I.P.S.I.A. Di
BOCCHIGLIERO
a.s. 2011/2012
-classe IV-
Materia: Elettronica, Telecomunicazioni ed Applicazioni
---- Oscillatori a bassa frequenza e a quarzo---Aunni:
Domenico Iacoi
Marilena Gravina
Scalise Pietro
Turco Raffaele Fausto
prof. Ing. Zumpano Luigi
I.P.S.I.A Bocchigliero
-Elettronica,Telecomunicazioni ed ApplicazioniOscillatori
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OSCILLATORI
Per comprendere il principio di funzionamento di un oscillatore, si consideri un
amplificatore reazionato privo del segnale esterno d'ingresso, e quindi privo del nodo di
confronto:
Ve
Vr
Vu
A
ßA
Vu
Supponiamo che all'ingresso sia presente un segnale V e con frequenza fo, cui corrisponde
in uscita un segnale Vu=AVe della stessa frequenza. La condizione affinchè il sistema
possa mantenere in uscita il segnale Vu è che, attraverso la rete di reazione, venga
riportato all'ingresso un segnale Vr=ßVu uguale, in modulo e fase, a Ve:
V r =β⋅v u =β⋅A⋅V e =V e
Da questa relazione discende la condizione di autoeccitazione:
β⋅A=1
Nota come criterio di Barkausen.
Poichè in generale ß e A sono grandezze complesse, il criterio di Barkausen si traduce
nella duplice condizione che il prodotto ßA abbia modulo unitario ed argomento nullo.
Oscillatori per bassa frequenza
Alle basse frequenze gli oscillatori RC di impiego più frequente sono quelli a rete di
sfasamento e quelli a ponte di Wien.
Oscillatori a rete di sfasamento
Un oscillatore a sfasamento è costituito da un amplificatore invertente reazionato mediante
una rete costituita da tre celle RC identiche. La rete di reazione introduce uno sfasamento
complessivo di 180° che, sommato allo sfasamento di 180° proprio dell'amplificatore
invertente, rende soddisfatto la seconda delle condizioni di autoeccitazione imposte dal
criterio di Barkausen.
c
Ve
c
c
Vu
R
R
R
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Alunni: Iacoi-Gravina-Scalise-Turco
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Oscillatore a ponte di Wien
Lo schema che segue riporta un oscillatore a ponte di Wien realizzato impiegando come
elemento attivo un aplificatore operazionale.
C
R
R1
C
R
R
V
2
1
+
Vu
-
Si nota la presenza di una reazione negativa, che determina il guadagno, ed una reazione
positiva che rende possibile l'autoeccitazione. L'oscillatore viene detto a ponte perchè le
due reti di reazione costituiscono i lati di un ponte la cui tensione di squilibrio viene
applicata all'ingresso di un amplificatore differenziale.
Oscillatori per alte frequenze
Alle frequenze elevate, dalle centinaia di kHz alle centinaia di MHz, si impiegano
oscillatori di tipo LC, caratterizzati dalla presenza di un circuito risonante LC che determina
la frequenza di oscillazione.
L'impiego degli amplificatori operazionali come elementi attivi degli oscillatori si rileva poco
idoneo alle alte frequenze, soprattutto a causa della riduzione che subisce il guadagno ad
anello aperto. Si preferisce perciò impiegare transistor BJT o JFET in forma discreta.
Il modello adottato per gli oscillatori in alta frequenza è normalmente quello detto a tre
punti, costituito da un amplificatore invertente e massa, tra uscita e massa e tra ingresso e
uscita.
+
Vu
-
Z1
Z2
Z3
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Oscillatore Hartley
Vu
M
L'2
L'1
c
Tenendo conto della mutua induttanza tra le due bobine: M =K √ L ' 1⋅L ' 2
dalle relazioni discende, per la frequenza di oscillazione e per il guadagno
L ' 2+M
dell'amplificatore: Aa ≥
L ' 1+M
ω0 =
√
1
L⋅C
Oscillatore Colpitts
L'elemento attivo nell'oscillatore a tre punti, può essere un BJT o un FET , con
e Z2 puramente capacitivi e Z3 puramente induttivo,come riportato in figura:
VDD
L
Oscillatore Colpitts con FET
C
Vu
+
RG
RS
C1
CS
C2
L1
Le capacità C e C1 e l'induttanza L costituiscono nel circuito risonante a tre punti; la L è
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un'induttanza di blocco ( choke ) che impedisce alle alte frequenze di entrare nella rete di
alimentazione. La RG è una resistenza di valore elevato che consente l'autopolarizzazione
del JFET nel punto di lavoro imposto da RS.
Oscillatore a quarzo
Gli oscillatori a quarzo sfruttano l'effetto piezoelettrico per ottenere una elevata stabilità di
frequenza. Si definisce stabilità di frequenza la variazione percentuale della frequenza del
segnale prodotto da un oscillatore nell'intorno del valore nominale fo:
f
f0 .
Le cause dell'instabilità di frequenza sono molteplici, legati in particolare alle variazioni
della temperatura, della tensione di alimentazione e del carico.
L'influenza del carico può essere minimizzata inserendo tra l'oscillatore e l'utilizzatore uno
stadio separatore ( buffer ), costituito ad esempio da un amplificatore della configuraziona
a inseguitore.
L'impiego di tensioni di alimentazione fortemente stabilizzate, di componenti resistivi a
basso coefficiente di temperatura e di circuiti filtranti ad alta selettività, consente di
raggiungere valori della stabilità di frequenza dell'ordine 0,01%, che tuttavia non sono
sufficienti per molte applicazioni delle quali sono richieste di frequenze di lavoro
rigorosamente costanti. Valori di stabilità nettamente superiori dell'ordine di 10 -5/10-8 %, si
ottengono inserendo nel circuito filtrante dell'oscillatore un cristallo piezoelettrico, cioè una
lamina di quarzo compresa fra 2 elettrodi. Elettricamente il cristallo piezoelettrico presenta
due frequenze di risonanza, come risulta dal circuito equivalente. I valori di L,C,R
dipendono dalle caratteristiche meccaniche del cristallo, e precisamente dalle sue
dimensioni ( maggiore è la massa, più bassa è la frequenza di vibrazione ), dal coefficiente
di elasticità del materiale e dall'attrito interno ( perdite per isteresi meccanica ). Il valore di
C0 è invece quello della capacità elettrica tra i due elettrodi metallici della lamina.
S =100
L
Massa
C
Elasticità
Co
Capacita Elettr.
R
Attrito
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L'inserimento del cristallo piezoelettrico in un oscillatore può avvenire in molto modi, cui
corrispondono diversi tipi di oscillatori a quarzo, per lo più realizzati secondo lo schema a
tre punti. Esempio tipico è l'oscillatore di Pierce, come in figura, con riferimento ad un
oscillatore a BJT.
+Vcc
Lb
Ca
Vu
R1
R2
C
Cs
Rs
C
Quarzo
I quarzi con frequenza di risonanza non elevate possono essere impiegati in oscillatori per
bassa frequenza, realizzati con amplificatori operazionali secondo lo schema a ponte.
La condizione di oscillazione è espressa dalla relazione:
R1
R
≥
R1+R2 R+R 3
dove R è la resistenza serie del circuito equivalente del quarzo.
Sfruttando la reazione positiva, si possono realizzare degli oscillatori sinusoidali, cioè
dispositivi che forniscono un segnale di uscita variabile sinusoidalmente, senza l'intervento
di un segnale di ingresso esterno. Gli oscillatori sinusoidali possono essere classificati in
base al campo di frequenza interessato: oscillatori per bassa frequenza, operanti al di
sotto del Mhz e oscillatori per alte frequenze, dalle centinaia di Khz alla centinaia di Mhz.
A questa classificazione fa riscontro quella basata sul tipo di rete filtrante impiegata nella
rete di retroazione: oscillatori a RC e oscillatori a LC.
Negli oscillatori a LC è possibile anche il funzionamento in classe C, caratterizzato da un
maggior rendimento di conversione, un parametro fondamentale che caratterizza la qualità
di un oscillatore. L'elemento attivo negli oscillatori per basse frequenze è normalmente
costituito da un amplificatore operazionale, come negli oscillatori a rete di sfasamento o
nell'oscillatore a ponte di Wien, citati quali esempi dei numerosi tipi esistenti.
Per le alte frequenze, invece l'elemento attivo viene in genere realizzato con componenti
discreti BJT o JFET. È adottato di solito lo schema base a tre punti, come ad esempio
nell'oscillatore Hartley o nell'oscillatore Colpitts. Un considerevole aumento della stabilità
di frequenza si consegue con gli oscillatori al quarzo, ottenuti inserendo un cristallo
piezoelettrico nella rete di reazione dell'oscillatore. Un esempio tipico è l'oscillatore di
Pierce, a BJT o a JFET, derivato dall'oscillatore Colpitts. Alla basse frequenze è tipico
l'oscillatore a ponte di Macham ad AO. La regolazione di frequenza viene eseguita anche
sugli oscillatori a quarzo, principalmente a fini di taratura.
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Alunni: Iacoi-Gravina-Scalise-Turco
Classe: IV anno scolastico 2011-2012
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