Mạch tạo dao động

Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ít chịu ảnhhưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm.Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần: + Dùng nguồn ổn

Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ít chịu ảnhhưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm.

Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần:

+ Dùng nguồn ổn áp

+ Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ

+ Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động như mắc thêm tầng đệm

+ Dùng các linh kiện có sai số nhỏ

+ Dùng các phần tử ổn nhiệt

* Điều kiện dao động của mạch tạo dao động (theo cách truyền thống) đó là sử dụngmạch hồi tiếp dương Như hình 4-2 Khi Ūht=ŪVthì có thể nối a’ với a vào nhau, và ta

không cần tín hiệu vào nữa mà mạch tự dao động

Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động ở tần số mà nó thoả mãn:

Vì¯Kvà¯βlà những số phức nên viết lại:¯K.¯β = K.β.e j(ϕk + ϕβ)= 1(6-2)

trong đó: K - Mođun hệ số khuếch đại.

β - Mođul hệ số hồi tiếp.

φk - Góc dịch pha của bộ khuếch đại.

φk - Góc dịch pha của mạch hồi tiếp.

Có thể tách thành hai biểu thức viết theo mođun và pha:

K β = 1

φ = φ k + φ β = 2 π n

φ là tổng góc dịch pha của bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa Uˉht

và tín hiệu vào ban đầu Uˉv

Quan hệ K.β = 1được gọi là điều kiện cân bằng biên độ Nó cho thấy mạch chỉ có thể

dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạhc hồi

tiếp gây ra Còn điều kiện cân bằng pha φ = φk + φβ= 2π.n cho thấy dao động chỉ có thể

phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu ban đầu tức là hồi tiếp dương

Thực tế để có dao động khi mới đóng nguồn ¯K.¯β phải lớn hơn 1 làm cho biên độ daođộng tăng dần Do tính phi tuyến của phần tử khuếch đại điểm làm việc đi vào vùng làm

K giảm đến lúc ¯K.¯β = 1 mạch làm việc ở chế độ xác lập Vậy điều kiện dao động củamạch là:¯K.¯β ≥ 1

MẠCH TẠO DAO ĐỘNG SIN GHÉP BIẾN ÁP

Mạch tạo dao động sin ghép biến áp có mạch hồi tiếp ghép qua biến áp có điện trở ởhình 4-3

Trong mạch R1, R2 là bộ phân áp cấp điện áp một chiều cho cực gốc R3, C3 là mạch

ổn định nhiệt L1, C1 là khung dao động, L2 là cuộn ghép lấy điện áp uht, C2 tụ thoát,

C4 là tụ lấy tín hiệu ra Do tranzito mắc E chung nên tại tần số dao động có tải là điện

trở thuần, ura ngược pha uvào Vì vậy để đảm bảo điều kiện cân bằng pha cần đấu cuộn

L2 phù hợp Tần số dao động của mạch do mạch cộng hưởng ở cực C quyết định.

MẠCH DAO ĐỘNG SIN BA ĐIỂM

Mạch dao động sin ba điểm có thể dùng tranzito hay IC để khuếch đại Với mạch dùngtranzito mắc E chung còn IC khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất Khung dao

động chứa ba phần tử điện kháng thứ tự là X1, X2, X3.

Từ mạch điện ta có:

Để mạch dao động được cần ¯K.¯β > 1 mà K< 0 nên cần β < 0 mặt khác tại tần số dao động có: X1 + X2 + X3 = 0

Kết hợp lại ta thấy X1 + X2 phải khác dấu và X2, X3 phải cùng dấu, tức là:

- Nếu X1 là điện cảm thì X2, X3 là tụ điện, ta có mạch ba điểm điện dung.

- Nếu X1 là tụ điện thì X2, X3 là điện cảm, ta có mạch ba điểm điện cảm Mạch điện

dùng tranzito như hình 4-5

Tần số dao động của mạch 4-5a là:

Tần số dao động của mạch 4-5b là:

MẠCH TẠO DAO ĐỘNG SIN GHÉP RC

Các mạch tạo dao động RC thường dùng ở phạm vi tần số thấp Vì nếu dùng mạch LC kích thước quá lớn, do điện cảm L cồng kềnh Trong mạch hồi tiếp chứa các phần tử RC.

Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp

Mạch điện dùng tranzito và IC khuếch đại thuật toán như ở hình 4-6

Ở đây phần tử khuếch đại đã có di 1800, nên mạch hồi tiếp cũng phải có góc pha 1800.

Hàm truyền đạt và góc di pha mỗi khâu RC trên hình 4-6 xác định theo:

R + j.ω.C1 ϕ = −arctg ω.C.R1

Mỗi khâu RC chỉ tạo ra một góc di pha < 900khi trị số R, C khác không Vì vậy để đảmbảo về pha mạch hồi tiếp ít nhất phải có ba mắt RC Với trường hợp dùng 3 khâu RCnhư nhau ở hình 4-6a cần:

R1// R2// rBE= R.R1// R2 = R mạch dùng IC.

Từ mạch điện ta có hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp:

Hai sơ đồ trên đều là mạch khuếch đại đảo pha, nên tín hiệu Uhtvề phải ngược pha vớitín hiệu ra Ur( để đảm bảo điều kiện pha φk + φβ= 2πn) từ đó ta có điều kiện của βˉ là:

{ Im(βˉ)= 0

Re(βˉ)< 0

Thay vào ta tìm được: α2 = 6 và β = −ˉ 291

Doα = ωRC1 mà tần số dao động ứng với trường hợp α2 = 6 do đó:

Mạch có hệ số hồi tiếp bằng 1/29 Nên cần mắc điện trở R1, R3 sao cho R3 R2 = 29 Với

mạch dùng tranzito cần chọn điện trở RCvà hệ số khuếch đại của tranzito β sao cho:

K = β.RC rvt ≥ 29

Mạch tạo dao động dùng mạch cầu Viên

Mạch điện ở hình 4-7 Mạch này Uhtđưa vào cửa thuận còn các phần tử ở cửa đảo đểxác định độ khuếch đại của mạch

Để mạch tạo dao động được cần chọn các điện trở R3, R4 sao cho R4/R3= 2

MẠCH TẠO XUNG VUÔNG

Mạch tạo xung vuông có ba loại cơ bản là mạch dao động đa hài, mach đa hài đợi vàtrigơ Hầu hết các mạch tạo xung đều lợi dụng quá trình quá độ trong mạch RC vàtranzito ở chế độ khoá hoặc khuếch đại thuật toán ở chế độ so sánh

Quá trình quá độ trong mạch RC

Mạch tạo xung vuông thường được xây dựng trên quá trình phóng nạp của tụ điện, tần

số của dao động của mạch phụ thuộc vào khoảng thời gian nạp và phóng của tụ điện

Khi có nguồn hai tụ C1, C2 thay nhau nạp điện và phóng điện, hai tranzito thay nhau

thông (bão hoà), tắt tạo cho mạch có hai trạng thái cân bằng không ổn định: T1 tắt, T2

thông (bão hoà) và T1thông (bão hoà), T2tắt và tự chuyển đổi trạng thái cho nhau, đầu

ra nhận được dãy xung vuông

Xem như mạch đã bình thường, xung ra có biên độ ổn định, xét tại thời điểm mạch đang

ở trạng thái T1 tắt, T2 thông (bão hoà) Lúc này tụ C2 (trước đó nạp điện) đang phóng điện từ +C2 qua T2, nguồn E, qua điện trở R3 đến -C2 đặt điện áp âm lên cực gốc T1

làm choU B1< 0giữ T1tắt trong một khoảng thời gian

Đồng thời với quá trình đó, tụ C1 nạp điện từ +E qua R1 đến +C1, -C1 qua rBET2 đến -E nhanh chóng đến điện áp bằng E (do trong mạch có R1<<R3) làm cho ura1 nhanh chóng tăng lên E, ura = E.

Do C2 phóng làm cho uB1 tăng dần, khi uB1 > 0 T1 thông xuất hiện dòng iB1, iB1 và tăng lên làm cho ura1 giảm, qua tụ C1 dẫn đến uB2giảm, dòng T2 giảm và ura2 tăng Qua C2 lượng tăng đưa vào cực gốc T1 làm cho uB1 tiếp tục tăng, dòng đèn T1 tiếp tụctăng Hồi tiếp dương xảy ra nhanh chóng (xem như tức thời) làm cho T1thông (bão hoà), T2tắt

Tiếp theo tụ C1 lại phóng điện qua T1, nguồn E và điện trở R2 giữ cho T2tắt trong một

khoảng thời gian Tụ C2 nạp điện từ nguồn E qua R4 và điện trở rBET1 nhanh chóng

đến điện áp bằng E do có R4<<R2 làm cho ura2 tăng nhanh đến mức ura2 = E.

Dòng phóng giảm làm cho uB2 tăng lên Khi uB2 > 0 T2 thông trở lại, T1 tắt mạchchuyển sang trạng thái ban đầu

Điều kiện làm việc của mạch:

Để xung ra vuông, tụ C nạp điện nhanh hơn khi tụ phóng phải có: R1,4<<R3,2 và tranzito khi thông ở chế độ bão hoà cần R3 ≤ β1.R1 và R2≤β2.R4, trong đó β1, β2là hệ

số khuếch đại dòng của tranzito T1, T2 Khi cần tần số xung ra lớn, tranzito thông làm

việc ở chế độ khuếch đại, không áp dụng điều kiện này Biên độ xung ra trong trường

hợp đó bé hơn E.

Các tham số xung ra

Biên độ xung ra:

ˆ

U r ≈ E

Độ rộng xung tx1 là thời gian T1tắt, tụ C2 phóng điện qua R3 nên tx1 được tính:

tx1 = R3.C2ln2 ≈0,7 R3.C2.

Tương tự tx2là thời gian T2 tắt, tụ C1 phóng điện qua R2 nên tx2 được tính:

Mạch dùng IC khuếch đại thuật toán

Mạch đa hài tự dao động dùng IC thuật toán và dạng xung ở các cực theo thời gian như

ở hình 6-20

Phân tích nguyên lý làm việc của mạch bắt đầu tại thời điểm mạch đang ở trạng thái bão

hoà dương Ura= +Umax Lập tức qua mạch phân áp R1R2 cho điện áp hồi tiếp:

U1( + )= R1 + R2 Umax R1= β.Umax

Tụ C (trước đó nạp điện) phóng điện qua +E, đầu ra IC, điện trở R, rồi nạp tiếp làm cho

UC tăng lên Khi UC> U1(+) thì đầu ra lập tức đột biến về -Umax, mạch chuyển sang

trạng thái bão hoà âm

Qua mạch phân áp R1 R2 đưa về một điện áp:

U1( − )= R1 + R2 − Umax R1= − βUmax

Tụ C phóng điện qua đầu ra IC, qua điện trở R làm cho UC giảm xuống, rồi nạp tiếp

về phía - Umax Khi UC< U1(-) thì đầu ra đột biến từ -Umax về +Umax, mạch chuyển

sang trạng thái bão hoà dương ban đầu Cứ như vậy mạch tự làm việc chuyển từ trạngthái này sang trạng thái khác cho dãy xung vuông ở đầu ra

Khi nguồn nuôi đối xứng có +Umax= ?-Umax? thì độ rộng xung tx được xác định:

t x = R.C.ln(1 + 2R1R2)

Mạch đa hài đợi

Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, trong đó có một trạng thái ổn định và một trạngthái không ổn định Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định Có xung kích thích mạchchuyển sang trạng thái không ổn định một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn định banđầu chờ xung kích thích tiếp Như vậy cứ một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái hailần cho một xung vuông ra Mạch có thể dùng tranzito hay IC thuật toán

Mạch đa hài đợi dùng IC thuật toán ở hình 6-22a và dạng điện áp ở các cực như ở hình6-22b

Ban đầu mạch ở trạng thái ổn định, đầu ra bão hoà âm, Ura= -Umax Qua mạch phân áp

đưa về cửa thuận điện ápU1( − )= − Umax.R1 R1 + R2 điốt D được phân cực thuận, thông nên UC=

0 Tại t = t1 có xung nhọn cực tính dương tới đầu vào Nếu biên độ đủ lớn vượt quá giá trị U1(+), sơ đồ lật trạng thái sang bão hoà dương Ura= +Umax Qua mạch hồi tiếp

dương đưa về cửa thuận U1( + )= R1 + R2 Umax R1, điốt D tắt Sau t1 điện áp ra Umax nạp điện cho tụ C làm cho UC tăng lên Tới t2 UC>U1(+) đầu vào của IC có điện áp đổi dấu, đầu ra IC lật sang trạng thái bão hoà, Ura= -Umax.

Qua bộ phân áp lại đưa về điện áp U1(-), tụ C phóng điện qua R hướng tới -Umax, đến

t1= t3UC= 0, điốt D thông trở lại mạch trở về trạng thái đợi ban đầu.

Với mạch có nguồn nuôi đối xứng để Umax= ∣ − Umax∣ ta xác định được độ rộng xung

ra (khoảng thời gian mạch ở trạng thái không ổn định) là:

Từ dạng sóng ta thấy khi Uv có giá trị âm lớn , mạch ở trạng thái bão hoà dương Ur= +Umax , trên lối vào thuận có U1( + )= R1 + R2 +Umax R1 Uvào tăng dần, trạng thái này vẫn không đổi cho tới khi UV> U1(+)điện áp vào hai đầu IC đổi dấu nên đầu ra đột biến sang trạng

thái bão hoà âm, Ura= - Umax lập tức qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp

U1( − )= R1 + R2 − Umax R1

Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống Khi UV< U1(-), điện áp đầu vào IC đổi dấu làm đầu ra IC lật trạng thái sang bão hoà dương Ura= +Umax Và cứ như vậy, khi tác dụng điện áp sin vào cửa đảo, đầu ra ta nhận được dãy xung vuông có độ rộng xung tx=Txvào/

trong đó K là hệ số khuếch đại không tải của IC.

Mạch gồm hai tranzito mắc theo kiểu EC, đầu ra T1ghép tới đầu vào tầng T2qua tụ C1,

còn đầu ra tầng T2 ghép trở lại qua tụ C2 Như vậy mỗi tầng gây di pha một góc 1800,hai tầng di pha 3600, bảo đảm hồi tiếp dương khi mạch làm việc

Tuỳ theo cách mắc điốt là nối tiếp hay song song với tải, người ta phân biệt thành mạchhạn chế nối tiếp hay hạn chế song song Cũng có thể phân loại theo chức năng hạn chế

ở mức trên, hạn chế ở mức dưới (một phía) hoặc hạn chế ở hai mức (hai phía)

Các mạch điện hạn chế thường sử dụng các điốt làm phần tử điều khiển việc hạn chếbiên độ.

MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƯA

Tín hiệu xung răng cưa được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn làmtín hiệu quét trong các máy hiện sóng, làm tín hiệu so sánh biến đổi điện áp hay thờigian

Trên hình 5-20 là một tín hiệu xung răng cưa thông thường Nó bao gồm hai phần rõ rệt:

phần biến thiên tuyến tính theo thời gian gọi là thời gian quét thuận tqt và phần còn lại

là thời gian quét ngược tqn Các mạch tạo tín hiệu răng cưa phải bảo đảm sao cho thời

gian quét thuận lớn hơn rất nhiều thời gian quét ngược Biên độ của xung răng cưa là

Uq.

Trong thực tế, phần quét thuận của xung răng cưa không hoàn toàn tuyến tính.

Các mạch tạo xung răng cưa đều dựa theo một trong ba nguyên lý cơ bản sau:

- Nạp, phóng cho tụ bằng mạch RC đơn giản

- Nạp hoặc phóng cho tụ qua nguồn dòng ổn định

- Dùng hồi tiếp để ổn định dòng nạp cho tụ

Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch RC đơn giản

Hình 5-21 là sơ đồ nguyên lý tạo xung răng cưa dùng mạch RC đơn giản Trong mạchtranzito hoạt động ở chế độ khoá Bình thường, khi không có xung kích thích, tranzito

thông bão hoà do được cung cấp dòng IB khá lớn hơn điện trở R1, và Ur = Uq≈ 0 Khi mạch được kích thích xung âm, tranzito ngắt, tụ C nạp điện từ nguồn EC qua R Điện áp

trên tụ tăng dần theo công thức:

Khi xung vào kết thúc tranzito thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện nhanh qua

tranzito tới giá trị gần bằng không Thời gian quét thuận của mạch bằng thời gian tồn tại

của xung vào, còn thời gian quét ngược là thời gian phóng điện của tụ C.

Nhược điểm của loại mạch này là độ tuyến tính của phần quét thuận không cao, do ởcuối dòng nạp cho tụ giảm dần Để khắc phục nhược điểm trên, có thể sử dụng nguồndòng ổn định để nạp cho tụ

Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng

Điện áp và dòng điện trên tụ điện quan hệ theo công thức:

Vì vậy nếu dòng nạp cho tụ lấy từ một nguồn dòng, tức là: i=I0=const; thì điện áp trên

tụ sẽ biến đổi tuyến tính theo thời gian

Mạch ở hình 5-22 tranzito T1hoạt động như một khoá điện tử Bình thường khi chưa có

xung vào do được cấp dòng IB1 đủ lớn nên T1 bão hoà, do đó điện áp ra gần như bằngkhông Tranzito T2đóng vai trò nguồn dòng Nhờ có điốt ổn áp DZ nên điện áp cực gốc

T2luôn ổn định Vì vậy dòng qua T2, IE2cũng như IC2có giá trị ổn định

Trong khi T1 bão hoà, dòng IC2 này bằng dòng IC1 Khi có xung âm vào T1 ngắt, tụ C nạp điện bởi dòng IC2và điện áp trên tụ tăng tuyến tính theo thời gian:

Khi hết xung kích thích T1 lại thông và bão hoà, tụ C phóng điện nhanh qua T1làm cho

Ur giảm xuống nhanh chóng về điện áp gần bằng không.

Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp.

Để tăng độ tuyến tính của đường quét thuận, trong một số mạch tạo xung răng cưa

ta dùng thêm mạch khếch đại có hồi tiếp như trên hình 5-23 (còn gọi là mạch quétBootstrap)

Trong mạch này T1luôn thông bão hoà khi không có xung vào, do đó điện áp trên tụ C luôn xấp xỉ bằng không (UC ≈ 0) Lúc đó tồn tại một dòng điện chạy từ nguồn EC, qua điốt D, qua R đến T1 Tầng khuếch đại T2mắc cực C chung, có đo khuếch đại điện ápgần bằng một nên điện áp ra Ur ≈UC =0, tụ C0 (có điện dung rất lớn hơn tụ C) lúc này nạp điện tới giá trị EC, UC0= EC.

Khi có xung kích thích, tranzito T1 ngắt, tụ C bắt đầu được nạp điện bởi dòng do tụ C0 phóng ra qua R Theo mức độ nạp của tụ C, điện áp ra tăng dần và do đó điốt ngắt Ta thấy dòng nạp cho tụ C khá ổn định nhờ điện áp trên tụ C0 hầu như không đổi trong suốt

thời gian quét thuận nên điện áp ra tuyến tính

Về mặt giải tích, có thể xác định dòng nạp cho tụ C thông qua điện áp hạ trên R.

Do uC≈ ur nên:

Trong quá trình nạp:

Sau khi xung vào kết thúc, T1 thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện qua T1 Khi tụ

C phóng điện giảm xuống xấp xỉ bằng không điốt D thông và tụ C0 lại nạp bổ sung đến

giá trị UC0=ECban đầu

Trong mạch này thời gian quét thuận cũng bằng độ rộng xung vào

Cũng có thể dùng mạch tích phân có IC khuếch đại thuật toán để tạo xung răng cưa

BÀI TẬP

Cho mạch điện hình 5-27

E = 15V

a) Giải thích mạch điện, vẽ dạng tín hiệu ra theo t.

b) Cho fdd= 1kHz ; R= 1kΩ, tính các giá trị linh kiện còn lại

Tìm khoảng fdd khi các tụ C cùng biến đổi Cmin? Cmax

Giải

Cho mạch điện như hình 5-28

a) Vẽ dạng tín hiệu ra theo t.

b) Tìm tần số dao động của mạch

c) Tìm trị số của Rhtcần thiết

d) Xác định điện áp hồi tiếp.

Giải

Cho mạch điện như hình 5-31

a) Vẽ dạng t/hiệu ra theo t

b) Xác định biên độ Urmax

c) Xác định khoảng fdđ khi điều chỉnh VR4

Giải

Cho mạch điện như hình 5-32.

Biết

Vẽ dạng điện áp vào vào ra điện áp ra, biết