mạch dao động

Chương 10: Mạch dao động Chương 10 MẠCH DAO ÐỘNG (Oscillators) Ngồi mạch khuếch đại điện cơng suất, dao động loại mạch ngành điện tử Mạch dao động sử dụng phổ biến thiết bị viễn thông Một cách đơn giản, mạch dao động mạch tạo tín hiệu Tổng quát, người ta thường chia làm loại mạch dao động: Dao động điều hòa (harmonic oscillators) tạo sóng sin dao động tích (thư giãn - relaxation oscillators) thường tạo tín hiệu không sin cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular, square) 10.1 MẠCH DAO ÐỘNG SIN TẦN SỐ THẤP: Ta xem lại mạch khuếch đại có hồi tiếp - Nếu pha vf lệch 180 so với vs ta có hồi tiếp âm - Nếu pha vf pha với vs (hay lệch 360 ) ta có hồi tiếp dương Ðộ lợi mạch có hồi tiếp: X-1 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Trường hợp đặc biệt βAv = gọi chuẩn Barkausen (Barkausen criteria), lúc Af trở nên vơ hạn, nghĩa khơng có tín hiệu nguồn vs mà có tín hiệu v0, tức mạch tự tạo tín hiệu gọi mạch dao động Tóm lại điều kiện để có dao động là: βAv=1 0 θA + θB = (360 ) điều kiện thỏa tần số đó, nghĩa hệ thống hồi tiếp dương phải có mạch chọn tần số Nếu βAv >> (đúng điều kiện pha) mạch dao động đạt ổn định nhanh dạng sóng méo nhiều (thiên vng) βAv > gần mạch đạt đến độ ổn định chậm dạng sóng méo Còn βAv < mạch không dao động 10.1.1 Dao động dịch pha (phase shift oscillator): - Tạo sóng sin tần số thấp dải âm tần - Còn gọi mạch dao động RC - Mạch dùng BJT, FET Op-amp - Thường dùng mạch khuếch đại đảo (lệch pha 180 ) nên hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 180 để tạo hồi tiếp dương a Nguyên tắc: - Hệ thống hồi tiếp gồm ba mắc R-C, mắc có độ lệch pha tối đa 90 nên để độ lệch pha 1800 phải dùng ba mắc R-C - Mạch tương đương tổng quát tồn mạch dao động dịch pha mơ tả hình 10.2 X-2 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Nếu Ri lớn R0 nhỏ không đáng kể Ta có: v0 = v1 = Av.vi vi = v2 - Hệ thống hồi tiếp gồm măc C-R, vẽ lại hình 10.3 - Ðể phân giải mạch ta theo bước: + Viết phương trình tính độ lợi điện β = v2/v1 hệ thống hồi tiếp + Rút gọn thành dạng a + jb + Cho b = để xác định tần số dao động f0 + Thay f0 vào phương trình bước để xác định giá trị β f0 Từ đó: X-3 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Và: Ðể mạch lệch pha 180 : X-4 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Thay ω0 vào biểu thức β ta tìm được: b Mạch dịch pha dùng op-amp: - Do op-amp có tổng trở vào lớn tổng trở không đáng kể nên mạch dao động minh họa tốt cho chuẩn Barkausen Mạch vẽ hình 10.4 - Tần số dao động xác định bởi: X-5 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động c Mạch dao động dịch pha dùng FET: - Do FET có tổng trở vào lớn nên thích hợp cho loại mạch - Tổng trở mạch khuếch đại khơng có hồi tiếp: R0 = RD||rD phải thiết kế cho R0 không đáng kể so với tổng trở vào hệ thống hồi tiếp để tần số dao động thỏa mãn cơng thức: Nếu điều kiện khơng thỏa mãn ngồi R C, tần số dao động tùy thuộc vào R0 (xem mạch dùng BJT) - Ðộ lợi vòng hở mạch: Av = -gm(RD||rD) ≥ 29 nên phải chọn Fet có gm, rD lớn phải thiết kế với RD tương đối lớn d Mạch dùng BJT: - Mạch khuếch đại cực phát chung có khơng có tụ phân dòng cực phát X-6 Mạch Điện Tử - Ðiều kiện tổng trở vào mạch không thỏa mãn nên điện trở R cuối hệ thống hồi tiếp là: R = R’ + (R1||R2||Zb) (10.8) Với Zb = βre có CE Zb = β(re + RE) khơng có CE - Tổng trở mạch chưa có hồi tiếp R0 ≈ RC không nhỏ nên làm ảnh hưởng đến tần số dao động Mạch phân giải vẽ lại -Áp dụng cách phân giải phần trước ta tìm tần số dao động: - Thường người ta thêm tầng khuếch đại đệm cực thu chung để tải không ảnh hưởng đến mạch dao động 10.1.2 Mạch dao động cầu Wien: (wien bridge oscillators) - Cũng dạng dao động dịch pha Mạch thường dùng op-amp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo nên hệ thống hồi tiếp phải có độ lệch pha Mạch hình 10.8a hệ thống hồi tiếp hình 10.8b Tại tần số dao động ω0: Trong mạch hình 10.8a, ta ý: - Nếu độ lợi vòng hở Av < mạch khơng dao động - Nếu độ lợi vòng hở Av >> tín hiệu dao động nhận bị biến dạng (đỉnh dương đỉnh âm hình sin bị cắt) - Cách tốt khởi động, mạch tạo Av > (để dễ dao động) xong giảm dần xuống gần để giảm thiểu tối đa việc biến dạng Người ta có nhiều cách, hình 10.9 ví dụ dùng diode hoạt động vùng phi tuyến để thay đổi độ lợi điện mạch - Khi biên độ tín hiệu nhỏ, D1, D2 khơng dẫn điện khơng ảnh hưởng đến mạch Ðộ lợi điện mạch lúc là: - Ðộ lợi đủ để mạch dao động Khi điện đỉnh tín hiệu ngang qua R4 khoảng 0.5 volt diode bắt đầu dẫn điện D1 dẫn ngõ dương D2 dẫn ngõ âm Khi dẫn mạnh nhất, điện ngang diode xấp xỉ 0.7 volt Ðể ý hai diode dẫn điện phần đỉnh tín hiệu hoạt động điện trở thay đổi nối tiếp với R5 song song với R4 làm giảm độ lợi mạch, cho độ lợi lúc xuống gần có tác dụng làm giảm thiểu biến dạng Việc phân giải hoạt động diode vùng phi tuyến tương đối phức tạp, thực tế người ta mắc thêm điện trở R5 (như hình vẽ) để điều chỉnh độ lợi mạch cho độ biến dạng đạt mức thấp - Ngoài nên để ý độ biến dạng nhỏ biên độ tín hiệu ngõ thấp Thực tế, để lấy tín hiệu mạch dao động người ta mắc thêm mạch khơng đảo song song với R1C1 hình vẽ thay mắc nối tiếp ngõ mạch dao động Do tổng trở vào lớn, mạch gần không ảnh hưởng đến hệ thống hồi tiếp tín hiệu lấy có độ biến dạng giảm thiểu đáng kể tác động lọc R1C1 - Một phương pháp khác để giảm biến dạng tăng độ ổn định biên độ tín hiệu dao động, người ta sử dụng JFET mạch hồi tiếp âm điện trở thay đổi Lúc JFET phân cực vùng điện trở (ohmic region-vùng ID chưa bảo hòa) tác động điện trở thay đổi theo điện (VVR-voltage variable resistor) - Ta xem mạch hình 10.10 - D1, D2 dùng mạch chỉnh lưu bán kỳ (âm); C3 tụ lọc Mạch tạo điện âm phân cực cho JFET - Khi cấp điện, mạch bắt đầu dao động, biên độ tín hiêu chưa đủ làm cho D1 D2 dẫn điện VGS = tức JFET dẫn mạnh rds nhỏ độ lợi điện op-amp đạt giá trị tối đa - Sự dao động tiếp tục, điện đỉnh ngõ âm đạt trị số xấp xỉ -(Vz + 0.7v) D1 D2 dẫn điện VGS bắt đầu âm Ta dùng thạch anh để thay mạch nối tiếp LC, mạch dao động tần số fS Còn thay mạch song song LC, mạch dao động tần số fp (hoặc fop) Do thạch anh có điện cảm LS lớn, điện dung nối tiếp nhỏ nên thạch anh định tần số dao động mạch; linh kiện bên ngồi khơng làm thay đổi nhiều tần số dao động (dưới 1/1000) Thường người ta chế tạo thạch anh có tần số dao động từ 100khz trở lên, tần số thấp khó chế tạo 10.3.2 Dao động thạch anh: Dao động dùng thạch anh mạch cộng hưởng nối tiếp gọi mạch dao động Pierce (Pierce crystal oscillator) Dạng tổng quát sau: Ta thấy dạng mạch giống mạch dao động clapp thay cuộn dây tụ điện nối tiếp thạch anh Dao động Pierce loại dao động thông dụng thạch anh Hình 10.29 loại mạch dao động Pierce dùng linh kiện Thạch anh nằm đường hồi tiếp từ cực cực cổng Trong C1 = CdS; C2 = CgS tụ liên cực FET Do C1 C2 nhỏ nên tần số dao động mạch: thạch anh dùng mạch cộng hưởng song song Thực tế người ta mắc thêm tụ tinh chỉnh CM (Trimmer) hình 10.29 có tác động giảm biến dạng tín hiệu dao động Ta dùng mạch hình 10.30 với C1 C2 mắc bên Trường hợp ta thấy thạch anh dùng mạch cộng hưởng nối tiếp 10.4 DAO ÐỘNG KHƠNG SIN 10.4.1 Dao động tích thoát dùng OP-AMP (op-amp relaxation oscillator) Ðây mạch tạo sóng vng gọi mạch dao động đa hài phi ổn (astable mutivibrator) Hình 10.31 mơ tả dạng mạch dùng op-amp Ta thấy dạng mạch giống mạch so sánh đảo có hồi tiếp dương với điện so sánh vi thay tụ C Ðiện thềm VUTP=β.(+VSAT)>0 Ðiện thềm VLTP=β.(-VSAT) Còn bảo hòa âm v0= -(VZ+0.7v) = -V0 < Ðiện đỉnh - đỉnh tam giác: Chú ý VR = Vmax = -Vmin Xác định tần sơ: + Khi VS ≠ Khi v0 = -V0 (đường tiến) ta có: 10.4.4 Tạo sóng tam giác đơn cực: Ta xem lại mạch tạo sóng tam giác VR = Và VS = → = tn Ðể tạo sóng tam giác đơn cực (giả sử dương) ta mắc thêm diode nối tiếp với R1 hình 10.43a Khi v0 = -V0: diode D dẫn Khi v0 = +V0: diode D ngưng Muốn tạo sóng tam giác đơn cực âm ta cần đổi chiều diode D Tần số dao động không thay đổi 10.4.5 Tạo sóng cưa: Như phần trước, để tạo sóng cưa, ta giảm nhỏ T2 Muốn vậy, ta tạo điều kiện cho tụ C mạch tích phân phóng điện nhanh Ta dùng mạch hình 10.44 Do Ei âm, mở điện tụ C nạp tạo v(t) dương (tích phân đảo) tăng dần từ 0v Lúc Vref > lớn v(t) nên v0 trạng thái -VSAT ( diode D transistor Q ngưng khơng ảnh hưởng đến mạch tích phân Tín hiệu cưa tăng dần, Vc = Vref mạch so sánh đổi trạng thái v0 thành +VSAT làm cho D Q dẫn bảo hòa Tụ C phóng nhanh qua Q kéo v(t) xuống 0v Mạch so sánh lại đổi trạng thái Chương 10: Mạch dao động X-34 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG X Bài 1: Cho mạch dao động dịch pha RC sau: Chứng minh tần số dao dộng cho 2.Tìm giá trị R’ Bài 2: Cho mạch điện: X-35 Mạch Điện Tử Chương 10: Mạch dao động Bài 3: Cho mạch điện: D1, D2 cấu tạo Si có điện Zener VZ1 VZ2 Chứng minh độ rộng xung dương v0 cho bởi: Chứng minh độ rộng xung âm v0 cho bởi: Nếu VZ1 > VZ2 T1 lớn hay nhỏ T2 Giải thích Tìm tần số f mạch dao động VZ1 = VZ2 = VZ Bài 4: Trong mạch điện thay R mạch sau: Giải thích hoạt động mạch (JFET hoạt động vùng ID bảo hòa) Nếu dùng JFET 2N4869 có đặc điểm ID bảo hòa: VGS =-1V, ID = 3mA VGS =-2V, ID = 1mA Trong điều kiện op-amp bảo hòa |v0| =20v; R1 =R2 Ðể dòng nạp tụ 3mA, dòng phóng 1mA cho chu kỳ T=1ms RS1, RS2, C phải X-36 Mạch Điện Tử