Os circuitos integrados CMOS possuem funções simples que podem ser configuradas como excelentes osciladores. Pelas suas características esses osciladores podem gerar sinais retangulares que vão de fração de hertz até mais de 5 MHz, dependendo da função usada e da tensão de alimentação. Neste artigo focalizamos alguns circuitos osciladores usando integrados da família CMOS 4000.
Portas NAND, AND, OR e NOR assim como inversores podem ser configurados de modo a gerar sinais. Isso é válido tanto quanto falamos de circuitos da tecnologia TTL como CMOS.
Assim, é comum que uma ou mais portas de funções simples sejam utilizadas para gerar sinais de clock em circuitos CMOS ou ainda com outras finalidades.
A seguir temos uma seleção de configurações utilizando circuitos integrados da família CMOS, que podem ser de grande utilidade para os leitores que estão desenvolvendo algum tipo de projeto que necessite de sinais retangulares.
Oscilador 4093
Um dos osciladores mais utilizados nos nossos projetos é o que faz uso de uma porta NAND das quatro disponíveis no circuito integrado 4093.
A configuração básica para esse oscilador RC é a mostrada na figura 1.
Com esse circuito é possível gerar sinais que vão desde fração de hertz até perto de 5 MHz.
No entanto, o mesmo circuito também é válido para uma configuração LC quando se deseja sinais acima de 100 kHz. Isso é conseguido com a configuração mostrada na figura 2.
A constante de tempo LC do circuito determina a freqüência do sinal gerado, e para sinais acima de 100 kHz, já obtemos na saída um sinal que não é perfeitamente retangular, mas com uma transição suave que se aproxima de um sinal senoidal.
Evidentemente, sua forma não senoidal indica que ele é rico em harmônicas.
Oscilador com Porta NAND e Cristal
Na figura 3 temos o modo de se configurar uma porta NAND do circuito integrado 4011 como inversor e gerar um sinal cuja freqüência depende apenas do cristal empregado.
Cristais de alguns quilohertz até 2 ou 3 MHz podem ser usados neste circuito. O capacitor deve ser cerâmico.
Outras funções que podem ser ligadas como inversor, como as do 4001 podem ser empregada neste mesmo oscilador.
Oscilador Senoidal CMOS
Na figura 4 temos um interessante circuito que, apesar de usar uma função lógica CMOS, gera um sinal senoidal.
P1 deve ser ajustado para se obter a oscilação, com um sinal senoidal de saída com um mínimo de distorções.
O circuito RC de realimentação, determina a freqüência de operação, sendo dada a fórmula que permite calculá-la.
Sinais na faixa de alguns hertz até perto de 10 kHz podem ser gerados com este circuito. Acima de 10 kHz o circuito não é estável.
Oscilador com Dois Inversores – I
Uma configuração bastante popular de oscilador que faz uso de dois inversores CMOS é a mostrada na figura 5.
A frequência depende de R e C, e o sinal gerado é retangular. O resistor R pode assumir valores entre 10 kΩ e 22 MΩ enquanto que o valor mínimo de C1 está em torno de 47 kΩ.
O sinal gerado por este circuito, nas freqüências mais baixas é retangular.
Acima de 1 MHz, o sinal já apresenta uma deformação devido à resposta lenta do circuito integrado usado.
Oscilador com Dois Inversores – II
O circuito anterior apresenta alguns problemas de funcionamento que podem ir desde a dificuldade de iniciar as oscilações até instabilidade.
Uma forma melhor de se implementar um oscilador com dois inversores é a mostrada na figura 6.
Neste circuito a frequência depende de C1 e R1. O resistor R2 deve ser pelo menos 10 vezes maior que R1.
Também temos um sinal retangular de saída e a freqüência máxima está em torno de 4 MHz para uma alimentação de 10 V.
Ciclo Ativo Variável
No oscilador da figura 7, podemos ter um ciclo ativo diferente de 50%. Esse ciclo ativo é determinado pela relação de valores entre R1 e R2.
Os diodos podem ser de qualquer tipo de uso geral como os 1N4148 ou 1N914. O capacitor pode ter valores entre 1 nF e 470 nF tipicamente.
VCO
Podemos controlar a freqüência de um oscilador a partir de uma tensão externa usando o circuito da figura 8.
O que temos é um Oscilador de Freqüência Variável ou Variable Controled Oscillator (VCO). A freqüência central de oscilação depende de R e de C que podem ter os valores dentro das faixas indicadas no próprio diagrama.
Oscilador Disparado com Três Portas
Na figura 9 temos um oscilador disparado externamente por um nível alto. Este oscilador usa três portas NAND do 4011.
O sinal produzido é retangular e sua freqüência é determinada por R e C conforme configurações semelhantes que já vimos.
Oscilador Variável com Três Portas
O oscilador mostrado na figura 10 tem sua frequência ajustada externamente por um potenciômetro, numa gama de 10 para 1.
A frequência central do oscilador é determinada pelo valor de C1. Esse componente pode ter valores entre 1 nF e 1 µF tipicamente. O sinal gerado tem forma de onda retangular.
O circuito integrado usado pode ser qualquer que tenha funções que possam ser configuradas como inversores como o 4001, 4011, 4069, etc.
Oscilador sem Componentes Externos
A frequência do oscilador mostrado na figura 11 depende exclusivamente do tempo de propagação do sinal pelos 5 inversores usados.
Como esse tempo depende da tensão de alimentação, podemos controlar a frequência de operação através de um potenciômetro que determina a tensão aplicada ao circuito.
A frequência deste circuito estará tipicamente entre 500 kHz e 4 MHz.
Oscilador de Duas Fases
O circuito mostrado na figura 12 usa um monoestável 4047 para gerar sinais com duas fases e duas frequências, conforme mostram as formas de onda de suas três saídas.
A frequência depende de R e de C. R pode ter valores entre 10 k Ω e 10 M Ω e C entre 1 nF e 10 µF tipicamente.
Conclusão
Precisando de sinais retangulares (ou com outras formas de onda), uma forma simples de obtê-los é com a ajuda de circuitos integrados CMOS.
Os circuitos que vimos neste artigo são apenas alguns que usam circuitos integrados dessa família.
Muitos deles podem ser modificados ou ainda usados com divisores de modo a se obter frequências muito baixas para temporizações.
