Construir um oscilador é difícil

• Explica passo a passo os princípios centrais do projeto de circuitos osciladores e as dificuldades da implementação real
• Analisa por que um circuito com um único MOSFET não oscila por causa de um ponto de equilíbrio estável e apresenta uma estrutura de trigger de Schmitt para resolver isso
• Monta um oscilador de relaxação com base em um trigger de Schmitt e implementa uma frequência estável de cerca de 3 kHz
• Em seguida, apresenta um circuito oscilador simples usando amplificador operacional (op-amp) e compara os valores teóricos com as medições reais
• Por fim, explica o princípio de geração de uma forma de onda senoidal por meio de um oscilador por deslocamento de fase (phase-shift) com a mudança de fase de filtros RC, destacando a precisão do projeto de circuitos analógicos e a importância da validação experimental

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Conceitos básicos e dificuldades de um oscilador

• A condição central de um oscilador é a existência de ganho (gain); sem ganho, a oscilação se amortece
• O texto explica que, embora um circuito amplificador às vezes possa oscilar por acaso, projetar diretamente um oscilador analógico estável é difícil
• Os circuitos osciladores comumente vistos na internet costumam ser instáveis ou exigir componentes especiais (indutor com center tap, lâmpada incandescente etc.)
• O objetivo é montar por conta própria, sem referência externa, um oscilador fácil de entender e com frequência previsível

Limites da tentativa de oscilação com um único MOSFET

• Tenta-se obter oscilação usando um MOSFET de canal n como se fosse uma chave, mas na prática existe um ponto de equilíbrio estável e a oscilação para
• Como exemplo, apresenta a curva Vgs–Id do transistor BS170, mostrando a formação de um estado estável com corrente de 300 µA por volta de 2 V
• Esse estado equivale a uma “chave meio ligada”, de modo que a oscilação não se sustenta

Comutação estável com trigger de Schmitt

• Apresenta o circuito de trigger de Schmitt como uma chave eletrônica sem ponto intermediário estável
• Quando a entrada está em 0 V, o transistor da direita conduz; quando a entrada ultrapassa cerca de 2,6 V, o transistor da esquerda liga e o da direita desliga
• Nesse processo ocorre realimentação positiva, impedindo que o circuito permaneça em um estado intermediário
• Forma-se uma histerese de 400 mV, na qual a entrada liga em 2,6 V e desliga em 2,2 V

Oscilador de relaxação baseado em trigger de Schmitt

• Faz a realimentação do sinal de saída do trigger de Schmitt para a entrada e adiciona um atraso resistor–capacitor (RC) para controlar a frequência de oscilação
• Observa-se uma frequência de oscilação de cerca de 3 kHz com alimentação de 5 V
• A tensão no capacitor oscila entre 2,2 V e 2,6 V, e os tempos de carga e descarga são calculados em 154 µs e 167 µs, respectivamente
• O circuito pode ser simplificado, mas para usar ainda menos componentes é mais eficiente empregar um amplificador operacional (op-amp)

Oscilador de relaxação com amplificador operacional

• Quando R1 = R2 = R3, a entrada não inversora mantém a tensão média entre alimentação, terra e saída (⅓~⅔ Vsupply)
• No estado inicial, como o capacitor está em 0 V, a saída sobe; depois o capacitor carrega e, ao atingir ⅔ Vsupply, a saída se inverte
• O capacitor descarrega de ⅔ para ⅓ Vsupply, gerando oscilação periódica
• Em um circuito de 5 V, com Rcap = 10 kΩ e C = 1 µF, o valor teórico é 75 Hz e a medição real é 70 Hz
• A causa do erro é a limitação da aproximação de corrente não constante; ao ajustar R3 para 47 kΩ, obtém-se um resultado mais preciso

Cálculo da frequência e fórmula geral

• Quando R1 = R2, é possível combinar os dois resistores e simplificar com uma equação de divisor de tensão
• Como a tensão do capacitor oscila em torno de ½ Vsupply, o período pode ser calculado na forma t = Δv · C / I usando a corrente média
• Com os valores de exemplo (R1 = R2 = 10 kΩ, R3 = 47 kΩ), obtém-se a frequência real

Oscilador por deslocamento de fase (Phase-Shift)

• Modifica a realimentação negativa de um seguidor de tensão com amplificador operacional para induzir inversão de fase em uma frequência específica
• Conecta filtros RC passa-baixas em sequência para obter -60° em cada etapa, totalizando -180° de deslocamento de fase
• Calcula a frequência correspondente usando a equação de relação arctan(Arctan) de cada etapa RC
• Como as três etapas têm o mesmo resultado, a oscilação ocorre na frequência de inversão de fase

Características da forma de onda e simulação

• Como o ganho do amplificador não é limitado, a saída assume forma de onda quadrada, mas a forma de onda após o filtro RC fica próxima de uma senóide
• No resultado da simulação, o comportamento da onda quadrada (azul) e da senóide (cinza) quase coincide
• Para tornar a forma de onda de saída uma senóide pura, pode-se ajustar o ganho ou usar o método de amplificar o sinal da entrada não inversora

Considerações de projeto do circuito

• Aumenta a impedância de cada etapa RC em 10 vezes para minimizar o efeito de carga mútua
• Se as impedâncias forem iguais, o cálculo da função de transferência dos seis componentes como um todo se torna complexo
• A literatura também apresenta métodos com filtro passa-altas (high-pass) e um único transistor, mas a implementação prática é difícil
• O circuito do texto baseia-se na estrutura de um gerador de seno e quadrado de baixa distorção discutida em um artigo da Electronic Design

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Comentários do Hacker News

• Há uma velha piada da eletrônica: “se você quer fazer um oscilador, tente fazer um amplificador”
  Isso me lembrou de um artigo que li nos anos 80 na Television Magazine sobre notas de serviço de rádios Philips
  Havia uma instrução de reparo que dizia “Fix VIUPS”, e era algo como trocar alguns resistores e alguns capacitores
  O autor ficou curioso sobre o que aquilo significava e chegou a entrar em contato com a matriz da Philips; no fim, um engenheiro respondeu: “VIUPS é o nome do som que ele faz quando quebra” — “VIUPS VIUPS VIUPS”

  • A versão que eu ouvi era: “amplificadores oscilam, e osciladores não oscilam”
  • Isso pode ser demonstrado facilmente com a técnica de no-input. Se você reconectar a saída de um mixer de áudio na entrada, surge realimentação, e dá para criar vários tons a partir disso
    Mas tem que tomar cuidado — vídeo de demonstração
  • Entendo perfeitamente, é uma história que realmente ressoa (resonates)
  • O jeito mais fácil de incomodar os vizinhos com um rádio AM é aumentar demais o ganho de um receptor AM regenerativo
    Aí ele entra em oscilação e emite ruído na mesma frequência. Se adicionar um microfone de carbono e colocar o ganho no máximo, vira um transmissor AM simples

• Osciladores LC são bem fáceis de fazer
  Eu criei um programa que gera topologias de circuito aleatórias e usa simulação SPICE para procurar quais oscilam
  Como resultado, descobri que a forma mais simples é composta por 1 indutor, 2 capacitores, 1 resistor e 1 transistor
  Chamei essa família de circuitos de “osciladores LCCRT” e, ao gerar todas as combinações possíveis, encontrei 12 topologias únicas
  Testei na prática e elas foram estáveis, e até usei em detector de metais — link do projeto

  • Pode até ser um oscilador “novo”, mas na prática todos são variações do oscilador Collpitts. São estruturas já estudadas há 100 anos, então é bom ter humildade
  • Como alguém de Ciência da Computação e com noções introdutórias de eletrônica, fiquei curioso por que o texto é centrado em transistores, e não em osciladores LC
  • Muito legal! Seria ainda mais interessante classificar com base no fator Q
  • A abordagem me impressionou. Dei uma olhada no repositório e tirei muita inspiração dali
  • Sempre acontece isso quando você posta no Hacker News — alguém aparece e te atropela no conhecimento

• Quando comecei com eletrônica na infância, para fazer um oscilador eu acabava fazendo um amplificador, e para fazer um amplificador eu acabava fazendo um oscilador
  A ambição de uma criança de 7 anos era maior que a técnica. Só depois de inúmeras tentativas consegui fazer um amplificador que não oscilasse
  Eu nem sabia ler código de cores de resistor, mas achava que sabia

  • Adorei a expressão “ambição de uma criança de 7 anos”. É uma atitude que a gente nunca deveria perder
  • Muitas vezes o que nos impede é essa compreensão madura de que “isso é impossível”
  • Se juntar o “por quê?” de uma criança de 3 anos com a ambição de uma de 7, talvez saia o gênio mais produtivo do mundo

• Quero explicar rapidamente a história da lâmpada no artigo
  A dificuldade de obter uma senoide limpa em um oscilador está na estabilização do ganho
  Se o ganho for baixo demais, a oscilação desaparece; se for alto demais, satura e gera harmônicos
  A lâmpada se comporta como uma resistência linear em tempos curtos e como uma resistência não linear em tempos longos
  Quando o filamento aquece, a resistência aumenta, então isso pode ser usado para criar um oscilador autoestabilizado
  Se você usar a lâmpada como resistor de ajuste de ganho do amplificador, dá para obter uma senoide quase perfeita

• Um oscilador é simplesmente colocar ganho em torno de um atraso de fase (>90 graus)
  A questão é o quão previsível e estável você consegue torná-lo
  O ponto principal é deixá-lo menos sensível a fatores externos (temperatura, tensão, tempo etc.), e para isso vale a pena olhar conceitos como Allan Variance

  • Como no meme de “desenhe o resto da coruja”, fazer um oscilador não é tão simples quanto parece
    Mesmo depois da invenção da válvula, levou muito tempo para criar osciladores estáveis
    No fim, houve uma empresa que conseguiu isso, e essa empresa foi a Hewlett-Packard

• Li certa vez que a invenção do oscilador foi na verdade um acidente
  Alguém estava tentando fazer um amplificador, ligou entrada e saída errado e produziu um “biiiiip”, e esse foi o começo do oscilador
  Na época, usavam geradores AC para produzir altas frequências, mas o limite era por volta de 15 kHz
  Desse erro surgiu o conceito de realimentação positiva, e depois vieram os circuitos osciladores clássicos

• Há dois circuitos que não foram mencionados
  Um deles é o “Two Transistor Metronome”, que eu montei com meu pai quando tinha 7 ou 8 anos
  É um oscilador de relaxação em que dois transistores funcionam mais ou menos como um SCR — link do circuito
  Os osciladores do Roland TB303 e da série Korg MS usam uma estrutura parecida

  • O que eu tinha em mente era um multivibrador astável. Provavelmente é o mesmo circuito
    Em geral há muitas versões usando dois transistores NPN — link de referência

• Tentei fazer um injetor de sinal para depurar pedais de guitarra
  O multivibrador astável gerava tantos harmônicos que dava para ouvir até na entrada
  Era quase como empurrar o sinal na marra, como um Juggernaut
  Foi uma boa oportunidade para aprender sobre filtros, e no fim consegui gerar uma senoide limpa

• Osciladores são difíceis porque a precisão exigida (spec) costuma ser muito alta
  Por exemplo, um oscilador de relógio pode ser composto por apenas 5 componentes, mas precisa manter erro abaixo de 1 segundo por dia (100 ppm)
  É difícil satisfazer todas as condições: consumo, partida, estabilidade térmica etc.
  Se você só quer qualquer vibração, basta fazer um gerador de ruído
  Para iniciantes, o oscilador mais fácil é o timer 555. O erro fica em torno de ±10%, mas isso basta para a maioria dos usos
  O 555 tem uma estrutura simples, composta por 2 comparadores, divisor de tensão e capacitor
  Mas os circuitos modernos precisam ser mais rápidos e precisos, então, para um texto voltado a iniciantes, faria sentido explicar focando no 555

• Se você se interessa por eletrônica com foco em música, recomendo o canal do YouTube do Moritz Klein

  • Assim que vi o link, soube na hora que seria o Moritz Klein