Kỹ thuật mạch tương tự - Chương 3 ppsx

http://www.ebook.edu.vn 59 Chương 3. Mạch dao động Bài giảng số 1  Thời lượng: 4 tiết.  Tóm tắt nội dung : ¾ Mạch dao động tạo xung ¾ Mạch dao động tạo sin 3.1 Mạch dao động tạo xung 3.1.1 Đa hài tạo xung vuông. 3.1.2 Mạch tạo xung tuyến tính. 3.2 Mạch dao động tạo sin 3.2.1 Khái niệm chung Các dao động hình sin (hay còn gọi là dao động điều hoà) có tần số từ vài hz đến hàng ngàn Mhz được sử dụng rộng rãi trong các máy thông tin, máy đo lường, các thiết bị y tế vv Đó là các máy phát sóng được thiết kế ở các dải sóng khác nhau với mục đích sử dụng tương ứng. Các dao động hình sin có thể được tạo ra theo ba phương pháp sau đây: • Tạo dao động hình sin bằng một hệ tự dao động gần với một hệ bảo toàn tuyến tính. • Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ dạng không phải hình sin về dạng hình sin • Dùng các bộ biến đổi tương tự - số (AD), số - tương tự (DA) I F R H×nh 3.2.1.1 S¬ ®å khèi t¹o xun g Trong chương này chỉ xét nguyên lý các mạch làm việc theo phương pháp thứ nhất là các mạch thông dụng hơn cả. Tuy nhiên trước tiên tìm hiểu qua về nguyên lý xây dựng các mạch theo phương pháp thứ hai và thứ ba. Phương pháp thứ hai thường được sử dụng trong các máy phát sóng đa chức năng : tạo ra dao động dạng xung vuông, xung tam giác, dao động hình sin, thậm chí cả tín hiệu điều chế. http://www.ebook.edu.vn 60 Mt s khi dng ny trỡnh by hỡnh 3.2.1.1 õy mch tớch phõn I v Rle R to thnh mt h t dao ng cho ra xung vuụng v xung tam giỏc. Xung tam giỏc qua b bin i F c bin thnh dao ng hỡnh sin. Nhc im ca dao ng hỡnh sin ny l cú mộo phi tuyn ln hn so vi trng hp 1. Phng phỏp th ba to ra dao ng hỡnh sin nh s dng k thut s (Hỡnh 6.2a) .T X l b to xung nhp , C l b m thun nghch dựng m theo thi gian giỏ tr tc thi ca i s , DFC - b bin i s - hm to cỏc giỏ tr ca dao ng hỡnh sin dng s , DAC - b bin i s - tng t bin i tớn hiu s u ra ca mch DFC sang dng tng t l dao ng hỡnh sin. mộo ca dao ng hỡnh sin õy ph thuc vo s mu K c ly trong mt chu k. (hỡnh 6.2b).S lng ly mu K cng ln thỡ mộo cng nh , chớnh xỏc cng cao. Bõy gi ta xột phng phỏp th nht l phng phỏp thụng dng nht.Mt h dao ng t kớch gn vi mt h bo ton nng lng cú phn t khuch i n hng K v mch hi tip d ng nh hỡnh 3.2.1.3. K = 1 .K K (*) Trong ú K l h s khuch i ca phn t khuch i (n hng), hm truyn t phc ca mch hi tip , K l h s khuch i ca mch khuch i cú hi tip. T (*) d dng nhn thy khi : K = ) k (j eK + = 1 (**) thỡ K = , mch trng thỏi t kớch ,s l mt mch to dao ng. iu kin (** )cú thh vit c th hn 1=K (1) K + = 2K (2) iu kin trờn gi tng ng l iu kin cõn bng biờn v cõn bng pha. V mt vt lý h hỡnh (3.2.1.3) l mt h t dao ng khi phn t khuch i K bự nng lng tn hao trong vũng hi tip (iu kin cõn bng biờn ) v bự ỳng lỳc (iu kin cõn bng pha). Nu iu kin cõn bng pha ch ỳng cho mt tn s thỡ dao ng to ra s l dao ng hỡnh sin ca tn s ú . t x(t) b) Tx DFCC DAC a) Hình 3.2.1.2 a)Sơ đồ khối TDD hình sin trong KT số b)Đồ thị xấp xỉ dao động hình sin bằng các giá trị gián đoạn K Hình 3.2.1.3 Sơ đồ khối hệ dao động tự kích http://www.ebook.edu.vn 61 Quá trình tạo dao động hình sin gồm ba giai đoạn như sau: • Khi ta đóng nguồn một chiều cho mạch thì ở đầu vào của mạch khuếch đại sẽ xuất hiện rất nhiều các thành phần hài do đột biến nguồn. Chúng được khuếch đại và qua mạch hồi tiếp dương để trở lại đầu vào. Lúc này các thành phần có biên độ rất nhỏ. Thành phần tần số thoả mãn điều kiện (2) sẽ được tăng đần về biên độ . Giai đ oạn này gọi là giai đoạn tự kích hay phát sinh dao động . • Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biên độ của dao động tăng dần. Trong giai đoạn này biên độ và tần số của dao động dần tiến về giá trị ổn định . Đây là quá trình quá độ diễn ra trong mạch. • Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xác lập dao động , biên độ và tần số của dao động có giá trị ổn định. Các mạch tạo dao động hình sin dạng này có thể là thuần kháng LC ghép biến áp, ghép phân áp điện cảm (biến áp tự ngẫu) , hoặc phân áp điện dung , có thể là dao động RC. Lần lượt sẽ xét nguyên lý làm việc của chúng. 3.2.2 Tạo dao động hình sin LC ghép hỗ cảm Mạch tạo dao động loại này có một hệ thống chọn lọc (hệ thống các khung cộng hưởng LC) mắc ở mạch ra hoặc mạch hồi tiếp. Phần tử khuếch đại K có thể là đèn điện tử, tranzsto, khuếch đại thuật toán. Xét sơ đồ hình 3.2.2.1 với phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toán mắc không đảo ; Mạch hồi tiếp là hệ cộ ng hưởng LC , hồi tiếp thực hiện qua đại lượng hỗ cảm M (ghép biến áp ) . 21 LLkM = , 0≤ k ≤ 1, L 1 và L 2 là điện cảm tương ứng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ). Ở đây phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toán mắc không đảo,hệ thống cộng hưởng là khung cộng hưởng song song LC,điện áp hồi tiếp lấy trên cuôn thứ cấp,các dấu (*) chỉ các cực cùng tên để đảm bảo hồi tiếp dương.Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại là: * ** )()( K R R1K 1 R RR1K U U U U U U K 1 1 1 11 P ra N ra V ra = − += +− ==== ** + _ U1 Uht M R (K*-1)R1 R1 1 C H×nh 3.2.1.1.M¹ch TD§ ghÐp hç c¶m http://www.ebook.edu.vn 62 Vì trở kháng ra của KĐTT nhỏ nên mắc thêm điện trở R giảm ảnh hưởng trở kháng ra nhỏ của KĐTT đến trở kháng sóng ρ của mạch cộng hưởng LC. Điện áp hồi tiếp : u ht = 11 uβu L M = M - đại lượng hỗ cảm, L - Điện cảm của khung dao động u ra = K * u ht Tại nút 1 phương trình định luật kiếc khốp 1 là : 0dtu L 1 dt du C R uu 1 1r = ∫ −− − 1 Thay vào ta được phương trình vi phân : 0uω dt du α2 dt ud r 2 0 r 2 r 2 =++ (*) Trong đó α = RC K 2 β−1 ∗ là hệ số suy giảm ; ω 0 = LC 1 Tần số cộng hưởng riêng của khung dao động LC. Dạng phương trình (*) là một phương trình vi phân đặc trưng cho một hệ dao động tự do nói chung Nghiệm của (*) có dạng : u ra = ( ) teU 22 0 t 0ra α−ω α− cos Với ba giai đoạn diễn ra trong mạch tạo dao động thì : - Giai đoạn tự kích dao động phải có biên độ t 0ra eU α− tăng dần, nghĩa là α < 0, βK > 1 . Như vậy khi tự kích phần tử khuếch đại cần bù năng lượng lớn hơn phần năng lượng tổn hao trong vòng hồi tiếp dương. M Cb Rb CE RE L C CE RE -Ucc + C L Uht M a) b) H×nh 3.2.2.2 a)T¹o dao ®éng ghÐp biÕn ¸p m¾c emit¬ chung b) T¹o dao ®éng ghÐp biÕn ¸p m¾c baz¬ chung http://www.ebook.edu.vn 63 - Giai đoạn hai là giai đoạn quá độ ,α giảm dần tiến tới giá trị = 0. - Giai đoạn ba α = 0, biên độ và tần số cả dao động được xác lập . Nếu α > 0 thì mạch không thể tự kích. Tương tự như mạch hình 3.2.2.1 là các mạch hình 3.2.2.2a,b dụng tranzisto lưỡng cực mắc theo sơ đồ emitơ chung và bazơ chung. Hình 3.2.2.2a mắc emitơ chung, tranzisto đảo pha tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra nên hệ số hồi tiếp β sẽ có giá trị âm, tức là M nhận giá trị âm. còn ở mạch hình 3.2.2.3b thì tranzisto mắc bazơ chung nên tín hiệu không đảo pha từ đầu vào đến đầu ra, hệ số hồi tiếp dương nên M cũng đương tương tự như hình 3.2.2.1. 3.2.3 Tạo dao động hình sin kiểu 3 điểm Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần tử khuếch đại. Lúc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phân áp điện dung hoặc điện cảm. Đầu tiên xét nguyên lý chung như sơ đồ hình 3.2.3.1 (sơ đồ rút gọn không biểu diễn mạch cấp nguồn).Trong đó Z 1 , Z 2 , Z 3 là các phần tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với Z 1 = r 1 + jX 1 Z 2 = r 2 + jX 2 Z 3 = r 3 + jX 3 r i - điện trở tổn hao của tổng trở Z i , X i có thể âm hoặcdương tuỳ theo tính chất của Z i và luôn thoả mãn: r i << X i Hệ số khuếch đại của mạch : K = - S . Z t Trong đó Z t là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại : Z t ≈ Z 3 // (Z 1 + Z 2 ) = Z 3 = () ZZ Z ZZZ 31 2 123 + ++ Hệ số truyền của mạch hồi tiếp: 21 2 ra ht ZZ Z U U + ≈=β Điều kiện sẽ là () () 1 ZZZ ZZ ZZ Z ZZZ ZZZ K 321 32 21 2 321 213 = ++ −= +++ + −=β . )( Kết hợp điều kiện ta sẽ được 1 XXXjrrr XX SK 321321 32 = +++++ ≈β )( Như vậy thì X 1 +X 2 +X 3 = 0 (1) 1 rrr XSX 321 32 = ++ (2) H×nh 3.2.3.1 S¬ ®å ba ®iÓm tæn g q u¸t Z 1 Z 3 U ht Z 2 U ra http://www.ebook.edu.vn 64 (1) và (2) tương ứng là điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ. Từ (2) suy ra X 2 và X 3 phải cùng tính (cùng dấu) cảm hoặc cùng tính dung. Kết hợp với (1) thì X 1 phải khác dấu với X 2 và X 3 . Như vậy có hai loại mạch ba điểm tổng quá hình 3.2.3.2 là: Mạch ba điểm điện cảm(hình 3.2.3.2.a)hay mạch Harley. X 2 , X 3 > 0 ; X 1 < 0 Mạch ba điểm điện dung(hình 3.2.3.2.b)hay mạch Collpid. X 2 , X 3 < 0 ; X 1 > 0 Hình 3.2.3.3 là một mạch tạo dao động ba điểm điện cảm (sơ đồ Hartley) mắc emitơ chung. ở đây X 3 =X CE = ωL 1 > 0 X 2 = X BE = ωL 2 > 0 X 1 = X CB = 0< ω 1 − C Hệ số hồi tiếp : n L L U U CE BE −=−=−=β 1 2 Tần số cộng hưởng bằng tần số của dao động tạo ra thoả mãn (1)là: f d đ = f Ch = C)LL( 21+π2 1 Tại tần số cộng hưởng trở kháng tải Z t sẽ là : Z tc h = p 2 R tđ // 2 11 n h e Hệ số khuếch đại: K = - S . Z tc h = - ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 2 11 2 11 21 n h //RtdP h h e e e Trong đó p là hệ số ghép tranzisto vào mạch cộng hưởng p = 21 1 + LL L h n e11 2 - trở kháng vào của tranzisto phản ánh vào khung cộng hưởng . S=g 21 hỗ dẫn của tranzisto. Thay vào điều kiện ta sẽ được : (1+n 2 )h 11e + n 2 R tđ - nR tđ h 21e ≤ 0 (*) Trong biểu thức dấu " < " ứng với giai đoạn quá độ ( khi Kβ > 1 ); dấu " = " ứng với giai đoạn xác lập dao động. +Ucc Rc R1 CE RE R2 L1 C E L2 B H×nh 3.2.3.3. M¹ch ba ®iÓm ®iÖn c¶m m¾c Emit¬ h http://www.ebook.edu.vn 65 Thường n << 1 nên (*) có dạng : 0≤1+− 11 21 11 2 td td R eh eh n eh R n (**) Giải (**) với dấu "=" tìm được hai giá trị của n là n 1 và n 2 : Rtd h hh n ee , 11 2 2121 21 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 ± 2 = Giá trị của n nằm trong khoảng: n 2 < n < n 1 thì mạch sẽ dao động . Khi dao động đã xác lập thì n nhận giá trị n 1 hoặc n 2 . Hình 3.2.3.4a là mạch dao động ba điểm điện dung ( Collpid) mắc emitơ chung. ở đây X 1 = X CB = ωL > 0 X 2 = X BE = 0< ω 1 − 2 C X 3 = X CE = 0< ω 1 − 1 C Tương tự như sơ đồ ba điểm điện cảm, ở đây : K = - g 21e Zt c h = - ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ 2 11 2 11 21 n h //Rtdp h h e e e β = - C C 1 2 = - n Điều kiện sẽ là : 0≤1+− 11 21 11 2 e e h h .nRtd eh Rtd n Tần số của dao động tạo ra sẽ là: f d đ = f Ch = 21 21 + π2 1 CC CC L Một dạng mạch Collpid trình bày trên hình 3.2.3.4b gọi là mạch Clapp. Khác với mạch ở hình 3.2.3.4a, ở mạch Clapp hình 3.2.3.4b thì X CB = X 1 = ωL - Cω 1 Để thoả mãn điều kiện cân bằng pha thì tại tần số dao động nhánh LC phải mang tính chất điện cảm ,tức: ω dđ L > C 1 dd .ω . Hệ số ghép giữa tranzisto và hệ thống cộng hưởng ( lập bởi L và C tđ ). +Ucc Cn R 2 R E C E R 1 C 1 C 2 L C E B +Ucc R 1 R2 RE CE R1 C1 C2 L C C E B Rc Cr CV a) b) H×nh 3.2.3.4 a) m¹ch dao ®én g 3 ®iÓm ®iÖn dun g b) m¹ch dao ®éng 3 ®iÓm ®iÖn dung Clapp http://www.ebook.edu.vn 66 p = 1 = C C U U td td CE Trong đó CCCC td 1 + 1 + 1 = 1 21 Thường chọn C <<C 1 , C 2 nên C tđ ≈ C . Vì vậy p ≈ C C 1 << 1 ; Nghĩa là Tranzisto được ghép rất lỏng vào khung cộng hưởng nên điện dung ký sinh ở đầu vào và đầu ra của nó rất ít ảnh hưởng đến khung cộng hửơng. Tần số của dao động tạo ra là: f d đ ≅ f c h = LC2 1 LC2 1 td π ≅ π Phân tích điều kiện như đã làm ở trên xác định được n 1,2 = 2 1 21 2 2121 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 ± 2 C C Rtd hhh eee Giả sử với mạch 3.2.1.2.4a có các tham số : L = 25 μH; C 1 = 1nF ; C 2 = 100nF ; h 21 e = 100 ; h 11 e = 12,5kΩ. Hãy kiểm tra với hệ số phẩm chất Q =80 xem mạch có dao động được hay không. Điều kiện cân bằng biên độ () 1≥ +1+ ≈β 2 11 2 11 nehRn eh.nR K td td Điều kiện này tương tự như n = β = 2− 2 1 10=010= 100 1 = , C C C tđ = nF . CC CC 1≈ 100+1 1001 = + 21 21 R tđ = Ω===== − − kQ Ctd L Q r 65,1280.10.2580. 10.1 10.25 3 9 62 ρ ρ Thay vào vế phải của (6.30) 0121≈ 50012+1265010 106501210 =β 4− 22− , .,. K Điều kiện tự kích về biên độ là thoả mãn. Còn điều kiện cân bằng pha thoả mãn tại tần số: f d đ = f c h = 250π2 10 = 1010250π2 1 = π2 1 = + π2 1 6 9−3− 21 21 LCtd CC CC L ≅ 0,010065.10 6 Hz = 10,065KHz ≈ 10 kHz http://www.ebook.edu.vn 67 3.2.4 Tạo dao động RC Các mạch tạo dao động LC ở tần số thấp làm việc kém ổn định và có kích thước lớn do trị số điện cảm cần lớn.Vì vậy ở vùng tần số thấp thường sử dụng các mạch tạo dao động RC ; tuy nhiên cũng có thể sử dụng các mạch tạo dao động RC với tần số tới vài MHz. Ở các mạch tạo dao động RC khâu hồi tiếp sử dụng các ph ần tử điện trở và điện dung.Có hai loại mạch mạch tạo dao động RC thông dụng là mạch kiểu 3 khâu RC (Cầu Xiphorop) và kiẻu cầu cân bằng pha (cầu Vien) 3.2.4.1 Mạch tạo dao động kiểu cầu Xiphorop . Mạch tạo dao động loại này khi sử dụng phần tử khuếch đại K là mạch Emitơ chung hoặc khuếch đại thuật toán mắc đảo thì điện áp ra sẽ ngược pha với điện áp vào, tức là ϕ K = π . Như vậy mạch hồi tiếp cũng phải quay pha ( di pha ) tín hiệu một góc ϕ β = π để thoả mãn điều kiện .Mạch RC quay pha(mạch hồi tiếp)thường dùng là mạch lọc thông cao hình 3.2.4.1.1a hoặc thông thấp 3.2.4.1.1b . Với lọc thông cao, mạch tạo dao động dùng Tranzisto mắc emitơ chung có dạng hình 3.2.1.3.1 . Lập phương trình dòng điện mạch vòng hoặc điện thế điểm nút cho mạch hình 3.2.4.1.1a , giải tìm quan hệ giữa U B = U ht và U C = U ra sẽ tìm được: () () ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω − ω − ω − ==β 22 1 6 11 51 1 RC RC j RC U U r ht (*) Để có ϕ β =π tức β là một số thực âm thì : () 2 ω 1 −6 RC = 0 Từ đó xác định tần số của dao động : RC62 1 f RC6 1 dddd π ==ω ; Thay ω d đ vào biểu thức(*) tìm được: β=− 1 29 như vậy thì K = -29 Với mạch quay pha là bộ lọc thông thấp hình 3.2.4.1.1b sẽ tìm được β http://www.ebook.edu.vn 68 ωβ dd RC ==− 1 10 7 1 18 4 ; , Sơ đồ TDĐ trên hình 3.2.4.1.3.là mạch cầu Xiphorop xây dựng trên khuếch đại thuật toán tương tự như mạch hình 3.2.4.1.2. ở đây có hai mạch hồi tiếp: mạch β là mạch hồi tiếp dương bảo đảm cân bằng pha,mach hồi tiếp âm R 1 R N đảm bảo hệ số khuếch đại : k= 29 R R 1 N −=− . 3.2.4.2 Mạch tạo dao động kiểu cầu Viên. Nếu phần tử khuếch đại K có tín hiệu vào và ra đồng pha, tức ϕ K = 0 thì mạch hồi tiếp sẽ là một mạch cầu Viên không quay pha dạng hình 3.2.4.2.1 . Đó là một mạch lọc thông dải . Dễ dàng xác định được hàm truyền của nó ,coi Z 1 là R 1 mắc nối tiếp C 1 , coi Z 2 là R 2 mắc song song C 2 : ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −+++ = + == 12 21 1 21 21 2 1 2 1 1 CR CRj C CR ZZ Z U U r v ω ω β Để ϕ β = 0 thì β là một số thực dương nên ωR 1 C 2 - 12 ω 1 CR = 0 từ đó sẽ có tần số của dao động 2121 dd 2121 dd CCRR2 1 f CCRR 1 π ==ω ; Nếu chọn R 1 = R 2 = R , C 1 = C 2 = C thì f d đ = 3 1 ; 2 1 = β π R C và K = 3 Hình 3.2.4.2.2a là mạch tạo dao động RC cầu Viên với mạch khuếch đại là gồm 2 tầng trên 2 tranzisto mắc emitơ chung để ghép qua C n có ϕ K =0.Hai tầng T 1 và T 2 được định thiên tương ứng bằng R b1 -R b2 và R' b1 -R' b2 . Mạch hình 3.2.4.2.2b sử dụng khuếch đại thuật toán g với mạch hồi tiếp âm R 0 R N và hồi tiếp dương R 1 C 1 R 2 C 2 tạo thành mạch cầu Viên có 4 đỉnh là đầu vào đảo N, đầu ra ; đầu vào không đảo P và mat. Nhánh hồi tiếp âm R 0 R N xác định hệ số khuếch đại β H×nh 3.2.4.2.1 M¹ch håi tiÕp cÇu Viªn β R1 R2 Ura UhtC2 C1 [...]...K=1+ β RN = 3 R0 do vậy RN = 2R0 Thực RN = 2R0 ra cũng là điều kiện cân bằng của cầu Khi cầu cân bằng thì mạch không thể dao động nên cần chọn RN lớn hơn 2R0 một chút http://www.ebook.edu.vn 69 . cảm(hình 3. 2 .3. 2.a)hay mạch Harley. X 2 , X 3 > 0 ; X 1 < 0 Mạch ba điểm điện dung(hình 3. 2 .3. 2.b)hay mạch Collpid. X 2 , X 3 < 0 ; X 1 > 0 Hình 3. 2 .3. 3 là một mạch tạo. 21 21 + π2 1 CC CC L Một dạng mạch Collpid trình bày trên hình 3. 2 .3. 4b gọi là mạch Clapp. Khác với mạch ở hình 3. 2 .3. 4a, ở mạch Clapp hình 3. 2 .3. 4b thì X CB = X 1 = ωL - Cω 1 Để thoả mãn điều. bộ biến đổi tương tự - số (AD), số - tương tự (DA) I F R H×nh 3. 2.1.1 S¬ ®å khèi t¹o xun g Trong chương này chỉ xét nguyên lý các mạch làm việc theo phương pháp thứ nhất là các mạch thông