Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 5 doc

Bài 5Sơ đồ dao động tín hiệu dạng khác sin Mục đích: Nghiên cứu các mạch đa hài tự dao động, đa hài đợi, mạch tạo xung tam giác, máy phát xung dùng transistor 1 lớp tiếp xúc UJT, và cá

Bài 5

Sơ đồ dao động tín hiệu dạng khác sin

Mục đích: Nghiên cứu các mạch đa hài tự dao động, đa hài đợi, mạch tạo xung

tam giác, máy phát xung dùng transistor 1 lớp tiếp xúc (UJT), và các ứng dụng của các mạch đó

phần lý thuyết

1 Đa hài tự dao động

Đa hài tự dao động là mạch tạo ra những xung vuông

1.1 Đa hài dùng transistor

Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung được trình bày ở hình 5.1a

Hình 5.1a: Sơ đồ nguyên lý của đa hài tự dao động

Mạch đa hài tự dao động có hai trạng thái cân bằng không bền (T1 mở, T2khoá và T1 khoá T2 mở) Mỗi trạng thái chỉ ổn định trong một thời gian hạn chế nào đó rồi tự động chuyển sang trạng thái kia và ngược lại

Hai trạng thái trên của mạch đa hài tự dao động còn gọi là hai trạng thái chuẩn cân bằng

Đây là hai tầng khuếch đại có phản hồi dương, có Kβ >>1

Trong đó K: Hệ số khuếch đại

β: Hệ số hồi tiếp

Nguyên lý hoạt động có thể tóm tắt như sau:

Trong khoảng thời gian τ1, transistor T1 khoá T2 mở Tụ C1 được nạp đầy

điện tích trước lúc to, phóng điện qua T2, qua Ec qua R1 theo đường + C1 → T2 →

R1 → - C1 làm điện thế trên base của T1 thay đổi theo hình 5.1b Đồng thời trong khoảng thời gian này, tụ C2 được nguồn Ec nạp theo đường + Ec→ Rc1→ T2→ - Ec làm điện thế trên base của T2 thay đổi theo hình 5.1b

Lúc t = t1; UB1= 0,6V transistor T1 mở, xẩy ra quá trình đột biến lần thứ nhất,

nhờ mạch hồi tiếp dương làm sơ đồ lật trạng thái T1 mở T2 khoá

Trong khoảng thời gian τ2+ = t2 - t1 trạng thái trên được giữ nguyên, tụ C2(đã được nạp trước lúc t1) bắt đầu phóng điện và tụ C1 bắt đầu quá trình nạp điện tương tự như đã nêu trên cho tới lúc t = t2 , UB2 = 0,6V làm T2 mở và xẩy ra đột biến lần thứ hai, chuyển sơ đồ về trạng thái ban đầu T1 khoá T2 mở

Chu kỳ xung ở lối ra:

Biên độ của xung ra được xác định gần đúng bằng giá trị nguồn Ec cung cấp

Để tạo ra các xung có tần số thấp hơn 1000Hz, các tụ C1 , C2 trong sơ đồ cần có điện dung rất lớn Còn cần tạo ra các xung có tần số cao hơn 10KHz do

ảnh hưởng quán tính của transistor làm xấu các thông số của xung vuông

Như vậy đa hài dùng transistor chỉ dùng ở tần số trung bình, ở vùng tần số thấp và cao người ta đưa ra sơ đồ đa hài dùng IC tuyến tính

1.2 Mạch đa hài dùng IC tuyến tính (khuếch đại thuật toán)

Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung được trình bày ở hình 5.2a và hình 5.2b

P N

ra ra

R R

Hình 5.2b: Giản đồ xung của bộ đa hài

Nếu dùng nguồn nuôi cho khuếch đại thuật toán là đối xứng Điện áp ra có hai giá trị là Ura max và ưUra max

UP = ưβUra max = Uđóng

UP = βUra max = UngắtGiả sử lúc ban đầu Ur = Ur max, thì UP = βUra max Khi đó tụ C tích điện từ lối ra qua R, C xuống đất

UN = Uc tăng lên có xu hướng tăng tới Ur max nhưng khi UN > UP = βUra max

điện áp lối vào của khuếch đại thuật toán đổi dấu Do đó lối ra Ur lật trạng thái thành ưUr max khi đó UP = ưβUra max, tụ C phóng điện từ +C qua R qua lối ra của

khuếch đại thuật toán tới ưC Tụ C phóng điện và điện áp UC = UN có xu hướng giảm đến ưUra max nhưng khi UN < UP = ưβUra max, điện áp lối vào đổi dấu, lối ra của khuếch đại thuật toán lại lật trạng thái thành Ura max

Quá trình như vậy sẽ tạo ra xung vuông ở lối ra Chu kỳ của xung lối ra

)

21ln(

22

2

1

R

R RC

Nếu chọn R1 = R2 ta có Tra ≈ 2,2 RC

2 Mạch tạo xung tam giác (xung răng cưa)

Xung tam giác được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện tử, thông tin đo lường hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuẩn hai chiều biên độ và thời gian Hình 5.3 đưa ra xung tam giác lý tưởng

Hình 5.3: Xung tam giác lý tưởng

ở đây : Umax : Biên độ

Uo : Mức 1 chiều ban đầu

tq : Thời gian quét thuận

tng : Thời gian quét ngược

Nguyên lý tạo xung tam giác dựa trên quá trình nạp hay phóng điện của 1

tụ điện qua 1 mạch nào đó Khi đó quan hệ của dòng điện và điện áp trên tụ điện biến đổi theo thời gian có dạng:

dt

t dU C t

i c( )= C( )

trong điều kiện C là hằng số, muốn quan hệ UC(t) tuyến tính cần thoả mãn điều kiện iC(t) = hằng số Nói cách khác sự phụ thuộc điện áp trên tụ điện theo thời gian là càng tuyến tính khi dòng điện phóng nạp cho tụ điện càng ổn định

Có 2 loại xung tam giác cơ bản là: trong thời gian quét thuận tq, Uq tăng tuyến tính theo thời gian và Uq giảm tuyến tính theo thời gian

Đối với xung răng cưa yêu cầu tq >> tng

Để điều khiển tức thời các mạch phóng nạp, thường dùng các mạch điện

tử dùng transistor hay IC đóng mở theo nhịp điều khiển từ bên ngoài

Trong thực tế để ổn định dòng nạp hay phóng điện của tụ cần khối tạo nguồn dòng để nâng cao chất lượng các xung răng cưa

Có thể dùng một mạch tích phân đơn giản là một mạch RC lối ra trên tụ C

để nạp điện từ một nguồn E, quá trình phóng nạp được 1 khoá điều khiển nhưng

độ phẩm chất của mạch thấp và độ phi tuyến cao

Hình 5.4 là một mạch tạo xung tam giác dùng transistor

Zo

Rg

Co

Hình 5.4: Mạch tạo xung răng cưa dùng transistor

Ban đầu khi chưa có xung điều khiển T1 mở bão hoà nhờ R1, điện áp ra

ura = UC = UCEbh (T1) ≈ 0V Trong thời gian có xung vuông có cực tính âm điều khiển đưa tới base của T1 làm T1 khoá, tụ C được nạp điện từ +EC , qua T2 xuống

đất Trong sơ đồ này T2 mắc theo sơ đồ base chung, có tác dụng như một nguồn

ổn dòng (có bù nhiệt nhờ dòng ngược qua Zo là diode ổn áp) cung cấp dòng IE2 ổn

định nạp cho tụ C trong thời gian xung vuông có cực tính âm điều khiển làm khoá

T1 Với điều kiện gần đúng dòng collector T2 không đổi thì:

t C

I dt I C t

t C C

q

2 0

2

1 )

là quan hệ bậc nhất

Khi hết xung điều khiển T1 lại mở, C phóng điện nhanh qua T1;

, mạch trở về trạng thái ban đầu

(Mạch đa hài đợi hay trigơ một trạng thái ổn định)

Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền Trạng thái thứ hai của nó chỉ ổn định trong một thời gian nhất định nào đó (phụ thuộc vào tham số của mạch) sau đó lại quay về trạng thái ổn định bền ban đầu

Từ một xung hay một chuỗi xung ở lối vào ta được một xung hay một chuỗi xung ở lối ra mà thời gian keó dài xung (hay độ rộng xung) phụ thuộc vào tham số của mạch

Hiểu theo cách đơn giản đây là mạch sửa độ rộng xung

3.1 Đa hài đợi dùng transistor

Hình 5.6a trình bày sơ đồ nguyên lý và hình 5.6b trình bày giản đồ điện áp thời gian của mạch đa hài đợi dùng transistor

Trạng thái ban đầu nhờ điện trở R T2 mở bão hoà làm cho

nên T

V U

U B1 ≈ CE2 ≈0 1 khoá, đây là trạng thái ổn định bền (còn gọi là trạng thái

đợi) của mạch

Lúc t = to có 1 xung điện áp dương đã lớn (làm cho UBE của T1 cỡ 0,6V) tác dụng tới lối vào làm T1 mở Điện thế cực collector của T1 giảm từ +EC lúc T1cấm xuống gần bằng 0V lúc T1 mở bão hòa Bước nhảy điện thế này qua bộ lọc thông cao RC đặt toàn bộ đến cực base của T2 làm điện thế ở đó đột biến từ mức thông (khoảng 0,6V) đến mức ưEC + 0,6V ≈ -EC , do đó T2 bị khoá Khi đó T1duy trì ở trạng thái mở nhờ mạch hồi tiếp dương R1, R2 ngay cả khi điện áp vào bằng không Tụ C bắt đầu nạp điện từ EC → R → C → T1 xuống đất Do đó điện

thế của base T2 biến đổi theo quy luật sau:

U B C

Với điều kiện ban đầu U B2(t= )t o =−E C

Và điều kiện cuối U B2(t→ )∞ =+E C

T2 bị khoá tới lúc t = t1, UB2 đạt giá trị khoảng 0,6V

RC RC

t t

T > > τ

ở đây T: Chu kỳ xung lối vào

tx : Độ rộng của xung lối ra

τx : Độ rộng của xung lối vào

Nếu thoả mãn điều kiện trên thì chu kỳ xung lối ra bằng chu kỳ xung lối vào

3.2 Mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Hình 5.7a đ−a ra 1 dạng sơ đồ nguyên lý của đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán Hình 5.7b trình bày giản đồ xung

U vào

o R

Hình 5.7a: Sơ đồ nguyên lý của mạch đa hài đợi dùng KĐTT

Nếu IC đ−ợc cung cấp bởi nguồn đối xứng ± E thì lối ra có hai giá trị là

± Ur max Khi t < t1 UV = 0, diode D thông nối đất (bỏ qua điện áp thuận trên diode), từ đó UN = UC ≈ 0 do đó Ura = − Ur max

Hình 5.7b: Giản đồ xung của mạch đa hài đợi dùng KĐTT

Qua mạch hồi tiếp dương R1, R2 điện áp ở chân P: UP = ư βUr max

Với

2 1

1

R R

R

+

=

β gọi là hệ số hồi tiếp

đây là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi) của mạch

Lúc t = t1, có 1 xung nhọn cực tính dương đưa tới lối vào P Nếu có biên độ thích hợp lớn hơn ⎪ưβUr max⎪, sơ đồ lật trạng thái cân bằng không bền với

Ura = Ur max, khi đó qua mạch hồi tiếp dương tại chân P có UP = βUr max Sau lúc t1,

điện áp Ur max nạp cho tụ C làm cho UC = UN dương dẫn cho tới lúc t = t2 khi đó

UN = βUr max (nói chính xác UN > βUr max) thì xẩy ra đột biến do điện áp đầu vào vi mạch UN và UP đổi dấu, điện áp ra lật trạng thái lần thứ hai Ura = ư Ur max (trong khoảng thời gian t1 ữ t2, UN = UC > 0 nên điốt bị phân cực ngược, có điện trở rất lớn như tách khỏi mạch)

Tiếp sau thời gian t2, tụ C phóng điện qua R tới lối ra của bộ khuếch đại

thuật toán hướng tới giá trị điện áp ra ưUrmax Cho đến thời điểm t = t3,

UC = UN ≈ 0 (nói chính xác là UC = UN = ư 0,7V) diode mở, ghim mức điện áp ở

đầu vào đảo ở giá trị này, mạch quay về trạng thái đợi ban đầu

Độ rộng xung τx = t2 - t1 liên quan tới quá trình nạp của tụ C từ mức 0 tới

mức βUr max, từ đó có:

)1

()

()

1

1ln

R

R RC

RC t

t

τ

Gọi t3 - t2 = thph là thời gian hồi phục về trạng thái ban đầu là quá trình

phóng, điện của tụ C từ mức βUr max tới mức 0+

=+

=

2 1

11

ln)

1ln(

R R

R RC

RC

Chu kỳ của xung ra bằng chu kỳ của xung vào với điều kiện:

php x V

4.1 Transistor một chuyển tiếp (UJT)

Transistor một chuyển tiếp (Unijunction transistor - UJT) đôi khi còn gọi là

diode 2 đáy Tuy cũng gọi là transistor nhưng nguyên lý làm việc của nó khác

hẳn transistor lưỡng cực và transistor trường

UJT được chế tạo bằng cách trên một phiến bán dẫn loại N pha tạp ít (điện trở suất lớn) Người ta tạo ra một vùng bán dẫn loại P pha tạp nhiều (điện trở suất nhỏ) như hình 5.8a

Từ miền bán dẫn loại P này nối ra một điện cực gọi là emitter (E) Hai đầu của phiến bán dẫn loại N nối ra hai điện cực được gọi là cực base 1 (B1) và base 2 (B2) Từ cấu tạo của UJT hình 5.8a ta có sơ đồ tương đương hình 5.8b

Phiến bán dẫn N có điện trở suất cao cho nên từ base B1 đến C (điểm tương ứng chuyển tiếp PN cực emitter) được thay bằng điện trở RB1, từ B2 đến C được thay bằng điện trở RB2, tổng hai điện trở này bằng điện trở từ B1 đến B2 ký hiệu là

RBB Chuyển tiếp PN cực emitter được thay bằng diode D

Nếu đặt vào B1 và B2 một điện áp như hình 5.8 thì có thể tính được điện áp

từ điểm C so với B1 khi E hở mạch như sau:

BB

B BB B

B

B BB

R

R U R

R

R U

2 1

1

EBU

E này xuất hiện, có nghĩa là các hạt dẫn được phun từ miền emitter vào miền base, làm số hạt dẫn của miền base B1 tăng lên đột ngột, làm cho điện trở RB1 cũng đột ngột giảm đi Vì RB1 giảm làm cho U1 càng đột ngột giảm, làm cho điện áp phân cực thuận đặt vào diode D có xu hướng tăng lên, dòng IE thuận tăng làm cho U1 tiếp tục giảm đi

Trong quá trình này D luôn phân cực thuận nên điện áp sụt trên nó không

đáng kể, vì vậy có thể coi gần đúng U1 = UEB1

Rõ ràng khi diode D thông, dòng IE có xu hướng ngày một tăng, trong khi đó UEB có xu hướng ngày một giảm Đó chính là nguyên nhân xuất hiện hiệu ứng điện trở âm trong UJT Đương nhiên dòng IE không thể tăng mãi nó bị giới

hạn bởi điện trở nguồn Sau khi UJT được mở nó duy trì trạng thái này cho tới khi mạch vào hở mạch hoặc dòng IE giảm xuống giá trị quá nhỏ

Đặc tuyến Von-ampe của UJT được trình bày trên hình 5.9a và ký hiệu của UJT trên hình 5.9b

oG

VB 1 B 2= 0

Hình 5-9: (a) Đặc tuyến Von-ampe ; (b) Ký hiệu

Khi UB2 = 0; U1 = 0 ; chỉ tăng một chút nên diode được phân cực thuận, nên đặc tuyến Von- ampe của UJT trong trường hợp này giống như diode thông thường

1

EBU

Khi UBB đặt ở một giá trị nhất định, = 0, chuyển tiếp emitter (diode D) bị phân cực ngược, qua cực E có dòng ngược I

1

EBU

E0 đi qua Cường độ dòng điện lúc này được biểu diễn bởi điểm 1 trên đặc tuyến Khi tăng dần nhưng giá trị còn nhỏ hơn nhiều so với U

1

EBU

1, thì dòng IE0 vẫn không đổi (giống dòng ngược bão hoà của diode) Quá trình tăng lúc ban đầu thực tế làm giảm dần

điện áp phân cực ngược diode D, tới khi U

1

EBU

EB1 = U 1 thì anôt và catốt có điện thế bằng nhau, dòng qua diode bằng 0, ứng với điểm 2 trên đặc tuyến Nếu tiếp tục

EB

U 1 + 0,7V thì dòng IE sẽ gây ảnh hưởng đáng kể đến RB1 Thường ký hiệu điện áp ứng với giá trị này là Uđh và dòng là Iđh gọi là điện áp và dòng đỉnh

Khi IE vượt quá Iđh thì IE tăng lại giảm , do đó đặc tuyến Von-ampe của UJT trong khoảng này gọi là miền điện trở âm Khi I

1

EBU

E tăng tới một giá trị nhất định, số hạt dẫn phun vào miền B1 đạt tới giá trị bão hoà, điện trở RB1 không tiếp tục giảm nữa Điện áp U1 (cũng chính là ) cũng không tiếp tục giảm nữa Điện áp ứng với giá trị này là điện áp đáy U

1

EBU

Điện trở giữa B1 và B2 khi E hở mạch cỡ từ 4KΩ ữ 12 KΩ tuỳ từng loại

4.2 Mạch tạo xung dùng UJT

Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dao động được trình bày trên hình 5.10

t o

Hình 5-10: (a) Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo xung dùng UJT

(b) Dạng xung của mạch tạo xung dùng UJT

Nguyên lý làm việc như sau:

Tụ C1 được nạp điện từ nguồn UBB qua RE, khi điện áp trên tụ bằng Uđh của UJT, thì UJT mở và tụ C1 phóng điện qua UJT làm cho điện áp trên hai cực của tụ hạ xuống bằng điện áp bão hoà của UJT Khi đó UJT đóng và tụ C1 lại bắt đầu một lần nữa nạp điện Quá trình cứ như vậy tiếp diễn và điện áp lấy ra trên tụ C1

có dạng xung răng cưa

Nếu mắc nối tiếp với B1 của UJT một điện trở nh− hình 5.11a thì lối ra trên

điện trở ta thu đ−ợc xung có độ rộng xung rất nhỏ nh− hình 5.11b

Hình 5.11: (a) Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo xung dùng UJT

(b) Dạng xung của mạch tạo xung dùng UJT

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập tương tự (Khối đế nguồn)

2 Panel thí nghiệm AE - 105N cho bài thực tập về dao động (Gắn lên khối

đế nguồn)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE - 105N chứa 4 mảng sơ đồ A5-1 A5-4, với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì cắm dây nguồn cho mảng đó

Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE-105N

1 Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế

chuẩn ±5V, ±12V cố định

2 Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung

cấp các giá trị điện thế một chiều 0 +15V và 0 ư15V Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết, sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt

3 Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới

cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

1.1 Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A5-1

1.2 Chưa nối các J, để ngắt các mạch phản hồi cho T1, T2 Kiểm tra chế độ một chiều cho transistor T1, T2 Đo độ sụt thế trên trở R1, R2, tính dòng qua T1, T2 Các transistor phải được dẫn gần bão hoà hoặc bão hoà (thế trên collector T1, T2gần hoặc bằng 0)

1.3 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 5 V/ cm , thời gian quét

ở 1ms cm Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn

MULTIVIBRATOR: đa hài

1.4 Nối các cặp chốt J theo bảng A5-1 Tại mỗi cặp nối, quan sát và vẽ

dạng tín hiệu ra Đo chu kỳ T xung ra, tính tần số phát f = 1/ T(giây)

Bng A5-1 Nối

J1 & J4

Nối J2 & J5

Nối J3 & J6

Nối J1 & J5

Nối J2 & J4

Tính CR

(F.Ω = sec)

C1 R3 = C4 R4 =

C2 R3 = C5 R4 =

C3 R3 = C6 R4 =

C1 R3 = C5 R4 =

C2 R3 = C4 R4 =

T Hz

f( )=1

RC

T

k =