Giáo trình Điện tử thông tin: Phần 2

Một bộ dao động thực tế là dùng khuếch đại thuật toán và mạch cầu RC, với tần số dao động được xác định bởi R và C (gồm RC nối tiếp và RC mắc song song). Hình 4.11[r]

(1)

Chương 4: Mạch dao động

CHƯƠNG

MẠCH DAO ĐỘNG

Trang bị cho sinh viên: Kiến thức nguyên lý hoạt động xác định thông số mạch dao động

4.1. NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH DAO ĐỘNG

Dao động tổng hợp tần số phần quan trọng điện tử thông tin Trong tài liệu xét dao động sin cao tần Mạch dao động biến đổi lượng điện nguồn chiều thành xoay chiều Thông số quan trọng dao động: độ bất ổn tần số tương đối

o o

f f f 

 Trong fo - tần số dao động cần có; f - tần số dao động có Các

mạch dao động LC cho  = 10-3, -4 Dao động thạch anh có  = 10-6,-7,-8,-9 dùng làm

dao dộng chuẩn ffo gọi độ bất ổn định tần số tuyệt đối Các thông số khác dao động: công suất ra, dải tần, trở kháng

Hình 4.1 Sơ đồ khối dao động

Mạch dao động gồm mạch khuếch đại mạch hồi tiếp dương đồng thời làm tải chọn lọc cao tần khuếch đại

Độ lợi khuếch đại điện áp khơng hồi tiếp

) đại khuếch mạch

vào áp điện ( V

) đại khuếch mạch

ra áp điện ( V A

i o v 



 

Một phần điện áp Vf đưa vế hồi tiếp dương cho mạch khuếch đại

(2)

o f f B V

V    - điện áp hồi tiếp ghép nối tiếp với nguồn điện áp kích khởi ban đầu Vs Hồi

tiếp âm pha Vs Vf ngược nhau, Vi VsVf giảm, điện áp Vo giảm

Hồi tiếp dương Vs Vf pha dẫn đến Vo tăng tức có dao động

Xét hồi tiếp dương:

o f v s v v o f s v f s v i

o V.A (V V)A (V B V )A A V A B V V                     

Để có tự dao động Vs= suy Av.Bf 1

Điều kiện Av.Bf 1 gọi tiêu chuẩn Barkhausen Thông thường Av.Bf 1 , tức mạch khuếch đại bù suy hao mạch hồi tiếp Nếu Av.Bf 1 mạch không dao động

Dạng khác, Vs= ta có : vf f v v i

o A

B A

A V

V 

   



 

 vf

A - hệ số khuếch đại điện áp có hồi tiếp dương Nếu Av.Bf 1 Avf  mạch tự

dao động

Từ tiêu chuẩn Barkhausen, có điều kiện dao động biên độ pha: A, B pha mạch

khuyếch đại mạch hồi tiếp Av.Bf =

A + B = 2n; n = 0, 1, 2, 3, …

Một số dao động:

Bộ tạo dao động tần số thấp, trung bình: dùng khuếch đại thuật tốn + RC dùng Transistor + RC

Bộ tạo dao động tần số cao: 0,3f  f0  3f dùng Transistor + LC dùng

Transistor + thạch anh

Bộ tạo dao động tần số siêu cao: dùng Diode Tunel, Diode Gunn

Các tham số mạch dao động: tần số dao động, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra, hiệu suất

Trong chương ta xét mạch dao động LC, dao động thạch anh xét điều kiện dao động mạch

(3)

Hình 4.2 Mạch dao động dạng Colpitt Mạch tương đương mạch dao động hình sau:

Hình 4.3 Mạch tương đương

Giả sử bỏ qua điện trở BJT, RB đủ lớn, tụ CB coi nối tắt AC

Ta có: |Av|.|Bf| = A = B = điều kiện dao động

Tụ C2//RE//ri =

) mA ( I

) mV ( 26 I

V C C

T  (điện trở vào tầng khuếch đại mắc CB)

Hệ số phẩm chất Q mạch dao động có tải lớn Điện áp ngỏ mạch hồi tiếp:

2

1 o

C C

C V V



 (4.1)

Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng:

2

2 E i

E i

eq C

C C R r

R r

R 

  



 



 (4.2)

Hệ số truyền đạt:

   

 

  

2

1 o

f C C

C V

V

(4)

Tại cộng hưởng:

2 o C C C C L  

 ; A = B =

L eq L eq m L m o

v R R

R R g Z g V V A    

Điều kiện dao động biên độ:

1 C C C R R R R g B A 1 L eq L eq m f v    

Nếu RE >> ri ; A B C

C C r

R v f

2

2 i

eq  

      

Thường chọn (bù trừ sai số gần đúng) Ở trạng thái xác lập: C C C C C C r g B A 1 1 i m f

v     

Chọn RL >> Req để ảnh hưởng tới trở kháng tương đương mạch cộng hưởng

Ví dụ 4.1: Cho sơ đồ trên, cho IC = lmA; Vcc = 12V; fo = 20MHz,  = 100 Tính mạch

dao động

Giải:

Ta có:    26

mA mV 26 I V g r C T m i

Chọn 500p

2 C

C

(5)

  

 3k

mA

V I V R

C E E

      

 3k

mA

6 12 I

V V V R

C CE E cc C

 

    

  

 530k

100 /

7 12 )

/ I (

7 V V V R

C R E cc

B c

4.3. CÁC MẠCH DAO ĐỘNG CƠ BẢN 4.3.1. Mạch dao động Hartley

Mạch dao động Hartley thường dùng công nghiệp nơi không cần ổn định tần số cao lị tơi cao tần, dán cao tần

Hình 4.4 Mạch dao động Hartley Các thơng số mạch xác định:

3

o (L L )C

1

 

 (4.4)

1 L L f X LL

X B

1

2 

 (4.5)

4.3.2. Mạch dao động Colpitt

(6)

Hình 4.5 Mạch dao động Colpitt Các thơng số mạch xác định: xem R1,2 >> hie

2

2 o

C C

C C L

1

 



(4.6)

2 C C f X CC

X B

1

2 

 (4.7)

4.3.3. Mạch dao động dịch pha Mạch dao động dịch pha dùng Op-Amp

Hình 4.6 Sơ đồ khối mạch dao động dịch pha

Trong dao động dịch pha, khối A mạch khuếch đại đảo nối tới ba lọc thông cao RC, nên gọi mạch dao động dịch pha

Các mạch lọc RC dùng để dịch pha tín hiệu 1800 tạo tín hiệu hồi tiếp dương ngõ vào

(7)

trường hợp sử dụng ba mạch lọc RC hình 4.6 mạch dao động tần số tín hiệu có góc lệch pha 600 sau qua mạch lọc RC

Hình 4.7 Khâu hồi tiếp mạch dao động dịch pha Xét hình 4.7 ta có:





0 1 c 2

V

I

X

R

I

R

 

  





0

3 R Xc R

I



   

     

 





0

3 R Xc R

I

 

  

3

fb

V

I

R



 Trong đó:

1

c

X j C

  

Thay giá trị vào ta được:

2

3 2

0

2

1

5

1

fb

C C C

V R

X X X

V R RX R X X

R R R

   

     









1

1 1

1 j

RC

RC RC





 



 

    

 

(4.8)

Mạch dao động tần số có hồi tiếp dương hay: 180



(8)

0 6RC

  hay 0

2

f

RC



 (4.9)

Khi phải thỏa điều kiện biên độ A=1, ta thay giá trị tần số tín hiệu dao động mạch vào công thức (4.9) ta được:   1 / 29

Vậy để mạch trì dao động, mạch khuếch đại A phải có hệ số khuếch đại A 29 Mạch dao động dịch pha dùng transistor

Hình 4.8 a Mạch dao động dùng JFET; b Mạch dao động dùng BJT - BJT FET phân cực trạng thái khuếch đại

- Hồi tiếp nhánh ba mắc xích RC

- Tụ CE CS có giá trị lớn cho qua tín hiệu nhiễu tín hiệu tần số q trình

dao động tạp âm tần số cao nảy sinh q trình dao động tạp âm có tần số cao

(9)

Hình 4.9 Mạch dao động dịch pha RC Theo điều kiện dao động A 1, ta suy

1 29 A



   Suy F 29

I

R A

R

    Hay RF 29RI

Chú ý: giá trị RI ngõ vào V-=V+=0V nên RI//R tầng RC cuối gây sai

số lệch pha Để kết trùng với tính tốn RI >> R để RI//R≈R bỏ qua điện trở

R RI thay R Mạch hồn chỉnh hình 4.10

(10)

Một dao động thực tế dùng khuếch đại thuật toán mạch cầu RC, với tần số dao động xác định R C (gồm RC nối tiếp RC mắc song song)

Hình 4.11 Sơ đồ khối mạch dao động cầu Wien Với A khuếch đại khơng đảo

Hình 4.12 Sơ đồ mạch cầu Wien Xét sơ đồ hình 4.12 ta có:





2

0

1 2

/ / / /

C fb

C C

R X

V V

R X R X



 





2

0 1 2

/ / / /

fb C

C C

V R X

V R X R X

  

 

2

1

2

C C

C

R X

R X

R X R X

R X

 

 

