Como funcionam os osciladores digitais (ART250)

Uma das partes mais importantes de muitos circuitos digitais é o oscilador de clock. Em outras aplicações osciladores são necessários para gerar sinais esopecíficos de frequências que podem estar entre fração de hertz até alguns megahertz. Como escolher um oscilador para uma determinada aplicação é algo que pode deixar muitos dos leitores em dúvida. Em função das características desejadas para o sinal existem centenas de opções usando os mais diversos tipos de CIs. Para os que desejam sugestões de circuitos osciladores usando circuitos integrados CMOS apresentamos uma seleção bastante interessante e versátil.

Os circuitos integrados CMOS são extremamente versáteis e além das funções que especificamente consistem em osciladores, portas, inversores e até mesmo fli-flops podem ser configurados de modo a gerar sinais. Mais do que isso, os circuitos integrados CMOS que em princípio, para a série 4000 são digitais também podem gerar sinais com outras formas de onda.
Na seleção de circuitos básicos que descrevemos a seguir isso ficará claro. Os circuitos em questão podem gerar sinais que vão desde fração de hertz até aproximadamente 7 MHz que é o limite para esses componentes quando alimentados com algo em torno de 12 V. Para tensões menores, o limite cai proporcionalmente o que deve ser levado em conta em qualquer projeto.

 

 

 

Oscilador Com Cristal
O circuitos mostrado na figura 1 usa uma porta NAND do circuito integrado 4011 mas em seu lugar qualquer porta ou inversor CMOS pode ser empregado, sem problemas. Este circuito pode usar sinais de 100 kHz até aproximadamente 5 MHz e o sinal de sua saída é retangular. A alimentação pode ficar entre 3 e 15 V.

 

Oscilador Senoidal CMOS Gatilhado
Na figura 2 mostramos como um duplo T na realimentação de uma porta NAND com o 4011 pode ser usado para gerar sinais senoidais. Os componentes do duplo T devem manter as relações de valores indicadas no diagrama e o ajuste da forma de onda é feito no trimpot de 470 k. Este circuito é do tipo “disparado” em que um sinal retangular sincroniza o oscilador de modo a se obter na saída algo que se aproxima bastante se um sinal senoida. As frequência geradas podem ficar entre alguns quilohertz até aproximadamente 100 kHz. A alimentação pode ser feita com tensões de 3 a 15 V.



Oscilador Senoidal CMOS Simples
Na figura 3 mostramos um oscilador interessante que possibilita o ajuste dos FETs internos do CI para a operação de modo linear através da fonte de alimentação. Os componentes da rede de realimentação (oscilador de deslocamento de fase) é que determinam a frequência. Os capacitores podem ser alterados mas recomenda-se manter os valores dos resistores. Para os valores indicados o oscilador gerará um sinal em torno de 5 kHz. O ajuste do ponto de funcionamento e forma de onda é feito pelo potenciômetro na fonte de alimentação. Outras funções CMOS que possam ser ligadas como inversores podem ser experimentadas.


Oscilador de Dois Inversores
A configuração mostrada na figura 4 é uma das mais tradicionais que faz uso de dois inversores CMOS. É claro que qualquer função que possa ser ligada como inversor vai funcionar neste circuito, conforme se sugere na mesma figura. A tensão de alimentação ficará entre 3 e 15 V e o resistor pode assumir valores entre 10 k ohms e 22 M ohms. O valor mínimo recomendado para o capacitor é de 47 pF. Lembramos que a frequência máxima que pode ser gerada está em torno de 7 MHz para uma alimentação em torno de 10 V. Este oscilador gera sinais com um ciclo ativo de aproximadamente 50% e retangulares.


Oscilador de Dois Inversores com Ciclo Ativo Controlado
Usando dois diodos e um potenciômetro pode alterar o percurso da corrente na carga e descarga do capacitor. Com isso podemos ter ciclos ativos ajustados por este potenciômetro. O circuito mostrado na figura 5 pode usar inversores comuns CMOS ou então qualquer função que possa ser ligada como inversor. As mesmas considerações dadas no caso do circuito anterior são válidas e os diodos são tipos de uso geral como os 1N4148. Observamos que a relação marca/espaço depende da posição do cursor do potenciômetro mantendo-se a frequência mais ou menos constante na sua faixa de ajuste.



VCO
Um oscilador controlado por tensão (Voltage Controlled Oscillator ou VCO) é mostrado na figura 6. Este circuito usa dois inversores e a frequência central depende de R e de C conforme já vimos no circuito 3. Uma tensão aplicada ao terminal de entrada dentro de uma estreita faixa de valores pode controlar a frequência do sinal retangular produzido por este circuito. Não se deve nunca aplicar na entrada tensão maior do que a usada na alimentação do oscilador. O valor do resistor pode ser alterado para se modificar a faixa de frequências que o circuito varre.


Oscilador Gatilhado 1
O circuito oscilador mostrado na figura 7 entra em funcionamento quando sua entrada é levada ao nível alto. O resistor de 100 k ohms é necessário para as aplicações em que na ausência do sinal de controle a entrada pode ficar aberta (alta impedância) o que causaria um estado instável para o circuito. A frequência é calculada como no caso do oscilador 3, e a alimentação pode ser feita com tensões de 3 a 15 V.


Oscilador Gatilhado 2
O oscilador mostrado na figura 8 entra em funcionamento quando sua entrada é levada ao nível baixo. A presença do resistor de 100 k ohms na entrada tem o mesmo motivo explicado no oscilador anterior. O sinal gerado também é retangular e a tensão de alimentação pode ficar entre 3 e 15 V.



Oscilador com Três Inversores
Na figura 9 mostramos um oscilador CMOS que faz uso de três inversores ou três portas que possam ser ligadas como inversores. Este circuito pode gerar sinais retangulares de até aproximadamente 7 MHz quando alimentado com tensões de 3 a 15 V. A frequência é calculada pela fórmula junto ao diagrama. O valor mínimo recomendado para o capacitor é de 47 pF e o resistor pode ter valores entre 10 k ohms e 22 M ohms.


Oscilador Gatilhado de Três Portas
O circuito mostrado na figura 10 entra em ação gerando um sinal retangular quando sua entrada é levada ao nível alto. O resistor na entrada evita que o terminal de controle da porta fique em aberto na ausência de sinal o que pode instabilizar o funcionamento do circuito. A frequência depende de R e de C como nos outros osciladores e a tensão de alimentação pode ficar entre 3 e 15 V. Com tensão menores a frequência máxima se reduz.


Oscilador Variável CMOS
Na figura 11 mostramos um oscilador que tem sua frequência controlada numa faixa de 5:1 por uim potenciômetro de 47 k ohms. O valor deste potenciômetro pode ser aumentado para se obter uma faixa mais ampla de controle. A frequência depende dos resistores e de C. A tensão de alimentação pode ficar entre 3 e 15 V e são válidas as indicações de valores para outros osciladores do mesmo tipo.



VCO
Este oscilador de frequência variável (VCO) se baseia na configuração interna própria para esta aplicação existente no circuito integrado 4046 (PLL). No gráfico da figura 12 temos as faixas de frequências que podem ser produzidas com os componentes indicados.


O circuito completo do VCO é mostrado na fiogura 13.

 



Neste caso o circuito gera um sinal retangular e a tensão de controle vem de um potenciômetro (pode-se usar um transdutor resistivo para se obter um conversor de alguma grandeza física em frequência, por exemplo). Outra possibilidade é aplicar diretamente a tensão de controla no pino 9 desde que ela não supere a tensão de alimentação.


Oscilador Sem Componentes
Neste oscilador os inversores de um 4049 são usados para formar uma rede de retardo que determina a frequência do circuito. Como o tempo de propagação do sinal pelo circuito depende da tensão de alimentação podemos controlar a frequência pelo potenciômetro que alimenta o circuito. Na configuração mostrada a frequência poderá aser ajustada entre perto de 1 MHz até 7 MHz aproximadamente.
Observe que o número de inversores a serem usados no circuito mostrado na figura 14 deve ser sempre impar.


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