Chuong 5 - Mạch dao động - kỹ thuật điện tử

Môn kỹ thuật điện tử. Chuong 5 - Mạch dao động Tóm tắt lỹ thuyết, công thức, các ví dụ minh họa dễ hiểu

Mạch tạo dao động

Chương 5

Mạch tạo dao động

5.1 Mạch tạo dao động điều hoà

5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động

5.1.2 Các mạch dao động RC

5.1.3 Các mạch dao động LC

5.1.4 Các mạch dao động sử dụng thạch anh

5.2 Mạch tạo xung

5.2.1 Mạch tạo dạng xung RC

5.2.2 Các chuyển mạch điện tử

5.2.3 Các mạch tạo xung

5.3 Mạch định thời 555

5.4 Mạch tạo dao động điều khiển điện áp VCO

5.1 Mạch tạo dao động điều hoà

5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động

5.1.2 Các mạch dao động RC

5.1.2 Các mạch dao động LC

5.1.3 Các mạch dao động sử dụng thạch anh

5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động

 Mạch tạo dao động là mạch khi có

nguồn cấp (DC) nó tự làm việc tạo

ra tín hiệu dao động Thường chia

làm 2 loại

• Tạo tín hiệu hình sin (dao động điều hoà) sẽ

xét trong phần 5.1

• Tạo tín hiệu xung (răng cưa, tam giác,

vuông ) sẽ xét trong phần 5.2

 Yêu cầu với một mạch tạo dao động

là:

• Tín hiệu ra có tần số và biên độ ổn định

• Ổn định theo nhiệt độ, độ ẩm môi trường

 Mạch tạo dao động cần 3 yếu tố:

• Khuếch đại

• Hồi tiếp dương

• Khâu xác lập tần số

 Khâu xác lập tần số sẽ xác định tần số của tín hiệu do mạch dao động tạo ra Có thể dùng mạch

LC, RC hoặc phần tử áp điện thạch anh

 Khâu khuếch đại duy trì độ ổn định biên độ và tần số của tín hiệu tạo ra

 Khâu hồi tiếp có thể chỉ gồm phần

tử thuần trở, thuần điện kháng hoặc kết hợp cả 2 loại Hệ số hồi tiếp (β) được tính toán theo điện ) được tính toán theo điện

áp đầu ra.

5.1.1 Khái niệm và điều kiện tự dao động

Điều kiện dao động: 2 điều kiện:

 Điều kiện cân bằng biên độ: Hệ số

khuếch đại vòng (tích của hệ số

khuếch đại khâu khuếch đại và

khâu hồi tiếp)

 Điều kiện cân bằng góc pha: Độ

dịch pha của vòng đóng (tổng góc

dịch pha của khâu khuếch đại và

khâu hồi tiếp) phải là số nguyên

lần 2 Tín hiệu hồi tiếp cùng pha

với tín hiệu vào nên khâu hồi tiếp

phải là hồi tiếp dương

 4 loại chính mạch tạo dao động:

• mạch dao động RC

• mạch dao động LC

• mạch dao động thạch anh

• mạch dao động tổng hợp

Khối khuếch đại

Khối hồi tiếp

v i v o

v fb

v e

Khối khuếch đại

Khối hồi tiếp

v o

o i

fb i

e v v v v

u e

u

o K v K v v

v    









K 1

K v

v K

u

u i

o

1

Ku   K   vi 0 vo 0

1

Ku  

5.1.2 Mạch dao động RC

5.1.2 Mạch dao động RC

Mạch dao động di pha

 Tạo sóng sin tần số thấp

nhất trong dải âm tần, còn

gọi là mạch dao động RC

 Mạch dao động di pha

thường dùng mạch khuếch

đại đảo (lệch pha 1800) nên

hệ thống hồi tiếp phải lệch

pha thêm 180o để tạo hồi

tiếp dương

 Sơ đồ khối

dao động:

 Viết phương trình tính hệ số khuếch đại của mạch hồi tiếp β=

Uht/Ur

 Rút gọn β thành dạng (a +j b)

 Cho b = 0 để xác định tần số dao động fo

 Thay fo vào phương trình của bước

1 để xác định giá trị của β tại fo

 Từ điều kiện cân bằng biên độ Ku.β=1, xác định hệ số khuếch đại.

Khuếch đại đảo Ku (lệch pha 180o)

Hệ thống hồi tiếp Kht (lệch pha 180o)

Tín hiệu ra (dao động điều hoà)

5.1.2 Mạch dao động RC

Mạch dao động di pha dùng BJT

 Mỗi khâu RC trong mạng hồi tiếp

tạo dịch pha 60 o cần 3 khâu RC tạo

dịch pha 180 0

 Mạch khuếch đại BJT kiểu E chung

tạo dịch pha 180 0

 Hệ số truyền đạt của mạch hồi

tiếp : β = v 1 / v 2 tiếp

 Để mạch hồi tiếp có độ lệch pha 180 0 thì

cần có b = 0

 Tại tần số f 0 có β=-1/29  hệ thống hồi tiếp

lệch pha 180 0

 Điều kiện biên độ (Avβ) = 1  hệ số khuếch

Av =29

 Sơ đồ mạch

 Khâu hồi tiếp





RC

6

1

0 



RC

f

6 2

1

0





.

29

fe C i

h R

Av

Z

C

R R h

R R

5.1.2 Mạch dao động RC

Mạch dao động di pha dùng Op-Amp

 Tần số dao động

 Điều kiện cân bằng biên

độ:

 Sơ đồ mạch

RC

f

6 2

1

0





2 1

29

R Av

R

 

 Cầu Wien gồm một khâu (R//C) và một khâu (RntC) mắc nối tiếp với nhau

 Mạch khuếch đại là mạch khuếch đại không đảo

 Khâu hồi tiếp

5.1.2 Mạch dao động RC

Mạch tạo dao động cầu Wien

 Hệ số truyền đạt của khâu hồi tiếp:

 = v2/v1

 Tại tần số dao động o có:

2.RR1.RR2.RC1.RC2 – 1 = 0

 Tại tần số dao động o có:

 Nếu chọn : C1 = C2; R1 = R2 ta

có  =1/3 và tần số dao động

1

2

/

R

j R C R C

v v

R R C R C R C j R R C C R

j C j R C







2 1 2 1

0 2 1 2

1

1

C C R R

f C C R R

o



1 2

R C

R C R C R C

 

0

1 2

f

RC





5.1.3 Mạch dao động LC

 Có thể hoạt động ổn định tới tần số lên đến 1MHz.

 Mạch dao động dịch pha không dùng được ở tần số cao do lúc đó tụ ổn điện phải có điện dung rất nhỏ.

 Để tạo sóng tần số cao thường đưa vào hệ thống hồi tiếp các mạch cộng hưởng LC (song song hoặc nối tiếp).

 Xét một số mạch

• Mạch dao động Colpitts

• Hartley

• Clapp

• Amstrong (mạch dao động ghép biến áp)

5.1.3 Mạch dao động LC

Mạch tạo dao động ghép biến áp (Amstrong)

biến áp để hồi tiếp một phần điện áp

ra về đầu vào

về đầu vào

phải cuốn ngược chiều để tạo góc lệch

bằng pha

được dùng tạo dao động tần số cao,

truyền thông tin đi xa

nên không được thông dụng

 Sơ đồ mạch

1 1

1 2

o

f

L C





5.1.3 Mạch dao động LC

Mạch tạo dao động 3 điểm

khung dao động

tiếp Av < 0

 Điều kiện dao động β) được tính toán theo điện Av  1

 Sơ đồ khối

 Khâu hồi tiếp

2

2 3

Z

 



2

. v 1

Z

A

Z Z 

5.1.3 Mạch dao động LC

Mạch tạo dao động 3 điểm

Phân loại

 Tuỳ thuộc vào Z1, Z2 , Z3 là tụ điện hay

cuộn cảm và tính chất của mạch khuếch đại mà ta có các mạch dao động sau:

Mạch dao động Z1 Z2 Z3 Mạch khuếch đại

Harley L L C Khuếch đại đảo

L C L Khuếch đại không đảo Colpilts C C L Khuếch đại đảo

L C C Khuếch đại không đảo Clapp C C L nt C Khuếch đại đảo

Pierce Crystal C C XTAL (L) Khuếch đại đảo

Mạch tạo dao động 3 điểm

Mạch Colpitts (mạch 3 điểm điện dung)

 Mạch Colpitts gồm một mạch khuếch đại và một mạch hồi tiếp LC

 Có cấu trúc phân chia tụ điện.

 Tần số dao động của mạch

 Hệ số hồi tiếp β

 Điều kiện cân bằng biên độ βAV =1

1 2

o

T

f

LC





v o

cc +V

1

E

C

E

2

3 L

R

R R

R

C

C

v o

cc +V

1

E E

2

3

RFC L

R

R

R

C

C

1 2

T

C C C





1 2

2 1

.

V I X C

V I X C

   

1 2

v

C A

C



Mạch tạo dao động 3 điểm Mạch Clapp (mạch 3 điểm điện dung)

 Dao động Clapp là một dạng thay đổi của dao

động Colpitts Cuộn cảm trong mạch dao động

Colpitts được đổi thành mạch LC nối tiếp Tại

tần số cộng hưởng, tổng trở của mạch này có

tính cảm kháng.

 Tần số dao động của mạch được tính theo công

thức sau:

 Với C T = C 1 nt C 2 nt C 3

 Do mạch L1C3 phải có tính cảm kháng tại tần

sô cộng hưởng nên C3 phải có giá trị nhỏ,

thường là nhỏ nhất trong 3 tụ (C 1 , C 2 , C 3 ) và

f 0 gần như chỉ phụ thuộc vào L 1 C 3 mắc nối

tiếp.

 Hệ số của mạch khuếch đại là :

 Sơ đồ mạch

1 2

o

T

f

LC





1 2

v

C A

C



Mạch tạo dao động 3 điểm Mạch Hartley (mạch 3 điểm điện cảm)

 Tần số dao động

 Trong đó L T = L 1 +L 2 +2M

 Hệ số khuếch đại và hồi tiếp:

 Nhược điểm là độ hỗ cảm giữa 2 cuộn

dây dẫn đến tạo ra các tần số không

đoán trước được

2

+Vcc

o

v

1 1

L L

C

C

C

R

R

R RFC

1 2

o

T

f

L C





1 2



2 1

v

A







5.1.4 Mạch dao động sử dụng thạch anh

của tinh thể

dạng cơ học phụ thuộc vào điện thế tức thời  tạo nên một tín hiệu tuần hoàn theo thời gian

biệt là bề dày tinh thể

5.1.4 Mạch dao động sử dụng thạch anh

 Sơ đồ tương đương của thạch anh

 Cuộn cảm có hệ số tự cảm L rất lớn (cỡ vài trăm Henry)

 Tụ điện Cs có giá trị điện dung rất nhỏ (cỡ vài fF)

 Tụ điện Cp có giá trị khoảng vài pF

 Hệ số phẩm chất Q cao, nên có thể bỏ qua giá trị của điện trở thuần r

Thạch anh có 2 tần số cộng hưởng

Tần số cộng hưởng nối tiếp

Tần số cộng hưởng song song

Do nên:

s

p

C

L C

r

1 2

s

s

f

LC





2

p

f



p

s C

C  fs  fp

2

R

o

R

E

C 1

C C

v

1

C

C 2

+ V

R

Q

Sơ đồ mạch dao động Pierce