Concetti Chiave
- Gli oscillatori sono circuiti a retroazione positiva che generano segnali periodici, mantenendo un segnale in uscita senza ingresso esterno.
- Le condizioni di Barkausen sono essenziali per il funzionamento degli oscillatori sinusoidali, stabilendo che il guadagno ad anello deve essere pari a uno e lo sfasamento nullo.
- Gli oscillatori RC sono utilizzati per basse frequenze, offrendo stabilità e un'ampia gamma di variazione di frequenza, mentre quelli LC sono preferiti per frequenze più alte.
- L'oscillatore di Wien è un esempio di circuito che utilizza una rete passa banda per generare segnali sinusoidali, con un trasferimento di frequenza che verifica le condizioni di Barkausen.
- La frequenza di oscillazione è influenzata dai valori di resistenze e condensatori nei circuiti RC e LC, oltre che da fattori come il Q del circuito e le capacità parassite.
Un circuito a retroazione positiva instabile, tale da produrre un segnale periodico, è detto "oscillatore"
Per comprendere come funziona un oscillatore dobbiamo immaginarcelo come una struttura di un circuito a retroazione positiva con blocchi lineari.
Immaginiamo di introdurre all'ingresso un segnale sinusoidale
possiamo dunque considerare tre casi:
Bisogna però notare e ricordare che i circuiti elettronici reali sono sorgenti di rumore termico, presente e tutte le frequenze, se si realizza un circuito come quello in figura b soprastante con la condizione del punto due otteniamo un auto-eccitazione; se vogliamo ottenere in uscita un'onda sinusoidale non deformata dobbiamo far si che il guadagno ad anello e la fase siano:
Queste caratteristiche elencate sopra prendono in nome di "Condizioni di Barkausen".
Esse vengono considerate se si vuole realizzare un oscillatore sinusoidale.
Per far si che si rispettino le condizioni di Barkausen dobbiamo progettare il circuito in modo che il modulo del guadagno risulti alla frequenza di oscillazione di poco superiore a 1; in questo modo l'auto-eccitazione della struttura è garantita e, i fenomeni di non linearità del circuito tenderanno a ridurre il guadagno ad anello cosi che da ottenere la prima condizione.
Per ottenere un oscillatore sinusoidale le condizioni di Barkausen si devono verificare ad una sola frequenza, per far questo si inserisce una rete selettiva che può essere
Gli oscillatori che vengono di solito analizzati per le basse frequenze sono tre: L'oscillatore di Wien; L'oscillatore a sfasamento; L'oscillatore in quadratura.
Oscillatore di Wien
Lo schema qui sopra riportato raffigura un "Oscillatore di Wien".
Questo circuito può essere pensato e realizzato come un "amplificatore non invertente" con una "rete passiva passa banda".
Supponiamo che l'amplificatore presenti l'impedenza di ingresso infinita e quella di uscita nulla, si può supporre che la funzione di trasferimento della rete passiva, detta "rete di Wien", non venga alterata dall'amplificatore.
In queste condizioni si ha che:
Se si pone
La parte immaginaria della funzione di trasferimento si annulla e la parte reale diventa pari a
Se la frequenza è pari a 3, viene verificata la condizione di Barkausen
Gli oscillatori LC, invece, sono usati da frequenze dell'ordine di alcune decine di kHz fino al alcune centinaia di MHz.
A frequenze più basse si hanno difficoltà a realizzare induttanze di alta qualità; alle frequenze più alte, data l'influenza di capacità ed induttanze parassite, si preferisce ricorrere a linee di trasmissione o a cavità risonanti.
La frequenza di oscillazione dipende in primo luogo dai valori dei gruppo RC e LC; altri fattori però possono influire sulla frequenza di oscillazione, in particolare il Q del circuito risonante, le capacità interelettrodiche e gli altri parametri dei dispositivi attivi ed il carico; in molti casi, per ridurre l'influenza del carico, l'oscillatore è seguito da uno stadio amplificatore separatore (buffer).
I gruppi RC sono circuiti realizzati da resistori e condensatori, posizionati in serie o in parallelo, che costituiscono la frequenza di oscillazione.
I gruppi LC, invece, sono costituiti da induttanze e capacità; in questo caso, però, le induttanze, creando campi magnetici, possono presentarsi interferenze e quindi il circuito più non funzionare perfettamente.
Tra gli oscillatori più importanti ricordiamo quello di Hartley, quello di Colpittz.
Domande da interrogazione
- Che cos'è un oscillatore e come funziona?
- Quali sono le condizioni di Barkausen e perché sono importanti?
- Quali sono le differenze tra oscillatori RC e LC?
- Come si realizza un oscillatore di Wien?
- Quali fattori influenzano la frequenza di oscillazione di un circuito?
Un oscillatore è un circuito a retroazione positiva instabile che produce un segnale periodico. Funziona come una struttura di circuito a retroazione positiva con blocchi lineari, mantenendo il segnale in fase con l'ingresso.
Le condizioni di Barkausen richiedono che il modulo del guadagno ad anello sia uguale a 1 e che la fase sia zero. Sono cruciali per realizzare un oscillatore sinusoidale stabile.
Gli oscillatori RC sono usati per basse frequenze e offrono stabilità e variazione di frequenza, mentre gli oscillatori LC sono adatti per frequenze più alte, ma possono essere influenzati da capacità e induttanze parassite.
Un oscillatore di Wien si realizza come un amplificatore non invertente con una rete passiva passa banda, mantenendo l'impedenza di ingresso infinita e quella di uscita nulla per non alterare la rete di Wien.
La frequenza di oscillazione dipende dai valori dei gruppi RC e LC, il Q del circuito risonante, le capacità interelettrodiche, i parametri dei dispositivi attivi e il carico. Un amplificatore separatore può ridurre l'influenza del carico.
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