Trong đó mạch dao động tạo sóng sin được sử dụng để tạo tín hiệu chuẩn trong đo lường, kiểm tra, điều khiển, chuyển đổi tần số…Còn các mạch dao động tạo tín hiệu sóng vuông, dốc, xung th
Trang 1Chương 8: Mạch dao động tạo sóng sin.
CHƯƠNG 8: MẠCH DAO DỘNG TẠO SÓNG SIN
I Giới thiệu:
Một mạch dao động là mạch có khả năng chuyển đổi năng lượng từ dc sang ac Có nhiều loại mạch dao động tạo ra các dạng sóng tín hiệu khác nhau như: sin, vuông, tam giác… Trong đó mạch dao động tạo sóng sin được sử dụng để tạo tín hiệu chuẩn trong đo lường, kiểm tra, điều khiển, chuyển đổi tần số…Còn các mạch dao động tạo tín hiệu sóng vuông, dốc, xung thì thường được dùng trong chuyển mạch, điều khiển… Do sự quan trọng của của mạch dao động mà chúng ta cần hiểu và nắm vững các dạng mạch dao động và nguyên lý hoạt động của nó Ở phần điện tử cơ bản chúng ta chỉ xét tới những mạch dao động tạo sóng sin, còn các mạch dao động tạo các tín hiệu khác như vuông, tam giác… thì sẽ học ở phần kỹ thuật xung
Để đáng giá chất lượng của một dao động phụ thuộc vào sự ổn định của tần số ngỏ ra
II Đại cương về hồi tiếp dương:
Hình 8.1: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại có hồi tiếp dương.
A: Mạch khuếch đại vòng hở có hệ số khuếch đại vòng hở là A
β: là mạch hồi tiếp, có hệ số hồi tiếp là β
Vfb: là tín hiệu hồi tiếp
Vi: tín hiệu ngỏ vào
V€: tín hiệu ngỏ vào của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp
VO: tín hiệu ngỏ ra
AF : Độ lợi vòng kín của mạch khuếch đại khi có hồi tiếp
Như đã định nghĩa ở chương 7, hồi tiếp dương là tín hiệu tiếp cùng pha với tín hiệu nguồn
• Ưu và khuyết điểm của hồi tiếp dương:
- Ưu điểm: do hồi tiếp dương có tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín hiệu ngỏ vào nên làm tăng tín hiệu ngỏ vào của mạch khuếch đại dẫn đến độ lợi của mạch khuếch đại tăng
- Khuyết điểm: độ lợi của mạch không ổn định
Chính vì những ưu khuyết điểm trên mà mạch hồi tiếp dương chủ yếu sử dụng trong các mạch dao động
Độ lợi vòng hở của mạch:
ε
V
V
Hệ số hồi tiếp:
O
fb
V
V
=
β
Độ lợi vòng kín:
A A V
V V V V V V
V
V V
V
A
O O fb
O
fb
O i
O
ε
ε
ε − = − = −
=
=
1
Trang 2Vậy khi hệ số Aβ=1 thì: A f →∞ , điều này cũng có nghĩa là →∞
i
O V
V
, hay V0 ≠ 0 khi mà
Vi = 0 Vậy khi điều kiện này được thỏa, thì khi không có tín hiệu vào mạch vẫn có tín hiệu ở ngỏ
ra, lúc đó ta nói mạch dao động
Hình 8.2: Sơ đồ khối của mạch hồi tiếp khi có tín hiệu vào và khi không có tín hiệu vào
Trường hợp nếu điều kiện này không thỏa:
Trang 3Chương 8: Mạch dao động tạo sóng sin.
Hình 8.3: Mạch dao động tạo sóng sin a Aβ<1; b Aβ >1; c Aβ=1
Vậy có hai điều kiện để một mạch dao động tạo sóng sin đó chính là tiêu chuẩn Barkhausen:
• Điều kiện cân bằng pha: tổng độ lệch pha trong một vòng kín phải bằng 0 hay 3600 (điều kiện hồi tiếp dương)
• Điều kiện cân bằng biện độ: độ lợi trong một vòng kín phải bằng 1 (Aβ=1)
Trong chương này chúng ta chỉ khảo sát các mạch dao động dùng linh kiện rời dùng transistor (BJT hay FET), do vậy những mạch dao động này phụ thuộc vào các yếu tố bất ổn như sự thay đổi nhiệt độ, điện áp nguồn cung cấp, điện dung kí sinh của transistor… dẫn đế sự bất ổn của biên độ tín hiệu ra và tần số dao động Chất lượng của mạch dao động phụ thuộc vào các điều kiện sau:
- Sự ổn định của nguồn cung cấp
- Thông số ổn định nhiệt của mạch (dùng điện trở RE)
- Tại tần số dao động của mạch phải không có sự ảnh hưởng của điện dung kí sinh bên trong của transistor
Nguyên tắc hoạt động chung của các mạch dao động tạo sóng sin: trong mạch dao động tạo
sóng sin khâu A đóng vai trò khuếch đại để duy trì dao động, khâu β là khâu chọn lọc tần số dao động Khi vừa mới cấp điện do sự biến thiên điện áp trong các phần tử trong mạch do đó nó sinh ra điện áp tạp âm với phổ tần liên tục, nếu là hồi tiếp âm thì các tạp âm này sẽ bị triệt tiêu, và nếu là hồi tiếp dương thì tại tần số tín hiệu được chọn lọc sẽ cùng pha với tín hiệu ngỏ vào, làm tăng biên
độ ngỏ vào và ngỏ ra xuất hiện tín hiệu dao động
III Các mạch dao động tạo sóng sin.
Dựa theo đặc tính linh kiện và tần số dao động, có thể phân loại mạch dao động sin thành hai loại:
- Mạch dao động RC: trong đó tần số dao động của mạch phụ thuộc vào thông số của các phần
tử R và C, được sử dụng trong những mạch dao động tần số thấp
Trang 4- Mạch dao động LC: trong đó tần số dao động của mạch phụ thuộc vào thông số của các phần
tử L và C, được sử dụng trong những mạch dao động tần số cao
1 Mạch dao động RC.
a Mạch dao động dịch pha:
Hình 8.4: Sơ đồ khối của mạch dao động dịch pha.
A: Mạch khuếch đại đảo
Trong mạch dao động dịch pha, A là mạch khuếch đại đảo và được nối tới 3 bộ lọc thông cao
RC, nên được gọi là mạch dao động dịch pha Các mạch lọc RC để dịch pha tín hiệu đi 1800 (chọn lọc tần số) tạo tín hiệu hồi tiếp dương ở ngỏ vào Đối với mạch lọc thông cao RC thì tín hiệu sau khi
đi qua mạch lọc thông cao sẽ lệch pha đi so với tín hiệu vào tư 0 đến 900 tuỳ thuộc vào tần số của tín hiệu ngỏ vào Như vậy số mạch lọc RC phải thỏa mãn sao cho khi tín hiệu đi qua sẽ tạo được tín hiệu hồi tiếp dương ở ngỏ vào hay tổng góc lệch pha của tín hiệu sau khi đi qua khâu hồi tiếp là
1800, vậy trong tường hợp sử dụng 3 mạch lọc RC như hình 8.4 thì mạch sẽ dao động tại tần số tín hiệu có góc lệch pha 600 sau khi đi qua một mạch lọc RC
Hình 8.5: Khâu hồi tiếp β của mạch dao động dịch pha.
Xét khâu β hình 8.5, ta có:
R I R X
I
V O = •1( C + )− •2
•
•
•
+
− +
0 I2 R X C R I1 I3
2
3(2 )
0=I• R+X C −R I•
R
I
•
=
Trong đó:
wC
j
Giải hệ phương trình trên ta được:
Trang 5Chương 8: Mạch dao động tạo sóng sin.
3 2
2 3
3 6
O
fb
X X R RX
R
R V
V
+ +
+ +
=
=
β
3
3 2
2 6 5
1
1
R
X R
X R
+
=
) ) (
1 )
(
1 6 ( ) (
1 5 1
1
3
2 j WRC wRC
−
=
(8.2)
Mạch dao động tại tần số có hồi tiếp dương hay:
0 180
=
∠β
Vậy:
0 2
3 180 )
(
1 5 1
) (
1 )
(
1 6
=
−
−
=
∠
RC
RC RC
arctg
ω
ω ω
β
Hay:
0 ) (
1 )
(
1
RC
ω
Vậy mạch sẽ dao động tại tần số:
6
1
RC
=
6 2
1
RC
f
π
Với điền kiện phải thỏa điều kiện về biên độ Aβ=1, thay giá tri tần số tín hiệu dao động của mạch vào công thức 8.2:
β = - 1/29
Vậy để mạch duy trì dao động thì mạch khuếch đại A phải có hệ số khuếch đại A = -29
Mạch dao động dịch pha dùng transistor:
Hình 8.6: a Mạch dao động dùng JFET; b Mạch dao động dùng BJT.
Trang 6b Mạch dao động cầu Wien:
Hình 8.7: Sơ đồ khối của mạch dao động cầu Wien.
A: Bộ khuếch đại không đảo
Hình 8.8: Sơ đồ mạch cầu Wien.
Xét sơ đồ như hình 8.8, ta có:
O C C
C
X R X
R
X R V
) //
(
//
2 2 1 1
2 2
+ +
=
) //
(
//
2 2 1 1
2 2
C C
C O
fb
X R X
R
X R V
V
+ +
=
=
β
2 2
2 2 1 1
2 2
2 2
C
C C
C C
X R
X R X
R
X R
X R
+ + +
+
=
2 2 2 1 1 2 2 1 2 1
2 2
C C
C C C
C
X R X X X R X R R R
X R
+ +
+ +
=
2
1 2
1 2
1 2
1 1
1
R
X X
R X
X R
C C
+ +
=
Thay
1 1
1
C j
X C
ω
−
2 2
1
C j
X C
ω
−
=
Trang 7Chương 8: Mạch dao động tạo sóng sin.
)
1 (
1
1
2 1 2 1 1
2 2
1
R C C R j C
C R
R
ω ω
β
− +
+ +
=
(8.4)
Trong mạch dao động cầu Wien, do A là mạch khuếch đại không đảo, vì vậy để thỏa yếu cầu về pha thì:
0
0
=
∠β
hay:
0
1
2 2 1
2 1 2 1
0 ) 1
1
+ +
−
−
C
C R R
R C C R
Vậy mạch sẽ dao động tại tần số thỏa điều kiện về hồi tiếp dương:
2 1 2 1
1
C C R
R
=
2 1 2 1 2
1
C C R R
f
π
Để mạch duy trì dao động tại tần số của công thức 8.5, thì phải thỏa điều kiện về biện độ, khi đó tại tần số dao động:
1
2 2
1 1
1
C
C R
+
=
β
Vậy:
1
2 2
1 1
C
C R
R
Nếu trong mạch dao động, ta chọn giá trì linh kiện trong mạch là: C1 = C2 = C và R1 = R2 = R, thì
Tần số dao động của mạch là:
RC
f
π
2
1
=
Và để mạch dao động thì mạch khuếch đại A phải thỏa : A = 3
2 Mạch dao động LC:
Hình 8.9: Sơ đồ khối mạch dao động công hưởng.
A: mạch khuếch đại đảo
X1, X2, X3: xét là các phần tử thuần kháng
3 3 2 2 1
1 jx ; X jx ; X jx
Để mạch có thể dao động được phải thỏa điều kiện Barkhauren, trong đó:
Trang 83 1
1
X X
X V
V
O
fb
+
=
=
β
Trong mạch khuếch đại A nếu gọi k là hệ số khuếch đại vòng hở thì:
) ( kVε Z
r
Z
V
t O
t
+
=
Trong đó:
) //( 1 3
2 X X
X
) (
) (
3 1 2
3 1 2
X X X
X X X
Z t
+ +
+
=
) (
) (
) (
) (
) (
) (
) (
3 1 2 3 2 1
3 1 2
3 1 2
3 1 2
3 1 2
3 1 2
X X X X X X r
X X X k
X X X
X X X r
X X X
X X X k V
V
A
O O
O
+ +
+ +
+
−
= + +
+ +
+ +
+
−
=
=
ε
Vậy
) (
)
1 2
X X X X X X r
X X k
A
−
=
β
) (
)
1 2
x x x x x x jr
x x k
A
=
Mạch dao động khi thỏa điều kiện về pha, khi đó
0
0
=
∠Aβ
Hay:
0 3
1 2
3 2
) (
) (
= +
+ +
x x x
x x x
r
0 ) (x1 +x2 +x3 =
r O
Vậy mạch dao động tại tần số thỏa điều kiện cân bằng về pha:
0 3 2
1+x +x =
thay 8.7 vào 8.6, tại tần số dao động của mạch:
2
1 3
1
1 3
1 2
1 2 )
x k x x
x k x
x x
x x k
+
−
= +
−
=
β
Mạch sẽ dao động tại tần số thỏa công thức 8.7, khi và chỉ khi x1 và x2 cùng loại trở kháng Vậy
có hai trường hợp:
X1 và X2 cùng là cảm kháng và X3 là dung kháng (mạch dao động 3 điểm điện cảm)
X1 và X2 cùng là dung kháng và X3 là cảm kháng (mạch dao động 3 điểm điện dung)
Và điều kiện để mạch duy trì dao động khi :
1
2
x
x
k =
a Mạch dao động 3 điểm điện cảm (Hartley)
Trang 9Chương 8: Mạch dao động tạo sóng sin.
Hình 8.10: Mạch dao động Hartley.
RFC: cuộn cản cao tần (radio frequency choke), có điện cảm rất lớn trong vùng tần số dao động,
vì vậy về mặt ac xem như cuông RFC hở mạch tại vùng tần số dao động
Mạch dao động Hartley có điện áp hồi tiếp trên cuộn dây L1 và điện áp ngỏ ra trên cuộn dây L2, như vậy tần số dao động của mạch là:
0 1 3 2
C L
L
ω ω
ω
) (
1 2 1
3 L L
=
T L C L
L C
f
3 2
1
1 )
( 2
1
π
b Mạch dao động 3 điểm điện dung (Colpitts)
Hình 8.11: Mạch dao động Colpitts.
Mạch dao động Colpitts có điện áp hồi tiếp trên tụ C1 và điện áp ngỏ ra trên tụ C2, như vậy tần
số dao động của mạch là:
0 1
1
3 2 1
= +
−
C
ω
ω
+
=
2 1 3
1 1 1
C C L
T C L
f
3 2
1
π
c Mạch dao động Clapp.
Mạch dao động Clapp là mạch biến thể của mạch dao động Colpitts, hình 8.12
Trang 10Hình 8.12: Mạch dao động Clapp.
Trong mạch dao động Clapp thì giá trị tụ C3 nhỏ hơn rất nhiều so với tụ C1 và C2, do vậy:
3 3 2 1
1 1 1 1
1
C C C C
Khi đó tần số dao động của mạch chỉ phụ thuộc vào giá trị tụ C3 và giá trị của cuộn dây sơ cấp máy biến áp T1:
3 2
1
LC
f
π
d Mạch dao động Armstrong:
là mạch dao động đơn giản dùng khung LC để chọn lọc tần số dao động, sơ đồ như hình 8.13
Hình 8.13: mạch dao động Armstrong.
Trong mạch dao động Armstrong do A là một mạch khuếch đại đảo vì vậy khâu hồi tiếp β phải dịch pha đi 1800, khi đó trong khâu hồi tiếp máy biến áp T1 đóng vai trò đảo pha tín hiệu Tần số dao động của mạch chính là tần số công hưởng của khung LC:
LC
f
π
2
1
Trong đó C = C1 và L chính là điện cảm của cuộn dây sơ cấp máy biến áp T1
3 Mạch dao động thạch anh
Các mạch dao động LC ở phần 2 có nhược điểm là tần số dao động không ổn định do các giá trị
L và C bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm… Để đáp ứng cho các ứng dụng yêu cầu các mạch dao
Trang 11Chương 8: Mạch dao động tạo sóng sin.
động có tín hiệu ngỏ ra có độ ổn định cao, người ta sử dụng các mạch dao động dùng thạch anh do tính chất của tinh thể thạch anh có thể cho ra những tần số dao động chuẩn không phụ thuộc vào điều kiện của mội trường (nhờ vào phương pháp làm lạnh để giữ nhiệt độ của nó luôn là hằng số)
• Tinh thể thạch anh (crystal):
Hình 8.14: Tinh thể thạch anh.
Tinh thể thạch anh được chế tạo từ SiO2, nó có đặc tính của tinh thể áp điện: khi áp lên bề mặt tinh thể một dao động điện bằng cách lấy hai má kim loại kẹp miếng thạch anh ở giữa, tinh thể sẽ dao động cơ học hoặc nếu tác động lên bề mặt tinh thể một áp lực, trên bề mặt sẽ xuất hiện một sức điện động Tuỳ thuộc vào kích thước, bề dày, mặt cắt mỗi phiến tinh thể thạch anh có một tần số cộng hưởng nhất định, từ đó sinh ra một dao động điện cộng hưởng ở tần số tương ứng
Do đặc tính của thạch anh hoạt động như mạch công hưởng của tinh thể áp điện, nên có thể mô phỏng mạch điện tương đương của nó như hình 8.15
Hình 8.15: a kí hiệu của tinh thể thạch anh; b mạch điện tương đương; c đáp ứng tần số.
CM: Điện dung giá đỡ
CC: điện dung của miếng thạch anh
L: điện cảm của miếng thạch anh
R: Điện trở của miếng thạch anh (tổn hao của thạch anh khi dao động)
fS: tần số cộng hưởng nối tiếp
fP: tần số cộng hưởng song song
Tổng trở tương đương của miếng thạch anh, nếu bỏ qua tổn hao của miếng thạch anh:
C M C
M
q q
C LC C
C
LC j
2 (
1
ω ω
ω
− +
−
tần số công hưởng nối tiếp là:
C
s
LC
f
π
2
1
tần số công hưởng song song là:
Trang 12C C
p
C
C LC
2
1
Vậy có thể sử dụng thạch anh để thay thế một mạch LC nối tiếp hay mạch LC song song
Ví dụ: mạch dao động Colpitts dùng thạch như hình 8.16
Hình 8.16: Mạch dao động Colpitts dùng tthể thạch anh.
