Una de las partes más importantes de muchos circuitos digitales es el oscilador de reloj. En otras aplicaciones osciladoras son necesarias para generar señales específicas de frecuencias que pueden estar entre fracción de hertz hasta algunos megahercios. Como elegir un oscilador para una determinada aplicación es algo que puede dejar a muchos de los lectores en duda. En función de las características deseadas para la señal existen cientos de opciones usando los más diversos tipos de CIs. Para los que desean sugerencias de circuitos osciladores usando circuitos integrados CMOS presentamos una selección bastante interesante y versátil.
Los circuitos integrados CMOS son extremadamente versátiles y además de las funciones que consisten en osciladores, puertas, inversores e incluso fli-flops pueden configurarse para generar señales. Más que eso, los circuitos integrados CMOS que en principio, para la serie 4000 son digitales también pueden generar señales con otras formas de onda.
En la selección de circuitos básicos que describimos a continuación, quedará claro. Los circuitos en cuestión pueden generar señales que van desde fracción de hertz hasta aproximadamente 7 MHz que es el límite para esos componentes cuando se alimentan con algo alrededor de 12 V. Para tensiones menores, el límite cae proporcionalmente lo que debe ser tenido en cuenta en cualquier proyecto.
1. Oscilador Con Cristal
Los circuitos mostrados en la figura 1 utilizan un puerto NAND del circuito integrado 4011 pero en su lugar cualquier puerto o inversor CMOS puede ser empleado, sin problemas. Este circuito puede utilizar señales de 100 kHz hasta aproximadamente 5 MHz y la señal de su salida es rectangular. La alimentación puede oscilar entre 3 y 15 V.
2. Oscilador Senoidal CMOS Gatillado
En la figura 2 mostramos cómo un doble T en la retroalimentación de una puerta NAND con el 4011 puede ser usado para generar señales senoidales. Los componentes de la doble T deben mantener las relaciones de valores indicadas en el diagrama y el ajuste de la forma de onda se realiza en el trimpot de 470 k. Este circuito es del tipo "disparado" en el que una señal rectangular sincroniza el oscilador para obtener en la salida algo que se aproxima bastante si una señal senoidal. Las frecuencias generadas pueden quedar entre algunos kilohercios hasta aproximadamente 100 kHz. La alimentación se puede realizar con tensiones de 3 a 15 V.
3. Oscilador Senoidal CMOS Simple
En la figura 3 mostramos un oscilador interesante que posibilita el ajuste de los FET internos del CI para la operación de modo lineal a través de la fuente de alimentación. Los componentes de la red de retroalimentación (oscilador de desplazamiento de fase) determinan la frecuencia. Los capacitores pueden ser alterados pero se recomienda mantener los valores de los resistores. Para los valores indicados el oscilador generará una señal alrededor de 5 kHz. El ajuste del punto de funcionamiento y la forma de onda se realiza mediante el potenciómetro en la fuente de alimentación. Otras funciones CMOS que se pueden conectar como inversores pueden ser experimentadas.
4. Oscilador de dos variadores
La configuración mostrada en la figura 4 es una de las más tradicionales que hace uso de dos variadores CMOS. Es claro que cualquier función que pueda ser conectada como inversor va a funcionar en este circuito, como se sugiere en la misma figura. La tensión de alimentación quedará entre 3 y 15 V y la resistencia puede asumir valores entre 10 k ohms y 22 M ohms. El valor mínimo recomendado para el capacitor es de 47 pF. Recuerde que la frecuencia máxima que se puede generar es alrededor de 7 MHz para una alimentación de alrededor de 10 V. Este oscilador genera señales con un ciclo activo de aproximadamente 50% y rectangulares.
5. Oscilador de Dos Inversores con Ciclo Activo Controlado
Usando dos diodos y un potenciómetro puede cambiar el recorrido de la corriente en la carga y descarga del capacitor. Con esto podemos tener ciclos activos ajustados por este potenciómetro. El circuito mostrado en la figura 5 puede utilizar inversores CMOS comunes o cualquier función que pueda conectarse como inversor. Las mismas consideraciones dadas en el caso del circuito anterior son válidas y los diodos son tipos de uso general como los 1N4148. Observamos que la relación marca / espacio depende de la posición del cursor del potenciómetro manteniendo la frecuencia más o menos constante en su rango de ajuste.
6. VCO
Un oscilador controlado por tensión (VTC) se muestra en la figura 6. Este circuito utiliza dos variadores y la frecuencia central depende de R y de C como ya vimos en el circuito 3. Una tensión aplicada al terminal de entrada dentro de una el estrecho rango de valores puede controlar la frecuencia de la señal rectangular producida por este circuito. No se debe nunca aplicar en la entrada tensión mayor que la usada en la alimentación del oscilador. El valor del resistor se puede cambiar para modificar el rango de frecuencias que el circuito barre.
7. Oscilador Gatillo 1
El circuito oscilador mostrado en la figura 7 entra en funcionamiento cuando su entrada es llevada al nivel alto. El resistor de 100 k ohms es necesario para las aplicaciones en las que en ausencia de la señal de control la entrada puede quedar abierta (alta impedancia) lo que causaría un estado inestable para el circuito. La frecuencia se calcula como en el caso del oscilador 3, y la alimentación se puede realizar con tensiones de 3 a 15 V.
8. Oscilador Gatillo 2
El oscilador mostrado en la figura 8 entra en funcionamiento cuando su entrada es llevada al nivel bajo. La presencia del resistor de 100 k ohms en la entrada tiene el mismo motivo explicado en el oscilador anterior. La señal generada también es rectangular y la tensión de alimentación puede oscilar entre 3 y 15 V.
9. Oscilador con tres variadores
En la figura 9 mostramos un oscilador CMOS que hace uso de tres variadores o tres puertas que pueden ser conectadas como inversores. Este circuito puede generar señales rectangulares de hasta aproximadamente 7 MHz cuando se alimenta con tensiones de 3 a 15 V. La frecuencia se calcula mediante la fórmula junto al diagrama. El valor mínimo recomendado para el capacitor es de 47 pF y la resistencia puede tener valores entre 10 k ohms y 22 M ohms.
10. Oscilador Gatillo de Tres Puertas
El circuito mostrado en la figura 10 entra en acción generando una señal rectangular cuando su entrada es llevada al nivel alto. El resistor en la entrada evita que el terminal de control de la puerta quede abierto en ausencia de señal lo que puede inestabilizar el funcionamiento del circuito. La frecuencia depende de R y de C como en los demás osciladores y la tensión de alimentación puede oscilar entre 3 y 15 V. Con tensión menor la frecuencia máxima se reduce.
11. Oscilador Variable CMOS
En la figura 11 mostramos un oscilador que tiene su frecuencia controlada en un rango de 5: 1 por uim potenciómetro de 47 k ohms. El valor de este potenciómetro se puede aumentar para obtener una gama más amplia de control. La frecuencia depende de las resistencias y de C. La tensión de alimentación puede oscilar entre 3 y 15 V y son válidas las indicaciones de valores para otros osciladores del mismo tipo.
12. VCO
Este oscilador de frecuencia variable (VCO) se basa en la configuración interna propia para esta aplicación existente en el circuito integrado 4046 (PLL). En el gráfico de la figura 12 tenemos las bandas de frecuencias que se pueden producir con los componentes indicados.
El circuito completo del VCO se muestra en el hilo 13.
En este caso el circuito genera una señal rectangular y la tensión de control viene de un potenciómetro (se puede usar un transductor resistivo para obtener un convertidor de alguna magnitud física en frecuencia, por ejemplo). Otra posibilidad es aplicar directamente la tensión de control en el pin 9 siempre que no supere la tensión de alimentación.
13. Oscilador sin componentes
En este oscilador los convertidores de un 4049 se utilizan para formar una red de retardo que determina la frecuencia del circuito. Como el tiempo de propagación de la señal por el circuito depende de la tensión de alimentación podemos controlar la frecuencia por el potenciómetro que alimenta el circuito. En la configuración mostrada la frecuencia podrá aser ajustada entre cerca de 1 MHz a 7 MHz aproximadamente.
Observe que el número de inversores a utilizar en el circuito mostrado en la figura 14 debe ser siempre impar.