Hacer un oscilador es difícil

• Explica paso a paso los principios clave del diseño de circuitos osciladores y las dificultades de implementarlos en la práctica
• Analiza por qué un circuito con un solo MOSFET no oscila debido a su punto de equilibrio, y propone una estructura con disparador Schmitt para resolverlo
• Construye un oscilador de relajación basado en un disparador Schmitt para lograr una frecuencia estable de aproximadamente 3 kHz
• Luego presenta un circuito oscilador sencillo usando un amplificador operacional (op-amp) y compara los cálculos teóricos con los valores medidos reales
• Por último, explica el principio de generación de ondas sinusoidales mediante el cambio de fase de un filtro RC con un oscilador de desplazamiento de fase (phase-shift), destacando la precisión del diseño de circuitos analógicos y la importancia de la verificación experimental

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Conceptos básicos del oscilador y su dificultad

• La condición clave de un oscilador es la existencia de ganancia (gain); sin ganancia, la vibración se amortigua
• Explica que a veces un circuito amplificador puede oscilar por accidente, pero que diseñar directamente un oscilador analógico estable es difícil
• Los circuitos osciladores que suelen verse en internet son inestables o requieren componentes especiales (inductores con toma central, bombillas incandescentes, etc.)
• El objetivo es construir un oscilador fácil de entender y con frecuencia predecible sin depender de referencias externas

Limitaciones del intento de oscilación con un solo MOSFET

• Se intenta lograr oscilación usando un MOSFET de canal n como interruptor, pero en la práctica existe un punto de equilibrio estable que hace que la vibración se detenga
• Como ejemplo, se presenta la curva Vgs–Id del transistor BS170, mostrando un estado estable cerca de 2 V donde circulan 300 µA
• Ese estado equivale a que “el interruptor está medio encendido”, por lo que la oscilación no se mantiene

Conmutación estable usando un disparador Schmitt

• Presenta el circuito de disparador Schmitt como un interruptor electrónico sin punto estable intermedio
• Cuando la entrada está en 0 V, el transistor derecho conduce; cuando la entrada supera aproximadamente 2.6 V, el transistor izquierdo se enciende y el derecho se apaga
• En este proceso aparece realimentación positiva, por lo que el circuito no permanece en un estado intermedio
• Se forma una histéresis de 400 mV: se enciende a 2.6 V y se apaga a 2.2 V

Oscilador de relajación basado en disparador Schmitt

• La señal de salida del disparador Schmitt se realimenta a la entrada, y se añade un retardo resistencia–capacitor (RC) para controlar la frecuencia de oscilación
• Con una alimentación de 5 V se observa una frecuencia de oscilación de aproximadamente 3 kHz
• El voltaje del capacitor oscila entre 2.2 V y 2.6 V, y los tiempos de carga y descarga se calculan en 154 µs y 167 µs, respectivamente
• El circuito puede simplificarse, pero para usar menos componentes resulta más eficiente emplear un amplificador operacional (op-amp)

Oscilador de relajación con amplificador operacional

• Cuando R1 = R2 = R3, la entrada no inversora mantiene el voltaje promedio de alimentación, tierra y salida (⅓~⅔ de Vsupply)
• En el estado inicial, como el capacitor está en 0 V, la salida sube; luego el capacitor se carga y, al alcanzar ⅔ de Vsupply, la salida se invierte
• El capacitor se descarga de ⅔ a ⅓ de Vsupply y se produce una oscilación periódica
• En un circuito de 5 V, con Rcap = 10 kΩ y C = 1 µF, la frecuencia teórica es de 75 Hz y la medición real es de 70 Hz
• La causa del error es la limitación de la aproximación de corriente no constante, y al ajustar R3 a 47 kΩ se obtiene un resultado más preciso

Cálculo de frecuencia y fórmula general

• Cuando R1 = R2, es posible combinar ambas resistencias y simplificar el análisis mediante una ecuación de divisor de voltaje
• Como el voltaje del capacitor oscila alrededor de ½ de Vsupply, el período puede calcularse usando la corriente promedio en la forma t = Δv · C / I
• Se obtiene la frecuencia real usando valores de ejemplo (R1 = R2 = 10 kΩ, R3 = 47 kΩ)

Oscilador de desplazamiento de fase (Phase-Shift)

• Modifica la realimentación negativa de un seguidor de voltaje con amplificador operacional para inducir una inversión de fase a una frecuencia específica
• Conecta en cascada filtros RC pasa-bajas para lograr un desplazamiento de fase de -60° en cada etapa, y un total de -180°
• Calcula esa frecuencia usando la ecuación de relación de arcotangente (Arctan) de cada etapa RC
• Las tres etapas producen el mismo resultado, y la oscilación ocurre en la frecuencia de inversión de fase

Características de la forma de onda y simulación

• Como la ganancia del amplificador no está limitada, la salida tiene forma de onda cuadrada, pero la señal después del filtro RC es cercana a una sinusoidal
• En la simulación, el comportamiento de la onda cuadrada (azul) y la sinusoidal (gris) coincide casi por completo
• Para obtener una forma de salida puramente sinusoidal, puede ajustarse la ganancia o usarse un método para amplificar la señal de la entrada no inversora

Consideraciones de diseño del circuito

• La impedancia de cada etapa RC se incrementa 10 veces para minimizar el efecto de carga mutua
• Si todas las impedancias fueran iguales, el cálculo de la función de transferencia de los seis componentes completos se volvería complejo
• La literatura también presenta métodos con filtros pasa-altas (high-pass) y un solo transistor, pero su implementación práctica es complicada
• El circuito del texto se basa en la estructura de un generador de seno y cuadrada de baja distorsión discutida en un artículo de Electronic Design

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[GN⁺]

Comentarios en Hacker News

• Hay un viejo chiste de ingeniería electrónica que dice: “si quieres hacer un oscilador, intenta hacer un amplificador”
  Me recordó un artículo de Television Magazine que leí en los 80 sobre notas de servicio para radios Philips
  Ahí aparecía una instrucción de reparación que decía “Fix VIUPS”, y se trataba solo de cambiar algunas resistencias y algunos capacitores
  El autor quiso averiguar qué significaba, así que hasta contactó a la sede de Philips, y al final un ingeniero respondió: “VIUPS es el nombre del sonido que hace cuando falla” — “VIUPS VIUPS VIUPS”

  • La versión que yo escuché era: “los amplificadores oscilan, y los osciladores no oscilan”
  • Esto se puede demostrar fácilmente con la técnica de no-input. Si reconectas la salida de una mezcladora de audio a su entrada, se produce realimentación y de ahí puedes crear varios tonos
    Pero hay que hacerlo con cuidado — video de demostración
  • Totalmente de acuerdo, es una historia que de verdad resuena (resonates)
  • La forma más fácil de molestar a tus vecinos con una radio AM es subir demasiado la ganancia de un receptor AM regenerativo
    Entonces entra en oscilación y emite ruido en esa misma frecuencia. Si además le agregas un micrófono de carbón y llevas la ganancia al máximo, se convierte en un transmisor AM sencillo

• Los osciladores LC son bastante fáciles de hacer
  Hice un programa que genera topologías de circuitos al azar y usa simulación SPICE para detectar si oscilan
  Como resultado, descubrí que la forma más simple está compuesta por 1 inductor, 2 capacitores, 1 resistencia y 1 transistor
  A esta familia de circuitos la llamé “osciladores LCCRT”, y al generar todas las combinaciones posibles encontré 12 topologías únicas
  Al probarlas en la práctica resultaron estables, e incluso las usé en detectores de metales — enlace al proyecto

  • Se presentan como osciladores “nuevos”, pero en realidad todos son variantes del oscilador Collpitts. Son estructuras estudiadas desde hace 100 años, así que hace falta algo de humildad
  • Como alguien de CS con un nivel introductorio en electrónica, me pregunté por qué el texto se enfocaba más en transistores que en osciladores LC
  • ¡Muy bueno! Sería aún más interesante clasificarlos según el factor Q
  • El enfoque me pareció impresionante. Me puse a revisar el repositorio y me inspiró bastante
  • Siempre pasa esto cuando publicas en Hacker News — alguien llega y te aplasta con conocimiento

• Cuando empecé en electrónica de niño, para hacer un oscilador tenía que hacer un amplificador, y para hacer un amplificador terminaba haciendo un oscilador
  La ambición de un niño de 7 años era más grande que su técnica. Solo después de muchísimos intentos logré que un amplificador dejara de oscilar
  Ni siquiera sabía leer el código de colores de las resistencias, pero creía que sí

  • Me encanta eso de la “ambición de un niño de 7 años”. Es una actitud que no deberíamos perder nunca
  • Muchas veces lo que nos frena es esa comprensión madura de que “esto es imposible”
  • Si juntas el “¿por qué?” de un niño de 3 años con la ambición de uno de 7, quizá salga el genio más productivo del mundo

• Quiero explicar brevemente la historia de la bombilla (lightbulb) que aparece en el artículo
  La razón por la que es difícil obtener una onda senoidal limpia de un oscilador es la estabilización de ganancia
  Si la ganancia es demasiado baja, la oscilación desaparece; si es demasiado alta, se satura y aparecen armónicos
  Una bombilla se comporta como una resistencia lineal en tiempos cortos y como una resistencia no lineal en tiempos largos
  Cuando el filamento se calienta, la resistencia aumenta, así que eso permite hacer un oscilador autoestabilizado
  Si usas la bombilla como resistencia de ajuste de ganancia del amplificador, puedes obtener una onda senoidal casi perfecta

• Un oscilador no es más que aplicar ganancia alrededor de un retardo de fase (>90 grados)
  La cuestión es qué tan predecible y estable puedes hacerlo
  La clave es lograr que sea menos sensible a factores externos (temperatura, voltaje, tiempo, etc.), y para eso conviene revisar conceptos como Allan Variance

  • Como en el meme de “dibuja el resto del búho”, hacer un oscilador no es tan fácil como suena
    Incluso después de la invención del tubo de vacío, tomó mucho tiempo construir osciladores estables
    Al final hubo una empresa que lo logró, y esa fue Hewlett-Packard

• Una vez leí que la invención del oscilador en realidad fue un accidente fortuito
  Alguien estaba construyendo un amplificador, conectó mal la entrada y la salida, produjo un “piiiip”, y así empezó el oscilador
  En esa época usaban generadores de CA para producir altas frecuencias, pero el límite era de unos 15 kHz
  A partir de ese error surgió el concepto de realimentación positiva, y después aparecieron los circuitos osciladores clásicos

• Hay dos circuitos que no se mencionaron
  Uno es el “Two Transistor Metronome”, que hice con mi padre cuando tenía 7 u 8 años
  Es un oscilador de relajación en el que dos transistores actúan de alguna manera como un SCR — enlace al circuito
  Los osciladores del Roland TB303 y de la serie Korg MS también usan una estructura similar

  • En lo que yo pensaba era en un Astable Multivibrator. Probablemente sea el mismo circuito
    En general hay muchas versiones que usan dos transistores NPN — enlace de referencia

• Traté de hacer un inyector de señal para depurar efectos de guitarra
  El Astable Multivibrator generaba tantos armónicos que se podían oír incluso en la etapa de entrada
  Casi se sentía como empujar la señal como un Juggernaut
  Fue una buena oportunidad para aprender sobre filtros, y al final pude generar una onda senoidal limpia

• Los osciladores son difíciles porque la precisión de especificación (spec) que les exigimos es demasiado alta
  Por ejemplo, un oscilador para reloj puede estar hecho de solo 5 componentes, pero se le exige un error menor a 1 segundo por día (100 ppm)
  Es difícil cumplir al mismo tiempo con potencia, arranque, estabilidad térmica y todas las demás condiciones
  Si lo único que quieres es que vibre, basta con hacer un generador de ruido
  Para principiantes, el oscilador más fácil es el 555 timer. Tiene un error de alrededor de ±10%, pero para la mayoría de los usos eso basta
  El 555 tiene una estructura simple formada por 2 comparadores, un divisor de voltaje y un capacitor
  Pero los circuitos modernos tienen que ser más rápidos y precisos, así que para un texto introductorio quizá convendría explicarlo alrededor del 555

• Si te interesa la electrónica enfocada en música, recomiendo el canal de YouTube de Moritz Klein

  • En cuanto vi el enlace, supe de inmediato que iba a ser Moritz Klein