mạch dao động ba điểm điệndung

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÔN HỌC Đề bài: Thiết kế mạch dao động ba điểm điện dung với các thông số: 30 r P = mW 0 30f = MHz 3 0 10 f f − ∆ = Các thông số khác của linh kiện sinh viên lựa chọn cho phù hợp với yêu cầu. Nội dung: I. Lý thuyết chung về dao động II. Thiết kế mạch dao động 3 điểm điện dung - Sơ đồ nguyên lý của mạch dao động 3 điểm điện dung; - Chọn các linh kiện của khung dao động đảm bảo điều kiện dao động và yêu cầu đề bài; - Tính toán giá trị các linh kiện cụ thể trong mạch điện theo yêu cầu của đề bài. III. Đánh giá - kết luận. Các sinh viên thực hiện: 1. Đoàn Thị Tình 2. Nguyễn Thị Minh Trang 3. Trần Thị Trang 4. Nguyễn Anh Tuấn 5. Nguyễn Văn Tùng 6. Bùi Thanh Vân 7. Lê Thị Ngọc Vy I. Lý thuyết chung về dao động 1.1. Mạch tạo dao động Ngoài các mạch khuếch đại điện áp và khuếch đại công suất thì mạch tạo dao động cũng là một loại mạch cơ bản của ngành điện tử. Mạch dao động có thể tạo ra các loại dao động dạng khác nhau như dao động điều hoà, xung chữ nhật, xung tam giác hoặc từng xung riêng biệt. Trong đó mạch tạo dao động điều hoà là mạch tạo dao động cơ bản, thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế,… Các mạch tạo dao động điều hoà có thể làm việc trong dải tần từ vài Hz cho đến hàng nghìn MHz. Để tạo dao động có thể dùng các phần tử tích cực như đèn điện tử, BJT, FET, khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như diode Tunel, diode Gunn. Các đèn điện tử được sử dụng khi yêu cầu công suất ra lớn. Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc ở phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số cao. Ở tần số thấp và trung bình thường sử dụng khuếch đại thuật toán để tạo dao động, còn ở tần số cao thì dùng BJT hay FET. Trong phạm vi tần số cỡ MHz hoặc cao hơn thì thường dùng transistor, FET hoặc các loại diode Tunel, diode Gunn. Khi dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động thì không cần dùng các mạch bù tần số, vì mạch bù tần số làm giảm dải tần công tác của bộ tạo dao động. Các tham số cơ bản của một mạch tạo dao động gồm có: tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số (nằm trong khoảng từ 10 -2 đến 10 -6 ), công suất ra và hiệu suất. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng mà khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài tham số nào đó hoặc hạ thấp yêu cầu đối với tham số khác, nghĩa là tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng mà cân nhắc và xác định các tham số một cách hợp lý. Có thể tạo dao động điều hòa theo hai nguyên tắc cơ bản sau đây: + Tạo dao động bằng hồi tiếp dương. + Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch. 2 1.2. Mạch dao động điều hòa 1.2.1. Định nghĩa và yêu cầu Mạch dao động điều hòa là mạch biến đổi nguồn cung cấp một chiều thành tín hiệu điều hòa (tín hiệu xoay chiều hình sine) ở đầu ra. Yêu cầu của một mạch dao động điều hòa là phải tạo ra tín hiệu xoay chiều hình sine ở đầu ra có biên độ không đổi, tần số chính xác và độ ổn định tần số cao. 1.2.2. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động Hình 1 – Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa Khi đóng mạch cấp thì trong khung sẽ sinh ra một dao động có tần số dao động bằng tần số cộng hưởng riêng của khung nhưng dao động này là dao động tắt dần nên biên độ sẽ giảm dần theo thời gian. Muốn duy trì dao động trên khung thì ta phải trích một phần tín hiệu trên khung thông qua mạch phản hồi đưa về đầu vào của mạch khuếch đại, mạch khuếch đại có chức năng nâng công suất của tín hiệu này lên đủ lớn rồi đưa trở lại khung dao động, bù đắp lại phần năng lượng bị suy hao để dao động trên khung được duy trì. Việc bù đắp bao nhiêu năng lượng và tại thời điểm nào để duy trì dao động trên khung được gọi là điều kiện dao động. Khuếch đại Khung dao động Phản hồi E c U ra 3 1.2.3. Điều kiện dao động Xét một mạch khuếch đại có phản hồi: Khối (1) là mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại là . k j K K e ϕ • = ( k ϕ : góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của mạch khuếch đại) và ở đầu vào của mạch khuếch đại có tín hiệu vào là X v . Nếu khóa K ở vị trí a thì luôn có một tín hiệu ra . r v X K X • • • = ổn định. Nếu trích một phần tín hiệu ra cho qua khối (2) là một mạch phản hồi có hệ số hồi tiếp . ht j ht ht K K e ϕ • = ( ht ϕ là góc lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của mạch phản hồi) thì lúc này tại a’ sẽ có tín hiệu / . v ht r ht X X K X • • • • = = . Nếu / v X và v X bằng nhau cả về biên độ và pha thì khi khóa K chuyển từ a sang a’ (nghĩa là không còn X v ) thì X r vẫn tồn tại và không thay đổi. Như vậy: . . k j r v X K e X ϕ • • = , / / . . . . . . ht ht k j j j v r v v ht ht X K e X X K e K e X ϕ ϕ ϕ • • • • = ⇒ = Điều kiện để duy trì dao động: / . . . 1 ht k j j v v ht X X K e K e ϕ ϕ • • = ⇔ = . 1 (1) .2 ( 0, 1, ) (2) ht k ht K K k k ϕ ϕ π =  ⇔  + = = ±  4 Hình 2 – Sơ đồ khối một mạch khuếch đại có phản hồi. (1) là điều kiện cân bằng về biên độ, ý nghĩa vật lý của nó là phải nâng cao biên độ của tín hiệu để bù đắp cho phần năng lượng bị suy hao trên khung. Nhưng việc phân tích ở trên chỉ xét khi mạch ở trạng thái xác lập còn trong quá trình quá độ cần biên độ tín hiệu lớn lên thì . 1 ht K K > , vì vậy có thể viết điều kiện cân bằng biên độ là . 1 ht K K ≥ (2) là điều kiện cân bằng về pha, ở đây yêu cầu tín hiệu hồi tiếp và tín hiệu vào phải đồng pha hay nói cách khác mạch phải có hồi tiếp dương. Ý nghĩa vật lý của nó là phải bù đắp năng lượng sao cho đúng thời điểm để có tác dụng duy trì chứ không làm triệt tiêu dao động. 1.2.4. Đặc điểm của mạch dao động điều hòa Từ phân tích ở trên ta rút ra các đặc điểm sau đây của một mạch dao động điều hòa: - Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào. Năng lượng tự dao động được lấy từ nguồn cung cấp một chiều. - Muốn có dao động thì mạch phải có kết cấu thoả mãn điều kiện cân bằng về biên bộ và điều kiện cân bằng về pha. - Mạch phải chứa ít nhất 1 phần tử tích cực làm nhiệm vụ biển đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều. - Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo sao cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập (tức là . 1 ht K K = ). 1.2.5. Vấn đề ổn định biên độ và ổn định tần số dao động 1.2.5a. Ổn định biên độ dao động Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng về pha được thoả mãn, đồng thời . 1 ht K K > tại một tần số nào đó thì trong mạch phát sinh dao động ở tần số đó, ta nói mạch ở trạng thái quá độ. Ở trạng thái xác lập, biên độ dao động không đổi ứng với . 1 ht K K = . 5 Để đảm bảo biên độ dao động ổn định ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau: - Hạn chế điện áp ra bằng cánh chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp sao cho biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra của mạch khuếch đại luôn nhỏ hơn giá trị điện áp một chiều cung cấp cho phần tử khuếch đại của mạch đó. - Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực bằng cách thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử đó. - Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh, ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông của diode. Tuỳ thuộc vào mạch cụ thể mà có thể áp dụng một trong các biện pháp trên. 1.2.5b. Ổn định tần số dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng về pha. Khi độ dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu có sự thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số dao động. Trong điều kiện cần bằng về pha .2 k ht k ϕ ϕ π + = , chọn 0k = , ta có: 0 k ht ϕ ϕ + = Nói chung góc pha k ϕ và ht ϕ phụ thuộc vào tham số của các phần tử trong mạch và phụ thuộc tần số. Do đó có thể viết lại điều kiện cân bằng về pha một cách tổng quát như sau: ( , ) ( , ) 0 k ht m n ϕ ω ϕ ω + = Trong đó m, n đặc trưng cho các tham số của các phần tử trong mạch khuếch đại và trong mạch hồi tiếp. Vi phân toàn phần và biến đổi ta nhận được biểu thức: k ht k ht dm dn m n d ϕ ϕ ω ϕ ϕ ω ω ∂ ∂ + ∂ ∂ = − ∂ ∂ + ∂ ∂ Từ đây suy ra các biện pháp nhằm nâng cao sự ổn định của tần số dao động: 6 - Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tần số dm của mạch khuếch đại và dn của mạch hồi tiếp bằng cách: + Dùng nguồn ổn áp; + Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ; + Dùng các linh kiện có sai số nhỏ; + Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động bằng cách mắc thêm tầng đệm ở đầu ra của tầng tạo dao động; + Dùng các phần tử ổn định nhiệt. - Thực hiện các biện pháp làm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số của mạch, nghĩa là giảm k m ϕ ∂ ∂ và ht n ϕ ∂ ∂ bằng cách chọn mạch tạo dao động thích hợp. - Thực hiện các biện pháp nhằm tăng tốc độ biến đổi của góc pha theo tần số, tức là tăng k ϕ ω ∂ ∂ và ht ϕ ω ∂ ∂ xung quanh tần số dao động bằng cách sử dụng các phần tử có phẩm chất cao (ví dụ dùng mạch cộng hưởng thạch anh) vì 0 0 2 d Q ω ω ω ω ω ≈ − = ∂ và dùng phần tử tích cực có hệ số khuếch đại lớn. Thông thường, nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt thì độ ổn định tần số 0 f f ∆ của các bộ tạo dao động điều hoà có thể đạt được trong khoảng 10 -2 ÷10 -3 còn khi dùng các biện pháp trên thì có thể tăng độ ổn định lên đến 10 -4 hoặc cao hơn, trong trường hợp dùng thạch anh có thể đạt được 6 8 0 10 10 f f − − ∆ ≈ ÷ . 1.2.6. Phân loại mạch dao động Dựa vào phần tử tích cực làm mạch khuếch đại thì có: - Mạch dao động dùng đèn điện tử; - Mạch dao động dùng BJT; 7 - Mạch dao động dùng FET; - Mạch dao động dùng khuếch đại thuật toán. Dựa vào phần tử tạo nên khung dao động thì có: - Mạch dao động phản hồi hỗ cảm; - Mạch dao động ba điểm điện cảm (mạch Hartley); - Mạch dao động ba điểm điện dung (mạch Colpitts); - Mạch dao động ba khâu phản hồi RC; - Mạch dao động cầu Wien; - Mạch dao động dùng thạch anh. 8 U r 1.3. Cấu trúc và phương pháp tính toán mạch dao động cộng hưởng 1.3.1. Cấu trúc chung của mạch dao động cộng hưởng Hình 3 – Sơ đồ tổng quát của mạch dao động cộng hưởng. Trong sơ đồ trên Z 1 , Z 2 , Z 3 là các phần tử điện kháng, có thể là dung kháng hoặc cảm kháng. Tại tần số cộng hưởng thì: Z 1 + Z 2 + Z 3 = 0 Để tính toán điều kiện cộng hưởng ta sử dụng mô hình tương đương như sau: Z 2 Z 3 Z 1 U 1 = U r U 2 = U v 9 U v Mạch khuếch đại Z 1 Z 2 Z 3 a) b) Hình 4 – Mô hình tương tương của một mạch dao động cộng hưởng Tính hệ số hồi tiếp ht K Sử dụng mô hình Hình 4b, ta có: 2 2 1 1 3 . Z U U Z Z = + mà 2 2 1 1 3 ht ht U Z K K U Z Z = => = + Vì 2v Z Z>> nên theo sơ đồ Hình 4a ta có: 2 2 / / v Z Z Z≈ Gọi Z L là tổng trở kháng hồi tiếp, ta có: 1 1 3 1 2 3 .( ) L Z Z Z Z Z Z Z + = + + Trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại: 0 . . L r v r L Z Z K U Z Z = + Trong đó 0 K là hệ số khuếch đại khi không tải. Hệ số khuếch đại của mạch khi có tải: 0 . r L v r L U Z K K U Z Z = = + Thay 1 1 3 1 2 3 .( ) L Z Z Z Z Z Z Z + = + + vào công thức trên, ta có: 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 ( ) . ( ) ( ) Z Z Z K K Z Z Z R Z Z Z + = + + + + Xét . ht K K : 1 2 3 2 0 2 3 1 2 3 0 1 2 3 ( ) . . . ( ) ( ) ht Z Z Z Z K K K Z Z Z Z Z R Z Z Z + = + + + + + 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 . . ( ) ( ) Z Z K Z Z Z R Z Z Z = + + + + Tại tần số cộng hưởng thì 1 2 3 Z Z Z 0+ + = Nên 2 2 0 0 2 3 1 . . . ht Z Z K K K K Z Z Z = = − + Điều kiện . 1 ht K K ≥ trở thành: 2 0 1 Z K Z ≤ − Giải phương trình 1 2 3 Z Z Z 0+ + = sẽ tìm được tần số cộng hưởng f 0. Tùy theo Z 1 , Z 2 , Z 3 và tính chất khuếch đại mà có các dạng mạch cộng hưởng sau: 10 [...]... mắc trong mạch 11 1.4 Mạch dao động ba điểm 1.4.1 Khái niệm Hình 5 – Sơ đồ nguyên lý mạch dao động 3 điểm Như phân tích ở trên, một mạch dao động cần phải có khung dao động thỏa mãn điều kiện cộng hưởng để sinh ra dao động Nếu khung dao động có 3 phần tử thì sẽ có 3 điểm nối Nếu nối 3 điểm này vào 3 cực của phần tử khuếch đại thì ta sẽ được mạch dao động 3 điểm (Hình 5) 1.4.2 Điều kiện dao động 1.4.2a... Z BE và Z CE cùng là điện dung thì Z CB phải là điện cảm Khi đó ta có mạch dao động ba điểm điện dung (Colpitts) Nếu Z BE và Z CE cùng là điện cảm thì Z CB phải là điện dung Khi đó ta có mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley) 1.4.3 Mạch dao động ba điểm điện dung 1.4.3a Sơ đồ mạch điện Hình 6 – Sơ đồ nguyên lý mạch dao động ba điểm điện dung 13 Tác dụng của các linh kiện: T : transistor làm phần... pF và CE = 80 pF để mạch hoạt động ổn định 19 Vậy ta có mạch dao động ba điểm điện dung với các linh kiện có thông số cụ thể như sau: Hình 10 20 III Đánh giá – Kết luận Trong bài thiết kế môn học này, em đã trình bày hai nội dung chính: Một là, lý thuyết chung về dao động, các loại mạch dao động đặc biệt là mạch dao động cộng hưởng Hai là, các bước để thiết kế một mạch dao động ba điểm điện dung cụ thể... nhiệm vụ nâng công suất của tín hiệu này lên đủ lớn rồi đưa trở lại khung dao động để bù đắp cho phần năng lượng bị suy hao 14 Nếu điều kiện dao động được thỏa mãn thì dao động trên khung sẽ được duy trì với tần số: f0 = 1 2π L1 C1.C2 C1 + C2 15 II Thiết kế mạch dao động ba điểm điện dung Hình 7 – Sơ đồ nguyên lý mạch dao động ba điểm điện dung Các thông số yêu cầu: Pr = 30 mW; f 0 = 30 MHz; ∆f = 10−3... 1 thì mạch khuếch đại C 2 phải có hệ số khuếch đại K ≥ C 1 1.4.3c Nguyên lý hoạt động của mạch Khi cấp nguồn một chiều thì trong khung dao động sẽ sinh ra một dao động với tần số dao động bằng tần số cộng hưởng riêng của khung Dao động này sẽ tắt dần nếu như không được bù đắp năng lượng Vì vậy ở đây tín hiệu sẽ được trích một phần trên tụ C2 thông qua tụ C4 đưa về đầu vào của mạch khuếch đại, mạch khuếch... hưởng Hai là, các bước để thiết kế một mạch dao động ba điểm điện dung cụ thể với các thông số yêu cầu cho trước Qua bài thiết kế này, em đã hiểu sâu hơn về mạch dao động và cách tính toán để thiết kế một mạch dao động nói chung và mạch dao động ba điểm điện dung nói riêng Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trương Thanh Bình - giảng dạy môn Điện tử tương tự đã hưỡng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực...Tên mạch Hartley Z1 L L Colpitts C L Một dạng Clapp C Z2 L C C C C Z3 C L L C LC nối tiếp Mạch khuếch đại Khuếch đại đảo Khuếch đại lặp Khuếch đại đảo Khuếch đại không đảo Khuếch đại đảo 1.3.2 Phương pháp tính toán các mạch tạo dao động Có nhiều phương pháp để tính toán mạch dao động trong đó thông dụng nhất là tính toán theo phương pháp mạch khuếch đại có hồi tiếp Nội dung của phương pháp này bao... phải căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K và hệ số hồi tiếp K ht rồi cho tích của chúng bằng 1 để suy ra các thông số cần thiết của mạch Phương pháp tính toán gồm 6 bước: Bước 1: Tính toán hệ số khuếch đại K ; Bước 2: Xác định hệ số hồi tiếp K ht ; Bước 3: Tính tích K K ht ; Bước 4: Xác định điều kiện dao động của mạch; Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp để mạch tự dao động được; Bước... (W) 0.75 UCE0 max (V) 80 ß/hfe 82 ÷ 390 fmax (MHz) 120 Lựa chọn các thông số ban đầu: U CC = 12V ; C1 = 10 pF; C2 = 100 pF; Q = 100 ; β = 100 C 1 Mạch có hệ số hồi tiếp K ht = n = C = 0,1 ; trong đó n là hệ số phản ánh 2 C C 10.100 1 2 Điện dung tương đương của khung dao động: Ctd = C + C = 10 + 100 = 9, 09 pF 1 2 Để mạch dao động với tần số f 0 = 30 MHz thì khung phải có tần số cộng hưởng là: f = f... thành phần một chiều; C1, C2, L1: đóng vai trò làm khung dao động 1.4.3b Điều kiện dao động của mạch - Điều kiện cân bằng về pha: Theo sơ đồ Hình 6, ta có Z CE là tụ C1, Z BE là tụ C2 còn Z CB là cuộn cảm L1 Như vậy điều kiện cân bằng về pha là Z CB phải khác loại với Z CE và Z BE luôn được thỏa mãn - Điều kiện cân bằng về biên độ: Hệ số hồi tiếp của mạch là: K ht = U ht U BE = U ra U CE 1 ωC2 C1 = = 1