Chương 7: DAO ĐỘNG - TỔNG HỢP TẦN SỐ docx

VCEo = 6V; Mạch dao động tần số cao thường dùng nhất Clapp cho độ ổn định cao, thứ đến Colpitt, rồi Hartley.. Mạch dao động có tên Pierce.Điện trở RB không mắc song song vào mạch điều hư

Chương 7 DAO ĐỘNG - TỔNG HỢP TẦN SỐ

Dao động và tổng hợp tần số (THTS) - phần rất quan trọng của điện tử thông tin.Trong tài liệu này chỉ xét dao động sin cao tần Mạch dao động biến đổi năng lượng điệnnguồn một chiều thành xoay chiều Thông số quan trọng nhất của bộ dao động: độ bất ổntần số tương đối

7.1 NGUYÊN LÝ DAO ĐỘNG

vàoápđiện(V

)đạikhuếchmạch

raápđiện(VA

Một phần điện áp ra V  f đưa vế hồi tiếp dương cho mạch khuếch đại:

Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp

o

f

f V

VB





 

o f

V  giảm Hồi tiếp dương nếu V  s và V  f cùng pha dẫn đến V  o tăng tức là có dao động

Xét hồi tiếp dương:

o f v s v v o f s v f s v i

o V A ( V V ) A ( V B V ) A A V A B V

Để có tự dao động thì V  s= 0 suy ra A v Bf  1

Điều kiện A v Bf  1 còn gọi là tiêu chuẩn Barkhausen Thông thường A v B f  1 ,tức là mạch khuếch đại bù được suy hao của mạch hồi tiếp Nếu A v Bf  1 mạch khôngdao động

Dạng khác, V  s= 0 ta có : vf

f v

v i

B A 1

A V

A, B pha của mạch khuyếch đại và mạch hồi tiếp

Xét mạch dao động dạng tổng quát về mặt xoay chiều (AC) gồm phần tử tích cựckhuếch đại và mạch hồi tiếp gồm 3 phần tử kháng Xl,2,3 đồng thời là tải cộng hưởng Bỏqua điện dung ký sinh bán dẫn và điện trở tổn hao của các phần tử kháng ta có mạchtương đương xoay chiều của bộ dao động Coi BJT không có quán tính

Điều kiện dao động:

V B

0 x

.

x

0 x

x x

v

o f f

3 1

2 1

3 2

Hai dạng mạch dao động cơ bản thỏa điều kiện dao động: Hartley (3 điểm điệncảm) và Colpitt (3 điểm điện dung) Dao động ghép biến áp là biến thể Hartley và Clapp -biến thể của Colpitt Lựa chọn thông số tối ưu cho khuếch đại của bộ dao động:

ICO = vài mA VCEo = 6V;

Mạch dao động tần số cao thường dùng nhất Clapp cho độ ổn định cao, thứ đến Colpitt, rồi Hartley Mạch dao động Hartley thường dùng trong công nghiệp hoặc những

o B

A  180

Hình 7.4 Các điều kiện pha của mạch dao động mắc CE, CB, CC.

7.2 PHÂN TÍCH MẠCH DAO ĐỘNG

Hình 7.6 (a) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ mắc CB của bộ dao động

(b) Mạch tương đương sơ đồ (a) nhưng hở mạch hồi tiếp

riV

Vo

Giả sử bỏ qua điện trở ra BJT, RB đủ lớn, tụ CB coi như nối tắt về AC

Ta có: |Av|.|Bf| = 1 và A = B = 0 là điều kiện dao động

Tụ C2//RE//ri = VI 26I ((mAmV))

C C

T

Hệ số phẩm chất Q của mạch dao động có tải lớn Điện áp ngỏ ra mạch hồi tiếp:

2 1

1 oCC

CVV





Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng:

2

1

2 1 E i

E i

C

C R r

R r

1 o

CV

V

2 1

2 1 o

CC

CCL

L eq m L m o

R R g Z g V

C R R

R R g B A

2 1

1 L eq

L eq m f

2

1

2 1 i

CC

C

CrgB.A

2 1

1 2

1

1 i m f

Chọn RL >> Req để ít ảnh hưởng tới trở kháng tương đương mạch cộng hưởng

Ví dụ: Cho sơ đồ trên, cho IC = lmA; Vcc = 12V; fo = 20MHz,  = 100 Tính mạch dao động

mV

26I

Vg

1r

C

T m i

2

1

2 1 i eq

V

3I

VR

C

E E

63

12I

VVVR

C

CE E cc C

763

12)

/I

7VVVR

C

R E cc

7.3 CÁC KIỂU MẠCH DAO ĐỘNG LC

1 Mạch dao động Clapp:

12V

L3RFC

CC

CX

XP

1 C

1 C

1 C

1

3 2 1 3

o 



Nếu C1,2 >> C3  Ceq  C3 

3 3 o

C L

mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng, giảm ảnh hưởng điện dung ký sinh BJT đến tầnsố dao động Do đó mạch dao động Clapp ổn định hơn Colpitt

2

1 C

C

CX

XB

2 1 3

o

CC

CCL

C

CX

XB

fo = 10MHz

Hình 7.11 Các kiểu mạch dao động.

3 Mạch dao động Hartley

3 2 1

L

LX

XB

1,5H

0,005 0,005

1

L

X nên nhánh L’1 Cb'c mang tínhdung kháng, dòng IA sớm pha hơn điện áp trên cực C là 90o Điện áp trên L’1 sớm pha sovới dòng IA 90o, tức là điện áp '

1

L

V sớm pha hơn so với điện áp trên cực C 180o, thỏa điềukiện pha dao động A = B =180o Trong một vài trường hợp cần đệm thêm tụ nhỏ giữacực C và B để thỏa điều kiện hồi tiếp dương dao động

Hình 7.13 (a) Mạch dao động điều hưởng ngõ vào - ra.

(b) Mạch điện tương đương AC.

5 Dao động Pierce (Pierce osc)

Xem xét 2 trường hợp riêng của Colpitt osc:

Tụ CB, CE coi như nối tắt về AC tại tần số dao động Mạch dao động có tên Pierce.Điện trở RB không mắc song song vào mạch điều hưởng nên không làm giảm hệ số phẩmchất Q của nó, tức là tăng độ ổn định tần số bộ dao động

Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Pierce osc

2

1 2

2 1

C C

e ' b C e ' b L

C C

e ' b C e ' b L m

C

jX ) jX r

/(

X jr jX V g V

' b C e

' b C

e ' b C e

' b C o

jX)rjX/(

rjX

)rjX/(

rjXVV

2 2

2 2

C(rjLC1

r

V.gV

2 1

2 2 1 e ' b 1

2 m o b'eo

2 1

2 1

CChay1

CLC

LC)CC(

2

2 1 2

1

1 2

7.4 ỔN ĐỊNH BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG:

Các phân tích tuyến tính dao động thuận tiện cho xác định tần số dao động nhưngkhông đề cập tới biên độ Có hai phương pháp thường dùng kiểm soát biên độ dao động:dao động tự giới hạn và mạch điều chỉnh biên độ

1) Dao động tự giới hạn: độ lợi vòng Av B  1 (thường bằng 2;3) Khi biên độ tăng,bán dẫn đạt đến trạng thái bão hoà, độ lợi vòng giảm dần đến trạng thái biên độổn định của dao động

2) Dùng mạch điều chỉnh biên độ: biên độ ra giới hạn nhờ giới hạn dòng Q2

7.5 ĐỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ BỘ DAO ĐỘNG

Độ bất ổn định tần số tương đối

o o o

o

f

f f

f f

Tần số dao động mạch cộng hưởng (mch):  o  LC1 Dưới tác động các yếu tốgây sái dạng thông số L, C một lượng L, C.

Tần số dao động bị trôi:   (LL1)(CC) Khi đó độ bất ổn định tần số

L 2

1 f

f

o o

Để  nhỏ chọn: L và C có hệ số nhiệt nhỏ biến thiên ngược nhau

C

;t.L

- công suất ra bộ dao động nhỏ

- chống tác động rung cơ học

- ổn định nhiệt độ mạch dao động

- Nguồn cung cấp ổn định, tách biệt riêng cho phần dao động

- Mạch cộng hưởng có Q lớn, dùng tầng đệm cách ly mạch dao động với tầng sau

- Bán dẫn có tần số cắt cao, nhiễu thấp

- Mạch và phân cực hợp lý

Phân tích độ bất ổn định tần số mạch dao động ba điểm điện cảm, điện dung mắcEmitter chung:

Mạch ba điểm điện dung : (3C):

2 2

2 1

1

1 o

P.C

C2

1P.C

C2

1L

L2

1f

2 1 2

2 1

2 1

1

1 o

P.L

L2

1P.L

L2

1C

C2

1f

;L

1 eq

2 1

2 1

Q.PQ.C

CR

.PQ Pz

Trong đó P CC ze.QC1. ;

1 1

LR.PQ P

eq

2 1

2 1

Trong đó P LL zLQ;

1

eq 1

1f

f

2

2 f 1 e o

1L

L.BL

LQ

z2

1f

f

2 2

2 2 f 2 1

1 e o

- ze càng nhỏ độ ổn định càng tăng nhưng sẽ khó thỏa điều kiện dao động do đó phảicó sự lựa chọn dung hòa

- Q lớn, đôï ổn định tần số dao động tăng Đây chính là lý do các mạch cộng hưởngbộ dao động luôn chọn có hệ số phẩm chất cao, ngoài ra còn có tác dụng loại hàibậc cao, lọc nhiễu

- Các phân tích trên bỏ qua ảnh hưởng thông số BJT Thực chất nếu phân tích sâu,các thông số phức bán dẫn y11, y12, y22 gánh vào mạch cộng hưởng Phần thực cácthông số đó gây tổn hao thêm ở mạch cộng hưởng, Q giảm, độ ổn định tần số giảm.Phần phức làm thay đổi tần số dao động Việc lựa chọn linh kiện và mạch hợp lýgiảm thiểu ảnh hưởng này Điện trở RE góp phần làm tăng độ ổn định tần số

- Nguồn cung cấp cần ổn định riêng bởi lẽ thông số BJT phụ thuộc vào nó

- Để có đao động ổn định cao, dùng thạch anh có Q rất cao

7.6 DAO ĐỘNG THẠCH ANH (CRYSTAL OSC)

Trong phần Crystal Filter đã đề cập tổng quát thạch anh dùng cho bộ lọc trung tần.Phần này phân tích chi tiết hơn dao động thạch anh Mạch điện tương đương thạch anh(TA): gồm nhiều nhánh có tần số cộng hưởng nối tiếp gần bằng số lẻ tần số cơ bản (fs, fp).Các tần số này gọi là overtones Frequency Trong một khoảng tần số nhỏ quanh tần sốcộng hưởng, mạch điện tương đương có sơ đồ đơn giản sau:

Hình 7.15 Mạch điện tương đương Thạch anh.

Bảng thông số TA của JAN crystals

T T

o T

T T

TA

Cj

1C

j

1L

jr

Cj

1.Cj

1L

jrz

2 o T

T T 2

TA (C C ) L C C

1CLj

C j z

Tần số cộng hưởng nối tiếp suy ra từ S2LTCT - 1 = 0 suy ra

T T S

C L

T o T

p

CC

CCL

Hài cơ bản Hài 3 Hài 5

Hình 7.16 Đặc tính điện kháng TA.

Trong khoảng S  p , TA có tính cảm kháng, dùng trong mạch dao động TA kiểusong song

Tại S TA coi như thuần trở rất nhỏ rT, dùng trong mạch dao động TA kiểu nối tiếp

Ta có tỷ số:

  1

o

1 o

1 s

C2

C1C

C1f

C1/ff

;400008,0

2,

3C

Ck

o

1 p

s 1

1 Dao động TA kiểu song song (Parallel mode Crystal osc)

Thạch anh đóng vai trò như một điện cảm trong khoảng (s  p) ở mạch dao độngColpitt, clapp Pierce Phương pháp tính toán giống như mạch dao động đã xét, ngoại trừmột lưu ý là TA có thể cách ly điện áp DC Các điện dung mạch dao động chọn đủ lớn đểcó thể bỏ qua điện dung ký sinh

Ví dụ: tính mạch dao động TA 20MHz Sau:

m 1 2 

Vậy

2

1 C C

RFC

R3+Vcc

Hình 7.18 Các dạng mạch dao động thạch anh kiểu soong song.

TA

2 Tinh chỉnh tần số cộng hưởng TA

TA có Q cao, dễ dao động, độ ổn định cao nhưng chỉ cho 1 tần số Dao động LC cóthể chỉnh nhuyễn nhưng kém ổn định Để thay đổi tần số cộng hưởng TA trong phạm vihẹp, có thể mắc nối tiếp với nó một điện dung hay điện cảm Tầm hiệu chỉnh khoảng0,2% tần số dao động

Giả sử TA nối tiếp điện dung

O T T

2 T O

S O T

2 S O T 1 S

TA

,

)CC(CLC

C

CCj

1Cj

1z

T S

,

C1

T S

O

T S

S

, S s

s

, s

C2

11CC

C1f

f

fff

Trong mạch dao động Clapp, tụ CS nối tiếp TA thỏa điều kiện o eqTA

S o

L C

Để giảm ảnh hưởng điện dung ký sinh CO của TA, mắc song song CL

C C C L C (C C )

1CLj

z

L O T T

2 L O T

T T 2 TA

C1

fCCC

)CC(CL2

1f

T O

T S

L O T

L O T T P

Khi CL tăng, fP giảm tới gần bằng fS và (fP - fS ) = fS O

TC2C

Tuy nhiên QTA giảm

Các dạng mạch dao động TA kiểu song song

12V

60 5

Hình 7.19 Các dạng mạch dao động thạch anh.

+Vcc56

5n 5n 270 5,6

(c) osc 432MHz

2N5179

0,022 C

10K

2,2p

0,01 2,2K

100K

22 0,01

2K

220K

0,01 100

0,5 +Vcc

C2786

(e)

3 Dao động TA kiểu nối tiếp (Serial - mode Crystal oscillator)

Tại s, TA coi như thuần trở rT rất nhỏ Do đó nếu mắc TA ở mạch hồi tiếp bộ daođộng có o = s thì hồi tiếp về lớn nhất thỏa điều kiện dao động, nếu o  s, trở kháng

TA rất lớn, mạch không còn dao động Kiểu dao động TA ở tần số cộng hưởng nối tiếp s

thực hiện ở tần số cao (> 20MHz) trong khi kiểu dao động TA kiểu song song bị giới hạn ởtần số thấp Hầu hết các dao động hài lẻ TA đều ở các tần số cộng hưởng nối tiếp (hài 3từ 20  60MHz; hài 5 từ 60  125 MHz và cao hơn)

TA

CL

Hình 7.20 Dao động thạch anh kiểu nối tiếp và mạch tương đương.

zTA - trở kháng TA; ri điện trở vào tiếp giáp B-E mắc CB ri << RE

Điện áp hồi tiếp

TA i

i 2 1

1 o

zr

r.CC

CVV

1 r

C C r r //

R z

1 L

CC

C.z

Hình 7.22 Các sơ đồ dao động thạch anh ở mạch hồi tiếp.

47

18

570 +Vcc

7.7 VCO VÀ VCXO

VCO (voltage - control oscillator) - dao động kiểm soát bằng điện áp VCXO(voltage - controlled crystal oscillator) - dao động TA kiểm soát bằng điện áp Cả hai loạinày đều sử dụng vari cáp, ứng dụng rất phổ biến trong điều chế tần số, đo xa (Telametry),Dopler radar, phân tích phổ, điều hưởng ti vi, PLL (phase-locked loops), Tổng hợp tần số(Frequency synthesizers)

1





Hình 7.23 Dao động VCO dạng Clapp.

Điện áp VT thay đổi, điện dung varicáp thay đổi, tần số dao động thay đổi

Điều khó khăn khi thiết kế VCO: tạo được đáp tuyến truyền đạt f V T  tuyến tính

VCO 20 - 50 MHz

-12V 5,6K

L3

0,01

0,01 10

10 560

C - điện dung vari cáp tại phân cực Vo

Khi điện áp V trên varicáp thay đổi,

  V V

3 C L

C1f

ff

fff

f

V

V o

o

o o

Độ nhạy VCO: k dVdf vf

icáp var

o o

7.8 VI MẠCH VCO

VCO tuyến tính có được từ tổ hợp vi mạch dao động MC1648 với varicáp MV1401

Vi mạch này do Motorola chế tạo làm VCO cho PLL cùng nhiều ứng dụng khác

0,1

0,1

Vin

R110K +VBias

10 12

3

R25K

1K

R2

R451

Vcc

V o

7.9 DAO ĐỘNG DÙNG FET

FET ứng dụng rộng rãi trong bộ dao động Nó có một số ưu điểm so với BJT Trởkháng vào lớn, công suất tiêu tán nhỏ, nhiễu thấp, độ khuếch đại lớn, hoạt động tốt ở tầnsố cao Cấu hình mạch dao động tương tự BJT

C2

C1

RS

rdL

Hình 7.27 OSC dùng FET.

Xét mạch dao động Colpitt dùng FET mắc G chung, bỏ qua điện trở ra rd của FETrất lớn, ta có điều kiện dao động:

X X

g

0 X

X X

S C C m

C C

L

2 1

2 1

3

Trong tính toán chọn XC1 << rd

Ví dụ: Cho rd = 50K; gm = 5.10-3 ms; fdao động =16MHz; RS =15 Tính C1,2, L3?

10 15 X

g

R

C m

S C

1 2

R X

m

S C2

Suy ra C1 = 100pF và C2 = 330pF

XL = XC1 + XC2 = 130  L = 1,3H

7.10 DAO ĐỘNG DÙNG IC

Chất lượng kém hơn dùng linh kiện rời về nhiễu, về khả năng hoạt động tần sốcao, độ ổn định tần số Nhiều IC hoạt động ở chế độ đa hài mà không cần gắn thêm linhkiện bên ngoài Tuy nhiên dùng IC có kích thước nhỏ, dễ ráp, giá rẻ

4 6 5 7

Hình 7.28 IC - OSC.

Phương pháp tính toán mạch dao động

- Chọn sơ đồ mạch

- Chọn bán dẫn

- Tính chế độ phân cực bán dẫn

- Tính mạch dao động về AC

7.11 VÒNG KHOÁ PHA (PHASE LOCKED LOOP - PLL)

PLL - Hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số vàpha của tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào Tín hiệu vào có thể ở dạng sin hoặc số.Ứng dụng đầu tiên PLL năm 1932 cho tách sóng đồng bộ Từ 1960, cơ quan không gianNASA Hoa Kỳ dùng PLL xác định tần số phát vệ tinh ở l08MHz, cải thiện chất lượng thu(do hiệu ứng Doppler - dịch tần số phát) trong băng thông nhỏ (để giảm nhiễu) Ngày naycông nghệ thích hợp cao làm cho PLL nhỏ, tin cậy, giá rẻ, dễ sử dụng, đa năng, ứng dụngphổ thông: lọc, tổng hợp tần số, giải điều chế, điều chế, điều khiển tự động, Có hàngchục kiểu vi mạch PLL khác nhau, một số chế tạo phổ thông đa dạng, một số ứng dụngđặc biệt như tách Tone, giải mã Stereo, tổng hợp tần số Trước đây đa phần PLL bao gồmcả mạch số lẫn tương tự Hiện nay PLL số trở nên phổ biến

Sơ đồ khối cơ bản PLL:

Khi không có tín hiệu ngõ vào vi, điện áp ngỏ ra bộ khuếch đại Vout bằng không, bộdao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN (Nature or Free running Frequency) đượccài đặt bởi điện trở, tụ điện ngoài Khi có tín hiệu vào vi, bộ tách sóng pha so sánh pha vàtần số của tín hiệu vào với tín hiệu của VCO Ngỏ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai biệt

Vd(t), chỉ sự sai biệt về pha và tần số của hai tín hiệu Điện áp Vd(t) được lọc lấy thành phầnbiến đổi chậm nhờ LPF, khuếch đại đưa đến ngỏ vào VCO, điều khiển tần số VCO bámtheo tần số tín hiệu vào Đến khi tần số fo của VCO gần bằng tần số vào fi, hệ thống hồitiếp làm cho VCO đồng bộ (khoá) theo tín hiệu vào Ở trạng thái khóa (Lock) tần số fo củaVCO đồng nhất (bằng) tần số vào fi, ngoại trừ sự sai biệt pha

được tần số fo với fi Dải này còn gọi là đồng chỉnh (Tracking range), ký hiệu BL = fmax

-fmin Các tần số fmax, fmin tần số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khóa pha (đồngbộ)

Dải khóa phụ thuộc hàm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại,VCO Nó không phụ thuộc vào đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì fi - fo = 0

PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế dộ khóa) Nói cách khác đó là dải tần số màPLL có thể đạt được sự khóa pha khi việc khóa pha chưa thực hiện

Khi PLL chưa khóa pha: fi  fo Khi PLL khóa pha fi = fo Ở chế độ khóa pha, daođộng fo của VCO bám đồng bộ theo fi trong dải tần khóa BL rộng hơn dải tần bắt BC

Dải bắt BC = f2 – f1, trong đó f2 và f1 là tần số cao nhất – thấp nhất mà PLL có thểvào chế độ khóa đồng bộ BC phụ thuộc vào băng thông LPF Để PLL đạt được sự khóa

pha thì sự sai biệt (fi - fN) không vượt quá băng thông LPF Nếu vượt quá sẽ không đạtđược khóa pha, vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh.

Điện áp sau LPF

Nói cách khác, dải khóa phụ thuộc điện áp Vout ngỏ vào VCO và hệ số chuyển đổi

VTOF của VCO, trong khi dải bắt phụ thuộc băng thông LPF

3 Loại tách sóng pha lấy mẫu (sampling phase Detector)

1 Analog phase Detector:

vi = Asin(it + i)

vi = 2cos(ot + o)Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu Ngỏ ra của nó có điện áp:

vd = Asin[(it + i) – (ot + o)] + Asin[(it + i) + (it + o)]

Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn

thành phần tần số thấp Khi khóa pha (i =o)

có Vd = Asin(i - o) Điện áp này tỷ lệ với

biên độ điện áp vào A và độ sai pha e = i

-o Nếu e nhỏ, làm truyền đạt của bộ tách

sóng pha coi như tuyến tính Dải khóa giới

hạn trong |e|</2 Ta có độ lợi tách sóng pha

k tính được theo công thức:

2





A sine