Os Voltage Controlled Oscillators (VCOs) ou Osciladores Controlados por Tensão consistem em configurações de grande utilidade em uma infinidade de aplicações que vão desde simples instrumentos musicais até a conversão de sinais de sensores para transmissão sem perdas. Neste artigo selecionamos 10 circuitos práticos de VCOs que podem ser de grande utilidade para os leitores que desenvolvem novos projetos.
Os VCOs ou Osciladores Controlados por Tensão são circuitos que geram um sinal cuja freqüência da tensão que é aplicada à sua entrada.
Podemos também chamá-los de conversores Tensão-Freqüência podendo ser essas configurações enquadradas na categoria dos conversores analógicos-para-digitais.
De fato, as tensões de entrada que os controla são grandezas analógicas e as freqüências obtidas na saída são grandezas digitais.
Em instrumentação, esses conversores encontram uma gama de aplicações muito ampla pois permitem a transmissão de informações de sensores sem perdas.
De fato, um sensor resistivo ou outro que forneça uma tensão em sua saída, tem essa tensão alterada ou atenuada por um cabo se tiver de ser transmitida a uma distância muito grande.
Uma freqüência, por outro lado, não se altera. Um sinal que tenha uma freqüência determinada no início do cabo terá a mesma no final, independentemente de seu comprimento.
O máximo que pode ocorrer é uma alteração da amplitude so sinal, facilmente compensada com o uso de amplificadores.
Os VCOs selecionados usam as mais diversas tecnologias indo dos circuitos lógicos CMOS e TTL, passando por transistores e chegando aos amplificadores operacionais.
O leitor certamente encontrará entre as configurações sugeridas auela ue serve para a aplicação que tem em mente.
VCO CMOS – I
Os circuitos integrados CMOS são bastante sensíveis às tensões de alimentação quanto ao tempo de propagação dos sinais.
Assim, podemos aproveitar a variação do tempo de propagação do sinal numa porta, para incluí-lo no circuito de realimentação e assim, controlar a sua freqüência.
Isso é feito no circuito mostrado na figura 1 em que podemos ter freqüência numa ampla faixa de valores quando variamos a tensão de alimentação entre 3 e 15 V.
Nessa faixa de valores a freqüência variará tipicamente entre 450 Hz e 5 kHz quando a tensão de controle (Vc) percorre a faixa de 3 a 9 V. Com 15 V essa freqüência chegará perto dos 50 kHz.
O valor central da freqüência gerada depende do capacitor e seu valor mínimo está em torno de 50 pF. O resistor também pode ser reduzido para que sejam alcançadas freqüências ainda mais altas.
É importante observar que o sinal de saída é retangular, mas como o circuito é alimentado pela tensão de controle, sua amplitude varia com a freqüência. Os sinais de freqüência mais baixas são menos intensos.
Esse problema pode ser resolvido com o uso de um buffer externo alimentado por uma tensão fixa.
VCO CMOS - II
O princípio de funcionamento do VCO mostrado na figura 2 é exatamente o mesmo do circuito anterior. A diferença está apenas no fato de que são usados inversores disparadores de um circuito integrado 4584.
Da mesma forma, tanto o resistor como o capacitor podem ser alterados em função da faixa de freqüências desejadas e a tensão de controle deve ficar entre 3 e 15 V.
VCO CMOS 4049
Uma versão igualmente simples de VCO CMOS usando inversores do 4049 é mostrada na figura 3.
Este circuito pode ser alimentado com tensões entre 3 e 15 V sendo a freqüência gerada dependente do capacitor e do resistor.
A tensão de controle deve ficar entre 0 e a tensão de alimentação.
O sinal produzido é retangular e neste caso a amplitude do sinal é constante, igual à tensão de alimentação. Lembramos que este circuito não opera além de alguns megahertz.
Usando o 4046
O circuito integrado CMOS 4046 é pouco usado, tanto pela dificuldade de encontrá-lo como pelo fato de que o conhecido 567 é preferido em muitas aplicações em que ele serve.
No entanto, esse PLL CMOS se caracteriza pelo seu baixo consumo e pelo fato de poder ser configurado de modo a se usar somente o seu VCO interno.
Como fazer isso é mostrado na figura 4.
No circuito mostrado, a faixa de freqüências gerada, em função da tensão de controle é dada pelo gráfico na figura 5.
Veja que é o capacitor C e R1 que determinam a freqüência básica do circuito. A faixa de freqüências do sinal gerado pode ser modificada pelo resistor R2.
Esse resistor pode assumir valores entre 0 e 47 k de modo a modificar a faixa varrida.
Também observamos que a tensão de controle não deve superar a tensão de alimentação do circuito.
Observamos também que a freqüência máxima gerada por este circuito não vai além de uns poucos megahertz.
VCO com Controle por Potenciômetro
Na figura 6 mostramos como agregar um potenciômetro de 100 k Ω para se implementar um oscilador controlado por esse componente.
A faixa de freqüências gerada pode ser obtida pelo gráfico da figura 5.
O sinal gerado por este circuito é retangular com amplitude igual à tensão usada na sua alimentação.
VCO com Operacionais
O circuito mostrado na figura 7 utiliza dois dos quatro amplificadores operacionais encontrados no circuito integrado Lm324.
A maioria dos amplificadores operacionais comuns pode ser usada na mesma configuração, dependendo de suas características apenas o limite da faixa de freqüências geradas.
A freqüência central do circuito é dada pelo capacitor e o transistor usado pode ser qualquer um de uso geral como o BC548.
A tensão de controle pode variar entre 0 e 50 V tipicamente, já que temos valores elevados de resistores na entrada e um circuito limitador.
O circuito possui duas saídas nas quais são obtidos sinais triangulares e retangulares.
A fonte de alimentação não precisa ser simétrica mas deve ser observada a necessidade de uma tensão de polarização V/2 (metade da tensão de alimentação) na entrada positiva do segundo operacional.
Essa tensão pode ser obtida com um divisor formado por dois resistores de 10 k Ω ligados em série.
VCO com Comparador de Tensão
Uma configuração bastante semelhante à anterior, mas utilizando três dos quatro comparadores de tensão existentes no Lm339 é mostrada na figura 8 e é sugerida pela National Semiconductor.
Este circuito gera sinais de 700 Hz a 100 kHz, quando a tensão de controle (Vc) varia entre 250 mV e 50 V.
O circuito também possui duas saídas nas quais são obtidos sinais retangulares e triangulares.
Observe a necessidade de uma polarização de V/2 em dois pontos do circuito. Essa polarização pode ser obtida com um divisor resistivo formado por dois resistores de 10 k Ω ligados em série.
VCO de Alta Freqüência com Transistor
Na figura 9 mostramos um VCO controlado por Varicap capaz de gerar sinais na faixa de alguns megahertz até mais de 200 MHz.
Se bem que o controle da freqüência seja conseguido quando se usa um varicap como o BNB809, até mesmo um diodo comum como o 1N4002 funciona como tal, mas com uma faixa menor de atuação.
A bobina, C2 e C3 dependem da freqüência central gerada conforme a seguinte tabela:
| Faixa de Freqüências | L1 | C2 | C3 |
| 1 a 4 MHz | 40 espiras | 100 pF | 220 pF |
| 4 a 10 MHz | 12 espiras | 47 pF | 100 pF |
| 10 a 50 MHz | 8 espiras | 22 pF | 27 pF |
| 50 a 100 MHz | 6 espiras | 10 pF | 10 pF |
| 100 a 150 MHz | 3 espiras | 4,7 pF | 4,7 pF |
A bobina é enrolada com fio 28 AWG em forma de 1 cm sem núcleo.
Observamos que os valores da tabela são aproximados podendo ser necessárias alterações em função das tolerâncias.
O transistor também admite equivalentes como o 2N2218 e 2N2222 para se obter uma potência um pouco maior para o sinal.
Esse sinal pode ser retirado tanto do coletor do transistor como de uma segunda bobina enrolada sobre L1. O número de espiras dessa bobina depende da impedância desejada mas em geral ficará entre metade e um quarto das espiras de L1.
Os capacitores devem ser todos cerâmicos.
VCO com o 4024
Na figura 10 mostramos mais um circuito de oscilador controlado por tensão baseado em componente CMOS.
A freqüência básica deste circuito depende do capacitor e a tensão de alimentação pode ficar tipicamente entre 6 e 15 V.
Veja que valores menores de tensão de alimentação implicam numa faixa menor de freqüências, pois a tensão de controle não deve superar a tensão de alimentação.
O sinal produzido é retangular com amplitude igual à tensão de alimentação e a freqüência máxima gerada não passará de alguns megahertz.
Para os valores de componentes indicados com um capacitor de 1 nF a faixa de frequências com alimentação de 9 V e tensão de controle de 0 a 9 V vai de 1 a 3 MHz.
VCO TTL com o 74123
O circuito integrado TTL 74123 consiste num monoestável que pode ser configurado para gerar sinais controlados por tensão, conforme mostra a figura 11.
A freqüência máxima deste circuito pode chegar a algumas dezenas de megahertz e até mais se as subfamílias mais rápidas do 74123 forem usadas.
Neste circuito a tensão de controle varia entre 0 e 6 V (pode ser realmente um pouco mais do que os 5 V da alimentação) quando são obtidas freqüências conforme o gráfico da figura 12.
No caso, a freqüência variará entre 10 e 60 kHz tipicamente, com sinais retangulares na saída. A amplitude dos sinais é igual à tensão usada na alimentação, no caso 5 V.
Os diodos usados neste circuito são de uso geral como os 1N4148 ou equivalentes.
Conclusão
Conforme pudemos ver pelos exemplos dados neste artigo existem muitas formas de se implementar um VCO usando componentes comuns.
A configuração usada e o tipo de tecnologia para o componente ativo principal depende basicamente da aplicação e da faixa de freqüências desejada.
Evidentemente, em todos os projetos existem mudanças que podem ser feitas para atender a características específicas e mesmo compensar as tolerâncias dos componentes.
Os leitores experientes saberão como trabalhar essas configurações básicas no sentido de obter o desempenho que esperam nas suas aplicações.
