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OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO) (Noviembre 2011)Jorge Enrique Ortiz Pavn, Edgar Julin Prieto Riveros, Jeison Eduardo Rodrguez Caro1

Resumen El oscilador controlado por voltaje (VCO, por sus siglas en ingles) es un circuito oscilador en el que la frecuencia de oscilacin est 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 ms que un micrfono 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 raz del hablar. Se pretende como metodologa, el poder entender y/o comprender todo lo mencionado anteriormente (principio de funcionamiento-estructura interna), a raz de un buen estado de arte, ya que esto significara el poder conocer los componentes de un VCO, referenciando los internos y la red externa que esta hacia l y poder analizar el funcionamiento de cada uno a travs de diferentes tcnicas de anlisis de circuitos.

este caso el alcanc que tenamos planeado era poder generar esto tipos de onda, de una manera que utilizamos el circuito integrado, lo que se quiere es poder determinar un anlisis electrnico de este componente, sabiendo que la estructura interna no se puede variar, pero la red externa o elementos perifricos se pueden cambiar y lo que se quiere es poder conocer como el cambio de estos elementos, hace que el funcionamiento sea diferente. II. ESTADO DE LA TCNICA El oscilador controlado por voltaje (VCO, por sus siglas en ingles) es un circuito oscilador en el que la frecuencia de oscilacin est controlada por un voltaje aplicado en forma externa. A menudo, en un VCO se requiere una relacin lineal entre la frecuencia de oscilacin fo y el voltaje de control vC. El oscilador controlado por voltaje tambin se conoce como convertidor de voltaje a frecuencia (V/F). Los osciladores controlados por voltaje se utilizan en muchas aplicaciones, como la modulacin de frecuencia (FM), la generacin de tonos y la manipulacin 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 depender de un voltaje aplicado en forma externa. La carga empieza cuando el voltaje del capacitor cae hasta el voltaje de umbral inferior VL. De manera similar, la descarga se inicia cuando el voltaje del capacitor alcanza el voltaje de umbral superior VH. En la Fig.1.; se muestra el diagrama de bloques simplificado del funcionamiento de un VCO. Para cargar y descargar el capacitor C1, 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 conmutacin de VL y VH, 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.

I. INTRODUCCIN El conocimiento del rea de las telecomunicaciones es bastante amplio, ya que este tiene por lo general tiene bastantes lneas de estudio, con la le electrnica las telecomunicaciones van de la mano, ya que se necesitan de diferentes componentes de orden electrnico, para poder generar diferentes formas de onda para propsitos 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 ingeniera han ido muy rpido y lo que empez con componentes discretos que no eran muy rentables y de alto consumo, se convirti ha hoy en da en dispositivos lgicos programables, en el cual lo que ms vales es el software y el hardware pasa a segundo plano. En1

J. E. Ortiz Pavn, estudiante de sptimo semestre de Ingeniera Electrnica de la Universidad de Cundinamarca de Fusagasug; email: jeopazul@hotmail.com E. J. Prieto Riveros, estudiante de sptimo semestre de Ingeniera Electrnica de la Universidad de Cundinamarca de Fusagasug; email:julian.4025@gmail.com J. E. Rodrguez Caro, estudiante de sptimo semestre de Ingeniera Electrnica de la Universidad de Cundinamarca de Fusagasug; email: jeison25876@hotmail.com

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

IQ Gm vCN VCODonde Gm= transconductancia de la fuente de corriente, en A/V vCN = voltaje de control aplicado, en V VCO = voltaje constante

(1.5)

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

Por tanto, la frecuencia de oscilacin ser una funcin lineal del voltaje de control vCN, esto es,

fo

IQ 2C1 VH VL

Gm vCN VCO 2C1 VH VL

(1.6)

lo que da el coeficiente de transferencia voltaje a frecuencia Kvf como Kvf Fig.2.Forma de onda del voltaje del capacitor. Modo de Carga Durante el modo de carga, el capacitor es cargado por la fuente de corriente superior IQ, desde el voltaje de umbral inferior VL hasta el nivel de disparo superior VH. El tiempo requerido para cargar el capacitor, de VL hasta VH, esta dado por

dfo dvCN

Gm 2C1 VH VL

(1.7)

Realizacin del circuito En la Fig.3.; se muestra una realizacin 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.

t1

C1 v IQ C

C1 V V IQ H L

(1.1)

Modo de Descarga El modo de descarga se inicia cuando el capacitor est cargado al nivel de disparo superior VH. En este punto, el interruptor de corriente desconecta el capacitor C1 de la fuente de corriente superior y lo conecta a la fuente de corriente inferior hasta alcanzar el nivel de disparo inferior VL. El tiempo requerido para la descarga del capacitor, de VH a VL est dado por

t2

C1 v IQ C

C1 V V IQ L H

C1 V V IQ H L

(1.2) Fig.3.Realizacion del circuito. Fuente de corriente controlada por voltaje La fuente de corriente controlada por voltaje est formado por un transistor npn Q1 y un transistor pnp Q2. El voltaje en el emisor de Q2 est dado por

Siempre que las corrientes de carga y descarga tengan la misma magnitud que IQ. t1= t2. El periodo de oscilacin T esta dado por

T

t1 1 T

t2

2C1 VH VL IQ

(1.3)

Lo que da la frecuencia de oscilacin fo como

fo

IQ 2C1 VH VL

(1.4)

VE 2

vCN VBE1 VEB2

Lo que da la corriente de la fuente IQ fluye por R como

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IQ

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

VCC VE 2 R

VCC vCN VBE1 VEB2 R

(1.8)

IQ

VCC vCN R

(1.9) Fig.4.Diagrama de terminales.

la cual da una relacin lineal entre la fuente de corriente IQ y el voltaje de control vCN. Interruptor de corriente El interruptor de corriente est formado por los diodos D1 y D2, y los transistores Q3, Q4 y Q5.El transistor Q5 est controlado por el disparador Schmitt, y funciona como interruptor de activacin o desactivacin. Cuando Q5 esta desactivado, el capacitor C es cargado por la fuente de corriente IQ a travs del diodo D1.El diodo D2 y los transistores Q3 y Q4 estn desactivados. Cuando Q5 esta activado (en saturacin) por accin del disparador Schmitt, D2, Q3 y Q4 tambin estn activados . Como resultado, la corriente IQ de la fuente fluye por D2 y Q4, en lugar de pasar por el diodo D1. El voltaje en el nodo del diodo D2 se convierte en

Vx VD2(anodo) VD2 VBE4 VCE5(sat) 0.6 0.6 0.2 1.4VNo obstante, el voltaje en el ctodo del diodo D1 es el voltaje del capacitor vC(t), que ser mayor que 1.4V. Por tanto, el diodo D1 estar en polarizacin inversa (esto es, estar desactivado). El capacitor C se descargara a travs de Q3 con una velocidad dada por IQ .La corriente que pasa por Q3 es igual a la corriente que fluye por Q4. Por tanto, el transistor Q5 llevara una corriente igual a 2 IQ. III. DESARROLLO EXPERIMENTAL El VCO NE/SE-566 Un ejemplo comn 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 simultneas de onda cuadrada y de onda triangular, a frecuencias hasta de 1MHz. Ambas salidas estn separadas, de manera que la impedancia de salida de cada una de ellas es de 50. 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 comn de conexiones y las salidas tpicas estn ilustradas en la Fig.7.

Fig.5.Diagrama de bloques.

Fig.6.Circuito.

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Diseo de un oscilador controlado por voltaje (a)Disear un oscilador controlado por voltaje, como el de la figura 16.25c, que tenga una frecuencia fo=20kHz. Suponer que VCC=12V. (b)Calcular la modulacin de las frecuencias de salida, si vCN vara en 10% debido a la seal de modulacin vcn. Solucin (a). Los pasos que se siguen para el diseo del VCO son: Paso 1. Calcular los valores limitantes de VCN. De la ecuacin (1.11), 9V VCN12V. Paso 2. Escoger un valor adecuado para C1: sea C1=0.001F Paso 3.Escoger un valor de R1 entre 2k y 20k: sea R1=10k Paso 4. Calcular el valor de vCN. De la ecuacin (1.13), vCN est dado por

Fig.7.Formas de onda de salida. La frecuencia de salida est determinada por un resistor R1 y un capacitor C1, externos, y por el voltaje vCN aplicado en la terminal de control 5. El valor de cd nominal VCN de vCN es ajustado por el divisor de voltaje formado por R2 y R3, y debe quedar dentro del intervalo

vCN

vCN

VCN

R3 R2 R3

R1C1 fo 2 10k 0.001F 20kHz 12 1 2 VCC 1

(1.14)

12 0.9 10.8V

VCC

(1.10)

Donde VCC es el voltaje de alimentacin de cd. VCN debe satisfacer la restriccin siguiente

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 C1, y volver a calcular vCN Paso 5. Determinar los valores de R2 y R3. Siendo VCN= vCN=10.8 del paso 4, ecuacin (1.10) se obtiene

3 V VCN VCC 4 CC

(1.11)

1

R2 R3

VCC VCN

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

12 10.8 1.11por lo que R2/R3=1.11-1=0.11. Sea R3=100k; entonces

R2

0.11 R3 11k

(b) Para un incremento del 10% en vCN

fo

VCC vCN 2R1C1 VH VL

(1.12)

v

CN

VCN vcn 1.11 vCN 1.11 10.8 11.88V

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

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

fo

2 VCC vCN R1CVCC 1

(1.13)

fo1Para

2 12 11.88 2kHz 10k 0.001 F 12una reduccin del 10% en vCN

Donde R1 deber estar en el intervalo de 2k