OSCILADOR DE RADIOFRECUENCIA ESTABILIZADO POR BASE

Fernando Valcarce Codes

Físico, exProfesor del Laboratorio de Electrónica de la

FACULTAD de C. FÍSICAS. U. COMPLUTENSE, MADRID. ESPAÑA.



CIRCUITO PROBADO
Ciencia en Poesía

Diciembre de 2009

Se conoce como oscilador a un circuito electrónico que genera una señal eléctrica o voltaje que fluctúa periódicamente entre dos valores fijos y es un tipo de circuito que se utiliza en múltiples aplicaciones y dispositivos, desde los microprocesadores utilizados en los ordenadores y calculadoras hasta los sintonizadores de radio y televisión, pasando por los equipos de radiotransmisión y telefonía móvil, entre otros.
Puede haber osciladores de muchos tipos dependiendo de aspectos tales como la frecuencia con que se produce la oscilación o alternancia de la señal, que puede variar desde una fracción de ciclo por segundo(herzio) a valores de gigaherzios en el caso de las señales de telefonía móvil, televisión y radio-telemetría.
Puede variar la forma de la onda de tensión generada por el oscilador, pudiendo ser ésta cuadrada, triangular, sinusoidal o de cualquier otra forma aunque las más utilizadas son la cuadrada, usada por ejemplo en los microprocesadores y otros circuitos digitales y la sinusoidal, usada en la comunicación por ondas de radio.

Se usan osciladores en los relojes digitales, en la generación de sonidos de audio y en muchas otras aplicaciones, algunas de las cuales requieren que el oscilador sea muy estable en frecuencia de la señal generada, en amplitud y forma de la misma ó en ambas simultáneamente, lo cual ha impulsado el desarrollo de diversos métodos para conseguir dichas características.
A veces dichos requisitos son muy estrictos, como ocurre con la estabilidad en frecuencia requerida para los osciladores utilizados en relojes, ya que una desviación de la frecuencia nominal de tan sólo un 1 por mil representaría una desviación en la hora marcada de más de un minuto por dia, lo cual es inaceptable incluso en relojes de uso corriente.
Por ello se habla habitualmente de desviaciones de la frecuencia nominal del orden del 1 por 10000, 1 por 100000 e incluso de 1 parte por millón (ppm), en osciladores para ciertas aplicaciones frecuentes.
La solución mas corrientemente utilizada para conseguir esta estabilidad en la frecuencia de oscilación consiste en el uso de cristales de cuarzo que, seleccionados para la frecuencia adecuada y debidamente intercalados en el circuito de realimentación del oscilador, consiguen que la oscilación se produzca con una desviación del orden de pocas ppm con respecto a la frecuencia nominal.
Éste es el método de elección en muchas ocasiones y sólo tiene un inconveniente, que es que una vez fijada la frecuencia de oscilación para un cuarzo determinado no es posible cambiar de frecuencia a menos que cambiemos también el cristal de cuarzo, lo cual es una seria limitación en los circuitos en los que se necesita cambiar de frecuencia a menudo.
Tal es el caso, por ejemplo, de algunos sintonizadores y transmisores de señales de radiofrecuencia en los que se necesita un oscilador de frecuencia variable que permita una sintonía continua de la señal detectada o transmitida.
Se recurre entonces en algunas ocasiones a utilizar los llamados osciladores sintetizados que, partiendo de una oscilación de muy alta frecuencia estabilizada con un cristal de cuarzo obtienen, por divisiones digitales sucesivas y combinaciones de las mismas, diversas frecuencias inferiores a la de partida que pueden cubrir el margen de frecuencias a intervalos relativamente pequeños, aunque no estrictamente de forma contínua.
Otra alternativa utilizada también habitualmente es la que aquí se presenta que, si bien no llega a conseguir la alta estabilidad en frecuencia de los osciladores a cristal con desviaciones del orden de 1 o 2 ppm, permite fácilmente obtener desviaciones del orden de sólo 10 o 20 ppm que son suficientes para muchas aplicaciones, y tiene la ventaja de poder variar de forma contínua la frecuencia de oscilación dentro de amplios márgenes de valores.
El circuito que se presenta en la figura siguiente está previsto para funcionar en el rango de frecuencias correspondiente a las llamadas banda de onda corta y banda ciudadana de radiocomunicación, generando una onda sinusoidal y podría cubrir valores de frecuencia desde los 20 Mhz hasta los 30 Mhz aproximadamente.

Se puede ver en la figura que el circuito es básicamente un oscilador tipo Hartley que incorpora un circuito resonante L-C en la rama de colector del transistor NPN del tipo BF199 que se utiliza como elemento activo del circuito.
Dicho circuito resonante está formado por la inducción del primario del transformador T1 en paralelo con la capacidad que forman el condensador C3 de 12 pF en serie con el diodo varicap D1, del tipo BB122, cuya capacidad se controla a través de la tensión variable Vs1.
La señal de oscilación que se produce se realimenta a la base del transistor desde el punto medio del divisor de tensión formado por la resistencia R4 de 220 W y dicho circuito resonante, a través del condensador de 10 nF, C4.
Entre dicha base del transistor y tierra se encuentra otro circuito sintonizado, formado por el condensador C1 en serie con el inductor L1 y en paralelo con la capacidad C6 y la capacidad base-emisor del transistor que es, como se verá, el responsable de la estabilidad en frecuencia de la oscilación.
Por lo demás, el transistor está polarizado en contínua desde una fuente regulada a través de las resistencias R1, R2 y R3, esta última desacoplada con el condensador de 10 nF , C2, y la señal se transfiere a la salida a través del secundario del transformador T1 que, al actuar como reductor, evita que las posibles cargas que se conecten al oscilador afecten mucho a la amplitud y la frecuencia de la señal de oscilación.
Esta es una descripción breve del funcionamiento del circuito que, aunque no tiene una gran dificultad, merece una observación más detallada para comprender mejor los detalles de su funcionamiento y poder superar las dificultades prácticas que pueden presentarse en su realización.

Como se ha dicho, el oscilador se construye alrededor de un transistor NPN del tipo BF199 que, con una fT de 900 Mhz y una hfe típica de 10 @ 100 Mhz, es un transistor de RF de baja señal adecuado para este uso y se polariza con una intensidad contínua de colector de 1 mA aproximadamente desde una fuente de tensión contínua de unos 8.5 o 9 v que se desacopla mediante un choque de 1 mH y un condensador electrolítico de 470 mF / 16 v (no representados en la figura).
El circuito resonante L-C en la rama del colector consta básicamente de la inducción del primario del transformador T1 y las capacidades de 12 pF en serie con la del diodo varicap, aunque hay que tener en cuenta otras capacidades que actúan en paralelo en el circuito como es el caso de la capacidad base-colector del transistor que a través de la realimentación de 10 nF actúa en paralelo tal como se puede ver en la figura siguiente, y también otras capacidades dispersas debidas a las capacidades entre espiras del bobinado del transformador que tendrán influencia sobre la impedancia total del circuito, asi como las resistencias de pérdidas y las que se transfieren desde el secundario del transformador al primario, que en la figura siguiente se representan por la resistencia R.
La expresión de el módulo de la impedancia de un circuito de este tipo viene dada por : |z| = w.L.R / [(R - w2.L.R.C)2 + w2.L2]1/2 , siendo C el valor del conjunto de capacidades, impedancia que tiene un valor máximo para la fecuencia angular w = 1 /[L.C]1/2 y cuya representación gráfica es la conocida curva de resonancia del circuito paralelo, que para tres valores distintos de la resistencia R, de 20 kW, 40 kW y 100 kW, respectivamente, se muestra en la figura siguiente en la que se puede ver que la curva es tanto mas aguda cuanto mayor es el valor de la resistencia paralelo, por lo que interesa que ésta sea lo más alta posible para conseguir la mejor selectividad en frecuencia del circuito sintonizado.

Por ello el transformador T1 que se utiliza es reductor, con una relación de espiras de 4:1 y un acoplamiento débil entre primario y secundario, para que las cargas que se apliquen en el secundario se reflejen en el primario con valores de impedancia mucho mayores, y también la polarización del diodo varicap se realiza a través de una resistencia de 100 KW, puesto que esta resistencia también actuará en paralelo con la capacidad del diodo a través de la resistencia de 220 W y la fuente de alimentación.
Otro aspecto a tener en cuenta en este circuito es que las capacidades parásitas que resultan de capacidades entre las espiras de los bobinados y las que se reflejan en el primario desde el secundario del transformador, debe intentarse que se mantengan lo mas pequeñas posible puesto que no se tiene control sobre ellas y serán una fuente de variabilidad como consecuencia de cambios de temperatura y otros factores que pueden afectarlas.
Sin embargo, alguna variabilidad con los cambios de temperatura es inevitable puesto que el valor de la inductancia se modifica al variar ésta, aunque alguna compensación se puede conseguir utilizando para el condensador que va en serie con el diodo varicap uno del tipo de coeficiente negativo de temperatura, cuyo valor disminuirá cuando la temperatura aumente compensando así el posible aumento del valor de la inductancia, o con otro tipo de compensación de temperatura como, por ejemplo, utilizar una resistencia NTC en paralelo con la resistencia R2 de polarización de la base del transistor lo cual, como se verá, también produce el mismo efecto en este tipo de circuito.

Estas compensaciones no suelen ser suficientes para evitar desviaciones relativamente grandes en la frecuencia de oscilación y aquí es donde tiene utilidad el introducir otro circuito sintonizado en la base del transistor. Dicho circuito está integrado por la inducción L1 en serie con el condensador C1 y en paralelo con el conjunto de capacidades formado por C6 en paralelo con la capacidad base-emisor del transistor, Cbe, conjunto que se designa como Ce y también en paralelo con la resistencia resultante de las resistencias de polarización, a la que se llama R0.
El módulo de la impedancia de este circuito viene dado por la expresión : |z| = R0.|(1-w2.L1.C1)| / {(1-w2.L1.C1)2 + w2.R02.[C1 + (1-w2.L1.C1) .Ce]2}1/2 , en la cual se produce un mínimo para la frecuencia angular w0 = 1 /[L1.C1]1/2 y un máximo para la w1 = w0.(1 + C1 /Ce)1/2, cuya representación gráfica para tres valores de Ce de 40pF, 120pF y 200pF, respectivamente, se muestra en la figura siguiente en la que se puede ver que la pendiente de la curva se hace mayor para valores crecientes de Ce.

Así se tiene la posibilidad de aumentar la pendiente de la curva al aumentar la capacidad C6 entre base y emisor, quedando el menor valor de la pendiente determinado por la capacidad base-emisor que presenta el transistor para la polarización elegida.
Cuando la frecuencia seleccionada con el circuito de colector está dentro del rango de frecuencias en el que la pendiente de la impedancia del circuito de base es positiva, se produce el efecto de estabilización de dicha frecuencia frente a variaciones en el corto periodo de tiempo.

Veamos como esta configuración produce una estabilización de la frecuencia de sintonia. Para ello supongamos que se ha sintonizado la frecuencia del circuito de colector en una frecuencia, w , tal como la mostrada en la figura y veamos qué ocurre si se produce un desplazamiento , Dw , inducido por cualquier causa como una variación instantánea de la tensión de polarización del diodo varicap, por una variación de las capacidades parásitas o cualquier otra.
Si, por ejemplo, la frecuencia aumenta a w + Dw , esto supondrá que la impedancia del circuito sintonizado de base también aumenta lo que conlleva que aumente la amplitud de la señal en la base y la corriente Ib, con lo que disminuyen las diferencias de tensión colector-base y la de polarización del diodo varicap y ello produce un aumento de las capacidades base-colector, Cbc, y la propia del varicap, haciendo retornar la frecuencia de sintonía a un valor más bajo y restituyendo de esta forma el equilibrio.
Esto es posible porque el circuito sintonizado en la base es más inmune a las variaciones que el circuito sintonizado en el colector ya que este último suele tener que entregar una potencia variable a su salida lo que le hace mas inestable. No obstante, ambos estarán igualmente expuestos a los efectos de otro tipo de variaciones como los cambios de temperatura que pueden afectar a la estabilidad de la frecuencia a medio y largo plazo y las que hay que compensar por alguno de los métodos mencionados anteriormente, en particular el empleo de una resistencia NTC en paralelo con la resistencia de polarización de la base es posible porque su efecto sería producir también un aumento de la impedancia de la base cuando la temperatura disminuye lo que induciría una disminución de la frecuencia de sintonía que podría compensar el aumento producido por la disminución del valor de la inductancia.
Por efecto de la estabilización con el circuito sintonizado en la base del transistor, los cambios de sintonía en el circuito de colector requerirán un mayor cambio en la tensión de polarización del diodo varicap que el que sería necesario en ausencia del circuito de base, pero esto no presenta ningún problema dentro de rangos relativamente amplios de frecuencia y sólo puede representar algo de pérdida de linealidad en la relación entre la diferencia de tensión aplicada a los extremos del diodo varicap y los cambios de frecuencia conseguidos.

Para la realización del circuito se utilizan componentes comunes, siendo todas las resistencias de 1/4 w, los condensadores cerámicos y el transistor y el diodo varicap de uso frecuente. Los únicos componentes que son un poco más especiales son las inductancias L1 y las del transformador T1, que pueden ser realizados artesanalmente utilizando para ello formas de bobina de las utilizadas en los transformadores de frecuencia intermedia de los sintonizadores de radio o bien en formas de bobina construidas para tal efecto.
En el caso del circuito concreto que se presenta aquí, se ha optado por esta última alternativa y se han realizado los bobinados sobre formas de cerámica de 1 cm de diámetro, recubiertas con funda de plástico termoretráctil y devanando sobre ellas espiras de hilo esmaltado de 0.35 mm de diámetro.
Para L1 se devanan 7 espiras espaciadas entre sí una distancia aproximadamente igual a la mitad del diámetro del hilo esmaltado, se fijan con un esmalte o pegamento para evitar que se muevan una vez devanadas y se dota a la inducción de una ferrita de hierro deslizable en el interior de la forma de bobina, para poder variar el valor de la inductancia de una forma cómoda y sencilla.
Para el primario de T1 se devanan 16 espiras espaciadas igual que en L1, se fijan y se recubren con otro tubo de plástico termoretráctil sobre el que se devana el secundario que consta de 4 espiras devanadas juntas que se fijan igualmente. También el transformador T1 va provisto de una ferrita de hierro que permite variar fácilmente la sintonía del circuito de colector.

Para el montaje del conjunto se realiza un circuito impreso en placa de fibra de vidrio recubierta de cobre por una de sus caras, teniendo cuidado al realizar el trazado de no introducir demasiadas capacidades espúreas que puedan deteriorar el funcionamento del circuito.
Algunas de las características que se han medido en el prototipo realizado son las siguientes :


  • Margen de frecuencia :    Ajustable entre 25 MHz y 28 MHz.

  • Estabilidad sin carga (10´):    10 p.p.m.

  • Estabilidad sin carga (120´):    50 p.p.m.

  • Estabilidad térmica :    mejor que 10 p.p.m.

  • Estabilidad con carga (10´):    20 p.p.m.

  • Transitorio de arranque :    10´dentro de 100 p.p.m.

El circuito se puede alimentar con una pequeña fuente de tensión contínua de 10 o 15v estabilizada y regulada a partir de la cual se puede obtener también la tensión variable para la sintonización del diodo varicap, teniendo en cuenta que para la entrada de las tensiones de alimentación al circuito deberán utilizarse choques de radiofrecuencia (de 1mh o superiores) para evitar la derivación de la señal RF a través de la fuente de tensión.

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