MẠCH KHUẾCH ĐẠI B JT
Điểm làm việc tĩnh và đường tải một chiều
Tầng khuếch đại BJT mắc emitter chung (CE) yêu cầu phân cực thuận cho chuyển tiếp JE và phân cực nghịch cho chuyển tiếp JC để có khả năng khuếch đại tín hiệu Nguồn E1 và điện trở RB tạo ra điện áp một chiều giúp phân cực thuận cho JE, xác định dòng IB và điện áp VBE ở mạch vào với các giá trị IBQ và VBEQ, tạo thành điểm làm việc tĩnh ngõ vào (điểm Q) Tương tự, nguồn E2 và điện trở Rc tạo ra điện áp nghịch cho JC, xác định dòng Ic và điện áp VCE ở mạch ra với các giá trị ICQ và VCEQ, hình thành điểm làm việc tĩnh ngõ ra.
Hình 1.4 Tầng khuếch đại đom giản
Hình 1.5 Đặc tuyến vào và đường tải của mạch vào
Như vậy, với một transistor đă cho, nguồn E], E2 cùng các điện trờ phân cực
Rb và Rc đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giá trị tức thời của dòng điện và điện áp trên BJT, từ đó ảnh hưởng đến vị trí điểm làm việc tĩnh của BJT trên đặc tuyến.
Ta có thế tìm được các giá trị tức thời nói trên cùa dòng và áp nhờ phương pháp đồ thị.
Trong mạch vào của BJT, dòng IB và áp VBE có mối quan hệ chặt chẽ theo đặc tuyến tĩnh, như thể hiện trong hình 1.5, đường số 1 Đồng thời, chúng cũng phải tuân thủ định luật cơ bản liên quan đến hoạt động của transistor.
Ohm trong mạch đó: Đồ thị của hàm nàv (dạng y = ax + b) là đường thẳng AB trên hình 1.5 (cắt trục hoành tại E), cắt trục tung tại E]/RB).
Giao điểm của hai đồ thị xác định giá trị tức thời của dòng điện (IBQ) và điện áp (VBEq) trong mạch, đồng thời thỏa mãn cả hai quan hệ Điều này cũng thể hiện công làm việc tĩnh Q của mạch vào, trong đó AB được gọi là đường tải một chiều.
Hình 1.6 Đặc tuyến ra và đường tải của mạch ra
Trong mạch ra, dòng Ic và áp VCE có mối quan hệ chặt chẽ theo đặc tuyến ra của BJT, như thể hiện trong hình 1.6, đường số 1 với dòng IB = IBQ Đồng thời, chúng cũng cần tuân thủ định luật Ohm trong mạch này.
E2 = IcRc + Vce hay Ic = - - L v CE+ | i (1.8) Đường biểu diễn của hàm này là đường thẳng MN, có độ dốc tg0 = — — cất
Rc trục hoành tai hoành đô E2, cãt truc tung tai tung đ ô — (hình 1.6) và có tên là đườngE
Điểm làm việc tĩnh của ngõ ra được xác định bởi giao điểm của hai đồ thị, với tọa độ là dòng điện I CQ và áp suất VCEQ R c tải một chiều của mạch ra đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hiệu suất và ổn định của hệ thống điện.
Trạng thái động - Đồ thị thời gian
Trạng thái động của BJT (hoặc FET) xảy ra khi tín hiệu xoay chiều được đưa vào, dẫn đến sự xuất hiện của điện áp và dòng điện xoay chiều ở ngõ ra Tín hiệu xoay chiều này chồng lên điện áp phân cực tĩnh, làm cho dòng và điện áp trong mạch vào và ra biến đổi theo tín hiệu Hình 1.7 minh họa đồ thị thời gian của các dòng ở trạng thái tĩnh, trong khi hình 1.8 thể hiện các dòng tương ứng ở trạng thái động với tín hiệu hình sin.
Hình 1.7 Các dòng điện ở trạng thái tĩnh
Ilình 1.8 ĐÒ thị thòi gian của các dòng diện ở trạng thái động ằ
Dòng điện tức thời trong trạng thái động được coi là tổng đại số của hai thành phần: thành phần một chiều đại diện cho trạng thái tĩnh và thành phần xoay chiều do tín hiệu gây ra Công thức biểu diễn dòng collector là ic(t) = IcQ + ic~, trong đó IcQ là thành phần một chiều và ic~ là thành phần xoay chiều.
Các thành phần của dòng điện tức thời được thể hiện qua hình 1.9, cho thấy dạng sóng của các dòng điện iB và ic như trong hình 1.8 Để phân tích, chúng ta dựa vào nguyên lý hoạt động của BJT hoặc áp dụng định luật Ohm Đồ thị thời gian của các điện áp cũng được luận giải tương tự, đặc biệt là trong mạch ra.
Từ dạng sóng ic(t) ở hình 1.8c, chúng ta có thể vẽ được dạng sóng vCE(t) như trong hình 1.1 Oa Điệp áp vCH(t) có thể được xem như là tổng của hai thành phần: thành phần một chiều V CFQ và thành phần xoay chiều VCE_.
VcF.(t) = Vce + VCE_ (1-10) như minh họa trên hình l.lOb và c.
Hình 1.10 Các thành phần của điện áp tức thời VC E
3 Đưòìig tải xoay chiều (còn gọi: đường tải động)
Đường tải MN trong trạng thái tĩnh phản ánh định luật Ohm trong mạch ra, với điểm làm việc tĩnh Q được xác định bởi giao điểm của đặc tuyến dòng một chiều và đường tải Khi điện áp phân cực thay đổi, dòng vào cũng thay đổi, dẫn đến các điểm làm việc tĩnh mới Q2, Q3, trên đường tải Mỗi điểm trên đường tải xác định một cặp giá trị tương ứng của dòng Ic và điện áp VCE Trong trạng thái động, khi có tín hiệu xoay chiều, cặp giá trị dòng ic(t) và điện áp vCE(t) xác định điểm làm việc động trên đặc tuyến ra Khi biên độ tín hiệu thay đổi, điểm làm việc động di chuyển trên đường tải xoay chiều, thể hiện định luật Ohm cho các đại lượng ic(t) và vCE(t) trong mạch ra.
Gọi R_ là điện trở tải đối với tín hiệu xoay chiều của mạch ra:
Công thức độ dốc của đường tải xoay chiều trong mạch ra được thể hiện qua biểu thức tg6 = - - t - (1.12), trong đó K là hằng số và ô là góc mà đường tải xoay chiều tạo với trục hoành Vce Các thành phần xoay chiều của dòng và áp suất được mô tả trong hình 1.9c và 1.10c.
Trạng thái tĩnh có thể được xem là một trường hợp đặc biệt của trạng thái động, tương ứng với biên độ vs bằng không Khi biên độ vs thay đổi, điểm làm việc động di chuyển trên đường tải xoay chiều, và khi biên độ vs bằng không, điểm làm việc động trở về với điểm làm việc tĩnh Điều này chứng tỏ rằng điểm làm việc tĩnh là một điểm đặc biệt nằm trên đường tải xoay chiều Do đó, cả đường tải một chiều và xoay chiều đều chứa điểm làm việc tĩnh, với điểm làm việc tĩnh Q là giao điểm của hai đường tải này.
Từ các nhận xét trên ta suy ra: đường tải xoay chiều là một đường thẳng đi qua điểm làm việc tĩnh Q và có độ dốc xác định bởi (1.12).
Khái niệm đường tải xoay chiều đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hoạt động của tầng khuếch đại một cách rõ ràng và chính xác Nó giúp minh họa cách lựa chọn tải cùng với biên độ tín hiệu vào và ra, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của phần tử khuếch đại.
4 Chế độ làm việc DC và phấn cực BJT
4.1 Chế độ làm việc DC
Tùy theo vị trí điểm làm việc tĩnh trên đường tải xoay chiều, người ta phân biệt các chế độ làm việc sau đây:
Khi chọn điện áp phân cực để điểm tĩnh Q nằm giữa đoạn MN trên đường tải xoay chiều, với M và N là giao điểm của đường tải với đặc tuyến ra tại dũng cực đại IBmax và dũng cực tiểu IBmin, ta nói phần từ khuếch đại hoạt động ở chế độ A Đặc điểm của chế độ này được minh họa rõ ràng trong hình 1.11.
• Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến.
Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác không, cho thấy rằng ngay cả trong trạng thái tĩnh, tầng khuếch đại vẫn tiêu hao một lượng năng lượng đáng kể Biên độ dòng và áp xoay chiều tối đa (Icm, VCEm) chỉ tương đương với dòng và áp tĩnh, dẫn đến chế độ A có hiệu suất thấp Hiệu suất T| được định nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều cung cấp cho tải và tổng công suất tiêu thụ của tầng khuếch đại, với hiệu suất tối đa thường chỉ đạt khoảng 25%.
• Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch dại tín hiệu nhỏ.
Hình 1.11 Điểm làm việc ở chế độ A 4.1.2 Chế độ B (lớp B)
Để đảm bảo phần tử khuếch đại hoạt động ở chế độ B lý tưởng hoặc chế độ B thực tế, cần chọn điện áp phân cực sao cho điểm tĩnh Q trùng với diêm D (hoặc điểm N), như thể hiện trong hình 1.12.
Các đặc điếm của chế độ này:
Khi dòng điện hoặc điện áp vào có dạng hình sin, thì dòng điện và điện áp ra sẽ chỉ còn nửa hoặc hơn nửa hình sin, điều này cho thấy hiện tượng méo phi tuyến nghiêm trọng.
Trong trạng thái tĩnh, dòng điện I CQ gần bằng 0, dẫn đến năng lượng tiêu thụ của tầng khuếch đại rất nhỏ Chỉ khi ở trạng thái động, dòng điện trung bình Ic mới bắt đầu tăng theo biên độ tín hiệu vào, làm cho năng lượng tiêu thụ tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu xoay chiều đầu ra Do đó, chế độ B cho thấy hiệu suất cao, với r|Bmax đạt 78,5%.
* Chế độ B thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất (các tầng cuối của thiết bị khuếch đại) Đe khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có
2 vế đổi xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu kỳ (mạch “đấy kéo”). c c e c o W 3 >
Chế độ AB được sử dụng như một giải pháp trung gian giữa chế độ A và chế độ B, với điểm Q được chọn ở phía trên điểm N, gần điểm này Việc áp dụng chế độ AB giúp phát huy những ưu điểm của cả hai chế độ, đồng thời giảm thiểu hiện tượng méo phi tuyến, mặc dù hiệu suất của chế độ này vẫn thấp hơn so với chế độ B.
4.1.3 Chế độ khoá (còn gọi chế độ đóng mở hay chế độ D)
Chế độ làm việc DC và phân cực BJT
Gọi R_ là điện trở tải đối với tín hiệu xoay chiều của mạch ra:
C~ ic~ và VCE~ là các thành phần xoay chiều của dòng điện và điện áp trên mạch ra Độ dốc của đường tải xoay chiều được xác định bởi công thức tg6 = - - t - (1.12), trong đó ô là góc mà đường tải xoay chiều tạo với trục hoành Vce.
Mặt khác, có thể coi trạng thái tĩnh như là một trường hợp riêng (ứng với bicn độ vs bằng không) của trạng thái động Khi biên độ vs thay đổi, điểm làm việc động di chuyển trên dường tải xoay chiều Khi biên độ vs bằng không, điểm làm việc động trở về trùng với điểm làm việc tĩnh Điều này chứng tỏ điểm làm việc tĩnh cũng chỉ là một điểm đặc biệt của đường tải xoay chiều, nằm ngay trên dường tải xoay chiều đó Như vậy, cả đường tải một chiều lẫn xoay chiều đều chứa điểm làm việc tĩnh, hay nói cách khác: điểm làm việc tĩnh Q chính là giao điểm của hai đường tải đó.
Từ các nhận xét trên ta suy ra: đường tải xoay chiều là một đường thẳng đi qua điểm làm việc tĩnh Q và có độ dốc xác định bởi (1.12).
Khái niệm đường tải xoay chiều đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hoạt động của tầng khuếch đại Nó giúp minh họa cách lựa chọn tải cũng như biên độ tín hiệu vào và ra, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của phần tử khuếch đại.
4 Chế độ làm việc DC và phấn cực BJT
4.1 Chế độ làm việc DC
Tùy theo vị trí điểm làm việc tĩnh trên đường tải xoay chiều, người ta phân biệt các chế độ làm việc sau đây:
Khi chọn điện áp phân cực để điểm tĩnh Q nằm giữa đoạn MN trên đường tải xoay chiều (M và N là giao điểm của đường tải với đặc tuyến ra ứng với dũng cực đại IBmax và dũng cực tiểu IBmin), ta xác định rằng phần từ khuếch đại hoạt động ở chế độ A Đặc điểm của chế độ này được minh hoạ rõ ràng trong hình 1.11.
• Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến.
Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác không, cho thấy ngay cả trong trạng thái tĩnh, tầng khuếch đại đã tiêu hao một lượng năng lượng đáng kể Biên độ dòng và áp xoay chiều tối đa (Icm, VCEm) chỉ bằng dòng và áp tĩnh, dẫn đến chế độ A có hiệu suất thấp Hiệu suất T được định nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đầu ra trên tải và tổng công suất tiêu thụ của tầng khuếch đại từ nguồn cấp điện, thường đạt khoảng 25%.
• Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch dại tín hiệu nhỏ.
Hình 1.11 Điểm làm việc ở chế độ A 4.1.2 Chế độ B (lớp B)
Neu chọn điện áp phân cực sao cho vị trí điểm tĩnh Q trùng với diêm D (hoặc điểm N) thì phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B lý tưởng (hoặc chế độ B thực tế), xem hình 1.12.
Các đặc điếm của chế độ này:
Khi dòng điện vào hoặc điện áp vào có dạng hình sin, dòng điện và điện áp ra sẽ chỉ còn lại nửa hoặc hơn nửa hình sin, dẫn đến hiện tượng méo phi tuyến nghiêm trọng.
Trong trạng thái tĩnh, dòng điện I CQ gần bằng 0, dẫn đến mức năng lượng tiêu thụ của tầng khuếch đại rất thấp Chỉ khi ở trạng thái động, dòng điện trung bình Ic mới bắt đầu tăng theo biên độ tín hiệu đầu vào Do đó, năng lượng tiêu thụ tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu xoay chiều đầu ra Điều này cho thấy chế độ B có hiệu suất cao, với r|Bmax đạt 78,5%.
Chế độ B thường được áp dụng trong các tầng khuếch đại công suất, đặc biệt là ở các tầng cuối của thiết bị khuếch đại Để giảm thiểu méo phi tuyến, mạch khuếch đại cần phải được thiết kế một cách chính xác.
2 vế đổi xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu kỳ (mạch “đấy kéo”). c c e c o W 3 >
Trên thực tế, người ta còn dùng chế độ AB (trung gian giữa chế độ A và chế độ B): điểm Q chọn ở phía trên điểm N và gần điểm này Lúc đó, phát huy được uy điểm cùa mỗi chế độ, giảm bớt méo phi tuyến nhưng hiệu suất kém hơn chế độ B).
4.1.3 Chế độ khoá (còn gọi chế độ đóng mở hay chế độ D)
Ngoài chế độ khuếch đại, BJT (hoặc FET) có thể hoạt động như một công tắc điện trong chế độ khoá Trong chế độ này, transistor sẽ chuyển đổi giữa hai trạng thái đối lập: trạng thái khoá (tắt) khi dòng điện Q nằm dưới điểm N và trạng thái dẫn bão hoà (mở) khi Q nằm trên điểm M, gần điểm C Đây là cách thức hoạt động của transistor khi xử lý tín hiệu xung.
Mạch phân cực đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện áp thuận cho chuyển tiếp JE và điện áp nghịch cho chuyển tiếp Jc trong chế độ khuếch đại Đối với BJT trong cấu hình khuếch đại chung (CE), khi sử dụng một nguồn điện duy nhất (ký hiệu vcc), có nhiều dạng mạch phân cực thường gặp.
4.2.1 Phân cực kiểu định dòng base (IB)
Sử dụng một điện trở R nối từ nguồn Vcc xuống cực base trong mạch N-P-N, như hình 1.13, với Rc là điện trở tải cho dòng một chiều Ic, còn được gọi là điện trở phân cực collector Hình vẽ thể hiện chiều dòng điện và điện áp trong mạch.
Hình 1.13 Tầng khuếch đại dùng BJT, phân cực kiểu định dòng IB Áp dụng định luật Ohm cho mạch vòng chứa RB và nguồn vcc ta có:
R, Điện áp trên chuyển tiếp JE phân cực thuận thường có giá trị:
Ta thấy dòng 1B có giá trị không đổi tuỳ thuộc trị số của vcc và RB Vì vậy mạch này cỏ tên là “định dòng base”.
Hay Ic = — — VCE+ - ^ - c Rc CE Rc (1.17)
Các hệ thức (1.13) + (1.17) thường dùng để xác định điểm làm việc khi đã biết Vcc, R-b, Rc và p.
Để xác định điểm tĩnh của BJT, có thể sử dụng phương pháp đồ thị thông qua việc xây dựng họ đặc tuyến vào và họ đặc tuyến ra Đường tải một chiều ngõ vào được thiết lập theo hệ thức (1.13), trong khi hàm (1.17) đại diện cho biểu thức giải tích của đường tải một chiều ngõ ra, như minh họa trong hình 1.14.
Hình 1.14 Xác định điểm làm việc tĩnh theo phương pháp đồ thị
Vớ dụ 1.1: Cho mạch điện như hỡnh 1.13 Biết VCC = 6V, R ỗ = 3KQ, RB 530KQ, transistor loại NPN cú vBE~0,7V, ò = 100 Hóy xỏc định điểm làm việc tĩnh.
Ta có: VBEQ = 0,7V; IB0 = = 0,01 mA ỉag 530 ICQ Ä òl BỌ = 100 X 0,01 = l mA
4.2.2 Phân cực định dòng ĨB và có thêm điện trở R E
Hình 1.15 Phân cực kiểu định dòng IB và có thêm điện trở ổn định dòng tĩnh
Khi nhiệt độ môi trường tăng, dòng Ic và IE của BJT sẽ gia tăng, dẫn đến sự mất ổn định của điểm tĩnh Q Tuy nhiên, trong mạch hình 1.8, việc bổ sung điện trở RE giúp cải thiện tính ổn định này.
Phân tích mạch tín hiệu nhỏ tần số thấp CE, CB, c c
Thiết bị khuếch đại thường bao gồm nhiều tầng kế tiếp nhau, trong đó các tầng đầu tiên có nhiệm vụ khuếch đại điện áp cho tín hiệu nhỏ, hoạt động ở chế độ A Các tầng cuối tập trung vào việc cung cấp tín hiệu công suất lớn, ít méo dạng và hiệu suất cao, được gọi là tầng khuếch đại công suất Bài viết này sẽ khảo sát các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ bằng phương pháp giải tích, trong đó thay thế mạch cụ thể bằng sơ đồ tương đương xoay chiều, tiến hành đơn giản hóa và tính toán các thông số đặc trưng như độ lợi áp, độ lợi dòng, điện trở vào và điện trở ra đối với tín hiệu xoay chiều.
5.1 Tầng khuếch đại dùng BJT mắc CE
Trong tầng khuếch đại này, RE đóng vai trò là điện trở ổn định, trong khi các điện trở RB1, RB2 và Rc tạo ra điện áp phân cực cho cả ngõ vào và ngõ ra Điện trở RL đại diện cho tải ở ngõ ra hoặc điện trở vào của tầng tiếp theo Sức điện động và nội trở của nguồn tín hiệu cần khuếch đại được biểu thị bằng v_s và R_s Các tụ điện C1 và C2 hoạt động như tụ phân đường hoặc tụ nối tầng, trong khi tụ CE giúp ngăn chặn hiện tượng hồi tiếp âm dòng điện xoay chiều do RE gây ra, thường được gọi là tụ thoát emitter.
Để xác định điểm làm việc tĩnh của tầng khuếch đại EC, có thể sử dụng phương pháp đồ thị hoặc phương pháp giải tích dựa trên các hệ thức (1.22) và (1.28) Tiếp theo, chúng ta sẽ khảo sát các tham số xoay chiều của mạch.
Giả sử tín hiệu đầu vào là dạng sóng sin ở miền tần số trung bình, các tụ điện C1, C2 và CE có điện dung lớn, dẫn đến trở kháng rất nhỏ, có thể coi như ngắn mạch cho các tín hiệu xoay chiều đi qua Đồng thời, các điện dung liên cực và tụ ký sinh cũng ảnh hưởng đến miền tần số này.
Trong các điều kiện không đáng kể, khi thay thế BJT bằng sơ đồ tương đương sử dụng tham số h, mạch sẽ có dạng như hình 1.23b.
Các điện áp và dòng điện được ghi trên sơ đồ thể hiện các giá trị hiệu dụng Những nhánh vẽ bằng nét dứt tương ứng với các đại lượng đã bị bỏ qua.
5.1.1 Điện trở vào Điện trở vào của tầng khuếch đại EC xác định được từ sơ đồ tương đương:
R1E = (RB / hiE) (1-46), trong đó hiE là điện trở vào của BJT khi mắc EC với ngõ ra ngắn mạch tín hiệu xoay chiều tại điểm làm việc Tham số này tương đương với riE trong mạch tương đương vật lý, được xác định theo công thức: hiE = rAE = rB + (p + l)rE ~ ò rE (1.47), với rE được tính gần đúng theo rE = — ả nhiệt độ thường Nếu có: l E[mA].
Rb ằ hịE (1-48) thì Ríe ~ hlE (1-49)
Thông thường tầng khuếch đại CE có điện trở vào cờ 600 ũ —* 2 kQ.
5.1.2 Điện trở ra Điện trở ra của tầng khuếch dại (điện trở nhìn từ hai đầu tải RL về phía trước, khi Vs = 0).
5.1.3 Độ lợi dòng Độ lợi dòng xác định bởi tỷ số giữa dòng qua tải IL và dòng tín hiệu ngõ vào Is:
A , B = f (1.51) ờ ngõ ra, điện áp trên tải có thể xác định theo dòng IL hoặc theo nguồn dòng
Tircmg tu, dien ọp giua hai diem M-N trong ngử vọo cfing cử the xọc dinh theo hai cọch:
Neu thộ man dieu kien (1.48) thi ọp dỹng (1.49) se co:
De A| Ion, trj so R khửng dugc quọ nhử so vai RL Muửn vay Rc phọi du 1cm Thirc te thuửmg chon Rc = (3 5) RL.
Do lgi ọp xọc djnh bang ty so giua dien ọp ra tren tọi vọ dien ọp vọo.
Vl _ hfElòR- (1-57) cc tu - C II
Dọu trir bieu thi dien ọp ra cỹa mach CE ngugc pha vai dien ọp vọo.
So sọnh (1.59) vai (1.54) se cử quan he:
Avt = - AiE (1.60) h ,E Neu thộ man dieu kien (1.48), ung dỹng (1.55) vọ chu y den (1.47) se cư bieu thirc gọn dỹng:
C ũng vậy, lây gân đúng theo (1.40) sẽ có dạng khác:
AvE — - —— r E trong đó: rE ~ — (ở nhiêt đô thường) (1.63)
IE (mA) Trên thực tế, các tầng khuếch đại CE có độ lợi áp từ 20 đến 200.
5.1.5 Độ lợi áp toàn phần
Người ta còn định nghĩa độ lợi áp toàn phần:
A , p = ^ (1.64) vs Áp dụng định luật Ohm cho mạch vào:
Thay Is theo (1.53), VL theo (1.57), kết quả tính được:
Cần lưu ý rằng khi tín hiệu khuếch đại có tần số tương đối thấp, trở kháng của các tụ C1, C2 và CE không thể coi là bằng không, dẫn đến việc một phần tín hiệu sẽ bị mất mát trên trở kháng của các tụ này Đặc biệt, điện trở RE sẽ không còn bị ảnh hưởng như trước.
CE ngan mạch nên sẽ gây hồi tiếp âm dòng điện Kết quả là độ lợi áp của tầng bị giảm và điện áp ra trên tải sẽ giảm.
Khi tín hiệu có tần số cao, vai trò của các điện dung liên cực trong BJT và các điện dung ký sinh khác trở nên quan trọng không thể bỏ qua Đồng thời, hệ số hfE (hoặc ò) của BJT giảm ở tần số cao, dẫn đến việc điện áp ra trên tải cũng bị giảm.
Các hiện tượng đã nêu là nguyên nhân làm giảm đáp ứng tần số của tầng khuếch đại ở cả tần số thấp và cao, như thể hiện trong hình 1.24.
Hình 1.24 Đáp tuyến tần số của tầng khuếch đại
Tầng khuếch đại CE được phân cực kiểu phân áp với các thông số như Rbi = 10 kΩ, RB2 = 2,2 kΩ, Rc = 1,2 kΩ, RE = 300 Ω, và RL = 3 kΩ BJT có các tham số hjE = 60, hiE = 600 Ω, hrE = 0 Nội trở nguồn tín hiệu R.s = 100 Ω Cần xác định các thông số cơ bản của tầng khuếch đại này.
R R„ 1 -R B2 =| 8kn R = JkJk_ = 85on r bi + r bĩ - Rr + R L
Vì vậy điện trở vào của tầng khuếch đại là:
RiE = (RB//hlE) = (1,8 kQ // 600Q) = 450 n Điện trở ra:
R o e = Rc= 1,2 kQ Độ lợi áp: Độ lợi dòng:
A,e = h re^ - ^ = 60 850 450 hlE 3000'600 = 13,25 Độ lợi áp toàn phần:
5.2 Tầng khuếch đạỉ dùng BJT mắc CB
Trên hình 1.25 là tầng khuếch đại CB chỉ dùng một nguồn cấp điện, phân cực kiểu phân áp.
Hình 1.25 Tầng khuếch đại CB
Vai trò các điện trở, điện dung tương tự như ở mạch CE Ở đây có thêm tụ CB để ngẳn mạch cực B xuống đất đối với tín hiệu xoay chiều.
Chế độ tĩnh của tầng này vẫn tính toán theo các hệ thức (1.22) + (1.28) hoặc dùng phương pháp đồ thị, tương tự như mạch CE.
Hình 1.26 Mạch tương đương đối với tín hiệu xoay chiều
Sơ đồ tương đương xoay chiều có dạng như hình 1.26 Từ hình này ta xác định được:
5.2.1 Điện trở vào của tầng khuếch đại CB
Thông thường hiB bé (cỡ mấy chục Ç1) Vì vậy tầng khuếch đại CB có điện trở vào bé.
5.2.2 Điện trở ra của tầng khuếch đại CB (điện trở nhìn từ hai đầu tải Rl về phía trước, khi v s = 0) í
Mà điện áp trên tải ngõ ra xác định bởi:
Vl = IlRl = hfòlER, (1-72) cho nên: IL = h(tìIE— (1.73)
Tưcmg tự, điện áp giữa 2 điểm E, B trong ngõ vào xác định bàng:
Trường hợp R| ô Rỗ (và trường hỗyp riờng: tải ngắn mạch, RL = 0) thỡ R^ = RL nên:
Ajò = AiBmax = hfB (1-78) nghĩa là hFB là giá trị lớn nhất có thể của độ lợi dòng tầng CB.
5.2.4 Độ lọi áp của tầng khuếch đại base chung
T hay ( 1.72) và ( 1.74) vào sẽ có:
Hệ số này dương, thể hiện điện áp ra của mạch CB đồng pha với điện áp vào.
5.2.5 Độ lợi áp toàn phần
So sánh giá trị ở vế phải của (1.80) với giá trị AvE được xác định theo (1.59) hoặc (1.62), đồng thời xem xét (1.47), ta nhận thấy rằng trị số độ lợi của tầng khuếch đại CB và CE gần như tương đương nhau.
Mạch tương đương vật lý của tầng khuếch đại CB cho thấy mối quan hệ giữa độ lợi áp và dòng theo tần số Tương tự như mạch CE, ở phạm vi tần số thấp, các tụ C1, C2, và CB không thể coi là ngắn mạch, trong khi RB2 gây hồi tiếp âm Ở phạm vi tần số cao, điện dung liên cực của BJT và hệ số hfB giảm theo tần số, ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch Do đó, đáp tuyến tần số của mạch cần được xem xét kỹ lưỡng.
CB vẫn bị giảm ở vùng tần số thấp và vùng tần sổ cao, chỉ có điều tần số giới hạn của mạch CB cao hơn của mạch CE.
5.3 Tầng khuếch đại dùng BJT mắc cc
Hình 1.28 trình bày tầng khuếch đại sử dụng BJT mắc cấu hình cc, hoạt động với một nguồn cấp điện Điện trở phân cực cho mạch vào bao gồm Rbi và RB2, trong đó RB2 thường ít được sử dụng để duy trì điện trở vào cao cho tầng khuếch đại Tải RL được mắc giữa cực E và đất.
Re là tải cho dòng một chiều, đồng thời thực hiện hồi tiếp âm để ổn định điểm tĩnh Cực c được coi là nổi đất trong tín hiệu xoay chiều.
Hình 1.28 Tầng khuếch đại collector chung
MẠCH KHUẾCH ĐẠI F E T
Chế độ làm việc DC và phân cực F E T
1.1 Chế độ làm việc DC: xem mục 4.1 trong phần II.
1.2.1 Phân cực cho JFET kiểu tự cấp
Các JFET thường được tự phân cực thông qua điện trở Rs nối giữa cực nguồn và đất Dòng máng ID tạo ra một điện áp VSM = IdRs trên điện trở này, điện áp này gây phân cực nghịch cho chuyển tiếp p - N giữa cực cửa và kênh dẫn Do dòng qua R gần như bằng không, điểm G gần như có điện thế tương đương với điểm M.
Vgs = - IdRs (1.100) Ớ ngõ ra, điện áp VDS tạo bởi nguồn ED giảm áp qua RD và Rs:
Vds = Ed- Id(Rd + Rs) (1.101)
Các điện áp VGS, Vds này sẽ quyết định dòng điện trên các cực, nói cách khác: xác định nên điểm làm việc tĩnh.
Điểm làm việc tĩnh Q có thể xác định thông qua đồ thị, ví dụ như đặc tuyến truyền đạt ID = f(VGS) của JFET được mô phỏng trong hình 1.31 (đường sổ 1) Đặc tuyến này thường được biểu diễn bằng một công thức cụ thể.
Vp / Mặt khác, từ (4.3.37) rút ra:
Đô thị biểu diễn quan hệ giữa các biến được thể hiện qua đường thẳng OL trong hình 1.31, với giao điểm Q xác định cặp giá trị VGSQ và IDQ cần tìm Tại ngõ ra, giả sử đã có họ đặc tuyến máng của JFET như trong hình 1.32 Ngoài ra, từ công thức (1.10 ĩ), ta có thể suy ra hàm giải tích của đường tải.
Đường MN, được biểu diễn bởi Rd + Rs (1.104), giao điểm với đặc tuyến tĩnh tại VGS = Vgsq sẽ xác định giá trị dòng và áp tĩnh trong mạch ra.
Người ta cũng có thể xác định điểm tĩnh Q theo phương pháp giải tích, khi đã biết các tham số Vp, IDSS, RD, Rs,
Thật vậy, thay (1.100) vào biểu thức giải tích (1.102) của đặc tuyến, sau vài biến đổi đơn giản, sẽ đi đến: r R v v V p, I 1 DSS 1 D I - R I ^
K 1 D I DSS — 0 (1.105) Đây là phương trình bậc hai đổi với ID Nghiệm của nó chính là I[)Ọ Từ đó, áp dụng (1.100), (1.101) sẽ xác định được VGSQ và V DSQ.
Để xác định điểm làm việc tĩnh của JFET kênh N trong mạch nguồn chung với phân cực tự cấp, cần biết các thông số như Vp = -4V, IDSS = 8mA, RD = 1,5kΩ, Rs = 1kΩ, Ed = 15V và Ro = 1MΩ Việc phân tích các thông số này sẽ giúp xác định điểm làm việc tĩnh một cách chính xác, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của mạch.
Giải: Dùng phương pháp giải tích, áp dụng phương trình 1.105, sau khi thay các giá trị bằng số ta có:
0,5.103.1 D - 5 I0 +8.10'3 = 0 (đơn vị mA) Phương trình bậc 2 này có 2 nghiệm là 8 mA và 2 mA, trong đó chỉ có nghiệm IDỌ = 2mA là thích hợp.
Vdsq = Ed- Idq(Rs + Rd) = 1 5 - 2 ( 1 ,5 + 1)= 10V
1.2.2 Phân cực cho JFET (hoặc MOSFET) kiểu phân áp ỉ lai điện trở R C], c2 ta tính được Kđ0, R|, R2.
2.cdc.C,.C2 Để R] 2 là số thực cần:
2.2 Mạch lọc tích cực thông cao bậc 2
Mạch lọc thông cao bậc hai có thể dùng các dạng ở thông thấp hình 3.10.
Trong đó phải đổi chỗ c và R cho nhau Ví dụ mạch lọc thông cao bậc hai hồi tiếp dương một vòng có hình 3.10 Ta có:
Cho K = 1 và Ci = c2 = c ta có:
2.í0c C.b| Hình 3.10 Sơ đồ mạch lọc thông cao bậc hai một vòng hồi tiếp dương
2.3 Mạch lọc tích cực bậc 2 thông giải
Khi mắc nối tiếp một mắt lọc thông thấp và một mắt lọc thông cao, chúng ta tạo ra bộ lọc thông giải Đặc tính tần số của bộ lọc này là tích tần số của hai khâu lọc riêng biệt.
Hình 3.11 Mạch lọc thông giải
Mạch lọc tích cực thông giải bậc hai như ở hình 3.11.
Bộ lọc số, tương tự như bộ lọc tín hiệu tương tự, là mạch dùng để chọn lọc tín hiệu theo tần số Chúng cho phép các tín hiệu có phổ nằm trong một dải tần số nhất định đi qua, trong khi chặn các tín hiệu có phổ nằm ngoài dải tần số đó.
Dải tần số mà mạch lọc cho phép tín hiệu đi qua được gọi là dải thông, trong khi dải tần số mà mạch lọc không cho phép tín hiệu đi qua được gọi là dải chặn Tần số phân cách giữa dải thông và dải chặn được gọi là tần số cắt, ký hiệu là C0c Dựa vào đặc tính biên độ tần số I H(e/Ú}) I, các bộ lọc số được phân chia thành nhiều loại khác nhau.
- Bộ lọc thông thấp, có dải thông © € (o , ©c )
- Bộ lọc thông cao, có dải thông (0 € (toc , 00 )
- Bộ lọc dải thông, có dải thông (ừ e (cocl , C0c2 )
- Bộ lọc dải chặn, có dải thông © € (0 , ©cl ) và © € (coc2 , oo)
Theo dạng của đặc tính xung h(n), người ta phân biệt các bộ lọc số:
- Bộ lọc số có đặc tính xung hữu hạn (bộ lọc số FIR)
- Bộ lọc số có đặc tính xung vô hạn (bộ lọc số IIR)
1 Thế nào là mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực ?
2 Nhược điểm của mạch lọc thụ động R, L, c ở tần số thấp là: a Mạch điện phức tạp b Mạch nặng nề, tốn kém và phẩm chất của mạch giảm c Mạch gọn nhẹ nhưng phẩm chất của mạch giảm d Cả ý a và b
3 Mạch lọc tích cực gồm các phần tử: a BKĐTT và các phần tử LC b BKĐTT và các phần từ LR c BKĐTT và các phần tử RC d BKĐTT và các phần tử R, LC
4 Ưu diểm của mạch lọc tích cực ở vùng tần số thấp là: a Gọn nhẹ, rẻ tiền và phẩm chất lọc cao b Gọn nhẹ nhưng phẩm chất lọc giảm c Phức tạp nhưng phẩm chất lọc cao d Cả ý b và c
5 Bậc của một bộ lọc tích cực được xác định bởi: a Số tụ điện tham gia trong bộ lọc b Số điện trở tham gia trong bộ lọc c Số tụ điện và điện trở tham gia trong bộ lọc d Số các điện cảm tham gia trong bộ lọc
6 Biên độ tín hiệu ra cực đại (đỉnh) trong các mạch dùng BKĐTT có nguồn nuôi đối xứng là: a (E - 2) V c E/2 V b E V d - (E - 2) V
Mục tiêu của chương này là giúp người học hiểu rõ khái niệm và nguyên lý hoạt động của mạch dao động, đồng thời nhận diện các dạng mạch dao động cơ bản Nội dung sẽ bao gồm nguyên lý tạo dao động hình sin, điều kiện tự kích, các loại mạch dao động như mạch RC sử dụng transistor và IC, mạch dao động 3 điểm, mạch dao động ghép biến áp, mạch dao động bằng thạch anh, và mạch dao động hình sin kiểu xấp xỉ tuyến tính.
Kết thúc chương 4, người học cần hiểu rõ về mạch tạo dao động sin, phân tích chế độ một chiều và xoay chiều Họ cũng phải phân biệt được giữa khối khuếch đại và khối tạo hồi tiếp dương, đồng thời nắm vững cách xác định tần số dao động của mạch.
I NGUYÊN LÝ TẠO DAO ĐỘNG HÌNH SIN, ĐIÈU KIỆN T ự KÍCH
Mạch lọc số
Bộ lọc số, tương tự như bộ lọc tín hiệu tương tự, là mạch thực hiện chức năng chọn lọc tín hiệu theo tần số Các mạch lọc số cho phép tín hiệu có phổ nằm trong một dải tần số nhất định đi qua, đồng thời ngăn chặn các tín hiệu có phổ nằm ngoài dải tần số đó.
Dải tần số mà mạch lọc cho phép tín hiệu đi qua được gọi là dải thông, trong khi dải tần số mà mạch lọc không cho phép tín hiệu đi qua được gọi là dải chặn Tần số phân cách giữa dải thông và dải chặn được gọi là tần số cắt, ký hiệu là C0c Dựa vào đặc tính biên độ tần số I H(e/Ú}) I, các bộ lọc số được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
- Bộ lọc thông thấp, có dải thông © € (o , ©c )
- Bộ lọc thông cao, có dải thông (0 € (toc , 00 )
- Bộ lọc dải thông, có dải thông (ừ e (cocl , C0c2 )
- Bộ lọc dải chặn, có dải thông © € (0 , ©cl ) và © € (coc2 , oo)
Theo dạng của đặc tính xung h(n), người ta phân biệt các bộ lọc số:
- Bộ lọc số có đặc tính xung hữu hạn (bộ lọc số FIR)
- Bộ lọc số có đặc tính xung vô hạn (bộ lọc số IIR)
1 Thế nào là mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực ?
2 Nhược điểm của mạch lọc thụ động R, L, c ở tần số thấp là: a Mạch điện phức tạp b Mạch nặng nề, tốn kém và phẩm chất của mạch giảm c Mạch gọn nhẹ nhưng phẩm chất của mạch giảm d Cả ý a và b
3 Mạch lọc tích cực gồm các phần tử: a BKĐTT và các phần tử LC b BKĐTT và các phần từ LR c BKĐTT và các phần tử RC d BKĐTT và các phần tử R, LC
4 Ưu diểm của mạch lọc tích cực ở vùng tần số thấp là: a Gọn nhẹ, rẻ tiền và phẩm chất lọc cao b Gọn nhẹ nhưng phẩm chất lọc giảm c Phức tạp nhưng phẩm chất lọc cao d Cả ý b và c
5 Bậc của một bộ lọc tích cực được xác định bởi: a Số tụ điện tham gia trong bộ lọc b Số điện trở tham gia trong bộ lọc c Số tụ điện và điện trở tham gia trong bộ lọc d Số các điện cảm tham gia trong bộ lọc
6 Biên độ tín hiệu ra cực đại (đỉnh) trong các mạch dùng BKĐTT có nguồn nuôi đối xứng là: a (E - 2) V c E/2 V b E V d - (E - 2) V
Mục tiêu của chương này là giúp người học hiểu rõ khái niệm và nguyên lý hoạt động của mạch dao động, cũng như nhận diện các dạng mạch dao động cơ bản Nội dung chương bao gồm nguyên lý tạo dao động hình sin, điều kiện tự kích, và các loại mạch dao động như mạch RC sử dụng transistor và IC, mạch dao động 3 điểm, mạch dao động ghép biến áp, mạch dao động bằng thạch anh, cùng với mạch dao động hình sin kiểu xấp xỉ tuyến tính.
Kết thúc chương 4, người học cần hiểu rõ về mạch tạo dao động sin, phân tích chế độ một chiều và xoay chiều Họ cũng cần phân biệt giữa khối khuếch đại và khối tạo hồi tiếp dương, đồng thời biết cách xác định tần số dao động của mạch.
I NGUYÊN LÝ TẠO DAO ĐỘNG HÌNH SIN, ĐIÈU KIỆN T ự KÍCH
Mạch tạo dao động là một loại mạch điện có khả năng tự hoạt động khi được cung cấp nguồn, tạo ra tín hiệu Sơ đồ tổng quát của mạch tạo dao động được minh họa trong hình 4.1.
Mạch tạo dao động cần đáp ứng yêu cầu về tín hiệu có biên độ và tần số ổn định cao, đồng thời ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm Để đạt được những tiêu chí này, thiết kế mạch cần được tối ưu hóa.
+ Dùng các phần tử có hệ sổ nhiệt độ nhỏ.
+ Giảm ảnh hưởng cùa tải đến mạch tạo dao động như mẳc thêm tầng đệm.
+ Dùng các linh kiện có sai số nhỏ.
+ Dùng các phần tử ổn nhiệt.
Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát của một mạch tạo dao động
Bộ tạo dao động được thiết kế với sơ đồ khối như hình 4.2, đặc biệt sử dụng thạch anh để đảm bảo độ ổn định tần số cao, đạt trên 10^4 Hz Nguyên lý hoạt động của mạch tạo dao động sẽ được phân tích qua sơ đồ khối này, cho phép đạt được tần số dao động từ 10^6 đến 10^10 Hz.
Nó gồm hai khối; khối khuếch đại có hệ số khểch đại K = K e x p j(pk và khối hồi tiếp có hệ số hồi tiếp ò = ò.Qxp j(p 0
Khi đặt tín hiệu vào Uv và giả thiết K.ò = 1, ta có Uht = Uv, tức là tín hiệu vào của mạch khuếch đại và tín hiệu hồi tiếp Uht bằng nhau cả về biên độ và pha Do đó, khi nối a với a', tín hiệu không thay đổi Điều này dẫn đến sơ đồ khối của mạch tạo dao động hoạt động theo nguyên tắc hồi tiếp.
Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động ở tần số mà nó thoả mãn:
Với K và ò là những số phức nờn viết lại:
K ò - K.ò.cxp j{(pk +(pò) = 1 (4.2) trong đó: K: Mođun hệ số khuếch đại ò: Modul hệ số hồi tiếp. qv Góc dịch pha của bộ khuếch đại.
(Pi 1 mà K < 0 nờn cần ò < 0 mặt khỏc tại tần số dao động có:
Kết họp lại ta thấy X], x2 phải khác dấu và x2, x3 phải cùng dấu, tức là:
- Neu X| là điện cảm thì x2, x3 là tụ điện, ta có mạch ba điểm điện dung.
- Neu X, là tụ điện thì x2, x3 là điện cảm, ta có mạch ba điểm điện cảm Mạch điện dùng tranzito như hình 4.6.
Hình 4.6 Mạch tạo dao dộng ba điểm a Ba điểm điện cảm b Ba điểm điện dung
Tần số dao động của mạch 4.6a là:
2.jlV C (L,+ L2) Tần số dao động cùa mạch 4.6b là:
IV MẠCH DAO ĐỘNG GHÉP BIẾN ÁP
Mạch tạo dao động sin ghép biến áp có mạch hồi tiếp ghép qua biến áp ở hình
Trong mạch Rị, R2 đóng vai trò là bộ phân áp cung cấp điện áp một chiều cho cực gốc, trong khi R3 và C3 tạo thành mạch ổn định nhiệt L i và Cl là khung dao động, L2 là cuộn ghép để lấy điện áp, C2 là tụ thoát và C4 là tụ lấy tín hiệu ra Do tranzito mắc phát chung, tại tần số dao động có tải là điện trở thuần, nên tín hiệu ra ngược pha Để đảm bảo điều kiện cân bằng pha, cần đấu cuộn L i và L2 sao cho cực cùng tên chéo nhau.
Tần số dao động của mạch do mạch cộng hưởng ở cực góp quyết dịnh.
V MẠCH DAO ĐỘNG BẰNG THẠCH ANH
1 Tính chất và mạch tuông đưong của thạch anh
Khi cần một mạch tạo dao động với tần số ổn định cao, việc sử dụng các biện pháp thông thường như ổn định nguồn cung cấp và ổn định tải thường không đủ để đảm bảo độ ổn định của tần số.
Mạch tạo sóng sin ghép biến áp fdđ yêu cầu sử dụng thạch anh để ổn định tần số Thạch anh sở hữu nhiều đặc tính vật lý quý giá, bao gồm độ bền cơ học cao, khả năng chống chịu tốt với nhiệt độ và ít bị ảnh hưởng bởi các tác động hóa học.
Thạch anh có tính chất áp điện, cho phép nó tạo ra dao động dưới tác dụng của điện trường, nhờ đó có thể sử dụng như một khung cộng hưởng Tính chất dao động của thạch anh được thể hiện qua sơ đồ tương đương, trong đó các thông số Lq, Cq và rq phụ thuộc vào kích thước và cách cắt khối thạch anh Khi kích thước thạch anh giảm, các thông số Lq, Cq và rq cũng giảm, dẫn đến tần số cộng hưởng riêng cao hơn Các thông số này có tính ổn định cao, trong khi Cp là điện dung giá đỡ cũng góp phần vào tính ổn định của hệ thống.
Thường rq rất nhỏ, nên khi tính toán bỏ qua Với giả thiết rq = 0 thì trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức: a) b)
Hình 4.8 Hình 4.9a. a Sơ đồ quy ước của thạch anh Đặc tính điện kháng của thạch anh b Sơ đồ tương đương về điện của thạch anh
Thạch anh có hai tần số cộng hưởng: một tần số cộng hưởng nối tiếp fq tương ứng với Zq = 0 và một tần số cộng hưởng song song fp tương ứng với Zp = ∞.
Khi Cp tăng so với Cq, fp sẽ càng gần với fq Đặc tính trở kháng của thạch anh theo tần số được thể hiện trong hình 4.9a Thạch anh thường được sản xuất với tần số fq từ 1 kHz đến 100 MHz, trong khi thạch anh tần số thấp ít được sản xuất hơn, thường có kích thước lớn và giá thành cao.
Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau:
+ Tỷ sô — rât lớn, do đó trở kháng tưomg đương của thạch anh R td = — — rât lớn.
+ Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt được độ ổn định tần số.
— ô10-‘ +10-'° Đe thay dổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi c s như trên hình
4.9b Khi đó tần số dao động được xác định theo biểu thức:
Hình 4.9h Một biện pháp đê thay đổi tần số cộng hưỏng
2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh
Mạch điện bộ tạo dao động sử dụng thạch anh với tần số cộng hưởng song song được minh họa trong hình 4.10 Mạch này bao gồm ba điểm điện dung, trong đó nhánh có thạch anh được mắc nối tiếp với tụ điện Cs, tạo thành một điện cảm Để đảm bảo tần số dao động của mạch, cần thỏa mãn điều kiện (4.27) và lựa chọn tụ Cs theo điều kiện (4.28), với f < fdd < fq dd p (4.27).
^dd-^s < ^dd-^td Trong đó L,d là điện cảm tương đương của thạch anh Ngoài ra c s còn phải thỏa mãn: c s ô C „ C 2.
Tần số dao động của mạch xác định gần đúng được tính theo công thức fdd = f (4.29) trong mạch 4 lOb Điều kiện pha chỉ được thỏa mãn khi thạch anh hoạt động như một điện cảm tại tần số dao động, tức là fp > fdd > fq.
Lúc đó ta có mạch ba điểm điện cảm, khi dó:
Mạch tạo dao động thạch anh với tần số cộng hưởng song song được minh họa trong hình 4.10, trong khi hình 4.11 thể hiện mạch tạo dao động thạch anh với tần số cộng hưởng nội tiếp Trong mạch này, thạch anh được kết nối trong mạch hồi tiếp, đóng vai trò như một phần tử ghép có tính chất chọn lọc đối với tần số.
Hình 4.11 Mach tạo dao động sin có thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp
Khi tần số dao động fdd giảm xuống dưới tần số dao động fq, trở kháng của thạch anh Zq sẽ trở về 0 Điều này dẫn đến việc hạ áp suất trên thạch anh nhỏ, làm tăng điện áp tại cực gốc Kết quả là mạch có dao động với tần số f = f1 dd q.
VI TẠO DAO ĐỘNG HÌNH SIN KIẺU XÁP x ỉ TUYÉN TÍNH
Máy tạo sóng đa chức năng (máy tạo hàm) có khả năng tạo ra đồng thời tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin Để chuyển đổi tín hiệu xung tam giác thành tín hiệu hình sin, cần sử dụng bộ biến đổi chuyên dụng.
Hình 4.12: xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn thang có góc nghiêng thay đổi
Mạch dao động bằng thạch a n h
1 Tính chất và mạch tuông đưong của thạch anh
Khi cần một mạch tạo dao động với tần số ổn định cao, việc sử dụng các biện pháp thông thường như ổn định nguồn cung cấp và ổn định tải có thể không đảm bảo độ ổn định tần số.
Để ổn định tần số trong mạch tạo sin ghép biến áp, cần sử dụng thạch anh Thạch anh sở hữu nhiều đặc tính vật lý quý giá, bao gồm độ bền cơ học cao và khả năng chịu đựng tốt trước nhiệt độ cũng như các tác động hóa học.
Thạch anh có tính chất áp điện, cho phép nó tạo ra dao động khi chịu tác động của điện trường, làm cho nó trở thành một khung cộng hưởng hiệu quả Tính chất dao động này được mô tả qua sơ đồ tương đương, trong đó các thông số Lq, Cq và rq phụ thuộc vào kích thước và cách cắt khối thạch anh Khi kích thước thạch anh giảm, các thông số Lq, Cq và rq cũng giảm theo, dẫn đến tần số cộng hưởng riêng tăng cao Các thông số này có tính ổn định cao, trong khi Cp đại diện cho điện dung giá đỡ, cũng thể hiện tính ổn định tương tự.
Thường rq rất nhỏ, nên khi tính toán bỏ qua Với giả thiết rq = 0 thì trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức: a) b)
Hình 4.8 Hình 4.9a. a Sơ đồ quy ước của thạch anh Đặc tính điện kháng của thạch anh b Sơ đồ tương đương về điện của thạch anh
Thạch anh có hai tần số cộng hưởng: một tần số cộng hưởng nối tiếp fq tương ứng với Zq = 0 và một tần số cộng hưởng song song fp tương ứng với Zp = ∞.
Khi Cp tăng so với Cq, fp sẽ tiến gần hơn đến fq Đặc tính trở kháng của thạch anh theo tần số được thể hiện trong hình 4.9a Thạch anh thường được sản xuất với tần số fq từ 1 kHz đến 100 MHz Các loại thạch anh có tần số thấp ít được sản xuất, thường có kích thước lớn và giá thành đắt đỏ.
Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau:
+ Tỷ sô — rât lớn, do đó trở kháng tưomg đương của thạch anh R td = — — rât lớn.
+ Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt được độ ổn định tần số.
— ô10-‘ +10-'° Đe thay dổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi c s như trên hình
4.9b Khi đó tần số dao động được xác định theo biểu thức:
Hình 4.9h Một biện pháp đê thay đổi tần số cộng hưỏng
2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh
Mạch điện bộ tạo dao động sử dụng thạch anh với tần số cộng hưởng song song được mô tả trong hình 4.10 Mạch này bao gồm ba điểm điện dung, trong đó nhánh có thạch anh được mắc nối tiếp với tụ điện Cs, tương đương với một điện cảm Để đảm bảo tần số dao động của mạch, cần thỏa mãn điều kiện f < fdd < fq dd p (4.27), và tụ Cs phải được chọn theo điều kiện (4.28).
^dd-^s < ^dd-^td Trong đó L,d là điện cảm tương đương của thạch anh Ngoài ra c s còn phải thỏa mãn: c s ô C „ C 2.
Tần số dao động của mạch xỏc định gần đúng được xác định bởi công thức fdd = f (4.29) trong mạch 4 lOb Điều kiện pha chỉ được thỏa mãn khi thạch anh hoạt động như một điện cảm tại tần số dao động, với điều kiện fp > fdd > fq.
Lúc đó ta có mạch ba điểm điện cảm, khi dó:
Mạch tạo dao động thạch anh có thể được thiết kế với tần số cộng hưởng song song hoặc tần số cộng hưởng nối tiếp Trong mạch hồi tiếp, thạch anh đóng vai trò là phần tử ghép có tính chất chọn lọc đối với tần số, giúp cải thiện độ ổn định và chính xác của dao động.
Hình 4.11 Mach tạo dao động sin có thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp
Khi tần số dao động fdd bằng fq, trở kháng thạch anh Zq sẽ bằng 0, dẫn đến hạ áp trên thạch anh nhỏ và làm tăng điện áp tại cực gốc Kết quả là mạch sẽ dao động với tần số f = f1 dd q.
VI TẠO DAO ĐỘNG HÌNH SIN KIẺU XÁP x ỉ TUYÉN TÍNH
Máy tạo sóng đa chức năng (máy tạo hàm) có khả năng tạo ra đồng thời tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin Để chuyển đổi tín hiệu xung tam giác thành tín hiệu hình sin, cần sử dụng bộ biến đổi xung tam giác.
Hình 4.12: xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn thang có góc nghiêng thay đổi
Phương pháp xấp xỉ hình sin bao gồm việc chia nó thành 4n phần nhỏ và thay thế từng phần bằng các đoạn thẳng có độ nghiêng khác nhau Cách tiếp cận này cho phép xấp xỉ chính xác hơn cho các đoạn tuyến tính hoặc không tuyến tính, như minh họa trong hình 4.12.
Khi số n tăng lên, độ chính xác của hệ thống cũng tăng theo, đồng thời hệ số méo hình sin sẽ giảm Một trong những sơ đồ thực hiện phương pháp này được minh họa trong hình 4.13, với n = 6 Các điôt Dị-ị-Dio ban đầu ở trạng thái tắt với các mức điện áp được xác định trước.
I ± U|l <
