chuong2 CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG

22 CHƯƠNG CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG Chương nhằm trình bày vấn đề tạo dao động, điều kiện đặc điểm mạch tạo dao động, ổn định biên độ tần số dao động, phương pháp tính toán mạch dao động điểm điện cảm, điểm điện dung, mạch clapp, mạch dao động ghép biến áp, mạch dao động thạch anh, mạch dao động RC 2.1 Các vấn đề chung tạo dao động Mạch dao động tạo dạng dao động : - hình Sine (điều hòa) - xung chữ nhật - xung tam giác - xung cưa Ơ ta xét tạo dao động hình Sine (điều hoà) dạng dao động Các mạch dao động hình Sine thường dùng hệ thống thông tin, máy đo, máy kiểm tra, thiết bị y tế Các phần tử tích cực dùng để tạo dao động đèn điện tử, transistor lưỡng cực, FET, KĐTT, diode tunel, diode gunn - Đèn dùng cần công suất lớn, tần số từ thấp đến cao - KĐTT tần số yêu cầu thấp trung bình - Transistor tần số yêu cầu cao • Tham số mạch dao động - Tần số dao động - Biên độ điện áp - Độ ổn định tần số dao động (nằm khoảng 10- ÷ 10- 6) - Công suất - Hiệu suất mạch • Nguyên tắc để tạo mạch điều hòa - Tạo dao động hồi tiếp dương - Tạo dao động phương pháp tổng hợp mạch Chương khảo sát mạch dao động theo nguyên tắc mạch dao động hồi tiếp dương 23 2.2 Điều kiện dao động đặc điểm mạch dao động 2.2.1 Điều kiện để mạch dao động a a’ _ K (A) XV X’r Xr _ Kht(B) Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch dao động (A): Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại : K = K.ejϕ k (B): Khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt : K ht = Kht.ejϕ ht X’r = K ht Xr Mà Xr = K Xv ⇒ X’r = K K ht.Xv Mạch dao động Xv = X’r, nghĩa lúc ta nối điểm a a’ tín hiệu lấy từ mạch hồi tiếp đưa trở lại đầu vào (Mạch điện tín hiệu vào mà có tín hiệu ra) Vậy điều kiện để mạch dao động : X’r = Xv ⇒ K K ht = Hay : K Kht ej (ϕk + ϕht) = (*) Trong : K : module hệ số khuếch đại ϕk : góc pha khuếch đại Kht : module hệ số hồi tiếp ϕht : góc pha mạch hồi tiếp (1) ⎧K.K ht = Từ (*) ⇒ ⎨ ⎩ϕ = ϕ k + ϕ ht = 2πn ( 2) Với n = 0, ±1, ±2, ϕ : tổng dịch pha khuếh đại mạch hồi tiếp, biểu thị dịch pha X’r Xv Biểu thức (1) : điều kiện cân biên độ, cho biết mạch dao động hệ số khuếch đại khuếch đại bù tổn hao mạch hồi tiếp gây 24 Biểu thức (2) : điều kiện cân pha cho thấy dao động phát sinh tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào 2.2.2 Đặc điểm mạch dao động Mạch dao động mạch khuếch đại, mạch khuếch đại tự điều khiển hồi tiếp dương từ đầu đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp chiều Mạch phải thỏa mãn điều kiện cân biên độ pha Mạch phải chứa phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi lượng chiều thành xoay chiều Mạch phải chứa phần tử phi tuyến hay khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi trạng thái xác lập 2.3 Ổn định biên độ dao động tần số dao động 2.3.1 Ổn định biên độ dao động Khi đóng mạch, điều kiện cân pha thỏa mãn tần số đó, đồng thời KKht > mạch phát sinh dao động tần số Ta nói mạch trạng thái độ Ở trạng thái xác lập biên độ dao động không đổi ứng với K.Kht = Để đảm bảo biên độ trạng thái xác lập, thực biện pháp sau : - Hạn chế biên độ điện áp cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp chiều thích hợp - Dịch chuyển điểm làm việc đặc tuyến phi tuyến phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển phần tử khuếch đại - Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến dùng phần tử hiệu chỉnh Ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông diode Tùy thuộc vào mạch điện cụ thể áp dụng biện pháp 2.3.2 Ổn định tần số dao động Vấn đề ổn định tân số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân pha Khi dịch pha điện áp hồi tiếp đưa điện áp ban đầu thay đổi dẫn đến thay đổi tần số dao động Điều kiện cân pha : ϕ = ϕK + ϕht = 2πn Cho n = ⇒ ϕK + ϕht = ϕK, ϕht : phụ thuộc vào tham số m, n phân tử mạch khuếch đại mạch hồi tiếp phụ thuộc ω 25 ϕK (m, ω) + ϕht (n, ω) = (**) Vi phân toàn phần biến đổi (**) ta nhận biểu thức : ∂ϕ ∂ϕ K ∂ϕ ∂ϕ dm + K dn + K dω + ht dω = ∂m ∂ω ∂ω ∂ω ∂ ϕ ht ∂ϕ K dm + dn ∂ ∂ m n dω = − ∂ ϕ ht ∂ϕ K + ∂ω ∂ω Suy ra: (3) Từ biểu thức (3) ta suy biện pháp nâng cao độ ổn định tần số : Thực biện pháp nhằm giảm thay đổi tham số mạch hồi tiếp (dn) mạch khuếch đại (dm) - Dùng nguồn ổn áp - Dùng phần tử có hệ số nhiệt nhỏ - Giảm ảnh hưởng tải đến mạch dao động cách mắc thêm tầng đệm đầu tầng dao động - Dùng linh kiện có sai số nhỏ - Dùng phần tử ổn định nhiệt Dùng biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số mạch, ∂ϕ K ∂ϕ ht cách chọn mạch dao động thích hợp nghĩa giảm ∂m ∂m Thực biện pháp làm tăng tốc độ thay đổi góc pha theo tần số, tức ∂ϕ K ∂ϕ ht , xung quanh tần số dao động cách sử dụng phần tử có phẩm chất cao, ∂ω ∂ω ví dụ thạch anh 2.4 Các phương pháp tính toán mạch dao động 4.1 Các mạch tương đương mạch dao động dùng transistor Z3 + _ Z2 I _ Z1 + Hình 2.2 Sơ đồ mạch tạo dao động dùng Transitor 26 z1 = r1 + jx1 ≅ jx1 (r1 ≅ 0) z2 = r2 + jx2 ≅ jx2 (r2 ≅ 0) z3 = r3 + jx3 ≅ jx3 (r3 ≅ 0) Điều kiện dao động : x1 + x2 + x3 = x1, x2 dấu x1, x3 khác dấu |x3| > |x2| * Nếu z1, z2 : C ⇒ z3 : L Ta có mạch dao động ba điểm điện dung (Colpits) C2 L3 L1 C1 L2 C2 Hình 2.3 Mạch dao động ba điểm điện dung (Colpits) Hình 2.4 Mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley) * Nếu z1, z2 : L ⇒ z3 : C Ta có mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley) Thông thường dùng ba mạch điện động ba điểm điện dung ổn định tốt ba điểm điện cảm dễ thực * Mạch biến thể : L C L2 L1 C3 C1 C2 Hình 2.5 Mạch dao động ghép biến áp Hình 2.6 Mạch dao động Clapp 27 2.4.2 Phương pháp tính toán Có nhiều phương pháp, ta xét phương pháp thông dụng nhất, tính toán mạch dao động theo phương pháp khuếch đại có hồi tiếp Xem điều kiện pha bảo đảm (do kết cấu mạch đảm nhiệm) Ta cần vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K hệ số hồi tiếp Kht Sau dựa vào điều kiện cân biên độ K.Kht = để suy thông số cần thiết mạch, ví dụ : Tính điều kiện tự dao động mạch ba điểm điện dung sử dụng BJT Lc Vcc C R1 Ct C1 L EI R2 Re Vtd C2 Ce B Hình 2.7 Sơ đồ mạch dao động ba điểm điện dung dùng Transitor RE, CE : thành phần ổn định nhiệt R1, R2 : phân cực LC : cuộn cản cao tần để giảm ảnh hưởng tần số dao động nguồn Ct : tụ liên lạc cao tần (thoát cao tần) + Bước : Tính hệ số khuếch đại K : K = - S.Zc = - h21e Zc h11e S : hỗ dẫn BJT Zc : trở kháng Colectơ đất : phần trở kháng khung cộng hưởng Zc = p2Rtd // Zvpa Zvpa : trở kháng vào phản ảnh sang nhánh Colectơ-emitơ Nếu R1 // R2 >> h11e ta có : 28 Zvpa = Z v h11e = n2 n Trong : n hệ số phản ảnh 0 p2.Rtd Do bỏ qua Zt Z c = p Rtd // Lúc đó: S= ⎛ h21e ⎝ h11e Lập tích : K.Kht ≥ ⇒ ⎜⎜ − h11e n2 h21e h11e ⎞ Rtd h11e nh R ⎟⎟ ( − n ) ≥ ⇒ 21e td ≥ n Rtd + h11e ⎠ n Rtd + h11e p= VCE VCE = =1 Vtd VCE thay vào ta : n − 2n h21e h11e + ≤0 Rtd Giải ta kết : n1,2 h h ⎛h ⎞ = 21e ± ⎜ 21e ⎟ − 11e Rtd ⎝ ⎠ Kết giống mạch phần tính toán 34 Tần số dao động mạch : f = 2π LC Để tạo dao động có tần số cao, dùng sơ đồ bazơ chung điện áp vào pha nên điều kiện cân pha thỏa mãn M > (2 cuộn dây quấn cực tính) Điều kiện biên độ giống sơ đồ emitơ chung thay h21e, h11e h21b h11b V& IjωM M n = &EB = = ; IjωL L VCB p= 0 p = Ctd C = > Cq => fp ≈ fq Dựa vào đặc tính điện kháng ta thấy ƒ Nếu fdđ < fq - Thạch anh ⇔ C jXq ƒ Nếu fq < fdđ < fp -T.anh ⇔ L ƒ Nếu fdđ >fp - Thạch anh ⇔ C Nối tiếp Song song ™ Các thông số đặc trưng T.A: fp f fq Hình 2.16 Đặc tính điện kháng thạch anh ƒ fq : 1KHz ÷ 100MHz Các thạch anh có tần số thấp sản xuất, loại kích thước lớn đắt tiền Thực tế, người ta thường sản xuất thạch anh có tần số fq : 50KHz ÷ 1MHz chọn mặt cắt có tính ổn định cho thạch anh Lq rq =0 ⇒ Rtd = Lq C q rq Q = Rtd lớn Cq Lq = Cq rq = 10 ÷ 10 lớn Độ ổn định tần số : ∆f ≈ 10 −6 ÷ 10 −10 f0 Để thay đổi tần số cộng hưởng thạch anh phạm vi hẹp, người ta mắc nối tiếp thạch anh với tụ biến đổi Cs hình vẽ CS q Hình 2.17 Tần số cộng hưởng nối tiếp : f q/ = f q + Cq Cq + Cs Lượng thay đổi tần số mắc thêm Cs vào: 39 f q/ − f q Cq ∆f Cq = = 1+ −1 = fq fq C p + Cs Cq + Cs 2.5.4.2 Mạch điện tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song Vcc Rc Rb1 C1 Rb2 Re q CS C2 Ce Hình 2.18 Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song Nhánh thạch anh mắc nối tiếp với tụ Cs tương đương với điện cảm để mạch dao động dạng điểm điện dung Lúc phải chọn thạch anh cho: fq< fdd < fp ω dd c s < ω dd Ltd 2.5.4.3 Mạch điện tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp Cs q q C1 L3 R2 Ce R1 Re Re C3 Vcc Hình 2.19 Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp, ghép biến áp, EC R1 C2 R2 Vcc Hình 2.20 Mạch d.động thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp, ba điểm điện dung, BC 40 C1 T1 T2 q Ck R1 R2 Re Rc R3 R4 Lk Re Vcc Hình 2.21 Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp hồi tiếp qua hai tầng khuếch đại Trong sơ đồ trên, thạch anh mắc hồi tiếp đóng vai trò phân tử ghép có tính chọn lọc tần số Khi fdđ ~ fq (nối tiếp) trở kháng Xq = - hạ áp thạch anh nhỏ làm điện áp hồi tiếp tăng lên mạch tạo dao động với tần số fdd = fq 2.5.5 Mạch điện tạo dao động RC ™ Đặc điểm chung tạo dao động RC: Thường dùng phạm vi tần số thấp thay cho LC kích thước tạo dao động LC tần số thấp lớn Không có cuộn cảm, chế tạo dạng vi mạch Trong dao động RC - fdd tỉ lệ với 1/C, dao động LC fdd tỉ lệ với dao động RC dễ dàng thay đổi fdd với dao động LC C Yêu cầu dao động RC làm việc chế độ A để giảm méo Vì khâu hồi tiếp (gồm phân tử R,C) phụ thuộc tần số, nên mạch tạo dao động tần số mà điều kiện pha thỏa mãn ™ Bộ dao động RC dùng mạch di pha mạch hồi tiếp: R1 C C C R2 Vr V1 R I1 R I2 I3 R V2 Hình 2.22 Mạch dao động RC 41 Hệ phương trình : ⎞ ⎛ ⎜⎜ + R ⎟⎟ I − RI = V&1 ⎠ ⎝ jω C ⎞ ⎛ − RI + ⎜⎜ + R ⎟⎟ I − RI = ⎠ ⎝ j ωC ⎞ ⎛ − RI + ⎜⎜ + R ⎟⎟ I = ⎠ ⎝ jω C RI = V&2 Hệ số truyền đạt mạch : ⎡ V& ⎤ K& = = − + j⎢ − ⎥ & ωRC ⎦ V2 ( ωRC ) ⎣ ( ωRC ) * Phần ảo = ⇒ ω = Thay ⇒ ω = 6.RC vào phần thực ta tính điều kiện cân biên độ : 6.RC K = 1− ⇒ K= = − 30 = 29 (ωR.C ) R1 = 29 ⇒ R1 = 29 R2 R2 ™ Mạch dao động dùng mạch lọc T T - kép mạch hồi tiếp : R C V1 C C R C V2 V1 R C/2 R 2R V2 Hình 2.23 Mạch dao động dùng mạch lọc T T kép hồi tiếp • Với mạch lọc T, viết phương trình dòng điện cho nút 2, từ xác định hệ số truyền đạt: 42 − a − + j 2a K ht = − = V v a − + j 3a − Vr ⎧⎪ ⎨ K ht = ⎪⎩ ωRC (a − 1) + 4a (a − 1) + 9a ϕ ht = arctg ϕht = a = tức ω dd = a = a(1 − a ) (a − 1) + 6a RC Thay a = vào kht ta tìm : K ht = K htmun = • Với mạch lọc T kép: K ht = V2 a2 −1 = V1 (a − 1) + j 4a với a= ωRC Từ ta suy : phương trình Module pha: a2 −1 K ht = (a − 1) + 16a ϕ ht = arctg Khi a = ⇒ ω dd = − 4a 4a = arctg a −1 1− a2 π ϕ ht = ± RC Và Kht = Khtmun = • Mạch tạo dao động vùng KĐTT có mạch T mạch nối tiếp: Vr R C C R R1 R2 Hình 2.24 Mạch dao động dùng KĐTT có mạch lọc T mạch hồi tiếp 43 R1, R2 : Mạch hồi tiếp dương; T : Hồi tiếp âm Tại ω dd : K ht (−) = Vì Ko KĐTT lớn => K ht( + ) = K ht ( −) K ht( + ) = R2 = ⇒ R2 = R1 R1 + R2 Chính điều kiện cân biên độ mạch