3.1. Một số vấn đề chung về mạch dao động
Mạch tạo dao động cĩ thể tạo ra các dạng dao động khác nhau như dao động hình sin, dao động xung chữ nhật, dao động xung tam giác. Trong thời gian hạn hẹp, người nghiên cứu xin phép chỉ nghiên cứu các mạch dao động điều hồ ở tần số thấp (dung RC) và tần số cao (dung LC, thạch anh…)
Các mạch tạo dao động cĩ thể làm việc trong dải tần số từ vài Hz đến vài nghìn MHz. Ở tần số thấp và trung bình, người ta dung bộ khuếch đại thuật tốn (KĐTT- OP – AMP) đế tạo dao dộng. Ở tần số cao thường dung transitor, FET, đèn điện tử, thạch anh và các Diod đặc biệt như Diod Tunel … để tạo dao động.
Bộ tạo dao động dùng transistor và FET được sử dụng rộng rãi ở dãi tần số khơng cao lắm với cơng suất ra khơng lớn lắm. Nhưng do các tham số tĩnh của các transistor phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bất ổn định như sự thay đổi của nhiệt độ T0 của điện áp nguồn cung cấp Vcc … dẫn đến thay đổi biên độ, tần số của bộ tạo dao động. Điện trở vào của transistor nhỏ cũng ảnh hưởng đến tần số và điều kiện tự kích của bộ tạo dao động. Ngồi ra, ở tần số cao các tụ ký sinh của transistor (Cb’c, Cb’e) xuất hiện cũng làm thay đổi tần số cộng hưởng của mạch tạo dao động. Để giảm ảnh hưởng của các yếu tố ổn định đến tham số của transistor, ta áp dụng các biện pháp sau: a. Ổn định điện áp nguồn cung cấp, đặc biệt là điện áp cung cấp cho cực base của transistor. Trong các sơ đồ thực tế cho phép độ bất ổn định đối với nguồn Vcc khoảng: ΔVcc/Vcc ≈ ± 5%, cịn đối với nguồn VBB khoảng: ΔVBB/VBB ≈ ± 1%.
b. Bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ T0 bằng cách mắc trong các mạch tạo dao động dùng transistor các phần tử phụ thuộc nhiệt độ như điện trở nhiệt âm, điện trở nhiệt dương, diod hoặc bộ bù nhiệt.
c. Chọn các chân transistor sao cho tần số dao động f0 << 0,5 ft để khơng xuất hiện các điện dung ký sinh.
d. Mắc điện trở emiter RE để bù nhiệt và nâng cao trở kháng vào. Mạch tạo dao động dùng thạch anh cĩ bộ bù nhiệt cĩ thể đạt được độ ổn định tần số là 108.
Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, cơng suất ra và hiệu suất. Ở luận văn tốt nghiệp này, người nghiên cứu chỉ xét các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương mà khơng xét các mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch.
3.2. Điều kiện dao động
Bộ tạo dao động thường gồm hai khối:
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ dao động Khối khuếch đại cĩ hệ số khuếch đại:
A = A exp(jϕA) = V2/V1
Với A: modun hệ số khuếch đại. ϕA:: gĩc di pha của bộ khuếch đại.
Khối hồi tiếp cĩ hệ số truyền đạt β = βexp(jϕht). Với β: mơđun hệ số hồi tiếp.
ϕht: gĩc di pha của mạch hồi tiếp.
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại cĩ hồi tiếp dương sẽ là:
AA A Aht β − = 1 (*)
Từ (*) ta thấy, nếu βA = 1, hệ số khuếch đại của hệ thống sẽ trở nên lớn vơ cùng. Điều đĩ khơng cĩ nghĩa là khi đặt một điện áp ở đầu vào, ta sẽ nhận được ở đầu ra một điện áp lớn vơ cùng. Aht = ∝ chỉ cĩ nghĩa là khi điện áp vào cĩ giá trị vơ cùng bé (Vv≈ 0), điện áp ra vẫn cĩ giá trị hữu hạn (Vr ≠ 0). Bởi vì trong mạch vào cũng cĩ điện áp tạp âm nhiệt với phổ tần liên tục, nên nếu ở một tần số nào đĩ độ khuếch đại
vịng của hệ thống thỏa mãn điều kiện βA = +1 thì ngay khi khơng cĩ tín hiệu vào, trong mạch ra vẫn xuất hiện dao động ở tần số nĩi trên. Đây gọi là hiện tượng tự kích của hệ thống cĩ hồi tiếp. Nếu βA > 1 thì bộ khuếch đại cĩ hồi tiếp dương cũng sẽ tự kích. Khi đĩ, biên độ dao động ở đầu ra sẽ tăng dần cho đến khi đoạn cong phía trên của đặc tuyến biên độ làm giảm hệ số khuếch đại tới giá trị tương ứng với βA = 1. Lúc này biên độ dao động khơng tăng nữa và dao động chuyển sang trạng thái xác lập.
Tĩm lại, điều kiện để một hệ thống cĩ hồi tiếp đĩng kín phát sinh tự kích là:
( )[ ] 1 [ ] 1 exp . + = = A j A ht A β ϕ ϕ β
Từ điều kiện này, ta tách ra cụ thể như sau:
+ Điều kiện cân bằng biên độ để cĩ tự kích : βA = 1
+ Điều kiện cân bằng pha để cĩ tự kích: ϕ=ϕA +ϕht =2nπ
với n = 0,1,2,3,…
ϕ : tổng dịch pha của cả mạch khuếch đại và hồi tiếp.
3.3. Ổn định biên độ và tần số dao động 3.3.1, Ổn định biên độ 3.3.1, Ổn định biên độ
Để đảm bảo ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, ta cĩ thể thực hiện các biện pháp sau:
Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp thích hợp và phải đảm bảo sao cho Vcm < Vcc .
Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh như điện trở nhiệt, diode.
3.3.2, Ổn định tần số
Độ ổn định tần số của một bộ dao động là một trong các tham số quan trọng nhất của bộ dao động. Nĩ được đặc trưng bởi độ bất ổn định :
với ω0: tần số dao động của bộ dao động.
Δω : giá trị lệch cực đại của tần số dao động được đo hằng ngày, hằng tháng, hằng năm.
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 của tần số dao động. Mặt khác, khi tải của mạch khuếch đại là một mạch cộng hưởng thì điều kiện cân bằng pha sẽ trở thành: ϕ =ϕA +ϕht +ϕch =2nπ
Với n = 0,1,2,…
ϕch: gĩc dịch pha do mạch cộng hưởng gây nên.
Nếu ϕA = 1800 , ϕht = 1800 , thì ϕch = 00 để mạch tự kích (ϕ = 2π), khi đĩ tần số dao động của mạch sẽ trùng với tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng ω0 = ωch.
Nếu ϕA + ϕht ≠ 0 thì ϕch ≠0 để ϕ = 0. Lúc đĩ tần số dao động của mạch sẽ khác với tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng ω0 ≠ωch. Trong thực tế các yếu tố bất ổn định ảnh hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng ωch, mà khơng ảnh hưởng đến ϕA và ϕht (ΔϕA =Δϕht ≅ 0). Nếu ωch bị thay đổi một lượng Δωch thì ở tần số ωch ≅ ω0 ta cĩ: Δϕ = Δϕch = Δωch.2Q/ω0. Khi đĩ từ: Q o CH o 2 ϕ ω ω ω ω ε =Δ = Δ = Δ Ta cĩ: nếu Q càng lớn thì ε càng nhỏ, cĩ nghĩa là mạch càng ổn định và Δϕ càng nhỏ thì εcàng nhỏ.
Tĩm lại: để độ ổn định tần số cao trong bộ dao động ta phải thực hiện các biện pháp sau:
9 Dùng nguồn ổn áp để Vcc = const, Vb = const. 9 Dùng các phần tử cĩ hệ số nhiệt nhỏ.
9 Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch dao động (mắc thêm tầng đệm collector chung (CC), ghép lỏng giữa các tầng …).
9 Dùng các phần tử ổn định nhiệt (diode, điện trở nhiệt âm). 9 Chọn mạch dao động thích hợp để giảm sự thay đổi pha.