Oscilador Controlado Por Voltaje

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA-INGENIERIA ELECTRONICA-COMUNICACIONES ANALOGAS

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OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO) (Noviembre 2011) Jorge Enrique Ortiz Pavón, Edgar Julián Prieto Riveros, Jeison Eduardo Rodríguez Caro

Resumen — El — El oscilador controlado por voltaje (VCO, por sus siglas en ingles) es un circuito oscilador en el que la frecuencia de oscilación está controlada por un voltaje aplicado en forma externa. Se plantea como objetivo principal todo el conocimiento de la estructura interna y el principio de funcionamiento de los VCO, aclarando que en este caso vamos a utilizar el NE/SE-566, para tal fin los VCO tienen bastantes aplicaciones a nivel de las radiocomunicaciones, como un generador FM simplificado, que no es más que un micrófono conectado en serie a un amplificador clase A y este entra como voltaje de control aplicado en forma externa al VCO, con la finalidad de que la frecuencia cambie a raíz del hablar. Se pretende como metodología, el poder entender y/o comprender todo lo mencionado anteriormente (principio de funcionamiento-estructura interna), a raíz de un buen estado de arte, ya que esto significaría el poder conocer los componentes de un VCO, referenciando los internos y la red externa que esta hacia él y poder analizar el funcionamiento de cada uno a través de diferentes técnicas de análisis de circuitos.

I. INTRODUCCIÓN El conocimiento del área de las telecomunicaciones es bastante amplio, ya que este tiene por lo general tiene bastantes líneas de estudio, con la le electrónica las telecomunicaciones van de la mano, ya que se necesitan de diferentes componentes de orden electrónico, para poder generar diferentes formas de onda para propósitos de control y de interface, toda esta gama de componentes anteriormente hacia finales del s. XIX y principios del s. XX, estos elementos utilizados eran totalmente de naturaleza discreta, no fue hasta mediados del siglo s.XX , cuando se complemento la idea de poder utilizar todo esto componentes discretos en un solo integrado, los avances de la ingeniería han ido muy rápido y lo que empezó con componentes discretos que no eran muy rentables y de alto consumo, se convirtió ha hoy en día en dispositivos lógicos programables, en el cual lo que más vales es el software y el hardware pasa a segundo plano. En 1

J. E. Ortiz Pavón, estudiante de séptimo semestre de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Cundinamarca de Fusagasugá; email: [email protected] E. J. Prieto Riveros, estudiante de séptimo semestre de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Cundinamarca de Fusagasugá; email:[email protected] J. E. Rodríguez Caro, estudiante de séptimo semestre de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Cundinamarca de Fusagasugá; email: [email protected]

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este caso el alcancé que teníamos planeado era poder generar esto tipos de onda, de una manera que utilizamos el circuito integrado, lo que se quiere es poder determinar un análisis electrónico de este componente, sabiendo que la estructura interna no se puede variar, pero la red externa o elementos periféricos se pueden cambiar y lo que se quiere es poder conocer como el cambio de estos elementos, hace que el funcionamiento funcionamiento sea diferente.

II. ESTADO DE LA TÉCNICA El oscilador controlado por voltaje (VCO, por sus siglas en ingles) es un circuito oscilador en el que la frecuencia de oscilación está controlada por un voltaje aplicado en forma externa. A menudo, en un VCO se requiere una relación lineal entre la frecuencia de oscilación f o y el voltaje de control vC . El oscilador controlado por voltaje también se conoce como convertidor de voltaje a frecuencia (V/F). Los osciladores controlados por voltaje se utilizan en muchas aplicaciones, como la modulación de frecuencia (FM), la generación de tonos y la manipulación por corrimiento de frecuencia (FSK). Con el fin de convertir un voltaje en una frecuencia, lo que generalmente se hace es cargar y descargar un capacitor utilizando una corriente constante, cuyo valor dependerá de un voltaje aplicado en forma externa. La carga empieza cuando el voltaje del capacitor cae hasta el voltaje de umbral umbral inferior VL. De manera similar, la descarga se inicia cuando el voltaje del capacitor alcanza el voltaje de umbral superior V H. En la Fig.1.; se muestra el diagrama de bloques simplificado del funcionamiento de un VCO. Para cargar y descargar el capacitor C 1, se utilizan fuentes de corriente. La entrada al disparador Schmitt es el voltaje del capacitor; la salida del disparador Schmitt tiene dos niveles de voltaje de umbral de conmutación de V L y V H, que controlan el cierre y la apertura del interruptor de corriente. Por tanto, dependiendo del voltaje del capacitor vC (t), el interruptor de corriente conecta el capacitor , ya sea a la fuente de corriente superior, para la carga , o a la fuente de corriente inferior , para la descarga . La forma de onda del voltaje del capacitor aparece en la Fig.2.; este tiene dos modos: carga y descarga.


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Supónganse que las fuentes de corriente controladas por voltaje tienen una relación lineal entre el voltaje y la corriente. Esto es,

IQ

Gm vCN

VCO

(1.5)

Donde Gm= transconductancia de la fuente de corriente, en A/V vCN = voltaje de control aplicado, en V V CO = voltaje constante

Fig.1.Diagrama de bloques simplificado del funcionamiento del VCO.

Por tanto, la frecuencia de oscilación será una función lineal del voltaje de control vCN, esto es,

f o

I Q 2C1

Gm vCN V CO

VH VL

2C1

V H V L

(1.6)

lo que da el coeficiente de transferencia voltaje a frecuencia K vf como

K vf

dfo dvCN

Gm 2C1 VH VL

(1.7)

Fig.2.Forma de onda del voltaje del capacitor.

Realización del circuito

Modo de Carga

En la Fig.3.; se muestra una realización del circuito de carga y descarga del capacitor. Se puede dividir en dos partes: una fuente de corriente controlada por voltaje y un interruptor de corriente.

Durante el modo de carga, el capacitor es cargado por la fuente de corriente superior I Q, desde el voltaje de umbral inferior VL hasta el nivel de disparo superior V H. El tiempo requerido para cargar el capacitor, de V L hasta VH, esta dado por

t1

C1 vC IQ

C 1 VH VL I Q

(1.1)

Modo de Descarga

El modo de descarga se inicia cuando el capacitor está cargado al nivel de disparo superior V H. En este punto, el interruptor de corriente desconecta el capacitor C 1 de la fuente de corriente superior y lo conecta a la fuente de corriente inferior hasta alcanzar el nivel de disparo inferior V L. El tiempo requerido para la descarga del capacitor, de V H a V L está dado por

C1 vC I Q

t2

C1 VL VH I Q

C 1 VH VL I Q

(1.2) Fig.3.Realizacion del circuito.

Siempre que las corrientes de carga y descarga tengan la misma magnitud que I Q. Δt1= Δt2. El periodo de oscilación T esta dado por

T

t1

t 2

2C1

V H V L I Q

(1.3)

Fuente de corriente controlada por voltaje

La fuente de corriente controlada por voltaje está formado por un transistor npn Q1 y un transistor pnp Q2. El voltaje en el emisor de Q2 está dado por

Lo que da la frecuencia de oscilación f o como

f o

I Q

1

T

2C1

V H VL

(1.4)

V E 2

vC

N

V

BE 1

V EB2

Lo que da la corriente de la fuente I Q fluye por R como


I Q

VCC VE 2 R

VCC

vCN VBE1 VEB 2 R

(1.8)

Dado que VBE1 (para un transistor npn) ≈ VEB2 (para un transistor pnp) dentro del intervalo de 10 a 50 mV, I Q de la ecuación (1.8) puede calcularse en forma aproximada mediante

I Q

VCC

vCN

(1.9)

R

la cual da una relación lineal entre la fuente de corriente I Q y el voltaje de control vCN.

Fig.4.Diagrama de terminales.

Interruptor de corriente

El interruptor de corriente está formado por los diodos D 1 y D2, y los transistores Q 3, Q4 y Q5.El transistor Q 5 está controlado por el disparador Schmitt, y funciona como interruptor de activación o desactivación. Cuando Q 5 esta desactivado, el capacitor C es cargado por la fuente de corriente I Q a través del diodo D1.El diodo D2 y los transistores Q 3 y Q4 están desactivados. Cuando Q 5 esta activado (en saturación) por acción del disparador Schmitt, D 2, Q3 y Q4 también están activados . Como resultado, la corriente I Q de la fuente fluye por D 2 y Q4, en lugar de pasar por el diodo D1. El voltaje en el ánodo del diodo D 2 se convierte en

Vx

VD2(anodo)

VD2 VBE4 VCE5(sat)

0.6 0.6 0.2 1.4V

No obstante, el voltaje en el cátodo del diodo D 1 es el voltaje del capacitor vC (t), que será mayor que 1.4V. Por tanto, el diodo D1 estará en polarización inversa (esto es, estará desactivado). El capacitor C se descargara a través de Q 3 con una velocidad dada por I Q .La corriente que pasa por Q 3 es igual a la corriente que fluye por Q 4. Por tanto, el transistor Q 5 llevara una corriente igual a 2 I Q.

Fig.5.Diagrama de bloques.

III. DESARROLLO EXPERIMENTAL El VCO NE/SE-566

Un ejemplo común de un circuito integrado de oscilador controlado por voltaje es el VCO NE/SE-566, cuyo diagrama de terminales aparece en la Fig.4., mientras que el diagrama de bloques interno se muestra en la Fig.5. Este VCO produce salidas simultáneas de onda cuadrada y de onda triangular, a frecuencias hasta de 1MHz. Ambas salidas están separadas, de manera que la impedancia de salida de cada una de ellas es de 50Ω. La amplitud normal de la onda cuadrada es de 5.4V pico a pico, y la de la onda triangular de 2.4V pico a pico. En la Fig.6. , se muestra un diagrama común de conexiones y las salidas típicas están ilustradas en la Fig.7.

Fig.6.Circuito.

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Diseño de un oscilador controlado por voltaje (a)Diseñar un oscilador controlado por voltaje, como el de la figura 16.25c, que tenga una frecuencia f o=20kHz. Suponer que VCC=12V. (b)Calcular la modulación de las frecuencias de salida, si vCN varía en ±10% debido a la señal de modulación vcn. Solución (a). Los pasos que se siguen para el diseño del VCO son: Paso 1. Calcular los valores limitantes de V CN. De la ecuación (1.11), 9V≤ V CN≤12V. Paso 2. Escoger un valor adecuado para C1: sea C1=0.001µ F Paso 3.Escoger un valor de R1 entre 2k Ω y 20k Ω: sea R1=10k Ω Paso 4. Calcular el valor de vCN. De la ecuación (1.13), vCN está dado por

Fig.7.Formas de onda de salida. La frecuencia de salida está determinada por un resistor R1 y un capacitor C 1, externos, y por el voltaje vCN aplicado en la terminal de control 5. El valor de cd nominal V CN de vCN es ajustado por el divisor de voltaje formado por R 2 y R 3, y debe quedar dentro del intervalo

R3

VCN

R2

R3

V C C

(1.10)

Donde VCC es el voltaje de alimentación de cd. V CN debe satisfacer la restricción siguiente 3 4

VCC

VCN

VCC

(1.11)

La señal de modulación vcn esta acoplada en ca mediante el capacitor C3, y su valor debe ser >3V pico a pico. Dado que vcn está superpuesta sobre V CN , el voltaje de control vCN es la suma de V CN y vcn , esto es, vCN = V CN+vcn. Si en la ecuación R1, la frecuencia de las (1.4) se remplaza con I Q=(VCC- vCN)/ formas de onda de salida pueden obtenerse de maneras aproximada a partir de

vCN

V CC

RC f 1 1 o

1

vCN 12 1

(1.14)

2

10k

0.001 µ F 20kHz

12 0.9 10.8V

2

que se encuentra dentro del intervalo especificado en el paso 1. Si el valor adecuado cae fuera de dicho intervalo, elegir un valor diferente para R1 o C 1, y volver a calcular vCN Paso 5. Determinar los valores de R2 y R3. Siendo V CN= vCN=10.8 del paso 4, ecuación (1.10) se obtiene

R2 R3

1

V CC V CN 12 10.8 1.11

por lo que R2 / R3=1.11-1=0.11. Sea R3=100k Ω; entonces

R2

0.11

11k

R3

(b) Para un incremento del 10% en vCN

f o

VCC vCN 2 R1C 1 VH VL

(1.12)

la cual, si se supone que V H-VL=VCC /4, puede escribirse de manera aproximada como

f o

2

VCC

vCN

RCV 1 1 CC

(1.13)

Donde R1 deberá estar en el intervalo de 2kΩ< R1<20kΩ. La frecuencia puede variarse de 10 a 1 seleccionando R1 entre 2k Ω y 20kΩ para un vCN fijo y un C 1 constante, o eligiendo el voltaje de control vCN para un producto RC constante. A fin de eliminar las posibles oscilaciones en la fuente interna de control de corriente, deberá conectarse un capacitor pequeño C 2=0.001 µF entre las terminales 5 y 6

v

CN

VC

N

v

cn

1.11

v

CN 1.11

10.8

11.88V

El valor correspondiente de la frecuencia de salida puede calcularse a partir de la ecuación (1.13)

fo1 Para

vCN

2 10k una

12 11.88

2k Hz 0.001 F 12 reducción del 10%

VCN vcn

0.9

VCN

0.9 10.8

La frecuencia de salida es

fo 2

2 10k

12

9.72

0.001

F

12

Hz 38k

Por tanto, el cambio en la frecuencia de salida es

en 9.72V

vCN


f

fo 2

o

38

f

o1

k

2

k

36

5

kHz

Utilizando la ecuación (1.13), se puede determinar el coeficiente de transferencia V/F, K vf K vf

df o

2

dvCN

R1CV 1 CC

(1.15)

2 10k Por tanto, para

f

f

o

o2

f

o1

F 12 2vCN

0.001

vCN Kvf

v

CN

16.67

16.67kHz / V 2 0.1 10.8

2.16V ,

kHz/ V

36.01

2.16

V

kHz

Que es el mismo valor obtenido al calcular las frecuencias individuales Nota: Si la señal de modulación es una onda senoidal, de manera que vcn=Vm senωt, entonces el voltaje de control se convierte en vCN=V CN+Vm senωt. Durante el semiciclo positivo de la señal de modulación, el voltaje de control aumenta, y la frecuencia f o del voltaje de salida disminuye. Sin embargo, durante el semiciclo negativo de la señal de modulación, el voltaje de control disminuye y la frecuencia de voltaje de salida aumenta.

Fig.7.Circuito Implementado.

Aspectos Principales

-

-

-

El oscilador controlado por voltaje (VCO) es un circuito oscilador en el que la frecuencia de oscilación está controlada por un voltaje aplicado en forma externa. Con el fin de convertir un voltaje en frecuencia, lo que se hace por lo general es cargar y descargar un capacitor, utilizando una corriente constante, cuyo valor depende de un voltaje aplicado de manera externa. La salida de un disparador Schmitt controla el tiempo de carga y de descargar del capacitor. El oscilador controlado por voltaje NE/SE-566 puede producir salidas simultaneas de onda cuadrada y de onda triangular a frecuencias hasta de 1MHz. La frecuencia de salida está determinada por un resistor R1 y un capacitor C 1 externos, y por el voltaje vCN aplicado a la terminal de control 5.

Fig.8. Formas de onda de circuito implementado.

V. CONCLUSIONES -

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS En el análisis de resultados esto va enfocado hacia la comprobación de la hipótesis y su confrontación con el estado de la técnica.

Los VCO son elementos muy indispensables en lo que tiene que ver con circuitos generadores de onda para diferentes propósitos. En la modulación angular los VCO, son muy utilizados ya que su propia arquitectura, este puede generar una frecuencia de salida, de acuerdo a una entrada de control(voltaje)

VI. REFERENCIAS 1. 2.

M. H. Rashid, SPICE for Circuits and Electronics Using PSpice.Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, Inc, 1995, capitulo 10. S. Soclof, Design and Applications of Analog Integrated Circuits.Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, Inc, 1991, capitulo 15,16 y 17.

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA-INGENIERIA ELECTRONICA-COMUNICACIONES ANALOGAS 3. 4. 5.

P. R. Gray y R. G. Meyer, Analysis and Design of Integrated Circuits, Nueva York: Jhon Wiley and Sons,1992 R.A. Gayakwad, Op-Amps and Linear Integrated Circuits , Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, Inc, 1993. M. H. Rashid, Microelectronic Circuits: Analysis and Design. Englewood Cliffs, NJ: Cengage Learning, Inc, 2004, capitulo 16.

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