Condensatori e induttori possono essere combinati per creare circuiti risonanti, che hanno caratteristiche di frequenza pronunciate. La quantità di capacità e induttanza di questi dispositivi determina sia la frequenza di risonanza che la nitidezza della curva di risposta (nota come Q) che questi circuiti presentano.

Se la capacità e l’induttanza sono in parallelo, alla risonanza il circuito LC parallelo si comporta come un circuito aperto con la corrente del circuito determinata da qualsiasi resistenza nel circuito. Così l’impedenza totale di un circuito a risonanza parallela alla risonanza diventa solo il valore della resistenza.

Ci sono molte applicazioni per i circuiti risonanti, tra cui la sintonizzazione selettiva nei trasmettitori e ricevitori radio e la soppressione delle armoniche indesiderate.

In una discussione sull’oscillatore LC, è la risonanza parallela che interessa. Un induttore e un condensatore in configurazione parallela sono noti come un circuito serbatoio. Una condizione di risonanza si verifica nel circuito quando
XC = XL o 1/2πfC = 2πfL

Dove f è la frequenza e C è la capacità e L è l’induttanza.

La risonanza avviene quando la reattanza induttiva e capacitiva sono uguali, cioè 2πfL = 1/2πfC. Questo può accadere solo ad una certa frequenza. L’equazione può essere semplificata in:

Da questa informazione è possibile, conoscendo i parametri capacitivi e induttivi di un circuito, trovare la frequenza di risonanza. In alternativa, se si desidera una data frequenza di risonanza, si possono scegliere i valori di L e C.

In un circuito risonante, Q indica la qualità. Q è il picco (cioè il massimo) di energia immagazzinata in un circuito risonante rispetto all’energia dissipata nel corso di un ciclo. È il rapporto tra la frequenza di risonanza fr e la larghezza di banda Bw. Poiché la larghezza di banda è nel denominatore, un circuito che ha un Q più alto avrà meno larghezza di banda: Q = fr/Bw

Ma bisogna dire che in alcune applicazioni, il Q di un circuito risonante è intenzionalmente ridotto. Questo può essere fatto introducendo una resistenza “Q spoiling”. Oltre ad essere importante nei circuiti elettronici, il Q è rilevante nei sistemi oscillanti meccanici, acustici, ottici e di altro tipo.

In generale, un oscillatore in un circuito elettronico converte la tensione di alimentazione DC in un’uscita AC, che può consistere in una varietà di forme d’onda, frequenze, ampiezze e duty cycle. Oppure l’uscita può essere un’onda sinusoidale di base senza altri contenuti armonici.

Un oscillatore LC, un sottotipo di oscillatore elettronico, è spesso visto in applicazioni a radiofrequenza a causa della sua uscita di alta qualità e del design semplice. Consiste in un amplificatore che incorpora un feedback positivo (rigenerativo) insieme a un circuito risonante LC con un adeguato parametro Q.

L’obiettivo nella costruzione di un amplificatore è quello di progettare un circuito che non andrà in oscillazione. In un amplificatore non destinato a funzionare come un oscillatore, una quantità limitata di feedback positivo può essere utilizzata per aumentare il guadagno. Una resistenza variabile può essere messa in serie con il feedback per evitare che il circuito vada in oscillazione. In un auditorium con un sistema PA, è necessario mantenere la separazione tra altoparlante e microfono per controllare il feedback e prevenire l’oscillazione. La distanza tra il microfono e l’altoparlante si comporta come una resistenza per le onde a frequenza audio.

Gli oscillatori CL (a differenza degli oscillatori RC, che non sono risonanti e si basano solo su una costante di tempo) sono sintonizzati per suonare a una frequenza specifica a seconda dell’interazione delle reattanze capacitive e induttive. Sono analoghi ai risonatori elettromeccanici come gli oscillatori a cristalli di quarzo.

Il processo di misurazione della frequenza di risonanza di un circuito oscillatore inizia accoppiando un generatore di segnali RF al circuito. L’accoppiamento tra il generatore e l’oscillatore deve essere lasco. Altrimenti, la resistenza di uscita del generatore può caricare il circuito e ridurre il suo Q.

Poi impostiamo il generatore alla frequenza alla quale vogliamo misurare il Q. Regoliamo il circuito dell’oscillatore (spesso ruotando il condensatore dell’accordatore) per vedere la massima tensione in una sonda collegata al circuito del serbatoio. Il circuito è ora in risonanza, questa frequenza è la frequenza di risonanza del circuito.

Misuriamo quindi la tensione del circuito oscillatore alla frequenza di risonanza. Variiamo la frequenza del generatore un po’ sopra e sotto la risonanza e determiniamo le due frequenze in cui la tensione sul circuito è 0,707 volte il valore alla risonanza. La tensione a 0,707 volte la risonanza è il punto -3 dB.

La larghezza di banda dell’oscillatore è la differenza tra le frequenze corrispondenti a questi due punti 0,707. Quindi Q è la frequenza di risonanza divisa per questa larghezza di banda.

La configurazione di prova include tipicamente un generatore di segnali, una bobina di accoppiamento, un oscilloscopio e una sonda 1:100. L’uscita del generatore di segnali si collega alla bobina di accoppiamento con circa 50 giri. Per le frequenze nella gamma megahertz, mettiamo la bobina di accoppiamento a circa 20 cm dal circuito dell’oscillatore. La distanza di 20 cm ha lo scopo di dare un accoppiamento lasco tra la bobina e l’oscillatore.

Poi colleghiamo la sonda al circuito dell’oscillatore. La connessione a terra della sonda deve collegarsi all’alloggiamento del condensatore dell’accordatore. La sonda si collega all’oscilloscopio. La sonda costituisce un piccolo carico del circuito, quindi il Q in genere non scende molto. Ci sono anche sonde 1:1 e 1:10, ma queste possono caricare il circuito dell’oscillatore. Una sonda 1:100 ha tipicamente una resistenza d’ingresso di 100 MΩ e una capacità d’ingresso di 4 pF.

A causa dell’attenuazione 100x nella sonda, l’uscita del generatore di segnali generalmente deve essere impostata abbastanza alta.

Un generatore di sweep può semplificare alcuni aspetti di questa misura. L'”uscita sweep” si collega all’ingresso X dell’oscilloscopio con l’oscilloscopio in modalità X-Y. Ora la traccia dell’oscilloscopio va da sinistra a destra con il lato sinistro che è la frequenza di inizio e il lato destro la frequenza di fine. Un buon punto di partenza è con la frequenza di sweep impostata a circa 10 Hertz.

L’ingresso Y dell’oscilloscopio è collegato all’oscillatore tramite la sonda 1:100. L’uscita RF del generatore di sweep si collega alla bobina di accoppiamento, che è posta a circa 20 cm dalla bobina dell’oscillatore.

Possiamo girare il condensatore dell’accordatore e ottenere la curva dell’oscillatore sullo schermo dell’oscilloscopio. La manopola dell’ampiezza del generatore di sweep regola l’altezza del picco della curva. Il grande vantaggio di questo metodo è che i cambiamenti nella frequenza di risonanza del circuito dell’oscillatore possono essere visti direttamente sullo schermo. Inoltre, i cambiamenti nel Q saranno evidenti perché l’altezza del picco cambierà.

Gli oscillatori CL sono disponibili sotto forma di diversi sottotipi:

– L’oscillatore Armstrong, inventato nel 1912 da Edwin Armstrong, fu il primo oscillatore elettronico, in opposizione agli oscillatori meccanici come il pendolo che erano in circolazione da sempre. L’oscillatore Armstrong fu originariamente utilizzato nei trasmettitori a valvole. In seguito servì nel ricevitore rigenerativo dove il segnale RF dall’antenna si accoppiava all’induttanza LC per mezzo di una bobina ausiliaria. La bobina poteva essere regolata per evitare che il circuito oscillasse. Questo stesso circuito funzionava per demodulare il segnale RF.

– L’oscillatore Colpitts, inventato da Edwin Colpitts nel 1918, deriva la retroazione da ciò che può essere considerato una capacità a centro corsa. Questo è in realtà un divisore di tensione composto da due condensatori in serie. Il dispositivo attivo, un amplificatore, può essere un transistor a giunzione bipolare, un transistor a effetto di campo, un amplificatore operativo o un tubo a vuoto. L’uscita si ricollega all’ingresso attraverso un circuito LC accordato che costituisce un filtro passabanda che suona alla frequenza desiderata.

Un oscillatore Colpitts può funzionare come un oscillatore a frequenza variabile – come in un ricevitore supereterodina o un analizzatore di spettro – quando l’induttore è reso variabile. Questo avviene invece accordando uno dei condensatori o introducendo un condensatore variabile separato in serie con l’induttore.

– Un oscillatore Hartley, inventato da Ralph Hartley nel 1915, è un’immagine speculare dell’oscillatore Colpitts. La differenza è che piuttosto che una capacità con presa centrale in congiunzione con un induttore, impiega un’induttanza con presa centrale in congiunzione con un condensatore. Il segnale di retroazione proviene dall’induttore con la punta centrale o dalla connessione in serie tra due induttori.

Queste induttanze non devono essere reciprocamente accoppiate, quindi possono essere costituite da due bobine separate collegate in serie piuttosto che da un singolo dispositivo con la punta centrale. Nella variante che ha una bobina con il centro, l’induttanza è maggiore perché i due segmenti sono accoppiati magneticamente.

Nell’oscillatore Hartley, la frequenza può essere facilmente regolata usando un condensatore variabile. Il circuito è relativamente semplice, con un basso numero di componenti. Un oscillatore altamente stabile in frequenza può essere costruito sostituendo il condensatore con un risonatore a cristallo di quarzo.

– L’oscillatore Clapp, un altro dispositivo LC, consiste similmente in un transistor o un tubo a vuoto con una rete di feedback basata sull’interazione di induttanza e capacità impostata sulla frequenza operativa desiderata. È stato inventato da James Clapp nel 1948. Assomiglia al circuito Colpitts, con un terzo condensatore posto in serie all’induttore. È un miglioramento rispetto all’oscillatore di Colpitts, in cui l’oscillazione può non presentarsi a certe frequenze creando delle lacune nello spettro.

– L’oscillatore di Peltz differisce dagli oscillatori Colpitts, Clapp e Hartley in quanto utilizza due transistor piuttosto che un singolo dispositivo di amplificazione. Come altri oscillatori, l’obiettivo è quello di fornire un guadagno combinato maggiore dell’unità alla frequenza di risonanza in modo da sostenere l’oscillazione.

Un transistor può essere configurato come un amplificatore a base comune e l’altro come un inseguitore di emettitore. Il serbatoio LC, con impedenza minima alla frequenza di risonanza, presenta un carico pesante al collettore. L’uscita dell’inseguitore di emettitore collegato di nuovo all’ingresso del transistor a base comune mantiene l’oscillazione nel circuito di Peltz.

Per costruire un oscillatore LC che sia elettricamente sintonizzabile, un varactor (condensatore variabile di tensione) è posto nel circuito LC. Il varattore è un diodo a polarizzazione inversa. La capacità di qualsiasi giunzione PN, come in un diodo, scende all’aumentare della polarizzazione inversa. In particolare, la quantità di polarizzazione inversa determina lo spessore della zona di esaurimento all’interno del semiconduttore. Lo spessore della zona di esaurimento è proporzionale alla radice quadrata della tensione che inverte la polarizzazione del diodo e la capacità è inversamente proporzionale a tale spessore, e quindi è inversamente proporzionale alla radice quadrata della tensione applicata.

Si può commutare l’uscita di un semplice alimentatore CC attraverso una gamma di resistenze o una resistenza variabile per sintonizzare l’oscillatore. I varattori sono progettati per sfruttare efficacemente questa proprietà.

Un solido con qualsiasi grado di elasticità vibrerà in qualche misura quando viene applicata energia meccanica. Un esempio è un gong colpito da un martello. Se può essere fatto suonare continuamente, può funzionare come un circuito risonante in un oscillatore elettronico.

Il cristallo di quarzo è perfettamente adatto a questo ruolo perché è altamente stabile per quanto riguarda la sua frequenza di risonanza. La frequenza di risonanza dipende dalla dimensione e dalla forma del cristallo. Con una precisione fino a un secondo in 30 anni, gli oscillatori al quarzo hanno sostituito i pendoli negli orologi e sono stati insuperati in precisione per anni, fino agli anni ’50, quando sono entrati in scena gli orologi atomici.

Il cristallo di quarzo come risonatore ha l’incredibile virtù dell’elettricità inversa. Ciò significa che se opportunamente tagliato, messo a terra, montato e dotato di terminali, reagirà a una tensione applicata cambiando leggermente forma. Quando la tensione viene rimossa, tornerà alla sua configurazione spaziale originale, generando una tensione che può essere misurata ai terminali. Questa vibrazione costituisce la sua frequenza di risonanza.

Il cristallo di quarzo ha un’altra virtù, che è che è poco costoso, quindi è ampiamente utilizzato in molte applicazioni tra cui i migliori oscilloscopi del mondo, analizzatori di spettro e generatori di frequenza arbitrari.