Diseñando Oscilador de Hartley de 64.5kHz

Question

Estoy tomando un curso de electrónica analógica y me han dado una tarea para crear/desarrollar un oscilador de Hartley de 64.5kHz utilizando cualquier amplificador operacional de riel a riel de 5V. Estoy tratando de diseñar el circuito en simulación primero antes de construirlo.

Voy a utilizar este circuito:

simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

Las ecuaciones de diseño que nos han dado para el oscilador de Hartley son:

$\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{C_3(L1+L2)}}$

$K(\omega_0) = -\frac{L1}{L2}$

$A = \frac{L2}{L1} = \frac{R2}{R1}$

Comencé eligiendo $L_1 = L_2 = 10\mu H$ y luego resolviendo para $C_3$ con $\omega_0 = 129000 \pi$ obteniendo $C_3 = 3.04\times10^-7 F$

luego $A = \frac{10\mu H}{10\mu H} = \frac{100k\Omega}{100k\Omega}$

He simulado en LTspice usando el circuito a continuación dándole un impulso rápido para que la oscilación comience:

Los resultados:

De esto observo que la frecuencia de oscilación es muy cercana (64.3kHz) pero la respuesta se desvanece rápidamente y no se mantiene. Mi entendimiento de los osciladores es que quiero que la retroalimentación negativa sea igual a la retroalimentación positiva para cumplir con el criterio de Barkhausen en el que la magnitud de la retroalimentación total debe ser 1 y el desfase 0. Obviamente estoy pasando por alto algo importante. Cualquier consejo para que este circuito tenga una oscilación sostenida sería muy apreciado.

edición:

Basado en las sugerencias a continuación, agregué una resistencia extra entre la salida y el circuito resonante y ajusté mi ganancia. Vuelto a simular, estos son los resultados en LTspice. He añadido tres capturas de pantalla a continuación de la simulación. La primera es durante 10ms, la segunda he ampliado cuando se estabiliza la oscilación y la tercera es un gráfico en dominio de la frecuencia mostrando un impulso a 64.5kHz:

Answer 1

Al igual que con el oscilador colpitts, se necesita una resistencia adicional. Este oscilador colpitts tiene correctamente una resistencia de 200 ohmios (R3) en serie con la salida del amplificador operacional. Pero puede ser de unos pocos ohmios a un kiloohmio principalmente: -

Si esa resistencia no está presente, la impedancia de salida muy baja del amplificador operacional evitará que ocurra suficiente cambio de fase para provocar una oscilación sostenida predecible. Con un Hartley tienes el mismo problema: -

Si no tienes esa resistencia, puede oscilar pero a la frecuencia incorrecta y solo porque la demora a través del amplificador operacional es similar a agregar cambio de fase. Aquí está la prueba de que para un oscilador colpitts de colector común de BJT necesitas "R" para obtener el cambio de fase correcto y esto es exactamente lo mismo para un oscilador Hartley: -

Una nota final: el oscilador Hartley NO NECESITA tener un inductor acoplado a pesar de lo que otros hayan dicho.

Y esa resistencia "extra" también es necesaria en los osciladores de cristal de Pierce por exactamente la misma razón: -

La resistencia de la que estoy hablando es R1 arriba, agrega un cambio de fase adicional que lleva el cambio de fase total más allá del punto de 180 grados, por lo tanto siempre habrá una frecuencia donde precisamente se formen 180 grados y esta es la frecuencia a la que el oscilador funcionará.

Esta pregunta y mi respuesta muestran cómo el cambio de fase puede no ser suficiente sin la resistencia en serie que alimenta al capacitor C1 y al cristal.

Answer 2

Necesitas diseñar el oscilador para que la ganancia del bucle sea un poco superior a 1 para señales pequeñas, de modo que las oscilaciones se acumulen, y luego de alguna manera se convierta en unidad en la amplitud deseada.

Hay tres formas principales de hacer esto con amplificadores operacionales, desde lo rudimentario hasta lo ideal.

Lo rudimentario. Deja que el amplificador se sature. Mientras su salida está en la línea, la ganancia es cero, por lo que durante un ciclo, la ganancia se promediará a menos. El amplificador pasará la cantidad correcta de tiempo saturado para promediar la ganancia a uno. Esto distorsionará la salida. Quizás no demasiado sin embargo, especialmente si la ganancia fija no está demasiado por encima de 1.

Un problema con este método es que algunos amplificadores hacen cosas extrañas cuando se saturan, y pueden tardar mucho tiempo en salir de la saturación, por lo que los resultados no necesariamente serán bonitos.

Una mejor versión de esto es usar diodos en paralelo en parte de R2 para reducir la ganancia a medida que conducen. Quizás una ganancia de 1.1 cuando están apagados, y una ganancia de 0.9 cuando están conduciendo. La amplitud se establecerá rápidamente en un nivel que promedia la ganancia del bucle a 1. Como nada se satura nunca, hay mucha menos distorsión de forma de onda. A medida que diseñas los dos valores de ganancia más juntos, la distorsión disminuye, pero debes ser más preciso al configurarlos, para asegurarte de tener uno a cada lado de la unidad.

La ruta de menor distorsión es usar un control de ganancia en el bucle, tal vez un FET polarizado en modo de resistor impulsado por un detector de nivel. Una técnica más simple es usar un resistor sensible a la temperatura en el circuito de retroalimentación, que cambia la ganancia a medida que se disipa, por lo que varía el nivel de funcionamiento. Una simple bombilla de filamento de tungsteno a menudo se usaba para este propósito, aunque necesitan bastante potencia, un termistor de perla es más fácil de manejar. La distorsión es muy baja a alta frecuencia, pero aumenta a medida que el período de la señal se convierte en una fracción significativa de la constante de tiempo térmico.

Answer 3

En 67 kHz, el opamp tiene una baja impedancia de salida y no permite que el circuito del tanque suene; en su lugar, el opamp absorbe energía del tanque.

Agregue una resistencia grande desde la salida del OpAmp al tanque.

Answer 4

Solo miré el esquemático, pero L1 no está haciendo nada útil. Está directamente en la salida del amplificador operacional, que idealmente tiene 0 impedancia. Por supuesto que no la tiene, por lo que el efecto es impredecible hasta cierto punto.

Elimina L1. No está haciendo lo que crees.