Simulación de Circuito Oscilador
1st Juan Gabriel Alfaro A.
2st Emmanuel Bolaños M.
3st Bryan L. Esquivel F.
carnet:2021135556
Instituto Tecnológico de Costa Rica
Alajuela, Costa Rica
gabrielalfaro24@estudiantec.cr
carnet:2021021095
Instituto Tecnológico de Costa Rica
Alajuela, Costa Rica
emmabolanosmurillo@estudiantec.cr
carnet:2020035806
Instituto Tecnológico de Costa Rica
Alajuela, Costa Rica
zayus@estudiantec.cr
Resumen—El proyecto consta en realizar una simulación de
un circuito en configuración cascodo que recibe una señal en
corriente directa, y brinda a la salida otra señal oscilatoria.
Index Terms—Cascodo, oscilatoria.
I.
O SCILADOR DE ANILLO
Este tipo de osciladores consiste en una cantidad n de etapas
en un anillo [1], como se aprecia en la figura 1.
Este oscilador se puede analizar por sus voltajes de salida
en cada una de las etapas [1], por ejemplo si VX = 0,
entonces VY = VDD y VZ = 0, al haber un retraso en
cada etapa, los voltajes van a oscilar entre el valor de VCC
y 0 consecutivamente. Cada inversor tiene un retraso de TD
segundos, lo anterior se representa en la siguiente figura:
Figura 3: Gráfica de las oscilaciones de cada etapa, Obtenido
de: [1].
Figura 1: Oscilador de anillo n etapas, Obtenido de: [1].
Este tipo de circuitos se emplean para que a partir de
una entrada en CD, se obtenga una salida de oscilación, el
sistema incluye una serie de inversores, mismos que permiten
convertir la señal de entrada en una salida modulada.
Los fundamentos de un oscilador de este tipo son simples:
cuando se conecta un número impar de inversores en un
bucle para formar un ciclo o ”anillo”, el circuito experimenta
oscilaciones; la frecuencia de oscilación está sujeta a
diversos factores, tales como: el número de inversores, sus
caracterı́sticas y las condiciones de carga.
Según [1] cada bloque provee una ganancia de:
Av = (gmp + gmn )(rOp ||rOn )
(1)
Si cada transistor está en saturación, se puede notar que
cada uno contribuye capacitancia a cada nodo, limitando la
velocidad. Si se toma como ejemplo un oscilador de 3 etapas:
Figura 2: Oscilador de anillo 3 etapas, Obtenido de: [1].
Se denota por la figura (3) que el perı́odo será de 6TD y la
frecuencia de (6TD )−1 .
II.
F UNCIONAMIENTO Y A PLICACIONES
Según [2] ((Cuando se alimenta con energı́a, cada inversor
en el circuito invierte la señal que recibe. Dado que el
número de inversores es impar, la señal será invertida varias
veces en su recorrido por el anillo luego vuelve a su estado
original cuando completa el ciclo, provocando una oscilación)).
Es esencial tener en cuenta que la estabilidad de la señal
producida por un oscilador de anillo puede ser influenciada
por distintos elementos externos, como la temperatura o la
presencia de otras señales electromagnéticas. Por este motivo,
en numerosas aplicaciones crı́ticas, suele ser común emplear
circuitos de control o compensación junto a los osciladores
de anillo.
Se puede ejemplificar algunas de las utilidades que tienen
este tipo de osciladores, tales como lo son los circuitos
integrados, ya que en este tipo de aplicaciones, se emplean
para hacer: memorias, microprocesadores y diversos sistemas
de comunicación hace uso de este tipo de configuraciones
[1].
Cabe recalcar acerca de este tipo de sistemas que la
precisión de la frecuencia y la estabilidad del sistema,
mientras este se encuentra en operación se ven afectados por
la temperatura, la fuente de alimentación que se tenga y la
degradación de los componentes. Por otra parte, el circuito
debe garantizar que el oscilador no adquiera estados no
deseados o que sean inestables capaces de llegar a provocar
señales de salida que no son deseadas o inexistentes.
III.
P ROCEDIMIENTO
Se creó el circuito en el programa LTspice, este consta de
3 etapas como se puede apreciar en la figura (4).
Figura 6: Señal obtenida del oscilador de 9 etapas.
Figura 4: Circuito oscilador para simulación de 3 etapas.
La simulación iniciará con un voltaje de 1V. La señal de salida
se tomará del nodo entre el transistor M4 y el transistor M6.
IV.
R ESULTADOS
Una vez realizada la simulación se obtuvo la siguiente
gráfica:
Figura 7: Señal obtenida del oscilador de 35 etapas.
Figura 8: Señal obtenida del oscilador de 4 etapas.
Figura 5: Señal obtenida del oscilador de 3 etapas.
Del mismo modo, se evaluó el mismo circuito variando la
cantidad de etapas con el fin del evaluar el comportamiento
de la señal de salida, esperando que esta fuese asemejándose
a una señal modelada conforme aumentara el valor de n
(cantidad de etapas).
V.
A N ÁLISIS DE R ESULTADOS
De la figura 5 se observa la forma seudo-senoidal de la
señal, con esto se comprueba el correcto funcionamiento del
circuito, se pudo confirmar que el oscilador puede convertir
señales continuas a moduladas. Además del oscilador de 3
etapas se construyeron dos osciladores más, uno de 9 etapas
y otro de 35 etapas, al aumentar las etapas la señal se hacı́a
más cuadrada y su frecuencia decrecı́a., esto pasa ya que se
acumulan todos los retrasos de cada etapa, además de esto, el
voltaje pico cada vez se acerca más al voltaje VDD . Cuando
se utiliza un oscilador de 4 etapas o con etapas pares este
deja de funcionar y la señal vuelve a ser continua como se
aprecia en la figura 8.
El oscilador de 4 etapas no es funcional ya que el problema
radica en la simetrı́a del circuito. Si el número de etapas es
par, las señales en puntos opuestos están en fase entre sı́. Esto
puede llevar a que las señales en esos puntos se refuercen
mutuamente en lugar de cancelarse.
VI.
C ONCLUSIONES
A la hora de realizar la simulación del circuito se
presentaron una serie de complicaciones, más que todo con
el software con el que se estaba simulando el sistema, esto
porque: primeramente, se intentó hacer con Multisim, sin
embargo por la falta de componentes de este programa no se
pudo completar el sistema de forma satisfactoria.
Por otra parte, caundo se cambia de software a LTspice,
surge la complicación de que es un programa con el cual no
se habı́a trabajado antes, de modo que hubo que empezar de
cero para comprender primero cómo se conformaba, luego de
esto, evidentemente por la falta de experiencia de la forma
en la que trabaja el software, surge la complicación de que la
salida sólo medı́a un nivel de CD y no se tenı́a claro de cuál
era la causa de esta respuesta por parte del sistema.
La última complicación presentada fue que por un
problema de compatibilidad los archivos necesarios para
hacer el circuito creaban un error a la hora de ejecutar el
simulador, lo que complicó grandemente el diseño del sistema.
En términos generales, las complicaciones presentadas a la
hora de realizar el oscilador de anillo fueron meramente por
la inexperiencia con este programa que no se habı́a usado
hasta ahora, sin embargo, siempre se buscó una salida ante
las adversidades presentadas, lo que finalmente llevó a un
desarrollo satisfactorio del circuito presentado en este escrito,
ası́ como los resultados esperados con base en las referencias
utilizadas[1].
Los osciladores de anillo son una herramienta fundamental
en el ámbito de la electrónica, brindando soluciones flexibles
para la producción y evaluación de señales oscilantes. A
través de su diseño y operación, se pueden adaptar para
diversas aplicaciones, desde sistemas de comunicación, relojes
y medidores de frecuencia. No obstante, al igual que cualquier
instrumento, comprender sus atributos, limitaciones y desafı́os
es crucial para asegurar un rendimiento eficaz y adecuado.
Con un diseño meticuloso y una selección apropiada de
componentes, los anillos osciladores seguirán desempeñando
un papel fundamental en la innovación electrónica.
R EFERENCIAS
[1]
[2]
B. Razavi, Fundamentals of microelectronics. John Wiley
& Sons, 2013.
Matan, Anillos oscillators: How it works, application
amp; advantages, nov. de 2023. dirección: https://www.
electricity-magnetism.org/es/anillos-oscillators/.