DR 22/11/2011 - Clase 20 - Osciladores de alta frecuencia

En la última clase vimos como construir un oscilador sinusoidal hecho con un amplificador operacional y un filtro paso banda. El A.O. tiene un gran limitación: su ancho de banda es muy limitado (aprox 30 Hz) y no nos sirve para conseguir una oscilación entorno a los 27 Mhz. Tenemos que encontrar un diseño que nos permita conseguir osciladores a más alta frecuencia. Hoy veremos un nuevo diseño sin limitaciones.

Empezaremos rediseñando la estructura de nuestro amplificador: en vez de usar un amplificador operacional usaremos un transistor: este dispositivo nos permite conseguir oscilaciones de hasta 1Ghz. Esta será la nueva estructura de nuestro oscilador:

Queremos que el transistor presente una resistencia de salida baja, para que el nodo se pueda considerar como una fuente de tensión ideal, y una resistencia de entrada alta para no perturbar la otra etapa del circuito. Además, queremos que la amplificación de esta etapa sea la unidad (queremos que sea un seguidor de tensión) y que sea el filtro paso-banda el que presente una amplificación mayor que la unidad en su pico (para que el circuito pueda arrancar solo).

Pasamos a estudiar el circuito para comprobar que la oscilación es posible, es decir, que se cumplen las condiciones de Barkhousen. Para ello deshacemos el lazo conectamos un generador de test y analizamos el circuito. Obtenemos los siguientes resultados:

Como conclusión obtenemos lo siguiente:

Como R0 es muy baja la condición de oscilación queda reducida a que 1+ C2/C1 sea mayor que la unidad.

Una vez tenemos caracterizado vamos a ver como podemos configurar un transistor en modo seguidor de tensión. Para ello consideramos la siguiente estructura:

Si analizamos el circuito obtenemos los siguientes parámetros:

• Resistencia de entrada: RB//(RE(β+1) + Rπ) ~ RB//(RE(β+1)
• Resistencia de salida: Rπ/(β+1) ~ 1/gm
• Amplificación: ((β+1)RE)/((β+1)RE + Rπ)

El modelo equivalente es el siguiente:

Polarizaremos el transistor de tal manera que la tensión de emisor sea Vcc/ 2 para aprovechar todo el rango dinámico y  la corriente de colector sean unos poco miliamperios. Así pues para determinar el valor de las resistencias tenemos las siguientes condiciones:

Si volvemos al circuito inicialmente propuesto, sustituimos el seguidor por nuestro nuevo modelo y añadimos una resistencia RL que modele la salida, tenemos el siguiente circuito:

Si volvemos a encontrar la condición de oscilación tenemos la siguiente inecuación:

Como RL no es grande conviene que gm sea elevado y C2/C1 no muy grande.

Para finalizar el diseño añadiremos en paralelo un condensador variable y adaptaremos la resistencia RL con un auto-transformador, por tanto el diseño final de nuestro oscilador será:

Ahora vamos a dar valores a los componentes del circuito:

1. Polarizaremos el transistor con Vcc = 15 volts y IC =  5mA. Usaremos un transistor BC238C con β ~ 400. Así pues la resistencia de base y emisor son:
• RE = 1.5K
• RB = 340K
2. La resistencia de entrada de amplificador será de 179K y la de salida 5.2Ω.
3. El condensador variable variará entre 10pF y 70 pF. Elegimos para C1 = 15pF i C2 = 55 pF. El valor medio de Cx ~ 42 pF y es donde queremos que el circuito produzca la oscilación
4. Para este valor de Cx necesitaremos una L = 847 nH. La podemos realizar  con N = 16, hilo de cobre de 0.8mm,  núcleo de aire de 1cm de diámetro i longitud de 3cm. (Q ~ 30 i Rs = 5Ω)
5. Podemos usar el inductor diseñado en el apartado anterior como bobina y auto-transformador. Para saber donde hemos de colocar la toma imponemos como condición que n²·50 = 1000 encontramos la relación de n y tenemos que debemos hacer la toma en 3 espiras.

Así pues el diseño final es el siguiente:

Visto esto hemos pasado al laboratorio, hemos montado el circuito y hemos visto en el osciloscopio que la salida de nuestro circuito es una sinusoide. Hemos ajustado el condensador variable para conseguir que su frecuencia sea de 27Mhz. Además hemos medido la potencia en la resistencia RL, hemos obtenido un valor de 3 mW.