OSCILLATORI

Generalità

Per comprendere il principio di funzionamento di un oscillatore, si consideri un amplificatore reazionato privo del segnale esterno d’ingresso, e quindi privo del nodo di confronto.

Fig.1 - schema a blocchi di un oscillatore

Supponiamo che all'ingresso sia presente un segnale V_e con frequenza f_o cui corrisponde in uscita un segnale V_u = AV_e della stessa frequenza. La condizione affinché il sistema possa mantenere in uscita il segnale V_u, e’ che, attraverso la rete di reazione, venga riportato all'ingresso un segnale V_r uguale, in modulo e fase, a V_e.

V_r = bV_u = bAV_e = V_e

Da questa relazione discende la condizione di autoeccitazione:

bA=1

nota come criterio di Barkausen.
Poiché in generale b e A sono grandezze complesse, il criterio di Barkausen si traduce nella duplice condizione che il prodotto bA abbia modulo unitario ed argomento  F nullo:

|bA|=1;    F=0;

Allo stesso risultato si perviene considerando l'espressione del guadagno di un sistema con retroazione positiva, che qui riportiamo:

A_r = A / (1-bA)

Per poter avere la condizione di autoeccitazione la relazione seguente:

V_u = A_r V_i 

deve essere non nulla. Questo si traduce nelle seguenti condizioni:

A_r --> infinito                 1-bA=0;        bA=1

In definitiva, se alla frequenza fo risulta soddisfatto il criterio Barkausen, l'amplificatore e’ in grado di oscillare a tale frequenza, cioè di produrre in uscita un segnale di ampiezza e frequenza costanti, sollecitato soltanto dalla tensione continua di alimentazione.

L’origine del segnale di autoeccitazione V_e può essere individuata nella presenza immancabile del rumore termico all'ingresso dell'amplificatore. Infatti, a causa dell'agitazione termica, qualunque componente resistivo produce una tensione di rumore con spettro uniforme (rumore bianco). Se per la componente spettrale del rumore a frequenza f_o si ha: 

|bA_iniz| > 1

tale componente viene amplificata e riportata in ingresso con ampiezza maggiore di quella di partenza; il processo di esaltazione si ripete e prosegue, dando luogo ad un segnale in uscita di ampiezza sempre maggiore, fino a che, interessando la zona non lineare della caratteristica di trasferimento, il guadagno iniziale dell'amplificatore scende al valore A per cui si verifica la condizione di Barkausen, con conseguente stabilizzazione dell'ampiezza del segnale di uscita. 

Concludendo, per avere un oscillatore devono essere soddisfatte i seguenti requisiti:

a) il sistema deve contenere almeno un elemento attivo (amplificatore) sottoposto a reazione positiva;

b) nel sistema devono essere compresi degli elementi reattivi che esercitino un'azione filtrante, in grado di determinare univocamente la frequenza di oscillazione;

c) alla frequenza di oscillazione deve essere verificato il criterio di Barkausen in modulo e fase, cioè il segnale di reazione deve valere 1/A di quello presente in uscita e deve essere in fase con quello presente in ingresso (condizione di autoeccitazione);

d) inizialmente (cioè all'atto in cui si applica I'alimentazione all'oscillatore) alla frequenza f_o il guadagno di anello deve essere maggiore di 1, per assicurare l' autoinnesco delle oscillazioni.

In pratica gli schemi circuitali adottati per la realizzazione degli oscillatori sinusoidali sono molteplici, per soddisfare le diverse esigenze di frequenza, stabilita, potenza di uscita, ecc. Una prima suddivisione può essere fatta in oscillatori per:

 bassa frequenza (al disotto del MHz), con filtro di selezione della frequenza di tipo RC, 

 alta frequenza (dalle centinaia di kHz alle centinaia di MHz), con filtro di selezione di tipo LC o a quarzo.