

     Calculamos a frequência do sinal gerado pela seguinte equação:

[pic 3]

     Se β = 1/RC a realimentação está em fase e o ganho é 1/3 e significa que requer um amplificador de ganho 3. Se Rf for igual a 2RC então o ganho do amplificador é 3 e ocorre numa frequencia de 2βRC.

Oscilador de Deslocamento de Fase com um A.O

    Podemos elaborar um oscilador de deslocamento de fase com apenas um amplificador operacional. Além disso, podemos assumir que as diferentes seções de deslocamento de fase são independentes. Como segue:

[pic 4]

Fig. 2.  Oscilador de Deslocamento de Fase com um AO

 A seguinte equação pode ser escrita:

[pic 5]

     Para o loop completo o deslocamento de fase é de -180°, pois o descolamento de cada um dos ramos é de -60°. Isso corre quando β=1,732/RC, assim o valor de β neste ponto de é (1/2)3 , sendo assim, para que o ganho do sistema seja igual a 1 o ganho de A deve ser igual a 8.

Oscilador de Deslocamento de Fase "Bufferizado"

    Nos osciladores de deslocamento de fase bufferizado que pode ser visualizado na Fig.3, os buffers ou estágio amplificadores/isoladores atuam evitando que as seções RC carreguem uma as outras. Deste modo, o oscilador pode funcionar com valores próximos de ganho e de frequência calculados.