BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ 1 Khái quát chung về tạo dao động điều hòa 1 1 Những vấn đề chung Ngoài các mạch khuếch đại điện thế và công suất, dao động cũng là loại mạch căn bản của ngành điện tử Mạch dao động được sử dụng phổ biến trong các thiết bị viễn thông Một cách đơn giản, mạch dao động là mạch tạo ra tín hiệu 1 2 Sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần + Dùng nguồn ổn áp + Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ + Giảm ảnh hưởng.
BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ Khái quát chung tạo dao động điều hịa 1.1 Những vấn đề chung Ngồi mạch khuếch đại điện công suất, dao động loại mạch ngành điện tử Mạch dao động sử dụng phổ biến thiết bị viễn thông Một cách đơn giản, mạch dao động mạch tạo tín hiệu 1.2 Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc Để đạt yêu cầu mạch tạo dao động cần: + Dùng nguồn ổn áp + Dùng phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ + Giảm ảnh hưởng tải đến mạch tạo dao động mắc thêm tầng đệm + Dùng linh kiện có sai số nhỏ + Dùng phần tử ổn nhiệt Điều kiện dao động mạch tạo dao động (theo cách truyền thống) sử dụng mạch hồi tiếp dương Như hình Khi nối a’ với a vào nhau, ta khơng cần tín hiệu vào mà mạch tự dao động 1.3 Điều kiện làm việc Như sơ đồ mạch dao động tần số mà thoả mãn: 1.4 Đặc điểm phân loại Tổng quát, người ta thường chia làm loại mạch dao động: Dao động điều hòa (harmonic oscillators) tạo sóng sin dao động tích (thư giãn - relaxation oscillators) thường tạo tín hiệu không sin cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular, square) Các phương pháp ổn định chế độ làm việc 2.1 Ổn định biên độ dao động Khi đóng mạch, điều kiện cân pha thỏa mãn tần số đó, đồng thời KKht >1 mạch phat sinh giao động tần số Ta nói mạch trạng thái độ Ở trạng thái xác lập biên độ dao động không đối ứng với K.Kht = Để đảm bảo biên độ trạng thái xác lập, thực biện pháp sau đây: - Hank chế biên độ điện áp cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp chiều thích hợp - Dịch chuyển điểm làm việc đặc tuyến phi tuyến phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển phần tử khuếch đại - Dùng mạch hồi tiếp phi tuyens dùng phần tử hiệu chỉnh Ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông Diode 2.2 Ổn định tần số dao động Vấn đề ổn định tân số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân pha Khi dịch pha điện áp hồi tiếp đưa điện áp ban đầu thay đổi dẫn đến thay đổi tần số dao động Điều kiện cân pha : ϕ = ϕK + ϕht = 2πn Cho n = ⇒ ϕK + ϕht = ϕK, ϕht : phụ thuộc vào tham số m, n phân tử mạch khuếch đại mạch hồi tiếp phụ thuộc ω ϕK (m, ω) + ϕht (n, ω) = (**) Vi phân toàn phần biến đổi (**) ta nhận biểu thức : Từ biểu thức ta suy biện pháp nâng cao độ ổn định tần số : Thực biện pháp nhằm giảm thay đổi tham số mạch hồi tiếp (dn) mạch khuếch đại (dm) - Dùng nguồn ổn áp - Dùng phần tử có hệ số nhiệt nhỏ - Giảm ảnh hưởng tải đến mạch dao động cách mắc thêm tầng đệm đầu tầng dao động - Dùng linh kiện có sai số nhỏ - Dùng phần tử ổn định nhiệt Dùng biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số mạch, nghĩa giảm cách chọn mạch dao động thích hợp 3 Thực biện pháp làm tăng tốc độ thay đổi góc pha theo tần số, tức xung quanh tần số dao động cách sử dụng phần tử có phẩm chất cao, ví dụ thạch anh BÀI 2: MẠCH DAO ĐỘNG DỊCH PHA Khái quát chung 1.1 Sơ đồ khối Phase Shift Oscillator mạch dao động điện tử tạo sóng Sine Nó thiết kế cách sử dụng bóng bán dẫn cách sử dụng Op-amp làm khuếch đại đảo Nói chung, dao động dịch pha sử dụng tạo dao động âm Trong dao động dịch pha RC, dịch chuyển pha 180 độ tạo mạng RC 180 độ khác tạo Op-amp, sóng tạo bị đảo ngược 360 độ 1.2 Sơ đồ tương đương Pha chu kỳ đầy đủ sóng hình sin tham chiếu 360 độ Một chu kỳ hoàn chỉnh định nghĩa khoảng thời gian cần thiết để dạng sóng trả giá trị ban đầu tùy ý Pha biểu thị vị trí nhọn chu kỳ dạng sóng Nếu nhìn thấy sóng hình sin dễ dàng xác định pha Trong hình trên, chu kỳ sóng hồn chỉnh hiển thị Điểm xuất phát ban đầu sóng hình sin pha độ xác định đỉnh âm dương điểm, có pha 90, 180, 270, 360 độ Vì vậy, tín hiệu hình sin bắt đầu, có hành trình khác với tham chiếu độ, chúng tơi gọi chuyển pha phân biệt với tham chiếu độ Nếu nhìn thấy hình ảnh tiếp theo, xác định sóng hình sin lệch pha trông giống nào… Trong hình ảnh này, có hai sóng tín hiệu hình sin xoay chiều trình bày, sóng hình sin màu xanh có pha 360 độ sóng màu đỏ lệch pha 90 độ so với pha tín hiệu màu xanh Việc chuyển pha thực mạng RC đơn giản Hình hiển thị mạch RC dịch pha bậc mạch bậc thang làm dịch chuyển pha tín hiệu đầu vào nhỏ 60 độ Lý tưởng nhất, độ lệch pha sóng đầu mạch RC phải 90 độ, thực tế khoảng 60 độ, tụ điện khơng phải lý tưởng Cơng thức tính góc pha mạng RC đề cập đây: φ = tan -1 (Xc / R) Trong đó, Xc điện kháng tụ điện R điện trở kết nối mạng RC Nếu phân tầng mạng RC, nhận dịch pha 180 độ Mạch dao động dịch pha dùng BJT 2.1 Sơ đồ mạch điện 2.2 Tác dụng linh kiện + Q: Khuếch đại đảo pha + C1, C2, C3: Vai trò dịch pha tổng 180 độ (Mỗi tụ dịch pha 60 độ) + R3: Thay đổi tần số giao động mạch 2.3 Nguyên lý làm việc Điểm mạch mắc theo kiểu E chung Sự hồi tiếp từ cực C đến cực B qua linh kiện C1, C2, C3, R1, R2,R3 nối tiếp với đầu vào Điện trở R có tác dụng biến đổi tần số mạch dao động Đối với mạch dich pha RC để tạo dịch pha 600 C1=C2=C3 Và R1=R2=R3 Tần số mạch dao động fo tính: fo= 2π C1 R12 R1.Rc Hoạt động mạch sau: Khi cấp nguồn Qua cầu chia R b1 Rb2 Q dẫn điện, điện áp cực C Tranzito Q giảm đưa trở qua mạch hồi tiếp C1,C2, C3 R1, R2, R3 di pha góc 1800 nên có biên độ tăng chiều với ngõ vào (Hồi tiếp dương) Transistor tiếp tục dẫn mạnh đến dẫn bão hoà tụ xả điện làm cho điện áp cực B Transistor giảm thấp, Transistor chuyển sang trạng thái ngưng dẫn đến xả hết điện, điện áp cực B tăng lên hình thành chu kỳ dẫn điện Hình thành xung tín hiệu ngõ Điểm quan trọng cần ghi nhớ đường vòng hồi tiếp phải thoả mãn điều kiện pha tín hiệu ngõ qua mạch di pha phải lệch góc 180 0, khơng thoả mãn điều kiện mạch khơng thể dao động được, dạng tín hiệu ngõ bị biến dạng không đối xứng Mạch thường dùng để tạo xung có tần số điều chỉnh mạch dao động dọc kỹ thuật truyền hình, mạch làm việc ổn định nguồn cung cấp không ổn định độ ẩm môi trường thay đổi nên sử dụng điện tử công nghiệp thiết bị cần độ ổn định cao tần số 2.4 Lắp ráp, khảo sát mạch dao động dịch pha dùng BJT Bước 1: Lắp ráp mạch hình dưới: Bước 2: Đo ghi nhận giá trị điện áp phân cực VBE, VCE = …… Bước 3: dùng dao động ký đo vẽ dạng sóng điểm A, B, C, D, E - Đo vẽ dạng sóng tín hiệu điện áp điểm A (kênh 1) điểm B (kênh 2) Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div: - Volts/Div: - Volts/Div: - Đo vẽ dạng sóng tín hiệu điện áp điểm C (kênh 1) điểm D (kênh 2) Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div: - Volts/Div: - Volts/Div: - Đo vẽ dạng sóng tín hiệu điện áp điểm E (kênh 1) Kênh 1: - Time/Div: - Volts/Div: Bước 4: Đo tần số dao động mạch f = …………… Mạch dao dộng dịch pha dùng vi mạch thuật toán (OA) 3.1 Sơ đồ mạch điện 3.2 Tác dụng linh kiện + U1: Khuếch đại đảo + C1, C2, C3, R1, R2, R3: Tạo tháng mạch dao động RC có vai trị dịch pha tổng 180 độ (Mỗi tụ dịch pha 60 độ) 3.3 Nguyên lý làm việc 10 1/ So sánh dạng điện áp Vo lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào tín hiệu ra)? 2/ Giải thích dạng điện áp Vo theo khoảng thời gian cho lần đo? 3/ So sánh dạng điện áp ngõ vào ngõ lần đo với lý thuyết học? Nếu khác sao? B Mạch Xén Âm Mạch xén song song Điều chỉnh nguồn tín hiệu sóng sin, biên độ 10V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh →30V chỉnh Vdc = 5V Đo vẽ điện áp VI (kênh 1) Vo (2) vào hình 3.15 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div 1/ So sánh dạng điện áp Vo lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào tín hiệu ra)? 2/ Giải thích dạng điện áp Vo theo khoảng thời gian cho lần đo? 3/ So sánh dạng điện áp ngõ vào ngõ lần đo với lý thuyết học? Nếu khác sao? Mạch xén nối tiếp Điều chỉnh nguồn tín hiệu sóng sin, độ 10V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh 0→30V chỉnh Vdc = 5V Đo vẽ điện áp VI (kênh 1) Vo (kênh 2) vào hình 3.22 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div 1/ So sánh dạng điện áp Vo lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào tín hiệu ra)? 2/ Giải thích dạng điện áp Vo theo khoảng thời gian cho lần đo? 3/ So sánh dạng điện áp ngõ vào ngõ lần đo với lý thuyết học? Nếu khác sao? C Mạch xén hai mức độc lập Điều chỉnh nguồn tín hiệu sóng sin, biên độ 10V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh 0→30V điề chỉnh Vdc1 = 5V Dùng nguồn điều chỉnh -30→0V điều chỉnh Vdc2 = -5V Đo vẽ điện áp VI ( kênh 1) Vo ( kênh2) vào hình 3.29 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div 1/ So sánh dạng điện áp Vo lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào tín hiệu ra)? 2/ Giải thích dạng điện áp Vo theo khoảng thời gian cho lần đo? 3/ So sánh dạng điện áp ngõ vào ngõ lần đo với lý thuyết học? Nếu khác sao? Mạch ghim điện áp xung 2.1 Khái quát chung Mạch kẹp hay gọi mạch ghim điện áp mạch đặt đỉnh dương âm tín hiệu mức mong muốn Thành phần DC thêm trừ từ tín hiệu đầu vào Mạch ghim cịn gọi phục hồi thành phần điện áp DC dịch mức tín hiệu ac Trong số trường hợp, máy thu TV, tín hiệu qua mạng ghép điện dung, thành phần dc Đây mạch kẹp sử dụng để lấy lại thành phần dc vào đầu vào tín hiệu Mặc dù thành phần dc bị trình truyền tải không giống thành phần đưa vào thông qua mạch kẹp, việc thiết lập cực trị tín hiệu âm dương mức tham chiếu điều quan trọng Các loại mạch kẹp - Mạch kẹp mức biên độ dương : tín hiệu ( dạng sóng ) di chuyển lên phía - Mạch kẹp mức biên độ âm : tín hiệu di chuyển xuống phía 2.2 Mạch ghim mức điểm khơng Mạch có chức cố định đỉnh tín hiệu mức 0(v) Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ đến t 1, tồn xung dương, V v = + V m, Diode ngưng dẫn, tụ C nạp qua R với số thời gian τ n = RC , R lớn nên tn lớn, tn >> so với khoảng thời gian từ đến t Do tụ C gần không nạp v c = 0, V = Vv = + Vm Thời điểm t đến t 2, ngõ vào tồn xung âm, V v = -V m, Diode dẫn điện, tụ C nạp qua Diode, thời nạp τ n = rd ,C ≈ 0, vc = Vm (tụ nạp đầy tức thời), lúc V = Vv + Vc = -Vm +Vm = Thời điểm từ t đến t3, ngõ vào tồn xung dương V v = +V m, Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với số thời gian τ n = RC.τ f lớn so với bán kỳ từ t đến t 3, tụ C giữ nguyên mức điện áp V m Mạch tương đương trường hợp xem hình 3.24 Ta có Vra = VV + VC = Vm + Vm = 2V m Nhận xét Thời điểm từ đến t dạng sóng có xung dương khơng ổn định so chuỗi xung Do vậy, xung không xét đến mà xét xung ổn từ thời điểm t trở 2.3 Mạch ghim mức điểm khơng Xét tín hiệu vào chuỗi xung có biên độ max ±V m Đây mạch ghim áp đỉnh tín hiệu mức điện áp 0v Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ nhằm khắc phục nhược điểm: Khi biên độ tín hiệu vào giảm khả ghim đỉnh tín hiệu vào mức khơng Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ đến t1, thời điểm tồn xung dương đầu tiên, Vv = Vm , Diode D dẫn, tụ C nạp điện qua Diode (khơng qua R, điện trở thuận D nhỏ), cực âm tụ điểm A, tụ nạp với số thời gian là: Lúc τ n = CRd = ⇒ VC = +Vm Vτ = VV − VC = Thời điểm từ t1 đến t2, thời điểm mà ngõ vào tồn xung âm, V V = -Vm, Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương hình 3.21 Thời phóng điện τ f = CR , thời gian lớn so với khoảng thời gian từ t đến t2, tụ C chưa kịp xả mà cịn tích lại lượng điện áp V c = Vm Do vậy, v r = vv - vc = -V m -V m = - 2V m 2.4 Mạch ghim mức tùy ý a Cho mạch hình a, điện áp Vi Vdc hình b Gọi Va điện anode, Vk điện cathode Vc điện áp tụ Giả sử, ban đầu điện áp tụ Vc không - Trong khoảng thời gian < t < t1, ta thấy Va > Vk làm diode dẫn, mạch hình a trở thành: ↔ Vo = Vdc Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì, lúc này, Vc = Vi – Vo= Vm – Vdc - Trong khoảng thời gian t1 < t < t2, ta thấy Va < Vk làm diode ngưng dẫn, mạch hình a trở thành: ↔ Tụ C xả qua R Do R lớn nên tụ xả không đáng kể → Vc số suốt khoảng thời gian từ t1 đến t2 → Vc = Vm – Vdc Mà: Vo = Vi – Vc= – Vm –(Vm – Vdc)= –2Vm + Vdc - Trong khoảng thời gian t2 < t < t3: ↔ Ta có: –Vi +Vc +Vak +Vdc=0 → Vak= Vi – Vc – Vdc Do thời gian trước tụ xả không đáng kể nên thời điểm t2 điện áp tụ Vc= Vm – Vdc → Vak= Vi – (Vm – Vdc) – Vdc = Vm – Vm + Vdc – Vdc= Lúc này, diode ngưng dẫn, Vo= Vi – Vc= Vm – (Vm – Vdc)= Vdc ↔ Ta làm tương tự cho khoảng thời gian khác Từ trình bày điện áp có dạng: b Cho mạch hình a, điện áp Vi Vdc hình Gọi Va điện anode, Vk điện cathode Vc điện áp tụ Giả sử, ban đầu điện áp tụ Vc không Trong khoảng thời gian < t < t1, ta thấy Vk > Va làm diode ngưng dẫn, mạch hình a trở thành: Tụ C nạp qua điện trở R có giá trị lớn nên nạp khơng đáng kể.→Vc = 0V→Vo = Vi – Vc= Vi Trong khoảng thời gian t1 < t < t2, ta thấy Va > Vk làm diode dẫn, mạch hình a trở thành: ↔ Vo = Vdc Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì, lúc này, Vc = Vi – Vo= –Vm – Vdc Trong khoảng thời gian t2 < t < t3: Diode ngưng dẫn, tụ xả qua R nên không đáng kể → Vc số khoảng thời gian từ t2 đến t3 Vc= –Vm – Vdc Mà: Vo= Vi – Vc → Vo= Vm + (Vm + Vdc)= 2Vm +Vdc Trong khoảng thời gian t3 < t < t4: Ta có: –Vi +Vc +Vka +Vdc=0 → Vka= Vi – Vc – Vdc Do thời gian trước tụ xả không đáng kể nên thời điểm t3 điện áp tụ Vc= – Vm – Vdc → Vka = Vi + (Vm + Vdc) – Vdc = –Vm + Vm + Vdc – Vdc= →diode ngưng dẫn → Vo= Vi – Vc= –Vm +(Vm +Vdc) →s Vo= Vdc ↔ Ta làm tương tự cho khoảng thời gian khác Từ trình bày điện áp có dạng: 2.5 Lắp ráp, khảo sát mạch ghim điện áp xung A Mạch ghim đỉnh Lần 1: Điều chỉnh nguồn tín hiệu xung vuông đối xứng, biên độ 10V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh 30V điều chỉnh Vdc = 5V Đo vẽ điện áp VI (kênh 1) Vo (kênh 2) vào hình 3.36 - Kênh 1: - Kênh 2: + Time/Div: + Time /Div + Volts/Div: +Volts/Div Lần 2: Điều chỉnh nguồn tín hiệu xung vng đối xứng, biên độ 5V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh -30 0V điều chỉnh Vdc = -5V Đo vẽ điện áp VI (kênh 1) Vo (kênh 2) vào hình 3.36 - Kênh 1: - Kênh 2: + Time/Div: + Time /Div + Volts/Div: +Volts/Div 1/ So sánh dạng điện áp Vo lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào tín hiệu ra)? Cho biết điều kiện để hình dạng Vo giống Vi 2/ Giải thích dạng điện áp Vo theo khoảng thời gian cho lần đo? 3/ So sánh dạng điện áp ngõ vào ngõ lần đo với lý thuyết học? Nếu khác sao? B Mạch ghim đỉnh Lần 1: Đối xứng, biên độ 10V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh -30V điều chỉnh Vdc = -5V Đo vẽ điện áp VI (kênh 1) Vo (kênh2) Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Lần 2: Điều chỉnh nguồn tín hiệu xung vng đối xứng, biên độ 5V, tần số 1KHz cấp vào VI mạch Dùng nguồn điều chỉnh 30V điều chỉnh Vdc = 5V Đo vẽ điện áp VI (kênh 1) Vo (kênh 2) vào hình 3.44 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div 1/ So sánh dạng điện áp Vo lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào tín hiệu ra)? Cho biết điều kiện để hình dạng Vo giống Vi 2/ Giải thích dạng điện áp Vo theo khoảng thời gian cho lần đo? 3/ So sánh dạng điện áp ngõ vào ngõ lần đo với lý thuyết học? Nếu khác sao? ... C2 đưa vào cực B2 làm T2 ngưng Thời gian ngưng dẫn T2 thời gian tụ C2 xả điện qua RB2 Sau tụ C2 xả song, cực B2 lại phân cực nhờ RB2 nên T2 dẫn bão hòa làm VC2=VCEsat ≈ 0,2V Điều làm tụ C xả điện. .. BJT 2. 1 Sơ đồ mạch điện 2. 2 Tác dụng linh kiện - T1, T2 hai phần tử tích cực RB2 định thiên cho T1 RB1 định thiên cho T2 RC1tải cho T1 RC2 Tải cho T2 - 45 R5, R6 hạn dòng cho LED1, LED2 C1, C2,... R1, R2, C1,C2 R3=R2 C1=C2 22 10 4.7 K K K K Ω Ω Ω Ω 1μ 10 10 1μ F μF 0μ F F Tính tần số dao động * Lắp ráp mạch vẽ với thông số sau: Nguồn Vcc = 12V, R3= R2 = 22 KΩ; R1= R4 = 1KΩ, VR1 = 25 0KΩ,