Oscilatoare armonice stabilizate cu circuit ALC

[VAX]

La aceasta postare am sa va prezint efectul negativ (asupra frecventei de oscilatie) al prezentei armonicelor in semnalul generat.
Voi discuta despre un oscilator simplu cu retea Wien, usor de realizat practic, pentru verificarea teoriei si simularilor SPICE.

Osc_Wien.jpg (40.16 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Se observa ca circuitul are doua bucle de reactie, una pozitiva cu circuitul selectiv Wien (R1, C1, R2, C2) care determina frecventa de oscilatie, si alta negativa cu divizorul de tensiune R3 si R4.
Reactia negativa (neselectiva) se regleaza cu R3 si permite modificarea amplificarii astfel incat sa se obtina intrarea in oscilatie. Cum factorul de transfer al circuitului Wien este egal cu 1/3, pentru intrarea in oscilatie (indeplinirea conditiei (beta x A) =1, unde beta este factorul de transfer al retelei Wien), rezulta ca amplificarea necesara trebuie sa aiba valoarea 3. Amplicarea este data de raportul R4/R3, fiind A=1+R4/R3.
Daca amplificara A este strict la valoare necesara (A=3), se amorseaza oscilatia sinusoidala si distorsiunea armonica este minima. Initial amplitudinea oscilatiei creste exponential, dupa care iesirea amplificatorului operational intra in limitare si amplitudinea se stabilizeaza. Apare taierea varfurilor sinusoidei si in consecinta armonice in semnalul generat.
Daca amplificarea este marita peste valoarea minima necesara, prin micsorarea R3, atunci limitarea (taierea varfurilor sinusoidei) este mai pronuntata, creste nivelul armonicelor din semnalul generat si scade frecventa de oscilatie sub valoarea calculata.

Osc_Wien_pornire.jpg (112.34 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_In+.jpg (78.77 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_limitare.jpg (74.49 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_limitare_detaliu.jpg (62.01 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_reactie+_d.jpg (74.21 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_reactie++.jpg (80.63 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_reactie++_d.jpg (61.42 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Rezulta ca frecventa de oscilatie este dependenta de gradul de reactie pozitiva (scade cand creste reactia) si din acest motiv se impune ca oscilatorul sa fie prevazut cu un circuit care sa regleze automat amplificarea (circuit ALC - automatic level control), care se poate realiza in diverse moduri. De multe ori se utilizeaza pe bucla de reactie negativa tranzistoare JFET care lucreaza in regim de rezistenta controlata prin tensiune, comanda fiind data de o tensiune continua obtinuta prin redresarea tensiunii alternative de la iesirea oscilatorului.

Osc_Wien_AGC_sch.jpg (53.74 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_AGC_out.jpg (139.48 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_AGC_output.jpg (127.73 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_AGC_output_d.jpg (75.73 KiB) Vizualizat de 1466 ori

Osc_Wien_AGC_UAGC.jpg (90.31 KiB) Vizualizat de 1466 ori

C ircuitul ALC mentine un grad redus de distorsionare a sinusoidei, armonice reduse in semnalul generat si frecventa de oscilatie mai stabila si mai apropiata de cea rezultata din calcule.

[VAX]

Daca se doresta ca semnalul generat de oscilatorul cu retea Wien sa fie cat mai sinusoidal. atunci nu se ia direct de la iesirea amplificatorului operational (AO), ci din reteaua Wien (din punctul in care se leaga intrarea neinversoare a AO), care fiind selectiva actioneaza ca un filtru si elimina (reduce) armonicele.

Osc_Wien_2xUA741.jpg (58.61 KiB) Vizualizat de 1464 ori

Osc_Wien_2xUA741_out1.jpg (114.7 KiB) Vizualizat de 1464 ori

Osc_Wien_2xUA741_out2_detaliu.jpg (64.25 KiB) Vizualizat de 1464 ori

Semnalul este preluat cu un amplificator operational in montaj de repetor de tensiune (A=1), cu impedanta mare la intrare si mica la iesire.

[VAX]

Deosebit de util este circuitul ALC (sau AGC - automatic gain control, RAA - reglare automata a amplificarii) la oscilatoarele LC.

Osc_LC_AGC.jpg (72.02 KiB) Vizualizat de 1463 ori

La acest circuit amplificarea RF este data de tranzistoarele Q1 si Q2, la care Q3 se comporta ca sursa de curent comandata de tensiunea continua obtinuta dupa redresarea tensiunii de la iesirea oscilatorului. Amplificare grupului Q1-Q2 este dependenta de curentul furnizat in emitoare de Q3. Creste cand I creste. Pentru reducerea influentei tranzistorului Q2 asupra frecventei de oscilatie, semnalul de pe circuitul oscilant se aplica in baza lui Q2 prin divizorul capacitiv C2, C3. Cu C2 si C3 semnalul este micsorat la valoarea minima necesara intrarii in oscilatie. Tranzistoarele utizate trebuie sa fie de RF (BF-uri), cu capacitatea colector-baza cat mai mica (sub 1pF). Semnalul este luat de la circuitul LC printr-un repetor de tensiune cu impedanta mare la intrare (capacitate mica si rezistenta mare), realizat cu JFET + bipolar.
Factorul de transfer pe bucla AGC trebuie sa fie reglabil si de valoare minima, atat cat sa asigure functionarea detectorului cu D1 si D2.

Osc_LC_AGC_C9=2.2nF.jpg (44.18 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_C9=15nF.jpg (53.61 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_frecventa.jpg (101.95 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_I-Q3_R12=560k_.jpg (54.38 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_out.jpg (53.66 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_out_detaliu.jpg (177.85 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_R12=120k.jpg (47.12 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Osc_LC_AGC_setare.jpg (24.11 KiB) Vizualizat de 1463 ori

Se observa ca circuitul AGC are oscilatii daca transferul pe bucla este prea mare. Trebuie sa se regleze transferul pe bucla de RF la valoarea minima necesara pentru intrarea in oscilatie si transferul pe bucla de AGC astfel incat sa nu apara oscilatiile de frecventa joasa. Constanta de timp a buclei AGC trebuie sa fie mica, la valoarea la care redresarea se face corect.

[VAX]

Se poate construi un astfel de oscilator cu tranzistoare JFET cu canal "p", care au capacitati interne mici si merg bine pana la 200 MHz, cum ar fi 2N5460 (sau variantele SMD ale acestora). In acest caz circuitul AGC (cu Q3) functioneaza mai bine (mai relaxat) decat cu tranzistor bipolar.

Osc_LC_AGC_JFET.jpg (62.65 KiB) Vizualizat de 1453 ori

Osc_LC_AGC_JFET_osc.jpg (86.97 KiB) Vizualizat de 1453 ori

Osc_LC_AGC_JFET_Uagc.jpg (85.64 KiB) Vizualizat de 1453 ori

Osc_LC_AGC_JFET_Iagc.jpg (87.85 KiB) Vizualizat de 1453 ori

Etajul RF cu Q1 si Q2 are gama dinamica de reglare mai mica decat etajul cu tranzistoare bipolare, pentru ca la bipolare transconductanta este proportionala cu intensitatea curentului de colector, iar la JFET cu radicalul intensitatii.
Precizez ca rezistorul Rp care apare in paralel cu circuitul L1-C1 este pus acolo pentru simularea pierderilor, pentru ca L1 si C1 sunt fara pierderi (ideale) la Circuit Maker.

O aplicatie practica a circuitelor de acest tip ar fi un GDO (grid-dip oscillator) mai sensibil decat variantele clasice, la care limitarea amplitudinii oscilatiilor se face prin intrarea in saturatie/blocare a tranzistorului din oscilator.

Osc_LC_AGC_JFET_gdo.jpg (60.18 KiB) Vizualizat de 1453 ori

Tensiunea redresata, care comanda curentul prin Q3, se aplica unui milivoltmetru (preferabil analogic). Cand circuitul L1C1 al oscilatorului se apropie de un circuit oscilant la care vrem sa-i determinam frecventa de rezonanta, apare un transfer de energie (pierderi in L1C1), care face ca circuitul AGC sa mareasca curentul prin Q3, respectiv prin Q1 si Q2. Se modifica tensiunea care comanda Q3, aceasta modificare fiind sesizata de milivoltmetru.
Pentru evitarea utilizarii tranzistorului 2N5460 (greu de procurat), s-a folosit un JFET de comutatie (sau chiar de precventa joasa) impreuna cu un tranzistor bipolar de RF (BF450 etc) cu capacitatea colector-baza mica (pF).

[VAX]

In general oscilatoarele de heterodinare din radioreceptoare au amplitudinea stabilizata prin intrarea in limitare a tranzistorului care indeplineste sarcina respectiva. Sunt simple, fara sofisticareli. Chiar si la circuitele integrate din prima generatie (TBA570, TDA1083, ....). Insa la circuitele mai noi si cu schema interna stufoasa, oscilatorul este cu circuit ALC. De exemplu la TDA1046.

Osc_TDA1046.jpg (33.42 KiB) Vizualizat de 1441 ori

Singurul document in care am vazut publicata schema interna a circuitului integrat TDA1046 este cartea "Circuite integrate analogice" aparuta in anul 1983 la Editura Tehnica.

https://www.scheme.ro/wp/wp-content/upl ... i-1983.pdf

Schema este data la pagina 247.

Partea de RF (etajul diferential) este cu tranzistoarele Q23, Q17 si Q18. Detectia tensiunii RF se face pe jonctiunea baza-emitor a tranzistorului Q25, iar C3 este capacitatea de filtrare de dupa detector. Sursa de curent din emitoarele structurii diferentiale este cu Q22, iar Q24 amplifica (repetor de tensine pe emitor) ce scoate detectorul RF.

Concluzie:
Realizarea unui oscilator armonic cu frecventa cat mai stabila presupune, printre altele (elemente pasive stabile termic, bobine cu Q ridicat, cuplaj slab intre amplificator si circuitul de reactie etc), si functionarea in regim liniar (fara limitare puternica) a amplicarorului.
O neliniriare a elementului amplificator ramane si in conditiile astea (este inerenta discozitivelor amplificatoare cunoscute), dar este mult redusa. Daca amplificatorul ar fi perfect liniar, bucla de AGC (ALC) nu ar functiona stabil.

[VAX]

Se poate evita utilizarea tranzistoarelor JFET de RF cu canal p, de tipul 2N5460 (2N5461, 2N5462), daca circuitul oscilant LC nu se mai conecteaza la masa (V-), ci la V+. In RF tot la masa este, pentru ca intre V+ si V- este conectat un condensator de decuplare.

Osc_LC_AGC_nJFET-TB.jpg (56.34 KiB) Vizualizat de 1392 ori

Osc_LC_AGC_JFET_osc.jpg (86.97 KiB) Vizualizat de 1392 ori

Daca dupa detector se conecteaza un milivoltmetru amalogic (recuperat de la un radio Selena, casetofon etc), ca in schema postata anterior, se poate obtine un grid-dip-meter sensibil.
Valoarea rezistorului R10 se determina experimental, in functie de parametrii tranzistorului JFET Q3. Curentul prin Q3 sa fie de ordinul 2-3 mA in absenta oscilatiei (cand se scurtcircuiteaza circuitul LC)