Điện Tử - Kỹ Thuật Mạch Điện Tử (Phần 2) part 3 pdf

155 song song v ớ i m ạ ch ra c ủ a t ầ ng. Đ i ệ n áp h ồ i ti ế p l ấ y t ừ t ụ C 2 đặ t t ớ i đầ u vào tranzito qua t ụ C p1 . Đ i ệ n áp trên t ụ C 1 và C 2 đố i v ớ i đ i ể m chung ( đấ t) ng ượ c pha nhau vì th ế s ẽ t ạ o nên h ồ i ti ế p d ươ ng. Đ i ề u ki ệ n t ự kích đượ c đả m b ả o theo quan h ệ : tc v 2 L //RR (B)r C C = (2.259) Ở đ ây: r v (B) - đ i ệ n tr ở vào c ủ a tranzito theo s ơ đồ BC; R t - đ i ệ n tr ở t ả i m ạ ch ngoài. Để tính toán t ầ n s ố ta dùng công th ứ c (2-258) ở đ ây C=C 1 C 2 /(C 1 +C 2 ) Vì tr ị s ố c ủ a L, C trong m ạ ch dao độ ng và tham s ố c ủ a tranzito ph ụ thu ộ c vào nhi ệ t độ nên t ầ n s ố f c ủ a máy phát t ạ o ra c ũ ng s ẽ ph ụ thu ộ c vào nhi ệ t độ . Mu ố n t ă ng độ ổ n đị nh t ầ n s ố thì ph ả i t ă ng độ ổ n đị nh theo nhi ệ t độ cho ch ế độ t ĩ nh c ủ a tranzito, c ũ ng nh ư dùng bi ệ n pháp bù s ự thay đổ i c ủ a t ầ n s ố theo nhi ệ t độ . M ộ t trong nh ữ ng ph ươ ng pháp bù đ ó là m ắ c thêm vào m ạ ch dao độ ng nh ữ ng t ụ đ i ệ n có đ i ệ n dung ph ụ thu ộ c vào t ầ n s ố . Trong nh ữ ng máy phát có ch ấ t l ượ ng cao, ng ườ i ta dùng b ộ c ộ ng h ưở ng th ạ ch anh, khi đ ó độ ổ n đị nh t ầ n s ố là l ớ n nh ấ t. Hình 2.125: Mô phỏng hoạt động của mạch dao động ghép ba điểm điện dung 156 Ở d ả i t ầ n s ố th ấ p (d ướ i vài ch ụ c kHz), ng ườ i ta dùng m ạ ch phát sóng RC. Ở đ ây không dùng m ạ ch LC vì nó làm t ă ng kích th ướ c và tr ọ ng l ượ ng c ủ a các ph ầ n t ử ở trong m ạ ch dao độ ng. M ạ ch phát sóng RC d ự a trên c ơ s ở dùng m ạ ch ph ụ thu ộ c t ầ n s ố g ồ m đ i ệ n tr ở và t ụ đ i ệ n có s ơ đồ kh ố i t ươ ng t ự nh ư máy phát sóng LC đ ã cho ở hình 2.122. Trong kh ố i khu ế ch đạ i, tín hi ệ u ra có th ể ng ượ c pha ho ặ c đồ ng pha v ớ i tín hi ệ u vào. Trong tr ườ ng h ợ p đầ u, m ạ ch h ồ i ti ế p RC ph ụ thu ộ c t ầ n s ố ph ả i d ị ch pha tín hi ệ u 180 0 ở t ầ n s ố phát sóng, còn tr ườ ng h ợ p th ứ hai thì không c ầ n d ị ch pha tín hi ệ u. Gi ả i quy ế t hai nhi ệ m v ụ này b ằ ng nhi ề u s ơ đồ m ạ ch RC khác nhau. Hình 2.126a là s ơ đồ lo ạ i thang R song song th ự c hi ệ n d ị ch pha tín hi ệ u 180 0 . S ơ đồ này có h ệ s ố truy ề n đạ t và pha tín hi ệ u c ủ a m ạ ch RC ph ụ thu ộ c vào t ầ n s ố . Vì s ự d ị ch pha c ự c đạ i c ủ a m ộ t khâu RC ở t ầ n s ố g ầ n b ằ ng không là vào kho ả ng 90 0 , nên để có góc d ị ch pha là 180 0 , c ầ n có ít nh ấ t ba khâu RC n ố i ti ế p (th ườ ng ng ườ i ta dùng m ạ ch có ba khâu RC là đủ ). S ự ph ụ thu ộ c |β| và ϕ β vào t ầ n s ố đố i v ớ i m ạ ch ba khâu R C khi C 1 = C 2 = C 3 = C và R 1 = R 2 = R 3 v ẽ trên hình 2.126b v ớ i bi ể u th ứ c: ( ) ( ) [ ] 1/2 2 22 2 2 α6α5α1 1 β −+− = r ( ) 2 2 β 5 α 1 α 6 α arctg − − = ϕ v ớ i α = 1/ωRC T ầ n s ố f 0 ứ ng v ớ i góc di pha b ằ ng 180 0 đạ t đượ c lúc α 2 =6. RC2 π 1 f 0 = (2-260) Ta th ấ y ở t ầ n s ố f 0 mô đ un c ủ a h ệ s ố truy ề n đạ t c ủ a m ạ ch h ồ i ti ế p là β = 1/29. Do đ ó máy phát ch ỉ có th ể t ự kích n ế u h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a b ộ khu ế ch đạ i tho ả mãn K ≥ 29. Hình 2.127 v ẽ s ơ đồ máy phát RC dùng khu ế ch đạ i thu ậ t toán. M ạ ch h ồ i ti ế p ph ụ thu ộ c vào t ầ n s ố đượ c m ắ c gi ữ a đầ u ra và đầ u vào đả o. Mu ố n có h ệ s ố khu ế ch đạ i theo yêu c ầ u (K ≥ 29) thì ph ả i ch ọ n t ỉ s ố R ht /R td ≥ 29 ở đ ây R td = R 3 //R 0 . Đ i ệ n tr ở vào b ộ khu ế ch đạ i đả o b ằ ng R 0 cùng v ớ i R 3 xác đị nh thành ph ầ n thu ầ n tr ở c ủ a khâu cu ố i cùng trong m ạ ch h ồ i ti ế p ph ụ thu ộ c t ầ n s ố . Vì th ế để tính f 0 theo (2- 260) c ầ n ph ả i ch ọ n R 1 = R 2 = R 3 // R 0 = R. Trên th ự c t ế mu ố n có biên độ dao độ ng c ầ n thi ế t thì ph ả i hi ệ u ch ỉ nh đ i ệ n tr ở R ht . 157 Hình 2.127: Tạo dao động hình sin kiểu RC dùng IC thuật toán Hình 2.128a v ẽ m ạ ch h ồ i ti ế p RC không làm d ị ch pha tín hi ệ u ở t ầ n s ố f 0 . Đ ó chính là c ầ u Viên. Đặ c tuy ế n biên độ t ầ n s ố và pha t ầ n s ố cho trên hình 2.128b v ớ i các bi ể u th ứ c d ạ ng: ω RC 1 α ; 3 α 1 α arctg; α α 1 9 1 β β 1/2 2 =       − =               −+ = ϕ T ạ i α = 1 hay f 0 = 1/2πRC có ϕ β = 0 nên khi xây d ự ng b ộ t ạ o sóng dùng khu ế ch đạ i thu ậ t toán (h.2.129) thì m ạ ch h ồ i ti ế p ph ụ thu ộ c t ầ n s ố (h.2.128a) đượ c m ắ c gi ữ a đầ u ra và đầ u vào không đả o c ủ a khu ế ch đạ i thu ậ t toán. Vì ở t ầ n s ố f 0 h ệ s ố truy ề n đạ t c ủ a m ạ ch c ầ u Viên là 1/3 nên máy phát ch ỉ t ự kích khi K ≥ 3, ngh ĩ a là ph ả i ch ọ n t ỉ s ố R ht /R 0 ≥ 2. T ầ n s ố c ủ a máy phát xác đị nh theo RC2 1 CCRR2 π 1 f 2121 0 π == (2-216) ở đ ây: R 1 = R 2 = R và C 1 = C 2 = C Biên độ dao độ ng c ầ n thi ế t đạ t đượ c b ằ ng cách hi ệ u ch ỉ nh đ i ệ n tr ở R ht hay R 0 trong quá trình đ i ề u ch ỉ nh s ơ đồ . 158 C ầ n l ư u ý m ộ t đ i ể m là n ế u ch ọ n t ỉ s ố R ht /R 0 = 2 thì t ạ i t ầ n s ố f 0 , đ i ệ n áp h ồ i ti ế p l ấ y trên đườ ng chéo c ầ u gi ữ a 2 đầ u vào đả o và không đả o c ủ a OA b ằ ng 0, t ứ c là m ạ ch không th ể dao độ ng đượ c. Vì lí do này ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng lo ạ i c ầ u Viên có c ả i biên b ằ ng cách ch ọ n quan h ệ R ht /R 0 = 2 + ε v ớ i ε là 1 l ượ ng vô cùng bé (m ộ t vài %) để m ạ ch d ễ dao độ ng có độ ổ n đị nh t ầ n s ố cao nh ờ đặ c tính ϕ β d ố c h ơ n ở lân c ậ n f 0 . T ỷ s ố R ht /R o = 2 + ε là 1 hàm c ủ a biên độ đ i ệ n áp ra t ạ o kh ả n ă ng t ự độ ng ổ n đị nh biên độ dao độ ng hình sin t ạ i đầ u ra c ủ a máy phát. Dùng khu ế ch đạ i thu ậ t toán có h ồ i ti ế p âm sâu s ẽ làm ổ n đị nh tham s ố c ủ a b ộ phát sóng RC. Vì v ậ y độ không ổ n đị nh t ầ n s ố theo nhi ệ t độ trong b ộ phát sóng RC ch ủ y ế u là do s ự ph ụ thu ộ c c ủ a m ạ ch RC vào nhi ệ t độ . Độ ổ n đị nh c ủ a nó n ằ m trong kho ả ng ± 0.1÷ 3%. 2.5.3. Tạo tín hiệu hình sin bằng phương pháp biến đổi từ một dạng tín hiệu hoàn toàn khác Hình 2.119 đ ã mô t ả s ơ đồ kh ố i c ủ a ph ươ ng pháp này. Đ ây là d ạ ng máy phát v ạ n n ă ng h ơ n, có nhi ề u ư u đ i ể m và hi ệ n nay đượ c s ử d ụ ng khá r ộ ng rãi. S ơ đồ c ấ u trúc c ủ a m ộ t máy phát lo ạ i này (máy phát hàm) đượ c trình bày trên hình 2.130a. H ệ kín g ồ m m ộ t m ạ ch tích phân I, (m ộ t m ạ ch khu ế ch đạ i thu ậ t toán và hai ph ầ n t ử R 1 C 1 ), ph ầ n t ử r ơ le R (m ạ ch khu ế ch đạ i thu ậ t toán g ồ m 1 khâu h ồ i ti ế p d ươ ng R 1 R 2 ) t ạ o thành m ộ t h ệ t ự dao độ ng và cho ra hai d ạ ng tín hi ệ u: tín hi ệ u tam giác (U 1 ) và tín hi ệ u xung ch ữ nh ậ t (U 2 ) (xem thêm ở ph ầ n 3.6). Hàm truy ề n đạ t c ủ a ph ầ n t ử r ơ le U 2 = f 1 (U 1 ) đượ c mô t ả trên hình 2.130b. Còn hàm truy ề n đạ t c ủ a b ộ bi ế n đổ i “xung tam giác – hình sin” U 3 = f 2 (U 1 ) có d ạ ng nh ư hình 2.130c. Nguyên t ắ c làm vi ệ c c ủ a c ả h ệ th ố ng này có th ể gi ả i thích s ơ b ộ nh ư sau: N ế u tín hi ệ u vào có d ạ ng tuy ế n tính đ i xu ố ng (h.130d) cho đế n khi đạ t t ớ i m ứ c – U 1 s ẽ làm l ậ t m ạ ch r ơ le thành + U 2 c ầ n chú ý |U 2 | > |U 1 |. T ừ th ờ i đ i ể m này t ạ i đầ u ra c ủ a m ạ ch tích phân tín hi ệ u có d ạ ng tuy ế n tính đ i lên cho đế n khi đạ t t ớ i giá tr ị U 1 làm cho r ơ le chuy ể n v ề tr ạ ng thái ban đầ u (-U 2 ). Quá trình c ứ ti ế p t ụ c nh ư v ậ y và ở đầ u ra c ủ a r ơ le có d ạ ng xung ch ữ nh ậ t độ l ớ n ±U 2 và đầ u ra c ủ a m ạ ch tích phân có d ạ ng xung tam giác biên độ U 1 (h.2.130d). Các tín hi ệ u này cùng t ầ n s ố và các kho ả ng cách xung ( độ d ầ y, độ r ỗ ng…). N ế u đặ c tuy ế n tr ễ c ủ a r ơ le đố i x ứ ng qua tr ụ c X và tr ụ c Y có ngh ĩ a là ng ưỡ ng l ậ t m ạ ch nh ư nhau ±U 1 và m ứ c tín hi ệ u ra ±U 2 c ũ ng là nh ư nhau thì t ầ n s ố dao độ ng đượ c tính b ằ ng công th ứ c (2-262). Xu ấ t phát t ừ ph ươ ng trình: I ∆ t ∆ U CI 1 1 C 1C ≈= suy ra ∆t=C 1 ∆U C1 /I hay f = 1/ 2∆t do đ ó: 159 111 2 UC4R α .U f = Trong đ ó  =R ’ /R f , R ’ là ph ầ n d ướ i c ủ a đ i ệ n tr ở R f (h.2.130a); R 1 C 1 : h ằ ng s ố th ờ i gian c ủ a m ạ ch tích phân. T ầ n s ố c ủ a m ạ ch có th ể đ i ề u ch ỉ nh nh ờ thay đổ i R f , ở đ ây ∆t là độ r ộ ng xung. Hình 2.130: Sơ đồ máy phát hàm Tín hi ệ u hình sin nh ậ n đượ c nh ờ m ộ t b ộ bi ế n đổ i đặ c bi ệ t có đặ c tuy ế n truy ề n đạ t phi tuy ế n nh ư hình 2.130c. Để nh ậ n đượ c hình sin lý t ưở ng, khi đầ u vào có d ạ ng xung tam giác, đặ c tính truy ề n đạ t c ủ a ph ầ n t ử này ph ả i có d ạ ng ¼ chu k ỳ hình sin t ứ c là U 3 = asinU 1 . Trong đ ó a là h ằ ng s ố . Yêu c ầ u đố i v ớ i ph ầ n t ử r ơ le trong máy phát hàm có d ả i t ầ n s ố r ộ ng (t ừ d ướ i 1Hz đế n 10MHz) là có t ố c độ truy ề n m ạ ch r ấ t ph ả i r ấ t nhanh. Để th ự c hi ệ n nó, có th ể dùng m ạ ch so sánh (comparator). Nh ư nng các m ạ ch so sánh hi ệ n nay th ườ ng có th ờ i gian chuy ể n m ạ ch t ươ ng đố i l ớ n (0,03 ÷4)µs nên ch ỉ s ử d ụ ng chúng ở t ầ n s ố không quá 100kHz. Vì v ậ y trong trong máy phát hàm ph ầ n t ử r ơ le th ườ ng đượ c xây d ự ng trên c ơ s ở m ạ ch r ờ i r ạ c dùng các tranzito cao t ầ n (tranzito xung). (Th ờ i gian chuy ể n m ạ ch không quá 20–30ns). Để nh ậ n bi ế t đượ c tín hi ệ u hình sin t ừ xung tam giác, b ộ bi ế n đổ i “xung tam giác– hình sin” c ầ n có hàm truy ề n đạ t U 3 = asinU 1 . Để th ự c hi ệ n hàm này, có hai ph ươ ng pháp chính là ph ươ ng pháp x ấ p x ỉ t ừ ng đ o ạ n tuy ế n tính và ph ươ ng pháp x ấ p x ỉ t ừ ng đ o ạ n không tuy ế n tính. Ph ươ ng pháp x ấ p x ỉ b ằ ng nh ữ ng đ o ạ n tuy ế n tính là chia kho ả ng hình sin thành 4n ph ầ n nh ỏ và thay th ế m ỗ i ph ầ n b ằ ng m ộ t đ o ạ n th ẳ ng có độ nghiêng khác nhau (h.2.231). 160 Hình 2.131: Xấp xỉ dạng hình sin S ố n càng l ớ n thì độ chính xác càng cao và h ệ s ố méo c ủ a hình sin nh ậ n đượ c càng nh ỏ . M ộ t trong nh ữ ng s ơ đồ th ự c hi ệ n ph ươ ng pháp này đượ c mô t ả trên hình 2.321. Ở đ ây n = 6. Các đ iôt D 1 ÷D 10 ở tr ạ ng thái ban đầ u là khoá b ằ ng các m ứ c đ i ệ n áp cho tr ướ c: |±U 1 | <…<|±U 5 | < U vm ở đ ây U vm là biên độ xung tam giác ở l ố i vào. Khi U v t ă ng d ầ n thì l ầ n l ượ t các đ iôt m ở và sau đ ó khoá (nhóm đ iôt l ẻ làm vi ệ c ở n ử a d ươ ng và nhóm đ iôt ch ẵ n làm vi ệ c ở n ử a âm c ủ a đ i ệ n áp tam giác) t ạ o thành t ừ ng đ o ạ n tín hi ệ u tuy ế n tính có độ d ố c khác nhau. Độ d ố c c ủ a t ừ ng đ o ạ n này đượ c xác đị nh b ở i đ i ệ n d ẫ n tác độ ng lên t ừ ng kho ả ng th ờ i gian t ươ ng ứ ng. Xét trong ¼ chu kì đầ u, khi s ố th ứ t ự c ủ a t ừ ng đ o ạ n càng cao (1,2,…, đế n n) thì độ d ố c s ẽ càng gi ả m. N ế u g ọ i đ i ệ n d ẫ n ban đầ u (khi t ấ t c ả các đ iôt đề u khoá) là Y o =1/R ’ và độ d ẫ n c ủ a t ừ ng m ạ ch có đ iôt m ở là Y 1 =1/R 1 và Y 2 = 1/R 2 thì độ d ố c c ủ a t ừ ng đ o ạ n b ấ t kì là: tg α n = Y 0 – (Y 1 + Y 2 + ……+ Y n ) = n21 0 ' R 1 R 1 R 1 R 1 +++− Trong đ ó α n là góc nghiêng c ủ a đ o ạ n th ứ n. Ph ươ ng pháp x ấ p x ỉ hoá b ằ ng nh ữ ng đ o ạ n không tuy ế n tính là chia hình sin ra làm nhi ề u đ o ạ n và m ỗ i đ o ạ n thay b ằ ng các hàm phi tuy ế n. Thí d ụ : đườ ng đặ c tuy ế n Von– ampe c ủ a đ iôt có d ạ ng đ a th ứ c b ậ c hai y = ax 2 + bx + c (x ấ p x ỉ t ừ ng đ o ạ n b ằ ng hàm b ậ c hai) thay đặ c tuy ế n Vôn–ampe c ủ a đ i ệ n tr ở bán d ẫ n (Varistor) có d ạ ng đ a th ứ c: n i n 0i i xay ∑ = = X ấ p x ỉ b ằ ng đ o ạ n cong ho ặ c dùng tranzito tr ườ ng (FET) mà đặ c tuy ế n Vôn–ampe c ủ a đ iôt có d ạ ng y = asinx trong kho ả ng 0 ÷π/2. So v ớ i ph ươ ng pháp x ấ p x ỉ t ừ ng đ o ạ n tuy ế n tính, ph ươ ng pháp x ấ p x ỉ t ừ ng đ o ạ n không tuy ế n tính cho độ chính xác cao h ơ n. (H ệ s ố méo hình sin nh ỏ h ơ n n ế u cùng s ố l ượ ng chia đ o ạ n n) nh ư ng th ự c hi ệ n ph ứ c t ạ p h ơ n. 1 n 161 Hình 2.132: Biến đổi xung tam giác thành hình sin bằng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính Ở t ầ n s ố f max ≤ 1Mhz, ng ườ i ta có th ể s ử d ụ ng FET để bi ế n đổ i xung tam giác thành hình sin do đặ c tính c ủ a lo ạ i này nh ư đ ã nói ở trên. S ơ đồ b ộ bi ế n đổ i này đượ c mô t ả trên hình 2.133. Để tín hi ệ u hình sin không b ị méo c ầ n đả m b ả o các đ i ề u ki ệ n sau: U v = 1,33U c R D = R S = r DSO Ở đ ây : U v – biên độ đ i ệ n áp tam giác. U C – đ i ệ n áp c ắ t c ủ a tranzito tr ườ ng T; r DSO – đ i ệ n tr ở kênh c ủ a JFET khi đ i ệ n áp trên c ự c c ử a b ằ ng không. Tuy nhiên các tham s ố c ủ a tranzito tr ườ ng ph ụ thu ộ c nhi ề u vào nhi ệ t độ . Vì v ậ y để đả m b ả o cho b ộ bi ế n đổ i này làm vi ệ c t ố t c ầ n có các bi ệ n pháp ổ n đị nh nhi ệ t độ hay bù nhi ệ t b ằ ng các ph ầ n t ử m ắ c thêm. . bi ế n đổ i này đượ c mô t ả trên hình 2. 133 . Để tín hi ệ u hình sin không b ị méo c ầ n đả m b ả o các đ i ề u ki ệ n sau: U v = 1 ,33 U c R D = R S = r DSO Ở đ ây : U v –. c ầ u Viên là 1 /3 nên máy phát ch ỉ t ự kích khi K ≥ 3, ngh ĩ a là ph ả i ch ọ n t ỉ s ố R ht /R 0 ≥ 2. T ầ n s ố c ủ a máy phát xác đị nh theo RC2 1 CCRR2 π 1 f 2121 0 π == ( 2-2 16) ở đ ây:. ph ầ n 3. 6). Hàm truy ề n đạ t c ủ a ph ầ n t ử r ơ le U 2 = f 1 (U 1 ) đượ c mô t ả trên hình 2. 130 b. Còn hàm truy ề n đạ t c ủ a b ộ bi ế n đổ i “xung tam giác – hình sin” U 3 = f 2 (U 1 )