Chương 10: Mạch dao động docx

Chương 10: Mạch dao động Chương 10 MẠCH DAO ÐỘNG (Oscillators) 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. Tổng quát, người ta thường chia ra làm 2 loại mạch dao động: Dao động điều hòa (harmonic oscillators) tạo ra các sóng sin và dao động tích thoát (thư giãn - relaxation oscillators) thường tạo ra các tín hiệu không sin như răng cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular, square). 10.1 MẠCH DAO ÐỘNG SIN TẦN SỐ THẤP: Ta xem lại mạch khuếch đại có hồi tiếp - Nếu pha của v f lệch 180 0 so với v s ta có hồi tiếp âm. - Nếu pha của v f cùng pha với v s (hay lệch 360 0 ) ta có hồi tiếp dương. Ðộ lợi của mạch khi có hồi tiếp: Trương Văn Tám X-1 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Trường hợp đặc biệt βA v = 1 được gọi là chuẩn cứ Barkausen (Barkausen criteria), lúc này A f trở nên vô hạn, nghĩa là khi không có tín hiệu nguồn v s mà vẫn có tín hiệu ra v 0 , tức mạch tự tạo ra tín hiệu và được gọi là mạch dao động. Tóm lại điều kiện để có dao động là: βAv=1 θ A + θ B = 0 (360 ) điều kiện này chỉ thỏa ở một tần số nào đó, nghĩa là trong hệ thống hồi tiếp dương phải có mạch chọn tần số. B 0 0 Nếu βAv >> 1 (đúng điều kiện pha) thì mạch dao động đạt ổn định nhanh nhưng dạng sóng méo nhiều (thiên về vuông) còn nếu βAv > 1 và gần bằng 1 thì mạch đạt đến độ ổn định chậm nhưng dạng sóng ra ít méo. Còn nếu βAv < 1 thì mạch không dao động được. 10.1.1 Dao động dịch pha (phase shift oscillator): - Tạo sóng sin tần số thấp nhất là trong dải âm tần. - Còn gọi là mạch dao động RC. - Mạch có thể dùng BJT, FET hoặc Op-amp. - Thường dùng mạch khuếch đại đảo (lệch pha 180 0 ) nên hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 180 0 để tạo hồi tiếp dương. a. Nguyên tắc: - Hệ thống hồi tiếp gồm ba mắc R-C, mỗi mắc có độ lệch pha tối đa 90 0 nên để độ lệch pha là 180 0 phải dùng ba mắc R-C. - Mạch tương đương tổng quát của toàn mạch dao động dịch pha được mô tả ở hình 10.2 Trương Văn Tám X-2 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Nếu R i rất lớn và R 0 nhỏ không đáng kể Ta có: v 0 = v 1 = Av.v i v i = v 2 - Hệ thống hồi tiếp gồm 3 măc C-R, và được vẽ lại như hình 10.3. - Ðể phân giải mạch ta theo 4 bước: + Viết phương trình tính độ lợi điện thế β = v 2 /v 1 của hệ thống hồi tiếp. + Rút gọn thành dạng a + jb + Cho b = 0 để xác định tần số dao động f 0 + Thay f 0 vào phương trình của bước 1 để xác định giá trị của β tại f 0 . Từ đó: Trương Văn Tám X-3 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Và: Ðể mạch lệch pha 180 0 : Trương Văn Tám X-4 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Thay ω 0 vào biểu thức của β ta tìm được: b. Mạch dịch pha dùng op-amp: - Do op-amp có tổng trở vào rất lớn và tổng trở ra không đáng kể nên mạch dao động này minh họa rất tốt cho chuẩn cứ Barkausen. Mạch căn bản được vẽ ở hình 10.4 - Tần số dao động được xác định bởi: Trương Văn Tám X-5 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động c. Mạch dao động dịch pha dùng FET: - Do FET có tổng trở vào rất lớn nên cũng thích hợp cho loại mạch này. - Tổng trở ra của mạch khuếch đại khi không có hồi tiếp: R0 = RD||rD phải thiết kế sao cho R 0 không đáng kể so với tổng trở vào của hệ thống hồi tiếp để tần số dao động vẫn thỏa mãn công thức: Nếu điều kiện trên không thỏa mãn thì ngoài R và C, tần số dao động sẽ còn tùy thuộc vào R 0 (xem mạch dùng BJT). - Ðộ lợi vòng hở của mạch: A v = -g m (R D ||r D ) ≥ 29 nên phải chọn Fet có g m , r D lớn và phải thiết kế với R D tương đối lớn. d. Mạch dùng BJT: - Mạch khuếch đại là cực phát chung có hoặc không có tụ phân dòng cực phát. Trương Văn Tám X-6 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động - Ðiều kiện tổng trở vào của mạch không thỏa mãn nên điện trở R cuối cùng của hệ thống hồi tiếp là: R = R’ + (R 1 ||R 2 ||Z b ) (10.8) Với Z b = βr e nếu có C E và Z b = β(r e + R E ) nếu không có C E . - Tổng trở của mạch khi chưa có hồi tiếp R 0 ≈ R C không nhỏ lắm nên làm ảnh hưởng đến tần số dao động. Mạch phân giải được vẽ lại -Áp dụng cách phân giải như phần trước ta tìm được tần số dao động: - Thường người ta thêm một tầng khuếch đại đệm cực thu chung để tải không ảnh hưởng đến mạch dao động. Trương Văn Tám X-7 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.1.2 Mạch dao động cầu Wien: (wien bridge oscillators) - Cũng là một dạng dao động dịch pha. Mạch thường dùng op-amp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo nên hệ thống hồi tiếp phải có độ lệch pha 0 0 . Mạch căn bản như hình 10.8a và hệ thống hồi tiếp như hình 10.8b Tại tần số dao động ω 0 : Trương Văn Tám X-8 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Trong mạch cơ bản hình 10.8a, ta chú ý: - Nếu độ lợi vòng hở A v < 3 mạch không dao động - Nếu độ lợi vòng hở A v >> 3 thì tín hiệu dao động nhận được bị biến dạng (đỉnh dương và đỉnh âm của hình sin bị cắt). - Cách tốt nhất là khi khởi động, mạch tạo A v > 3 (để dễ dao động) xong giảm dần xuống gần bằng 3 để có thể giảm thiểu tối đa việc biến dạng. Người ta có nhiều cách, hình 10.9 là một ví dụ dùng diode hoạt động trong vùng phi tuyến để thay đổi độ lợi điện thế của mạch. - Khi biên độ của tín hiệu ra còn nhỏ, D 1 , D 2 không dẫn điện và không ảnh hưởng đến mạch. Ðộ lợi điện thế của mạch lúc này là: - Ðộ lợi này đủ để mạch dao động. Khi điện thế đỉnh của tín hiệu ngang qua R 4 khoảng 0.5 volt thì các diode sẽ bắt đầu dẫn điện. D 1 dẫn khi ngõ ra dương và D 2 dẫn khi ngõ ra âm. Khi dẫn mạnh nhất, điện thế ngang diode xấp xỉ 0.7 volt. Ðể ý là hai diode chỉ dẫn điện ở phần đỉnh của tín hiệu ra và nó hoạt động như một điện trở thay đổi nối tiếp với R 5 và song song với R 4 làm giảm độ lợi của mạch, sao cho độ lợi lúc này xuống gần bằng 3 và có tác dụng làm giảm thiểu sự biến dạng. Việc phân giải hoạt động của diode trong vùng phi tuyến tương đối phức tạp, thực tế người ta mắc thêm một điện trở R 5 (như hình vẽ) để điều chỉnh độ lợi của mạch sao cho độ biến dạng đạt được ở mức thấp nhất. Trương Văn Tám X-9 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động - Ngoài ra cũng nên để ý là độ biến dạng sẽ càng nhỏ khi biên độ tín hiệu ở ngõ ra càng thấp. Thực tế, để lấy tín hiệu ra của mạch dao động người ta có thể mắc thêm một mạch không đảo song song với R 1 C 1 như hình vẽ thay vì mắc nối tiếp ở ngõ ra của mạch dao động. Do tổng trở vào lớn, mạch này gần như không ảnh hưởng đến hệ thống hồi tiếp nhưng tín hiệu lấy ra có độ biến dạng được giảm thiểu đáng kể do tác động lọc của R 1 C 1 . - Một phương pháp khác để giảm biến dạng và tăng độ ổn định biên độ tín hiệu dao động, người ta sử dụng JFET trong mạch hồi tiếp âm như một điện trở thay đổi. Lúc này JFET được phân cực trong vùng điện trở (ohmic region-vùng ID chưa bảo hòa) và tác động như một điện trở thay đổi theo điện thế (VVR-voltage variable resistor). - Ta xem mạch hình 10.10 - D 1 , D 2 được dùng như mạch chỉnh lưu một bán kỳ (âm); C 3 là tụ lọc. Mạch này tạo điện thế âm phân cực cho JFET. - Khi cấp điện, mạch bắt đầu dao động, biên độ tín hiêu ra khi chưa đủ làm cho D 1 và D 2 dẫn điện thì V GS = 0 tức JFET dẫn mạnh nhất và r ds nhỏ nhất và độ lợi điện thế của op-amp đạt giá trị tối đa. - Sự dao động tiếp tục, khi điện thế đỉnh ngõ ra âm đạt trị số xấp xỉ -(V z + 0.7v) thì D 1 và D 2 sẽ dẫn điện và V GS bắt đầu âm. Trương Văn Tám X-10 Mạch Điện Tử [...]... tần số dao động từ 100khz trở lên, tần số càng thấp càng khó chế tạo Trương Văn Tám X-22 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.3.2 Dao động thạch anh: Dao động dùng thạch anh như mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là mạch dao động Pierce (Pierce crystal oscillator) Dạng tổng quát như sau: Ta thấy dạng mạch giống như mạch dao động clapp nhưng thay cuộn dây và tụ điện nối tiếp bằng thạch anh Dao động. .. mạch 10.17c Trương Văn Tám X-15 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Trương Văn Tám X-16 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.2.3 Mạch dao động Colpitts: Ta xem mạch dùng JFET cực So sánh với mạch tổng quát: Z1= C1; Z2 = C2; Z3 = L1; C3: tụ liên lạc ngỏ vào làm cách ly điện thế phân L2: cuộn chận cao tần (Radio-frequency choke) có nội trở không đáng kể nhưng có cảm kháng rất lớn ở tần số dao động, ... Trương Văn Tám X-21 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Ta có thể dùng thạch anh để thay thế mạch nối tiếp LC, mạch sẽ dao động ở tần số fS Còn nếu thay thế mạch song song LC, mạch sẽ dao động ở tần số fp (hoặc fop) Do thạch anh có điện cảm LS lớn, điện dung nối tiếp rất nhỏ nên thạch anh sẽ quyết định tần số dao động của mạch; linh kiện bên ngoài không làm thay đổi nhiều tần số dao động (dưới 1/1000)... Clapp (clapp oscillator): Dao động clapp thật ra là một dạng thay đổi của mạch dao động colpitts Cuộn cảm trong mạch dao động colpitts đổi thành mạch LC nối tiếp Tại tần số cộng hưởng, tổng trở của mạch này có tính cảm kháng Trương Văn Tám X-18 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Tại tần số cộng hưởng: Z1 + Z2 + Z3 = 0 Ðể ý là do mạch L1C3 phải có tính cảm kháng ở tần số dao động nên C3 phải có trị... không ảnh hưởng đến mạch tích phân Tín hiệu răng cưa tăng dần, khi Vc = Vref mạch so sánh đổi trạng thái và v0 thành +VSAT làm cho D và Q dẫn bảo hòa Tụ C phóng nhanh qua Q kéo v(t) xuống 0v Mạch so sánh lại đổi trạng thái Trương Văn Tám X-33 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Trương Văn Tám X-34 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG X Bài 1: Cho mạch dao động dịch pha RC như... Chương 10: Mạch dao động Thực tế |+VSAT| có thể khác |-VSAT| nên để được sóng vuông đối xứng, có thể sử dụng mạch như hình 10.33 Trong các mạch hình trên ở ngõ ra ta được sóng vuông đều (t1 = t2) Muốn t1 ≠ t2 ta có thể thế R2 bằng mạch Trương Văn Tám X-26 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.4.2 Tạo sóng vuông, tam giác và răng cưa với mạch dao động đa hài: Dạng tín hiệu ra của mạch dao động tích... X-13 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động b Cộng hưởng song song (parallel resonant ci rcuit) Tổng trở của mạch: Trương Văn Tám X-14 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.2.2 Tổng quát về dao động LC: -Dạng tổng quát như hình 10.17a và mạch hồi tiếp như hình 10.17b - Giả sử Ri rất lớn đối với Z2 (thường được thỏa vì Z2 rất nhỏ) Ðể tính hệ số hồi tiếp ta dùng hình 10.17b Ðể xác định Av (độ lợi của mạch. .. độ lợi vòng hở Av của mạch Toàn bộ mạch dao động cầu Wien có điều chỉnh tần số và biên độ dùng tham khảo được vẽ ở hình 10.14 Trương Văn Tám X-12 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.2 MẠCH DAO ÐỘNG SIN TẦN SỐ CAO: Dao động dịch pha không dùng được ở tần số cao do lúc đó tụ điện phải có điện dung rất nhỏ Ðể tạo sóng tần số cao người ta thường đưa vào hệ thống hồi tiếp các mạch cộng hưởng LC (song... động Pierce là loại dao động thông dụng nhất của thạch anh Hình 10.29 là loại mạch dao động Pierce dùng rất ít linh kiện Thạch anh nằm trên đường hồi tiếp từ cực thoát về cực cổng Trong đó C1 = CdS; C2 = CgS tụ liên cực của FET Do C1 và C2 rất nhỏ nên tần số dao động của mạch: và thạch anh được dùng như mạch cộng hưởng song song Trương Văn Tám X-23 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Thực tế người... có thể dùng mạch clapp cải tiến như hình 10.21 Tần số dao động cũng được tính bằng công thức trên nhưng chú ý do dùng mạch cực thu chung (Av, 1) nên hệ số β phải có trị tuyệt đối lớn hơn 1 10.2.5 Dao động Hartley (hartley oscillators) Cũng giống như dao động colpitts nhưng vị trí của cuộn dây và tụ hoán đổi nhau Z1 = L1; Z2 = L2; Z3 = C1 Trương Văn Tám X-19 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Hai cuộn . Chương 10: Mạch dao động Chương 10 MẠCH DAO ÐỘNG (Oscillators) 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. hưởng đến mạch dao động. Trương Văn Tám X-7 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.1.2 Mạch dao động cầu Wien: (wien bridge oscillators) - Cũng là một dạng dao động dịch pha. Mạch thường. của mạch khuếch đại căn bản ta dùng mạch 10.17c Trương Văn Tám X-15 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Trương Văn Tám X-16 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động 10.2.3 Mạch