Mạch dao động

Một phần không thể thiếu trong hầu hết các sản phẩm điện tử là mạch dao động. Các mạch tạo dao động điều hoà thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong

Lời nói đầu Ngày nay khi cuộc sống con người càng phát triển, các ứng dụng nhằm đáp ứng các nhu cầu của đời sống cũng càng ngày càng phong phú. Mức sống càng nâng cao, nhu cầu càng được thoả mãn nhiều hơn. Con người cũng luôn tìm cách làm mình thư giãn hơn với các sản phẩm của công nghệ. Các thiết bị điện tử đã và đang có chỗ đứng quan trọng trong đời sống, nó đem đến những phương tiện giải trí cơ bản hay những sản phẩm đa năng, đa dịch vụ, tương tác với con người. Một phần không thể thiếu trong hầu hết các sản phẩm điện tử là mạch dao động. Các mạch tạo dao động điều hoà thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế.v v.v Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ MẠCH DAO ĐỘNGI- Phân tíchMạch dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau như dao động hình sin (dao động điều hoà), tạo xung chữ nhật, tạo xung tam giác, xung răng cưa hoặc tạo từng xung riêng biệt. Trong phần này ta chỉ xét các mạch tạo dao động điều hoà; các mạch tạo dao động xung được xét đến trong giáo trình “kỹ thuật xung”. 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 từ tích cực như đèn điện tử, transistor lưỡng cục, Fet , mạch khuyếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như điot Tunel, điot Gunn.Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra lớn. Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số rất cao.Ở tần số thấp và trung bình thường dùng mạch khuyếch đại thuật toán để tạo dao động, còn ở tần số cao thì dùng transistor lưỡng cực hoặc Fet hoặc các loại điot đặc biệt đã nêu ở trên.Cần lưu ý rằng, khi dùng mạch khuyếch đại để tạo dao động thì không cần dùng các mạch bù tần số, vì mạch bù tần số làm giảm dải tần công tấc của bộ tạo dao động .Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số ( nằm trong khoảng 10-2 đến 10-6), công suất ra và hiệu suất. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài tham số nào đó hoặc hạ thấp yêu cầu đối với 2 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ tham số khác, nghĩa là tuỳ thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc xác định các tham số một cách hợp lí.Có thể tạo dao động điều hoà theo hai nguyên tắc cơ bản sau đây:- Tạo dao động bằng hồi tiếp dương;- Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch.Ở đây ta chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp dương.II- Lập sơ đồ khối 1. Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động dùng sơ đồ khối hình 1, trong đó (1) là khối khuyếch đại K= k.eiφk và (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht= Kht ejφht . Nếu đặt vào đầu vào tín hiệuXv và giả thiết KKht= 1 thì X`r = KKht xv Sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếpVậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại Xv và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp Xr bằng nhau cả về biên độ và pha nên có thể nối các đầu a và a` với nhau mà tín hiệu vẫn không thay đổi .3 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ Lúc này ta có sơ đồ của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp.Rõ ràng, trong sơ đồ này, chỉ có dao động mà tần số của nó thoả mãn điều kiện sau: K.Kht=1 (1)Vì K và Kht đều là những số phức, nên(1) có thể viết lại như sau: KKht = KKht ej(φk+φht) =1 (2) trong đó.K – modun hệ số khuyếch đại;Kht –modyn hệ số hồi tiếp;φk – góc đi pha của bộ khuyếch đại;φht- góc đi pha của bộ hồi tiếp.Có thể tách biểu thức (2) thành hai biểu thức; một biểu thức viết theo modun (3a) và một biểu thức viết theo pha (3b):KKht = 1 (3a)φ= φk + φht 2πn với n = 0, 2,1±±… (3b)ϕ- tổng dịch pha của bộ khuyếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp X` - và tín hiệu vào ban đầu Xv.Quan hệ (3a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy: mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại có thể bù được sự tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng 4 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ pha(3b) cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào.Để minh hoạ ta xét mạch tạo dao động trên hình sau Bộ khuyếch đại dùng khuyếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ thuận có hệ số khuyếch đại:*11*12)1(11 KRRKRRK=−+=+=Vì trở kháng ra của bộ khuyếch đại nhỏ, nên trong mạch mắc thêm điện trở R để giảm ảnh hưởng của trở kháng ra đến trở kháng của khung cộng hưởng LC.Điện áp hồi tiếp về bộ khuyếch đại:11. uKuLMuhtht== (4)M- hệ số hỗ cảm của các cuộn dây;L - điện cảm của khung dao động.Điện áp ra bộ khuyếch đại:Ur = K* uht (5)Để xác định điện áp ra, viết phương trình dòng điện nút 1:5 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ 01111=−−−∫dtuLdtducRuur (6)Thay (4) và (5) vào (6) và biến đổi ta được (7).011*22=+−+rrhtruLCdtduRCKKdtud (7)Để đơn giản, đặt:RCKKht21*−=α;LC120=ωDo đó(7) được viết lại như sau:022022=++rrrudtdudtudωα (8)Nghiệm của phương trình vi phân(8) làtroreuuα−=cos to22αω− (9)Ta phân biệt ba trường hợp:1) α> 0, nghĩa là K*Kht <1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theo hàm số mũ. Dao động tắt dần.2) α= 0, nghĩa là K*Kht = 1, điện áp ra là điện áp hình sin có tần số LCo1=ωvà biên độ không đổi.3) α<0, nghĩa là K*Kht >0 , biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ.6 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ Từ các trường hợp trên đây, có thể rút ra kết luận; để có dao động thì khi mới đóng mạch KKht phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần cho đến khi bộ khuyếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà, hệ số khyếch đại giảm dần sao cho KKht =1. Lúc này có dao động ra, nhưng không phải hình sin. Để có dao động điều hoà hình sin cần phải điều chỉnh hệ số khuyếch đai sao cho KKht = 1 và xác lập tại đó trước khi bộ khuyếch đaạichuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà.Từ sự phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đây của một mạch tạo dao động:- Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuyếch đại, nhưng là mạch khuyếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra và đầu vào. Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều.- Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thoả mãn điều kiện cân bằng biên độ (3a) và cân bằng pha(3b).- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều.- Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập (KKht = 1)2. Ổn định biên độ dao động và tần số dao động 2.1 Ổn định biên độ dao động Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha (3b) được thoả mãn tại một tần số nào đó, đồng thời KKht >1 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 không đối ứng với KKht =1.Để đảm bảo ổn định biên đọ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện cấc biện pháp sau:7 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ - Hạn chế biên độ điện áp bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp. Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuyếch đại luôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiều cho phần tử khuyếch đại đó.- Dịch chuyển điểm làm việc trên đắc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuyếch đại .- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh, ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông của diot.- Tuỳ thuộc vào mạch liên cụ thể có thể áp dụng một trong những biện pháp trên. Khi xét đến mạch cụ thể, ta sẽ quan sát kỹ hơn vấn đề này.2.2 Ổn định tần số dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha. Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số dao động.Trong điều kiện (3.b), cho n=0, ta có:ϕ=0=+htkϕϕ (10)Nói chung góc pha kϕvà htϕphụ thuộc vào tham số các phần tử của mạch và phụ thuộc tần số. Do đó có thể viết lại điều kiện(10) một cách tổng quát như sau:0),(),(=+ωϕωϕnmhtk (11)trong đó, m và n là đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch khuyếch đại và trong mạch hồi tiếp.Vi phân toàn phần (11) và biến đổi, ta nhận được biểu thức (12)8 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ ωϕωϕϕϕω∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=htkhtkdnndmmd (12)Từ (12) suy ra các biện pháp nhằm nâng cao độ ổn định tần số của mạch tạo dao động:1. Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số dm của mạch khuyếch đại đều ra tầng tạo dao động:- Dùng nguồn ổn áp;- Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ;- Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động bằng cách mắc thêm tầng đệm ở đầu ra tầng dao động;- Dùng các linh kiện có sai số nhỏ;- Dùng các phần tử ổn nhiệt.2. Thực hiện các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số của mạch, nghĩa là giảm mk∂∂ϕvànht∂∂ϕbằng cách chọn mạch tạo dao động thích hợp ( ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, hoặc ghép biến áp,…)3. Thực hiện các biện pháp làm tăng tần số dao động. Cụ thể là sử dụng các phần tử có phẩm chất cao (ví dụ dùng mạch cộng hưởng thạch anh), vì ωϕ∂d|ooQωωω/2−≈= và dùng phần tử tích cực có hệ số khuyếch đại lớn.Thông thường, nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt thì độ ổn định tần sốoff∆của các bộ tạo dao động điều hoà có thể đạt được trong 9 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ khoảng 10-2 …10-3. Khi dùng các biện pháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10-4 hoặc cao hơn, trong trường hợp thạch anh có thể đạt được ≈∆off10-6 …10-8.3. Phương pháp tính toán mạch dao động Có nhiều phương pháp để tính toán mạch tạo dao động. Ở đây ta chỉ xét phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phương pháp bộ khuyếch đại có hồi tiếp. Nội dùng của phương pháp này xuất phát từ điều kiện cân bằng biên độ (3.a). Điều kiện cân bằng pha (3.b) không cần quan tâm đến, vì điều kiện này đã được kết cấu của mạch đảm nhiệm. Khi tính toán phảo căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuyếch đại Kvà hệ số hồi tiếp htKrồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch.Để minh hoạ, ta tính thử ví dụ sau:Ví dụ: Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điện dùng (mạch Colpitts) dùng transistor trên hình sau : Giải. Trước hết chấp nhận mạch ba điểm điện dung đã thoả mãn điều kiện cân bằng pha , ta tính điều kiện cân bằng biên độ của mạch: Bước1. Tính hệ số khuyếch đại K:10 [...]... Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động dùng sơ đồ khối hình 1, trong đó (1) là khối khuyếch đại K= k.e iφk và (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht= Kht e jφht . Nếu đặt vào đầu vào tín hiệuX v và giả thiết KK ht = 1 thì X ` r = KK ht x v Sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch... 1,8pF và đạt được 119.3pF. Ct= ( 8.1 4 470 + ) pF Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung Colpitts B chung Dạng sóng đo được tại đầu ra tầng tạo dao động: 16 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ Lúc này ta có sơ đồ của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Rõ ràng, trong sơ đồ này, chỉ có dao động mà tần số của nó thoả mãn điều kiện sau: ... được 11 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ tham số khác, nghĩa là tuỳ thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc xác định các tham số một cách hợp lí. Có thể tạo dao động điều hoà theo hai nguyên tắc cơ bản sau đây: - Tạo dao động bằng hồi tiếp dương; - Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch. Ở đây ta chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo nguyên tắc... bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập (KK ht = 1) 2. Ổn định biên độ dao động và tần số dao động 2.1 Ổn định biên độ dao động Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha (3b) được thoả mãn tại một tần số nào đó, đồng thời KK ht >1 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 không đối ứng với KK ht =1. Để... động ra, nhưng khơng phải hình sin. Để có dao động điều hồ hình sin cần phải điều chỉnh hệ số khuyếch đai sao cho KK ht = 1 và xác lập tại đó trước khi bộ khuyếch đaạichuyển sang làm việc ở trạng thái bão hồ. Từ sự phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đây của một mạch tạo dao động: - Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuyếch đại, nhưng là mạch khuyếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp... thiếu trong hầu hết các sản phẩm điện tử là mạch dao động. Các mạch tạo dao động điều hoà thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế.v v.v Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ Hệ số khuyếch đại của mạch emito chung cc Z h h SZK 11 21 −=−≈ (13) Trong mạch điện trên, trở kháng giữa colecto và... ra và đầu vào. Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều. - Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thoả mãn điều kiện cân bằng biên độ (3a) và cân bằng pha(3b). - Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều. - Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái... kế mạch analog _____________________________________________________________ Từ các trường hợp trên đây, có thể rút ra kết luận; để có dao động thì khi mới đóng mạch KK ht phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần cho đến khi bộ khuyếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà, hệ số khyếch đại giảm dần sao cho KK ht =1. Lúc này có dao động ra, nhưng khơng phải hình sin. Để có dao. .. đến mạch cụ thể, ta sẽ quan sát kỹ hơn vấn đề này. 2.2 Ổn định tần số dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha. Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số dao động. Trong điều kiện (3.b), cho n=0, ta có: ϕ = 0 =+ htk ϕϕ (10) Nói chung góc pha k ϕ và ht ϕ phụ thuộc vào tham số các phần tử của mạch. .. tổng dịch pha của bộ khuyếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp X ` - và tín hiệu vào ban đầu X v . Quan hệ (3a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy: mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại có thể bù được sự tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng 4 Thiết kế mạch analog _____________________________________________________________ . _____________________________________________________________ MẠCH DAO ĐỘNGI- Phân tíchMạch dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau như dao động hình sin (dao động điều hoà), tạo xung chữ. này ta chỉ xét các mạch tạo dao động điều hoà; các mạch tạo dao động xung được xét đến trong giáo trình “kỹ thuật xung”. Các mạch tạo dao động điều hoà có