Kỹ thuật mạch tương tự - Chương 3 ppsx

3.2 Mạch dao động tạo sin 3.2.1 Khỏi niệm chung Cỏc dao động hỡnh sin hay cũn gọi là dao động điều hoà cú tần số từ vài hz đến hàng ngàn Mhz được sử dụng rộng rói trong cỏc mỏy thụng t

http://www.ebook.edu.vn 59

Chương 3 Mạch dao động

Bài giảng số 1

™ Thời lượng: 4 tiết

™ Túm tắt nội dung :

ắ Mạch dao động tạo xung

ắ Mạch dao động tạo sin

3.1 Mạch dao động tạo xung

3.1.1 Đa hài tạ o xung vuụng

3.1.2 Mạch tạo xung tuyến tớnh

3.2 Mạch dao động tạo sin

3.2.1 Khỏi niệm chung

Cỏc dao động hỡnh sin (hay cũn gọi là dao động điều hoà) cú tần số từ vài hz đến hàng ngàn

Mhz được sử dụng rộng rói trong cỏc mỏy thụng tin, mỏy đo lường, cỏc thiết bị y tế vv Đú là

cỏc mỏy phỏt súng được thiết kế ở cỏc dải súng khỏc nhau với mục đớch sử dụng tương ứng

Cỏc dao động hỡnh sin cú thể được tạo ra theo ba phương phỏp sau đõy:

• Tạo dao động hỡnh sin bằng một hệ tự dao động gần với một hệ bảo toàn tuyến tớnh

• Biến đổi một tớn hiệu tuần hoàn từ dạng khụng phải hỡnh sin về dạng hỡnh sin

• Dựng cỏc bộ biến đổi tương tự - số (AD), số - tương tự (DA)

I

F R

Hình 3.2.1 1 S ơ đồ k hố i tạo x ung

Trong chương này chỉ xột nguyờn lý cỏc mạch làm việc theo phương phỏp thứ nhất là cỏc mạch

thụng dụng hơn cả Tuy nhiờn trước tiờn tỡm hiểu qua về nguyờn lý xõy dựng cỏc mạch theo

phương phỏp thứ hai và thứ ba

Phương phỏp thứ hai thường được sử dụng trong cỏc mỏy phỏt súng đa chức năng : tạo ra dao

động dạng xung vuụng, xung tam giỏc, dao động hỡnh sin, thậm chớ cả tớn hiệu điều chế

Một sơ đồ khối dạng này trỡnh bày ở hỡnh 3.2.1.1 Ở đõy mạch tớch phõn I và Rơle R tạo thành

một hệ tự dao động cho ra xung vuụng và xung tam giỏc Xung tam giỏc qua bộ biến đổi F

được biến thành dao động hỡnh sin Nhược điểm của dao động hỡnh sin này là cú độ mộo phi

tuyến lớn hơn so với trường hợp 1

Phương phỏp thứ ba tạo ra dao động hỡnh sin nhờ sử dụng kỹ thuật số (Hỡnh 6.2a) TX là bộ tạo

xung nhịp , C là bộ đếm thuận nghịch dựng để mở theo thời gian giỏ trị tức thời của đối số ,

DFC - bộ biến đổi số - hàm để tạo cỏc giỏ trị của dao động hỡnh sin ở dạng số , DAC - bộ biến

đổi số - tương tự biến đổi tớn hiệu số

ở đầu ra của mạch DFC sang dạng

tương tự là dao động hỡnh sin

Độ mộo của dao động hỡnh sin ở đõy

phụ thuộc vào số mẫu K được lấy

trong một chu kỳ (hỡnh 6.2b).Số

lượng lấy mẫu K càng lớn thỡ độ

mộo càng nhỏ , độ chớnh xỏc càng

cao

Bõy giờ ta xột phương phỏp thứ

nhất là phương phỏp thụng dụng

nhất.Một hệ dao động tự kớch gần

với một hệ bảo toàn năng lượng cú

phần tử khuếch đại đơn hướng K và mạch hồi tiếp dương β như ở hỡnh 3.2.1.3

Kβ =

β

−

1 K

K (*) Trong đú K là hệ số khuếch đại của phần tử khuếch đại (đơn hướng), β hàm truyền đạt phức của mạch hồi tiếp , Kβ là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại cú hồi tiếp

Từ (*) dễ dàng nhận thấy khi :

Kβ = K β e j(ϕ k +ϕβ ) = 1 (**)

thỡ Kβ = ∞, mạch ở trạng thỏi tự kớch ,sẽ là một mạch tạo dao động

Điều kiện (** )cú thhể viết cụ thể hơn

K β = 1 (1)

ϕK + ϕβ = 2Kπ (2)

Điều kiện trờn gọi tương ứng là điều kiện cõn bằng biờn độ và cõn bằng pha

Về mặt vật lý hệ hỡnh (3.2.1.3) là một hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bự đủ năng

lượng tổn hao trong vũng hồi tiếp (điều kiện cõn bằng biờn độ) và bự đỳng lỳc (điều kiện cõn

bằng pha) Nếu điều kiện cõn bằng pha chỉ đỳng cho một tần số thỡ dao động tạo ra sẽ là dao

động hỡnh sin của tần số đú

t x(t)

b)

a)

Hình 3.2.1.2 a)Sơ đồ khối TDD hình sin trong KT số

b)Đồ thị xấp xỉ dao

động hình sin bằng các giá trị gián đoạn

K

β

Hình 3.2.1.3 Sơ đồ khối hệ dao động tự kích

http://www.ebook.edu.vn 61

Quá trình tạo dao động hình sin gồm ba giai đoạn như sau:

• Khi ta đóng nguồn một chiều cho mạch thì ở đầu vào của mạch khuếch đại sẽ xuất hiện rất

nhiều các thành phần hài do đột biến nguồn Chúng được khuếch đại và qua mạch hồi tiếp

dương để trở lại đầu vào Lúc này các thành phần có biên độ rất nhỏ Thành phần tần số

thoả mãn điều kiện (2) sẽ được tăng đần về biên độ Giai đoạn này gọi là giai đoạn tự kích

hay phát sinh dao động

• Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biên độ của dao động tăng dần Trong giai

đoạn này biên độ và tần số của dao động dần tiến về giá trị ổn định Đây là quá trình quá độ

diễn ra trong mạch

• Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xác lập dao động , biên độ và tần số của dao động có giá trị ổn

định

Các mạch tạo dao động hình sin dạng này có thể là thuần kháng LC ghép biến áp, ghép phân áp

điện cảm (biến áp tự ngẫu) , hoặc phân áp điện dung , có thể là dao động RC Lần lượt sẽ xét

nguyên lý làm việc của chúng

3.2.2 Tạo dao động hình sin LC ghép hỗ cảm

Mạch tạo dao động loại này có một hệ thống chọn lọc (hệ thống các khung cộng hưởng LC)

mắc ở mạch ra hoặc mạch hồi tiếp Phần tử khuếch đại K có thể là đèn điện tử, tranzsto, khuếch

đại thuật toán

Xét sơ đồ hình 3.2.2.1 với phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toán mắc không đảo ; Mạch

hồi tiếp là hệ cộng hưởng LC , hồi tiếp thực hiện qua đại lượng hỗ cảm M (ghép biến áp )

M =k L1L2 , 0≤ k ≤1,

L1và L2 là điện cảm tương ứng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp )

Ở đây phần tử khuếch đại là khuếch

đại thuật toán mắc không đảo,hệ

thống cộng hưởng là khung cộng

hưởng song song LC,điện áp hồi tiếp

lấy trên cuôn thứ cấp,các dấu (*) chỉ

các cực cùng tên để đảm bảo hồi tiếp

dương.Hệ số khuếch đại của mạch

khuếch đại là:

*

*

(

K R

R 1 K 1 R

R R 1 K U

U U

U U

U

K

1

1 1

1 1 P

ra N

ra V

* *

+ _

M R

(K*-1)R1

R1

1

C

H×nh 3.2.1.1.M¹ch TD§ ghÐp hç c¶m

Vỡ trở khỏng ra của KĐTT nhỏ nờn mắc thờm điện trở R giảm ảnh hưởng trở khỏng ra nhỏ của

KĐTT đến trở khỏng súng ρ của mạch cộng hưởng LC Điện ỏp hồi tiếp :

uht = u1 βu1 L

M

=

M - đại lượng hỗ cảm, L - Điện cảm của khung dao động

ura = K*uht

Tại nỳt 1 phương trỡnh định luật kiếc khốp 1 là :

0 dt u L

1 dt

du C R

u u

1 1

Thay vào ta được phương trỡnh vi phõn :

ω u 0

dt

du α 2 dt

u

d

r

2 0

r

2r

2

= +

+ (*)

Trong đú α =

RC

K 2

β

−

1 ∗ là hệ số suy giảm ;

LC

1 Tần số cộng hưởng riờng của khung dao động LC

Dạng phương trỡnh (*) là một phương trỡnh vi phõn đặc trưng cho một hệ dao động tự do núi

chung

Nghiệm của (*) cú dạng :

ura = Ura0e−αtcos( ω20 −α2)t

Với ba giai đoạn diễn ra trong mạch tạo dao động thỡ :

- Giai đoạn tự kớch dao động phải cú biờn độ t

0

U −α tăng dần, nghĩa là α < 0, βK > 1 Như vậy khi tự kớch phần tử khuếch đại cần bự năng lượng lớn hơn phần năng lượng tổn

hao trong vũng hồi tiếp dương

M

Cb R b C E R E

L C

CE

RE

-U c c +

C L

Uht M

a) b)

Hình 3.2.2.2

a)Tạo dao động ghép biến áp mắc emitơ chung

b) Tạo dao động ghép biến áp mắc bazơ chung

http://www.ebook.edu.vn 63

- Giai đoạn hai là giai đoạn quỏ độ ,α giảm dần tiến tới giỏ trị = 0

- Giai đoạn ba α = 0, biờn độ và tần số cả dao động được xỏc lập

Nếu α > 0 thỡ mạch khụng thể tự kớch

Tương tự như mạch hỡnh 3.2.2.1 là cỏc mạch hỡnh 3.2.2.2a,b dụng tranzisto lưỡng cực mắc theo

sơ đồ emitơ chung và bazơ chung Hỡnh 3.2.2.2a mắc emitơ chung, tranzisto đảo pha tớn hiệu từ

đầu vào đến đầu ra nờn hệ số hồi tiếp β sẽ cú giỏ trị õm, tức là M nhận giỏ trị õm cũn ở mạch

hỡnh 3.2.2.3b thỡ tranzisto mắc bazơ chung nờn tớn hiệu khụng đảo pha từ đầu vào đến đầu ra,

hệ số hồi tiếp dương nờn M cũng đương tương tự như hỡnh 3.2.2.1

3.2.3 Tạo dao động hỡnh sin kiểu 3 điểm

Mạch tạo dao động LC cú thể cú ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần tử khuếch đại

Lỳc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phõn ỏp điện dung hoặc điện cảm Đầu tiờn

xột nguyờn lý chung như sơ đồ hỡnh 3.2.3.1 (sơ đồ rỳt gọn khụng biểu diễn mạch cấp

nguồn).Trong đú Z1, Z2, Z3 là cỏc phần tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vũng với

Z1 = r1 + jX1

Z2 = r2 + jX2

Z3 = r3 + jX3

ri - điện trở tổn hao của tổng trở Zi, Xi cú thể õm hoặcdương tuỳ theo tớnh chất của Zi và luụn thoả món:

ri << Xi

Hệ số khuếch đại của mạch :

K = - S Zt Trong đú Zt là trở khỏng mạch tải của mạch khuếch đại :

Zt ≈ Z3 // (Z1+ Z2) = Z3 = Z Z( Z )

3 1 2

+ + +

Hệ số truyền của mạch hồi tiếp:

2 1

2 ra

ht

Z Z

Z U

U

+

≈

=

β Điều kiện sẽ là

Z Z Z

Z

Z Z

Z Z

Z Z Z K

3 2 1

3 2 2

1

2 3

2 1

2 1

+ +

−

= + +

+

+

−

=

) (

Kết hợp điều kiện ta sẽ được

1 X X X j r r r

X X S

K

3 2 1 3

2 1

3

+ + +

+ +

≈

β

) (

Như vậy thỡ

X1+X2+X3 = 0 (1)

1

r r r

X SX

3 2 1

3

+ + (2)

Hình 3.2.3.1 Sơ đồ

Z1

Z3

U ht Z2

Ura

(1) và (2) tương ứng là điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ Từ (2) suy ra X2 và X3 phải cùng tính (cùng dấu) cảm hoặc cùng tính dung Kết hợp với (1) thì X1 phải khác dấu với X2 và X3

Như vậy có hai loại mạch ba điểm tổng quá hình 3.2.3.2 là:

Mạch ba điểm điện cảm(hình 3.2.3.2.a)hay mạch Harley

X2, X3 > 0 ; X1 < 0 Mạch ba điểm điện dung(hình 3.2.3.2.b)hay mạch Collpid

X2, X3 < 0 ; X1 > 0 Hình 3.2.3.3 là một mạch tạo dao động ba điểm điện cảm (sơ đồ Hartley) mắc emitơ chung ở đây

X3=XCE= ωL1 > 0

X2 = XBE = ωL2 > 0

X1 = XCB = <0

ω

1

− C

Hệ số hồi tiếp :

n L

L U

U CE

BE =− =−

−

=

β

1

2

Tần số cộng hưởng bằng tần số của dao động tạo ra thoả mãn (1)là:

fd đ = fCh =

C ) L L ( 1+ 2 π

2

1 Tại tần số cộng hưởng trở kháng tải Zt sẽ là :

Ztc h = p2 Rtđ // 112

n

h e

Hệ số khuếch đại:

K = - S Ztc h = -

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

2 11 2

11

21

n

h //

Rtd P h

e

e Trong đó p là hệ số ghép tranzisto vào mạch cộng hưởng

p =

2 1

1 + L L L

h

n

e 11

2 - trở kháng vào của tranzisto phản ánh vào khung cộng hưởng S=g21 hỗ dẫn của tranzisto

Thay vào điều kiện ta sẽ được :

(1+n2)h11e + n2Rtđ - nRtđh21e ≤ 0 (*)

Trong biểu thức dấu " < " ứng với giai đoạn quá độ ( khi Kβ > 1 ); dấu " = " ứng với giai đoạn

xác lập dao động

+Ucc

Rc R1

L1 C E L2 B

H×nh 3.2.3.3 M¹ch ba

®iÓm ®iÖn c¶m m¾c Emit¬

h

http://www.ebook.edu.vn 65

Thường n << 1 nờn (*) cú dạng :

− +1≤0

11

21 11

2

td

e h

e h n e h

R

Giải (**) với dấu "=" tỡm được hai giỏ trị của n là n1 và n2 :

Rtd

h h

h

2 21 21

2

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ 2

± 2

Giỏ trị của n nằm trong khoảng: n2 < n < n1 thỡ mạch sẽ dao động

Khi dao động đó xỏc lập thỡ n nhận giỏ trị n1 hoặc n2

Hỡnh 3.2.3.4a là mạch dao động ba điểm điện dung ( Collpid) mắc emitơ chung

ở đõy X1 = XCB = ωL > 0

X2 = XBE = <0

ω

1

− 2 C

X3 = XCE = <0

ω

1

− 1

Tương tự như sơ đồ ba điểm điện cảm, ở đõy :

K = - g21eZtc h =

-⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

2 11 2

11

21

n

h //

Rtd p h

e

β = - C

C

1 2

= - n

Điều kiện sẽ là : − +1≤0

11

21 11

2

e

e h

h nRtd e

h

Rtd

Tần số của dao động tạo ra sẽ là:

fd đ = fCh =

2 1

2 1 + π

2

1 C C

C C L

Một dạng mạch Collpid trỡnh bày trờn hỡnh 3.2.3.4b gọi là mạch Clapp

Khỏc với mạch ở hỡnh 3.2.3.4a, ở mạch Clapp hỡnh 3.2.3.4b thỡ

XCB = X1= ωL -

C ω

1

Để thoả món điều kiện cõn bằng pha thỡ tại tần số dao động nhỏnh LC phải mang tớnh chất điện cảm ,tức:

ωdđ L >

C

1

dd

Hệ số ghộp giữa tranzisto và hệ thống cộng hưởng ( lập bởi L và Ctđ)

+Ucc

Cn

R 2

R E C

E

R1

C 1

C 2

L

C E B

+Ucc

R 1

R2

R E C E

R 1

C1 C2 L C

C E B

Rc Cr

C V

a) b)

Hình 3.2.3.4 a) mạch dao động 3 điểm điện dung

b) mạch dao động 3 điểm điện dung Clapp

p =

1

= C

C U

td CE

Trong đó

C C C

Ctd

1 +

1 +

1

=

1

2 1 Thường chọn C <<C1, C2 nên Ctđ≈ C Vì vậy p ≈ C

C1 << 1 ; Nghĩa là Tranzisto được ghép rất

lỏng vào khung cộng hưởng nên điện dung ký sinh ở đầu vào và đầu ra của nó rất ít ảnh hưởng

đến khung cộng hửơng Tần số của dao động tạo ra là:

fd đ≅ fc h =

LC 2

1 LC

2

1

td ≅ π

π Phân tích điều kiện như đã làm ở trên xác định được

n1,2 =

2 1 21

2 21

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ 2

±

C Rtd

h h

Giả sử với mạch 3.2.1.2.4a có các tham số :

L = 25μH; C1 = 1nF ; C2 = 100nF ; h21 e = 100 ; h11e = 12,5kΩ

Hãy kiểm tra với hệ số phẩm chất Q =80 xem mạch có dao động được hay không

Điều kiện cân bằng biên độ

(1+ ) ≥1

+

≈

11

2R h e11 n n

e h nR K

td td

Điều kiện này tương tự như

2

1 =001=10 100

1

C C

C C

C C

1

≈ 100 + 1

100 1

= + 2 1

2 1

Ctd

L Q

10 25

9

6 2

ρ ρ Thay vào vế phải của (6.30)

012 1

≈ 500 12 + 12650 10

10 650 12 10

=

, K

Điều kiện tự kích về biên độ là thoả mãn Còn điều kiện cân bằng pha thoả mãn tại tần

số:

fd đ = fc h =

250 π 2

10

= 10 10 250 π 2

1

= π

2

1

= + π

2

9

− 3

− 2

1

2

C C

C C L

≅ 0,010065.106 Hz = 10,065KHz ≈ 10 kHz

http://www.ebook.edu.vn 67

3.2.4 Tạo dao động RC

Các mạch tạo dao động LC ở tần số thấp làm việc kém ổn định và có kích thước lớn do trị số

điện cảm cần lớn.Vì vậy ở vùng tần số thấp thường sử dụng các mạch tạo dao động RC ; tuy

nhiên cũng có thể sử dụng các mạch tạo dao động RC với tần số tới vài MHz Ở các mạch tạo

dao động RC khâu hồi tiếp sử dụng các phần tử điện trở và điện dung.Có hai loại mạch mạch

tạo dao động RC thông dụng là mạch kiểu 3 khâu RC (Cầu Xiphorop) và kiẻu cầu cân bằng pha

(cầu Vien)

3.2.4.1 Mạch tạo dao động kiểu cầu Xiphorop

Mạch tạo dao động loại này khi sử dụng phần tử khuếch đại K là mạch Emitơ chung hoặc

khuếch đại thuật toán mắc đảo thì điện áp ra sẽ ngược pha với điện áp

vào, tức là ϕK = π Như vậy mạch hồi tiếp cũng phải quay pha ( di pha ) tín hiệu

một góc ϕβ =π để thoả mãn điều kiện Mạch RC quay pha(mạch hồi tiếp)thường dùng là mạch

lọc thông cao hình 3.2.4.1.1a hoặc thông thấp 3.2.4.1.1b

Với lọc thông cao, mạch tạo dao động dùng Tranzisto mắc emitơ chung có dạng hình 3.2.1.3.1

Lập phương trình dòng điện mạch vòng hoặc

điện thế điểm nút cho mạch hình 3.2.4.1.1a ,

giải tìm quan hệ giữa UB = Uht và UC = Ura sẽ

tìm được:

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ ω

− ω

− ω

−

=

=

β

2 2

1 6

1 1

5

1

1

RC RC

j RC

U

U

r

ht

(*)

Để có ϕβ =π tức β là một số thực âm thì :

1

− 6

RC = 0

Từ đó xác định tần số của dao động :

RC 6 2

1 f

RC 6

1

dd dd

π

=

=

Thay ωd đ vào biểu thức(*) tìm được: β = − 1

29 như vậy thì K = -29

Với mạch quay pha là bộ lọc thông thấp hình 3.2.4.1.1b sẽ tìm được

β

ωdd β

RC

10 7

1

18 4

;

,

Sơ đồ TDĐ trên hình 3.2.4.1.3.là mạch cầu Xiphorop xây dựng trên khuếch đại thuật toán tương tự như mạch hình 3.2.4.1.2 ở đây có hai mạch hồi tiếp: mạch β là mạch hồi tiếp dương bảo đảm cân bằng pha,mach hồi tiếp

âm R1RN đảm bảo hệ số khuếch đại : k= 29

R

R

1

N = −

3.2.4.2 Mạch tạo dao động kiểu cầu Viên

Nếu phần tử khuếch đại K có tín hiệu vào và ra đồng pha, tức ϕK = 0 thì mạch hồi tiếp sẽ là

một mạch cầu Viên không quay pha dạng hình 3.2.4.2.1 Đó là một mạch lọc thông dải

Dễ dàng xác định được hàm truyền của nó ,coi Z1 là R1 mắc nối tiếp C1, coi Z2 là R2 mắc song

song C2:

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

− +

+ +

= +

=

=

1 2 2 1 1

2 1

2 1 2

1 2

1

1

C R C R j C

C R

Z Z

Z U

U

r v

ω ω

β

Để ϕβ = 0 thì β là một số thực dương nên

ωR1C2 -

1 2

ω

1

C

R = 0 từ đó sẽ có tần số của dao động

2 1 2 1

dd 2

1 2 1

dd

C C R R 2

1 f

C C R R

1

π

=

=

Nếu chọn R1 = R2 = R , C1 = C2 = C thì

fd đ =

3

1

; 2

1

= β

πRC và K = 3 Hình 3.2.4.2.2a là mạch tạo dao động RC cầu Viên với mạch khuếch đại là gồm 2 tầng trên 2

tranzisto mắc emitơ chung để ghép qua Cn có ϕK=0.Hai tầng T1 và T2 được định thiên tương

ứng bằng Rb1-Rb2 và R'b1-R'b2

Mạch hình 3.2.4.2.2b sử dụng khuếch đại thuật toán g với mạch hồi tiếp âm R0RN và hồi tiếp

dương R1C1R2C2 tạo thành mạch cầu Viên có 4 đỉnh là đầu vào đảo N, đầu ra ; đầu vào không

đảo P và mat

Nhánh hồi tiếp âm R0RNxác định hệ số khuếch đại

β

H×nh 3.2.4.2.1 M¹ch håi tiÕp cÇu Viªn

β