Osciladores
Un amplificador con realimentación positiva y una red que elige una frecuencia. Nada más que eso, y sin embargo de ahí salen el reloj de un microcontrolador, la portadora de un transmisor y el tono de un instrumento electrónico. Un oscilador es un circuito que no se conforma.
01La condición de oscilación
En un amplificador con realimentación negativa, la señal que vuelve se resta y el circuito se estabiliza. Si la que vuelve se suma y llega con la amplitud suficiente, el circuito se sostiene solo: ya no necesita entrada. Eso es un oscilador.
Dos condiciones que hay que cumplir al mismo tiempo y a la misma frecuencia. La de fase determina a qué frecuencia oscila; la de módulo, si oscila.
Cómo arranca, si no hay entrada
Arranca con el ruido. Todo circuito tiene ruido térmico, que contiene un poquito de todas las frecuencias. La red selectiva deja pasar sólo la suya, el amplificador la agranda, vuelve, la agranda otra vez… Para que ese proceso despegue hace falta que al principio |βA| sea mayor que 1.
Si la ganancia sobra mucho, el oscilador arranca rápido y seguro, pero la amplitud se estabiliza por saturación y la salida se deforma. Si la ganancia está justo, la onda sale limpia pero el oscilador puede no arrancar con frío, con la batería baja o con otro transistor. Las soluciones elegantes son las de control automático de amplitud:
- Una lámpara incandescente chica en el lazo: al calentarse aumenta su resistencia y baja la ganancia. Es el truco original del oscilador de Wien, y produce una senoidal extraordinariamente limpia.
- Dos diodos en antiparalelo sobre la resistencia de realimentación: al crecer la amplitud conducen y bajan la ganancia. Es la solución barata y la más usada.
- Un FET como resistencia variable gobernado por un detector de amplitud: es el control automático de ganancia propiamente dicho.
02Osciladores LC: el tanque resonante
El corazón es un circuito tanque: una bobina y un capacitor en paralelo intercambiándose energía. El capacitor guarda energía en su campo eléctrico, se descarga sobre la bobina, que la guarda en su campo magnético y se la devuelve, y así sucesivamente. Si no hubiera pérdidas, seguiría para siempre.
| Oscilador | Cómo divide la realimentación | Ventaja |
|---|---|---|
| Hartley | Bobina con derivación: dos inductancias y un capacitor | Fácil de sintonizar variando el capacitor. Clásico en receptores. |
| Colpitts | Dos capacitores en serie y una bobina | Más estable en frecuencia alta: los capacitores parásitos del transistor quedan absorbidos en el divisor. |
| Clapp | Colpitts con un capacitor más en serie con la bobina | El capacitor chico domina la frecuencia y aísla al circuito de la deriva del transistor. Muy estable. |
| Armstrong | Realimentación por un segundo bobinado acoplado | Histórico. Fácil de entender, poco práctico en alta frecuencia. |
Los tres primeros son el mismo circuito con el divisor hecho de distinta manera. La regla mnemotécnica que funciona: Hartley se parte la bobina, Colpitts se parte el capacitor. En un esquema desconocido, mirar cuál de los dos elementos tiene tres conexiones en vez de dos.
Se quiere un oscilador en 7,1 MHz con una bobina de 4,7 µH. ¿Qué capacitor?
- De f = 1/(2π√(LC)) → C = 1/(4π²f²L)
- 4π² = 39,48; f² = (7,1×106)² = 5,04×1013
- C = 1 / (39,48 × 5,04×1013 × 4,7×10−6) = 106,8 pF
Se elige un capacitor fijo de 82 pF con un trimmer de 5 a 50 pF en paralelo, y con el trimmer se ajusta a la frecuencia exacta. La razón práctica: la inductancia real de una bobina casera nunca es la calculada.
03Osciladores RC
Por debajo de unos 100 kHz una bobina sería enorme y de mala calidad. Ahí se usan redes R-C, que a cambio de perder algo de selectividad son baratas, chicas y muy repetibles. Es la familia de los generadores de audio.
Una red R-C serie y otra paralelo forman un divisor que a una sola frecuencia tiene desfasaje cero y atenúa exactamente a un tercio.
Como la red atenúa 3 veces, el amplificador tiene que tener ganancia exactamente 3: con un operacional no inversor, Rf = 2·Rg. Con R = 10 kΩ y C = 10 nF sale 1592 Hz. Es el oscilador de audio de mejor forma de onda.
Tres celdas R-C, cada una aportando 60°, suman los 180° que le faltan a un amplificador inversor para cerrar el lazo en fase.
La red atenúa 29 veces, así que la ganancia debe ser 29 o más. Con R = 10 kΩ y C = 10 nF da 650 Hz. Se arma con un solo transistor y por eso aparece mucho en circuitos sencillos.
Osciladores de relajación
No hay senoidal ni resonancia: un capacitor se carga hasta un umbral, se descarga y vuelve a empezar. La salida es cuadrada o triangular y la frecuencia depende de un R-C y de dos umbrales. Es lo que hacen el 555, un Schmitt trigger con realimentación R-C (40106) o un operacional en configuración astable.
Un oscilador de relajación es simple y flexible, pero su frecuencia depende directamente de R, de C y de las tensiones de umbral, que derivan con la temperatura y la alimentación. Estabilidad típica: 1 %. Un tanque LC llega a 0,1 % y un cristal a 0,001 %. Para un temporizador o un secuenciador alcanza y sobra; para una base de tiempo o una portadora, no.
04El oscilador a cristal
Un cristal de cuarzo es piezoeléctrico: al deformarlo aparece tensión entre sus caras y al aplicarle tensión se deforma. Cortado con cierto espesor, vibra mecánicamente a una frecuencia propia con una precisión que ningún circuito L-C alcanza.
Se lo modela como un R-L-C serie (la resonancia mecánica) en paralelo con la capacidad de sus electrodos. Los números son extraordinarios: L equivalente de henrios, C de femtofarads y un Q de 10 000 a 100 000, contra los 100 o 300 de una bobina.
Ese Q altísimo es la razón física de su estabilidad: el lazo sólo puede cerrarse en una banda de frecuencias extremadamente angosta.
- 32 768 Hz (215) en relojes: quince divisiones y sale 1 Hz.
- 4, 8, 16, 20 MHz en microcontroladores.
- Pierce es la configuración habitual: el cristal, dos capacitores a masa y el inversor que ya viene adentro del micro.
- Los capacitores de carga (típicamente 22 pF) no son opcionales: el cristal está especificado para trabajar con cierta capacidad, y si no está, la frecuencia se corre.
| Tipo | Estabilidad | Error en 10 MHz | Dónde se usa |
|---|---|---|---|
| RC / relajación | 1 % | 100 kHz | Temporizadores, parpadeos, PWM sencillo |
| LC | 0,1 % | 10 kHz | Osciladores locales de radio, RF sintonizada |
| Cristal común | 10 a 50 ppm | 100 a 500 Hz | Microcontroladores, relojes, comunicaciones serie |
| TCXO (compensado) | 0,5 a 2 ppm | 5 a 20 Hz | Instrumentos, GPS, radios comerciales |
| OCXO (en horno) | 0,001 a 0,01 ppm | 0,01 a 0,1 Hz | Patrones de laboratorio, estaciones base |
Una parte por millón es un segundo cada once días y medio. Un reloj de pulsera con cristal de 20 ppm se atrasa o adelanta unos 52 segundos por mes, y eso es exactamente lo que se observa. Cuando un equipo pide más precisión que eso, ya no alcanza con un cristal común: hace falta compensación por temperatura o sincronización externa.
05Qué se le pide a un oscilador
Que la frecuencia no cambie con la temperatura, la alimentación, el envejecimiento ni la carga. El enemigo típico es el tirón de carga: conectar algo a la salida corre la frecuencia. Se resuelve con una etapa separadora (buffer).
Que la salida sea la frecuencia deseada y nada más. Los armónicos aparecen por saturación del amplificador; el ruido de fase, por el ruido del transistor. En un transmisor, los armónicos se emiten e interfieren otras bandas.
Que oscile siempre, con cualquier ejemplar de transistor, a −10 °C y con la batería a punto de agotarse. Es el motivo por el que se deja ganancia de sobra y se controla la amplitud por otro camino.
En un microcontrolador todo esto aparece bajo otro nombre: el jitter del reloj. Un reloj con jitter no arruina un parpadeo, pero sí una comunicación serie rápida o una conversión A/D de muchos bits, porque el instante de muestreo se corre.
06En el laboratorio
Armar el oscilador de Wien con TL081, R = 10 kΩ y C = 10 nF. Con Rf/Rg ajustable por preset, buscar el punto donde arranca. Observar en el osciloscopio: apenas por encima del umbral la onda es limpia; subiendo más, se aplana en las puntas. Medir la frecuencia y compararla con 1592 Hz. Después agregar dos diodos 1N4148 en antiparalelo sobre Rf y comprobar que la onda se mantiene limpia aunque sobre ganancia.
Armar un Colpitts con un 2N2222, L = 100 µH y dos capacitores de 470 pF. Calcular la frecuencia esperada (C serie = 235 pF → f = 1,04 MHz) y medirla. Después acercar la mano a la bobina: la frecuencia se corre. Es la demostración directa de por qué los osciladores de RF van blindados.
Medir con el frecuencímetro, cada minuto durante quince, la frecuencia de tres osciladores: un 555, el Colpitts anterior y el oscilador a cristal de una plaqueta de microcontrolador. Calcular la variación relativa de cada uno. Después calentar suavemente cada circuito con un secador y repetir. La tabla resultante es la sección 4 comprobada en el banco.
Con una bobina de 100 µH y un capacitor de 100 nF en paralelo, excitar el tanque con un pulso breve del generador a través de una resistencia grande y observar la oscilación amortiguada en el osciloscopio. Medir su frecuencia (unos 50 kHz) y contar cuántos ciclos tarda en caer a la mitad: de ahí sale una estimación del Q del conjunto.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| No oscila | Ganancia insuficiente, o la realimentación llega en contrafase: hay que invertir el sentido de la bobina o la fase de la red. |
| Oscila pero la onda está recortada | Ganancia excesiva sin control de amplitud. Agregar diodos, lámpara o CAG. |
| La frecuencia se corre al conectar la carga | Tirón de carga. Falta una etapa separadora entre el oscilador y lo que sigue. |
| Arranca a veces sí y a veces no | Ganancia justo en el límite, o capacitores de carga del cristal mal elegidos. |
| El cristal oscila a una frecuencia que no es la marcada | Está trabajando en un sobretono, o los capacitores de carga no corresponden a la especificación. |
| Aparecen dos frecuencias mezcladas | Oscilación parásita en otra parte del circuito, típicamente por el cableado o por falta de desacople de la alimentación. |
| La frecuencia deriva mientras el equipo se calienta | Componentes con coeficiente térmico alto. Usar capacitores NP0/C0G en el tanque y no cerámicos comunes. |
| Un amplificador de audio silba solo | Se convirtió en oscilador sin querer: realimentación positiva por la alimentación compartida o por el cableado de entrada cerca de la salida. |
08Autoevaluación
Enunciá el criterio de Barkhausen y decí qué determina cada condición.
|βA| = 1 y fase total 0° (o 360°). La condición de fase determina a qué frecuencia oscila; la de módulo, si la oscilación se sostiene. Para arrancar hace falta |βA| > 1.
Si no hay señal de entrada, ¿de dónde sale la primera oscilación?
Del ruido propio del circuito, que contiene todas las frecuencias. La red selectiva deja pasar la suya y el lazo la amplifica ciclo a ciclo hasta que la limitación de amplitud la estabiliza.
Tanque con L = 47 µH y C = 220 pF: ¿frecuencia?
LC = 47×10−6 × 220×10−12 = 1,034×10−14; √ = 1,017×10−7. f = 1/(2π × 1,017×10−7) = 1,565 MHz.
¿Cómo se distingue un Hartley de un Colpitts mirando el esquema?
Por dónde está la derivación: en el Hartley la bobina está partida (tiene tres conexiones); en el Colpitts lo que está partido es el capacitor, que son dos en serie.
¿Por qué el oscilador de Wien necesita ganancia exactamente 3?
Porque a su frecuencia la red R-C atenúa la señal a un tercio con fase cero. Para que |βA| = 1 el amplificador debe multiplicar por 3: con un no inversor, Rf = 2·Rg.
Wien con R = 4,7 kΩ y C = 22 nF: ¿frecuencia?
f = 1/(2πRC) = 1/(6,283 × 4700 × 22×10−9) = 1539 Hz.
¿Por qué un cristal es tanto más estable que un tanque LC?
Porque su Q es de decenas de miles contra un par de cientos: la ventana de frecuencias en la que el lazo puede cerrarse es muchísimo más angosta. Además el cuarzo es mecánicamente estable con la temperatura, mucho más que una bobina y un capacitor.
Un cristal de 20 ppm en un reloj: ¿cuánto se corre por mes?
20×10−6 × 2 592 000 s (30 días) = 52 segundos. Es el error típico de un reloj digital común.
¿Qué diferencia hay entre un oscilador de relajación y uno resonante?
El resonante mantiene energía oscilando entre dos elementos (L y C) y produce una senoidal de frecuencia estable. El de relajación carga y descarga un capacitor entre dos umbrales: entrega onda cuadrada o triangular, es mucho más simple y mucho menos estable.
Un amplificador de audio empieza a silbar solo. ¿Qué está pasando?
Se transformó en oscilador: alguna parte de la salida vuelve a la entrada en fase. Causas típicas: cable de entrada corriendo junto al de salida, masa común mal distribuida o falta de desacople de la alimentación. Es Barkhausen cumpliéndose sin que nadie lo haya pedido.