Giáo trình kỹ thuật điện tử - Chương 6 ppt

- Biến đổi một tớn hiệu tuần hoàn từ dạng khụng phải hỡnh sin về dạng hỡnh sin - Dựng cỏc bộ biến đổi tương tự - số AD, số - tương tự DA Trong chương này chỉ xột nguyờn lý cỏc mạch làm

Chương 6

TẠO DAO ĐỘNG HèNH SIN 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Cỏc dao động hỡnh sin (hay cũn gọi là dao động điều hoà) cú tần số từ vài

hz đến hàng ngàn Mhz được sử dụng rộng rói trong cỏc mỏy thụng tin, mỏy đo lường, cỏc thiết bị y tế vv Đú là cỏc mỏy phỏt súng được thiết kế ở cỏc dải súng khỏc nhau với mục đớch sử dụng tương ứng

Cỏc dao động hỡnh sin cú thể được tạo ra theo ba phương phỏp sau đõy:

- Tạo dao động hỡnh sin bằng một hệ tự dao động gần với một hệ bảo toàn tuyến tớnh

- Biến đổi một tớn hiệu tuần hoàn từ dạng khụng phải hỡnh sin về dạng hỡnh sin

- Dựng cỏc bộ biến đổi tương tự - số (AD), số - tương tự (DA)

Trong chương này chỉ xột nguyờn lý cỏc mạch làm việc theo phương phỏp thứ nhất là cỏc mạch thụng dụng hơn cả Tuy nhiờn trước tiờn tỡm hiểu qua về nguyờn lý xõy dựng cỏc mạch theo phương phỏp thứ hai và thứ ba

Phương phỏp thứ hai thường được sử dụng trong cỏc mỏy phỏt súng đa chức năng : tạo ra dao động dạng xung vuụng, xung tam giỏc, dao động hỡnh sin, thậm chớ cả tớn hiệu điều chế

Một sơ đồ khối dạng này trỡnh bày ở hỡnh 6.1 Ở đõy mạch tớch phõn I và Rơle R tạo thành một hệ tự dao động cho ra xung vuụng và xung tam giỏc Xung tam giỏc qua bộ biến đổi F được biến thành dao động hỡnh sin Nhược điểm của dao động hỡnh sin này là cú độ mộo phi tuyến lớn hơn so với trường hợp 1

Phương phỏp thứ ba tạo ra dao động hỡnh sin nhờ sử dụng kỹ thuật số (Hỡnh 6.2a) TX là bộ tạo xung nhịp , C là bộ đếm thuận nghịch dựng để mở theo thời gian giỏ trị tức thời của đối số , DFC - bộ biến đổi số - hàm để tạo cỏc giỏ trị của dao động hỡnh sin ở

dạng số , DAC - bộ biến đổi số -

tương tự biến đổi tớn hiệu số ở

đầu ra của mạch DFC sang dạng

tương tự là dao động hỡnh sin

Độ mộo của dao động hỡnh

sin ở đõy phụ thuộc vào số mẫu K

được lấy trong một chu kỳ (hỡnh

6.2b).Số lượng lấy mẫu K càng

lớn thỡ độ mộo càng nhỏ , độ

I

F

R

Hình 6.1Sơ

đồ khối máy phát sóng đa chức năng

t x(t)

b)

a)

Hình 6.2 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

chớnh xỏc càng cao

Bõy giờ ta xột phương phỏp thứ nhất là phương phỏp thụng dụng nhất.Một

hệ dao động tự kớch gần với một hệ bảo toàn năng lượng cú phần tử khuếch đại đơn

hướng K và mạch hồi tiếp dương  như ở hỡnh 6.3

Một hệ như vậy cú quan hệ(xem hồi tiếp rong khuếch đại -chương 4) :

K =





 K

K (6.1) Trong đú K là hệ số khuếch đại của phần

tử khuếch đại (đơn hướng),  hàm truyền đạt phức của mạch hồi tiếp , K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại cú hồi tiếp(xem 4.2.2)

Từ (6.1) dễ dàng nhận thấy khi :

K =

) k

( j e







thỡ K =  ,mạch ở trạng thỏi tự kớch ,sẽ là một mạch tạo dao động

Điều kiện (6.2) cú thhể viết cụ thể hơn

K    (6.3)

K +  = 2K (6.4)

Điều kiện (6.3) và (6.4) gọi tương ứng là điều kiện cõn bằng biờn độ và cõn bằng pha

Về mặt vật lý hệ hỡnh (6.2) là một hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K

bự đủ năng lượng tổn hao trong vũng hồi tiếp (điều kiện cõn bằng biờn độ) và

bự đỳng lỳc (điều kiện cõn bằng pha) Nếu điều kiện cõn bằng pha (6.4) chỉ đỳng cho một tần số thỡ dao động tạo ra sẽ là dao động hỡnh sin của tần số đú Quỏ trỡnh tạo dao động hỡnh sin gồm ba giai đoạn như sau:

Khi ta đúng nguồn một chiều cho mạch thỡ ở đầu vào của mạch khuếch đại

sẽ xuất hiện rất nhiều cỏc thành phần hài do đột biến nguồn Chỳng được khuếch đại và qua mạch hồi tiếp dương để trở lại đầu vào Lỳc này cỏc thành phần cú biờn độ rất nhỏ Thành phần tần số thoả món điều kiện (6.4) sẽ được tăng đần về biờn độ Giai đoạn này gọi là giai đoạn tự kớch hay phỏt sinh dao động

Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biờn độ của dao động tăng dần Trong giai đoạn này biờn độ và tần số của dao động dần tiến về giỏ trị

ổn định Đõy là quỏ trỡnh quỏ độ diễn ra trong mạch

Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xỏc lập dao động , biờn độ và tần số của dao động cú giỏ trị ổn định

K



Hình 6.3 Sơ đồ

khối hệ dao

động tự kích

Cỏc mạch tạo dao động hỡnh sin dạng này cú thể là thuần khỏng LC ghộp

biến ỏp, ghộp phõn ỏp điện cảm (biến ỏp tự ngẫu) , hoặc phõn ỏp điện dung , cú

thể là dao động RC Lần lượt sẽ xột nguyờn lý làm việc của chỳng

6.2 TẠO DAO ĐỘNG HèNH SIN LC GHẫP HỖ CẢM

Mạch tạo dao động loại này cú một hệ thống chọn lọc (hệ thống cỏc

khung cộng hưởng LC) mắc ở mạch ra hoặc mạch hồi tiếp Phần tử khuếch đại

K cú thể là đốn điện tử, tranzsto, khuếch đại thuật toỏn

Xột sơ đồ hỡnh 6.4 với phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toỏn mắc

khụng đảo ; Mạch hồi tiếp là hệ cộng hưởng LC , hồi tiếp thực hiện qua đại

lượng hỗ cảm M (ghộp biến ỏp )

(M k L1L2 ,0 k  1,L1và L2 là điện cảm tương ứng của cuộn sơ cấp và

cuộn thứ cấp ).ở đõy phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toỏn mắc khụng

đảo,hệ thống cộng hưởng là khung

cộng hưởng song song LC,điện ỏp

hồi tiếp lấy trờn cuụn thứ cấp,cỏc

dấu (*) chỉ cỏc cực cựng tờn để

đảm bảo hồi tiếp dương.Hệ số

khuếch đại của mạch khuếch đại là:

*

*

*

) ( )

(

K R

R 1 K 1 R

R R 1 K U

U U

U

U

U

K

1 1 1

1 1 P

ra N ra V



Vỡ trở khỏng ra của KĐTT nhỏ nờn mắc thờm điện trở

R giảm ảnh hưởng trở khỏng

ra nhỏ của KĐTT đến trở khỏng súng  của mạch cộng hưởng LC

Điện ỏp hồi tiếp :

uht = u1 βu1

L

M

 (6.5)

M - đại lượng hỗ cảm, L - Điện cảm của khung dao động

ura = K*uht (6.6)

Tại nỳt 1 phương trỡnh định luật kiếc khốp 1 là :

* *

+_

U1 Uht

M R

(K *-1)R1

R1

1

C

Hình 6.2.M ạch TDĐ ghép hỗ cảm

M

Cb R b C E R E

L C

C E

R E

-U cc +

C L

M

a) b)

Hình 6.5

a)Tạo dao động ghép biến áp mắc emitơ chung

b) Tạo dao động ghép biến áp mắc bazơ chung

0 dt u L

1 dt

du C R

u u

1 1

Thay (6.5) và (6.6) vào (6.7) được phương trình vi phân :

ω u 0

dt

du α 2 dt

u d

r

2 0

r 2

r

2





 (6.8)

Trong đó  =

RC

K







là hệ số suy giảm ; 0 =

LC

 Tần số cộng hưởng riêng của khung dao động LC

Dạng phương trình (6.8) là một phương trình vi phân đặc trưng cho một hệ dao động tự do nói chung Riêng đối với mạch hình 6.3 trong trường hợp tổng quát nó là một phương trình vi phân phi tuyến vì K* phụ thuộc vào chế độ làm việc của phần tử khuếch đại

Nghiệm của 6.8 có dạng :

ura = Ura0etcos 20 2t (6.9)

Với ba giai đoạn diễn ra trong mạch tạo dao động thì :

- ở giai đoạn tự kích dao động phải có biên độ Ura0ettăng dần, nghĩa là

 < 0 , K > 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

- ở giai đoạn hai là giai đoạn quá độ , giảm dần tiến tới giá trị = 0

- ở giai đoạn ba  = 0, biên độ và tần số cả dao động được xác lập

Nếu  > 0 thì mạch không thể tự kích

Tương tự như mạch hình 6.4 là các mạch hình 6.5a,b dụng tranzisto lưỡng cực mắc theo sơ đồ emitơ chung và bazơ chung.Hình 6.5a mắc emitơ chung, tranzisto đảo pha tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra nên hệ số hồi tiếp  sẽ có giá trị

âm, tức là M nhận giá trị âm còn ở mạch hình 6.5b 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 dương tương tự như hình 6.4

6.3 TẠO DAO ĐỘNG HÌNH SIN KIỂU BA 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 6.6 (sơ đồ rút gọn không biểu diễn mạch cấp nguồn).Trong đó Z1, Z2, Z3 là các phần tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với

Z1 = r1 + jX1

Z2 = r2 + jX2

Z3 = r3 + jX3

ri - điện trở tổn hao của tổng trở Zi, Xi cú thể õm hoặcdương tuỳ theo tớnh chất của Zi và luụn thoả món:

ri << Xi (6.10) Theo ( 4.28 )’ thỡ hệ số khuếch đại của mạch sẽ là

K = - S Zt (6.11) Trong đú Zt là trở khỏng mạch tải của mạch khuếch đại :

Zt  Z3 // (Z1+ Z2) = Z3 = Z Z Z 



  (6.12)

Hệ số truyền của mạch hồi tiếp:

2 1

2 ra

ht

Z Z

Z U

U







 (6.13)

Điều kiện (6.2) sẽ là

Z Z Z

Z

Z Z

Z Z

Z Z Z K

3 2 1

3 2 2

1

2 3

2 1

2 1





















) (

Kết hợp điều kiện (6.10) sẽ được

1 X X X j r r r

X X S

K

3 2 1 3

2 1

3















) (

Như vậy thỡ

X1+X2+X3 = 0 (6.14)

1

r r r

X SX

3 2 1

3



 (6.15)

(6.14) và (6.15) tương ứng là điều kiện cõn bằng pha và cõn bằng biờn độ Từ (6.15) suy ra X2 và X3 phải cựng tớnh (cựng dấu)cảm hoặc cựng tớnh dung Kết hợp với (6.14) thỡ

X1 phải khỏc dấu với X2 và X3 Như vậy cú hai loại mạch ba điểm tổng quỏ hỡnh 6.7 là:

Hình 6.6 Sơ đồ TDĐ

ba điểm tổng quát

Z1

Z 3

U ra

Hình 6.7.Sơ đồ tổng quát mạch TDĐ 3

điểm a)điện cảm b) điện dung

- Mạch ba điểm điện cảm(hình 6.7.a)hay mạch Harley

X2, X3 > 0 ; X1 < 0

- Mạch ba điểm điện dung(hình 6.7.b)hay mạch Collpid

X2, X3 < 0 ; X1 > 0 Hình 6.8 làmột mạch tạo dao động

ba điểm điện cảm (sơ đồ Hartley) mắc emitơ chung ở đây

X3=XCE= L1 > 0

X2 = XBE = L2 > 0

X1 = XCB = 





 C

Hệ số hồi tiếp : n

L

L U

U CE

BE  









 (6.16) Tần số cộng hưởng bằng tần số của dao động tạo ra thoả mãn (6.14) là:

fd đ = fCh =

C ) L L (  







(6.17) Tại tần số cộng hưởng trở kháng tải Zt sẽ là :

Ztc h = p2 Rtđ //





n

h e

(6.18)

Hệ số khuếch đại:

K = - S Ztc h = - 

















n

h //

Rtd P h

e

e (6.19) Trong đó p là hệ số ghép tranzisto vào mạch cộng hưởng

p =







 L L

L

(6.20)

h

n

e 11

2 - trở kháng vào của tranzisto phản ánh vào khung cộng hưởng

S=g21hỗ dẫn của tranzisto

Thay (6.16) và (6.19) vào điều kiện (6.2) sẽ được :

(1+n2)h11e + n2Rtđ - nRtđh21e  0 (6.21) Trong biểu thức dấu " < " ứng với giai đoạn quá độ ( khi K > 1 ); dấu " =

" ứng với giai đoạn xác lập dao động

Thường n << 1 nên (6.21) có dạng :

 









td

e h

e h n e h

R

Giải (6.22) với dấu "=" tìm được hai giá trị của n là n1 và n2 :

+U cc

R c R1

L1 C E L2 B

H×nh 6.8M¹ch ba ®iÓm

®iÖn c¶m m¾c Emit¬

chung

Rtd

h h

h

























Giá trị của n nằm trong khoảng: n2 < n < n1 thì mạch sẽ dao động

Khi dao động đã xác lập thì n nhận giá trị n1 hoặc n2

Hình 6.9a là mạch dao động ba điểm điện dung ( Collpid) mắc emitơ chung

ở đây X1 = XCB = L > 0

X2 = XBE = 







 C

X3 = XCE = 









Tương tự như sơ đồ ba điểm điện cảm, ở đây :

K = - g21eZtc h = - 





















n

h //

Rtd p h

e

 = - C C

1 2

= - n (6.25) Điều kiện (6.2) sẽ là :









e

e h

h nRtd e

h

Rtd

(6.26)

Biểu thức (6.26) cũng là (6.22) nên mọi kết luận về n tương tự như đã xét

Tần số của dao động tạo ra sẽ là:

fd đ = fCh =

















C C

C C L

(6.27)

Một dạng mạch Collpid trình bày trên hình 6.9b gọi là mạch Clapp

Khỏc với mạch ở hỡnh 6.8a, ở mạch Clapp hỡnh 6.8b thỡ

XCB = X1= L -

C





Để thoả món điều kiện cõn bằng pha thỡ tại tần số dao động nhỏnh LC phải mang tớnh chất điện cảm ,tức: dđ L >

C

1

dd

Hệ số ghộp giữa tranzisto và hệ thống cộng hưởng ( lập bởi L và Ctđ)

p =



 C

C U

td CE

Trong đú

C C C

Ctd

















 Thường chọn C <<C1, C2 nờn Ctđ  C Vỡ vậy p  C

C1 << 1 ; Nghĩa là Tranzisto được ghộp rất lỏng vào khung cộng hưởng nờn điện dung ký sinh ở đầu vào và đầu ra của nú rất ớt ảnh hưởng đến khung cộng hửơng Tần số của dao động tạo ra là:

fd đ  fc h =

LC 2

1 LC

2

1

 (6.28) Phõn tớch điều kiện (6.2) như đó làm ở trờn xỏc định được

n1,2 =











































C Rtd

h h

Giả sử với mạch 6.6a cú cỏc tham số :

L = 25H; C1 = 1nF ; C2 = 100nF ; h21 e = 100 ; h11e = 12,5k Hóy kiểm tra với hệ số phẩm chất Q =80 xem mạch cú dao động được hay khụng

Điều kiện cõn bằng biờn độ

+Ucc

Cn

R 2

R E C

E

R1

C1 C2 L

C E

B

+Ucc

R 1

R E C E

R 1

C1 C2 L C

C

E B

Rc Cr

a) b)

Hình 6.9 a) mạch dao động 3 điểm điện dung

b) mạch dao động 3 điểm điện dung Clapp

  















n e h R n

e h nR K

td

td ( 6.30) Điều kiện này tương tự như (6.21)



 





C C

C C

C C

















 











k Q

Ctd

L Q

r 1.10 .80 25.10 .80 12,65

10 25

9

6 2





Thay vào vế phải của (6.30)







































,

, K

Điều kiện tự kích về biên độ là thoả mãn Còn điều kiện cân bằng pha thoả mãn tại tần số:

fd đ = fc h =





















































C C

C C L

 0,010065.106 Hz = 10,065KHz  10 kHz

6.4.TẠO DAO ĐỘNG THẠCH ANH

Cho đến nay các mạch tạo dao động thạch anh vẫn được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để tạo ra dao động chuẩn có độ ổn định tần số cao Trước hết xét xem tại sao cần dùng thạch anh trong mạch tạo dao động.Như trên đã nói, nếu điều kiện cân bằng pha được thực hiện ở một tần số dđ thì sẽ tạo ra được dao động hình sin tần số đó Trong thực tế có nhiều nguyên nhân làm thay đổi các thông số quyết định tần số của mạch ( nhất là thông số điện cảm) Các thông số đó có thể liệt kê như : nhiệt độ, độ ẩm, biến dạng cơ học, thay đổi nguồn một chiều , lão hoá thông số các linh kiện.vv Ta gọi chúng là các tác nhân gây mất ổn định.Như vậy điều kiện cân bằng pha sẽ là :

k (m,) +  (n,) = 0

(6.32)

Argument (pha) của hệ số khuếch đại điện áp k và hàm truyền đạt phức của mạch hồi tiếp dương  là hàm của biến tần số  và của các tác nhân gây mất ổn định tần số, đặc trưng bởi tham số m trong mạch khuếch đại và n trong mạch hồi tiếp

Vi phân toàn phần biểu thức (6.32) rồi tìm ra số biến thiên của tần số d sẽ nhận được





























d d

dn n

dm m d

k

k

Từ (6.33) ta thấy có thể dùng một số nhóm biện pháp để giảm d , tức là tăng độ ổn định tần số của các mạch tạo dao động

Nhóm thứ nhất nhằm giảm chính các nguyên nhân gây mất ổn định bằng cách

- Dùng nguồn ổn áp

- Dùng các linh kiện có độ ổn định nhiệt cao

- Dùng các linh kiện với dung sai nhỏ

- Dùng các phần tử ổn định nhiệt

- Mắc tầng đệm ở đầu ra của mạch tạo dao động để giảm ảnh hưởng của tải tới mạch tạo dao động

Nhóm thứ hai giảm sự biến thiên của góc pha khi các tham số của mạch thay đổi, tức là giảm

m

k





và giảm

n



 bằng cách chọn các sơ đồ nguyên lý thích hợp

Nhóm các biện pháp thứ ba nhằm tăng mẫu số của (6.33) tức là tăng tốc độ biến thiên của góc pha theo tần số-giá trị của



 d

d càng lớn càng tốt

Dễ dàng nhận thấy được rằng, với một hệ thống cộng hưởng có hệ số phẩm chất Q thì tại tần số cộng hưởng























Q d

d

Như vậy cần tăng hệ số phẩm chất Q để tăng độ ổn định tần số của mạch tạo dao động Như đã xét ở chương 1 (1.6) thạch anh tương đương với một khung cộng hưởng có hệ số phẩm chất Q cực lớn Vì vậy độ ổn định tần số tương đối f

f0 của mạch tạo dao động thạch anh đạt 10-6  10-8 ,trong khi đó các dạng dao động đã xét không vượt quá 10-3  10-4

Người ta chế tạo các loại thạch anh có tần số từ 1Khz đến 100MHz.Hình 6.10 là một số dạng mạch tạo dao động hình sin dùng thạch anh.Mạch hình 6.10a là mạch tạo dao động ba điểm điện dung Clapp đã xét Nhánh có mắc thạch anh làm việc tương đương với một điện cảm, nghĩa là dao động tạo ra có tần số fd đ thoả mãn điều kiện

Fq < fd đ < fP

L

Cs dd td dd









(6.34) Trong đó Ltđ - điện cảm tương đương của thạch anh Ngoài ra còn phải có