10 osciladores com amplificadores operacionais (ART087)

Os amplificadores operacionais são tijolos básicos de muitos projetos, servindo para uma infinidade de funções, como amplificação de sinais, realização de operações matemáticas e lógicas, filtros e obviamente osciladores. Neste artigo reunimos 10 configurações básicas de osciladores usando amplificadores operacionais.

Para se obter um oscilador com base num amplificador operacional temos duas possibilidades: usar um circuito de relaxação ou ainda fazer uma realimentação positiva através de uma rede que determine a freqüência.

Se bem que as freqüências máximas que os amplificadores operacionais possam gerar quando usados como osciladores sejam da ordem de poucos megahertz, com os tipos comuns, eles consistem em excelentes soluções quando sinais nesta faixa devam ser gerados.

Os circuitos de osciladores dados a seguir são obtidos com base em amplificadores operacionais de uso geral como o 741, CA3140 e da linha TL com transistores de efeito de campo.

No entanto, nada impede que modificações sejam realizadas no sentido de se utilizar as mesmas configurações com outros operacionais, inclusive tipos que operam com tensões mais baixas ou que podem alcançar freqüências mais altas.

Lembramos que na maioria dos casos, a alimentação desses osciladores deve ser feita com uma fonte simétrica.

Oscilador de Relaxação

A configuração mais simples de oscilador com amplificador operacional e que tanto pode gerar sinais retangulares como dente-de-serra é a mostrada na figura 1.

 

Trata-se de um oscilador de relaxação em que a freqüência é determinada pelo resistor de realimentação e o capacitor ligados à entrada inversora.

Com os valores dos componentes mostrados neste circuito a freqüência será da ordem de 1 kHz.

R pode ter valores entre 10 k Ω e 1 M Ω tipicamente e para os capacitores os valores são dados apenas em função dos limites de freqüência em que o operacional pode oscilar. Valores entre 1 nF e 100 µF podem ser usados.

Para se obter um oscilador de freqüência ajustável com a mesma configuração, agregamos dois potenciômetros, um para ajuste de simetria do sinal e outro para a freqüência, conforme mostra a figura 2.

 

Este circuito pode gerar sinais de 250 Hz a 2 500 Hz.

Uma placa de circuito impresso para o segundo circuito é mostrada na figura 3.

 

Para amplificadores operacionais como o 741 a alimentação pode ser feita com fonte simétrica a partir de 6 V. Outros tipos podem operar com alimentações menores.

A freqüência máxima que este circuito pode gerar está em torno de 1 MHz.

Oscilador de Duplo T

O oscilador de duplo T consiste numa interessante alternativa para geração de sinais senoidais de boa qualidade numa faixa de freqüências que vá de alguns hertz a algumas dezenas de quilohertz.

A distorção harmônica típica dos sinais gerados por este circuito é da ordem de 1%.

O duplo T determina a freqüência de operação numa rede de realimentação, sendo sua freqüência dada pelos valores dos componentes conforme fórmula dada junto ao diagrama da figura 4.

Observe que os componentes do duplo T devem manter as relações indicadas. O trimpot de ajuste permite selecionar o ponto de oscilação.

O ajuste desse componente também possibilita a geração de oscilações amortecidas pelo circuito.

Com os valores dos componentes no circuito da figura 4 a freqüência gerada estará em torno de 1 kHz.

Na figura 5 temos uma placa de circuito impresso para o circuito mostrado na figura 5.

 

Oscilador por Ponte de Wien

Os osciladores por Ponte de Wien produzem sinais senoidais de baixas freqüências de excelente qualidade.

No entanto, uma das dificuldades que a implementação desse tipo de circuito na sua forma tradicional apresenta está na necessidade de se usar um regulador de tensão no circuito de realimentação.

Nos tipos tradicionais aproveita-se a característica não linear de uma lâmpada incandescente para essa finalidade. No entanto, tanto o consumo como a dificuldade de se encontrar uma lâmpada com as características ideais limitam as aplicações dessa configuração.

Nos circuitos mais modernos essa regulagem pode ser feita através de diodos zener, e é exatamente isso que fazemos no circuito mostrado na figura 6.

 

O circuito em questão pode gerar sinais de 300 a 3 kHz aproximadamente (dependendo das tolerâncias dos componentes usados) e tem por base um amplificador operacional comum.

Os zeners usados são de 5,6 V, mas pode-se empregar zeners de menores tensões em configurações que usem amplificadores que também possam ser alimentados por tensões menores.

O potenciômetro que controla a freqüência deve ser duplo linear, conforme mostrado no diagrama.

A faixa de freqüências geradas depende tanto de C1 e C2, que devem ser iguais e podem ser alterados numa ampla faixa de valores, conforme as aplicações visadas.

Na figura 7 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a implementação deste oscilador.

 

Para o amplificador operacional 741 a fonte de alimentação deve ser simétrica de 6 a 12 V.

No trimpot P1 ajusta-se o ganho do circuito de modo a se obter o sinal com maior amplitude possível sem distorção.

Oscilador por Deslocamento de Fase

Neste tipo de oscilador emprega-se uma rede RC para deslocar a fase do sinal de realimentação de 180 graus de modo que ele possa ser aplicado à entrada inversora e assim manter as oscilações.

O circuito mostrado na figura 8 usa um amplificador operacional com transistores de efeito de campo e opera em torno de 1 kHz. A freqüência é dada na fórmula junto ao próprio diagrama.

 

Observe que, graças ao uso de uma rede de referência na entrada não inversora, que fixa a tensão neste ponto em 2,5 V, não é preciso usar fonte simétrica e o circuito pode ser alimentado com apenas 5 V.

O sinal gerado é senoidal de boa qualidade para outras freqüências recomenda-se recalcular C, mantendo R em 10 k Ω.

Uma placa de circuito impresso para a montagem deste oscilador é sugerida na figura 9.

 

Observe que o sinal também pode ser retirado da saída do operacional, mas deve ser observada a carga a ser utizada para que ela não carregue o circuito, impedindo as oscilações ou deformando o sinal.

Gerador de Pulsos com Comparador

Na figura 10 temos um circuito de um gerador de pulsos elaborado em torno de um dos quatro comparadores de tensão existentes no circuito integrado Lm³39.

A relação entre o intervalo entre os pulsos e a sua duração é dada pela relação de valores entre R1 e R2.

O capacitor C1 determina a freqüência de operação que pode ter um máximo em torno de 1 MHz para este circuito.

O uso de um divisor de tensão na entrada de referência possibilita o uso de uma fonte simples em lugar de uma fonte simétrica.

Para os valores de componentes dados na figura, a freqüência gerada será de alguns quilohertz, observando-se as tolerâncias.

Na figura 11 temos uma sugestão de placa de circuito impresso aproveitando-se um dos comparadores. Os demais podem ser usados em outras funções.

 

A alimentação pode ser feita com tensões de 3 a 12 V tipicamente.

Outros tipos de comparadores e mesmo amplificadores operacionais podem ser usados no mesmo circuito.

Oscilador Controlado por Cristal de 100 kHz

O oscilador mostrado na figura 12 usa um dos quatro comparadores do circuito integrado LM339.

 

A freqüência é 100 kHz mas valores próximos, até 1 MHz podem ser obtidos com outros cristais.

A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V e a saída é retangular.

Os outros três comparadores do mesmo circuito integrado podem ser empregados em outras funções, já que são completamente independentes.

Na figura 13 temos uma placa de circuito impresso aproveitando o primeiro dos comparadores. Em torno dos demais o desenvolvedor pode elaborar outros osciladores ou outras funções.

 

Oscilador de Muito Baixa Freqüência

O circuito mostrado na figura 14 é sugerido pela Texas Instruments e tem por base seu amplificador operacional JFET TL071, gerando sinais retangulares de 0,5 Hz.

 

Outros amplificadores da mesma série podem ser usados como os TL081, TL072, TL082, etc. na mesma configuração.

O valor de C pode ser modificado para se gerar outras freqüências, conforme fórmula dada junto ao diagrama.

A alimentação deve ser feita com uma fonte simétrica de 15 V.

Na figura 15 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação deste oscilador.

 

Oscilador Controlado por Tensão

O circuito da figura 16 é sugerido pela National Semiconductor podendo gerar sinais de 700 Hz a 100 kHz quando a tensão de entrada ou controle varia entre 250 mV e 50 V.

 

São usados três dos quatro comparadores de tensão existentes no circuito integrado Lm³39.

Os capacitores de tempo podem ser alterados para se gerar outras faixas de tensão.

A alimentação é feita com fonte de 30 V simples, observando-se que a referência V/2 nas entradas de dois comparadores pode ser obtida com um divisor formado por dois resistores de 10 k Ω.

O circuito fornece sinais retangulares e triangulares em duas saídas diferentes.

Observe que são necessários os resistores pull-up de 3,3 k Ω nas saídas dos comparadores para se garantir a polarização correta de suas saídas, já que elas usam resistores com coletor aberto.

Na figura 17 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para a montagem deste oscilador.

 

Evidentemente esta configuração pode ser mudada conforme às necessidades de projeto, com a troca dos comparadores usados em cada etapa.

Oscilador PWM

O oscilador mostrado na figura 18 tem sua saída formada por pulsos que podem ser modulados por uma tensão aplicada à entrada (V controle).

 

A freqüência central do sinal é determinada por R5 e C1, conforme fórmula junto ao diagrama. Essa fórmula é aproximada devendo ser levada em conta as tolerâncias dos componentes.

A tensão de controle deve variar entre 0 e a tensão de alimentação do circuito que pode estar entre 6 e 12 V tipicamente.

O sinal produzido na saída é formado por pulsos retangulares. Observe a necessidade de um resistor pull-up na saída, já que o Lm³39 tem transistores de saída com coletor aberto.

O circuito pode gerar sinais até 1 MHz aproximadamente.

O sinal de controle pode vir de sensores resistivos ou outras fontes.

Na figura 19 temos uma sugestão de placa de circuito impresso, lembrando com os demais comparadores do Lm³39 podem ser usados com outras finalidades, pois são independentes.

 

O circuito não necessita de fonte de alimentação simétrica.

Gerador de Funções

Nosso último circuito pode gerar sinais retangulares e triangulares a partir de uma fonte de alimentação simples de 5 V.

Esse circuito é sugerido pela Texas Instruments, baseado no circuito integrado LinMOS TLC272, mas equivalentes podem ser experimentados, praticamente sem qualquer alteração de valor de componente.

Na figura 20 temos então o oscilador que utiliza dois amplificadores operacionais constantes do circuito integrado TLC272.

 

A freqüência do sinal gerado depende basicamente de C e dos resistores segundo a fórmula dada junto ao diagrama. Para efeito de alterações na freqüência recomenda-se manter os valores dos resistores originais do diagrama e apenas recalcular C.

A freqüência máxima que este circuito pode gerar está em torno de 1 MHz, mas amplificadores mais rápidos podem ser utilizadas se o leitor desejar um valor mais elevado.

Na figura 21 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para implementação do oscilador.