Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 10 pptx

Để tạo đao động có thể dùng các phần tử tích cực như đèn điện tử, tranzistor lưỡng cực, Eet, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như điot Tunel, điot Gunn.. Ỏ tần số thấ

CHƯNG 10 CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG

10.1 Các vấn đề chung về tạo dao động

Mạch dao động có thể tạo ra dao động cố dạng khác nhau như dao động hình sin (dao động điều hòa), tạo xung chữ nhật, tạo xung tam giác, xung răng cưa hoặc tạo từng xung riêng biệt Trong chương này chỉ xét các mạch tạo dao động điều hòa; các mạch tạo dao động xung được xét đến trong giáo trình "kỹ thuật xung" Các mạch tạo dao động điều hòa thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế, v.v

Các mạch tạo dao động điều hòa có thể làm việc trong dải tần từ vài Hz cho đến hàng nghìn MH¿ Để tạo đao động có thể dùng các phần tử tích cực như đèn điện tử, tranzistor lưỡng cực, Eet, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như điot Tunel, điot Gunn

Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra lớn Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số rất cao

Ỏ tần số thấp và trung bình thường dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động, còn ở tần số cao thì dùng tranzistor lưỡng cực hoặc Fet, trong phạm vi tần số MHz hoặc cao hơn thì dùng tranzitor, Fet hoặc các loại điot đặc biệt đã nêu ở trên

Cần lưu ý rằng, khi dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động thì không cần dùng các mạch bù tần số, vÌ mạch bù tần số làm giảm dải tần công tác của bộ tạo dao động Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn

định tần số (nằm trong khoảng 10? đến 10), công suất ra và hiệu suất Tùy thuộc vào

mục đích sử dụng, khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài tham số nào đố hoặc

hạ thấp yêu cầu đối với tham số khác, nghĩa là tùy thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc và

xác định các tham số một cách hợp lí

Có thể tạo dao động điều hòa theo hai nguyên tắc cơ bản sau đây:

— Tạo dao động bằng hồi tiếp dương;

— Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

Ỏ đây ta chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp dương

10.2 Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động

Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động dùng sơ đồ khối hình 10.1, trong

đó (1) là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K = k./Ÿk uờ (2) là khối hồi tiếp có hệ số

truyền đạt Ky = Kit eh Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu xX va gia thiét KK, n=l thi X i =X,

"933°

Vậy tÍn hiệu vào của mạch khuéch dai X,

và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp X‡ bằng nhauca Xv _~ 4 x4

về biên độ và pha nên có thể nối các dau a và cm K PT

ø` với nhau mà tín hiệu ra vấn không thay đổi a

Lúc này ta có sơ đồ khối của mạch tao © Xt

dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp _ (2)

Rõ ràng, trong sơ đồ này, chỉ có dao Kop

động mà tần số của nó thỏa mãn điều kiện „

(10.1): Hinh 10.1 So đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên

# — mođyn hệ số khuếch đại;

Ky, — mođyn hệ số hồi tiếp;

Øy — góc di pha của bộ khuếch đại;

Đụ, — góc di pha của mạch hồi tiếp

Có thể tách biểu thức (10.2) thành hai biểu thức: một biểu thức viết theo moởđyn , (10.3a) và một biểu thức viết theo pha (10.8b):

? = 0y † Đụ, = 2n véin = 0, +1, +2, (10.3b)

ø- tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa tín hiệu ra mach hồi tiếp X, và tín hiệu vào ban đầu X

Quan hệ (10.3a) được gọi là điều kiện cân

bằng biện độ Nó cho thấy: mạch chỉ có thể dao

động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có

thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra Còn

điều kiện cân bằng pha (10.3) cho thấy dao

động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về

đồng pha với tín hiệu vào

Dé minh họa ta xét mạch tạo dao động

trên hình 10.2

Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán

mắc theo sơ đồ thuận cố hệ số khuếch dai:

Hình 102 Ví dụ về mạch tạo đao động theo

nguyên tắc hồi tiếp

giảm ảnh hướng của trở kháng ra đến trở kháng của khung cộng hưởng LC

Điện áp hồi tiếp về bộ khuếch đại:

M

M — hệ số hỗ cảm của các cuộn dây;

1L - điện cảm của khung dao động

Điện áp ra bộ khuếch đại:

Nghiệm của phương trình vi phân (10.8) là

Tn phân biệt ba trường hợp:

_ 1) @ > 0, nghfa la K*K,, < 1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theo hàm số mũ Dao

2)a=(0, nghĩa là K°K,, = 1, dién 4p ra la điện áp hinh sin cd tan sé w, = Vie va biên độ không đốt

3) z < 0, nghĩa là K“K,, > 0; biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ

Từ các trường hợp trên đây, có thể rút ra kết luận: để cớ dao động thì khi mới đóng mạch KK(; phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần cho đến khi bộ khuếch đại _ chuyển gang làm việc ở trạng thái bão hòa, hệ số khuếch đại giảm dan sao cho KK,, = 1 Lúc này có dao động ra, nhưng không phải hình sin Để có dao động điều hòa hình sin cần

255

phải điều chỉnh hệ số khuếch đại sao cho KK,, = 1 va xdc lap tai dd trước khi bộ khuếch đại chuyển sang làm vii 6 trang thái bão hòa

Từ sự phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đây của một mạch tạo dao động:

— Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn

~ Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho

biên độ đao động không đổi ở trạng thái xác lập (KẾ, = 1)

10.3 Ổn định biên độ dao động và tần số dao động

10.3.1 Ốn định biên độ dao động

Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha (10.3b) được thỏa mãn tại một tần

số nào đó, đồng thời KK,, > 1 thì trong mạch phát sinh dao động ở tần số đó Ta ndi mach

ở trạng thái quá độ Ỏ trạng thái xác lập, biên độ dao động không đổi ứng với KK,, = 1

Để đảm bảo ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau:

- Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đại luôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiều cho phần tử khuếch đại đớ

~ Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phí tuyến của phần tử tích cực nhờ thay

đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại

— Dung mach hii tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh, ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông của điot

Tùy thuộc vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng một trong những biện pháp trên Khi xét đến mạch cụ thể, ta sẽ quan sát kỹ hơn vấn đề này

10.3.2 Ổn định tần số đao động

Vấn đề ổn định tần số đao 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 tần số dao động

Trong điều kiện (10.3b), chon = 0, ta co:

Vi phân toàn phần (10.11) và biến đổi, ta nhận được biểu thức (10.12)

1 Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số dư: của mạch khuếch đại

va dn cia mach hdi tiếp bằng cách:

10.4 Phương pháp tính toán mạch tạo dao động

Có nhiều phương pháp để tính toán mạch tao dao dong O đây ta chỉ xét phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch tạo dao động theo phương pháp bộ khuếch đại

có hồi tiếp Nội dung của phương pháp này xuất phát từ điều kiện cân bằng biên độ (10.3a) Điều kiện cân bằng pha (10.3b) không cần quan tâm đến, vì điều kiện này đã được kết cấu của mạch đảm nhiệm Khi tinh toán phải căn cú vàu mạch điện cụ thể để xác định hệ số

khuếch đại K và hệ số hồi tiếp K,, rồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông

Dé minh hoa, ta tinh thi vi dụ sau

tai oO in,

Vị dụ: Tính điều kiện tự dao động

của mạch ba điểm điện dung (mạch

Colpits) dùng tranzistor trên hình 10.3 & c

Theo 4.2.2.1, hệ số khuếch đại của

L — điện cảm của khung cộng hưởng;

C ~ điện dung của khung cộng hưởng,

r — điện trở tổn hao của khung cộng hưởng

— na là trở kháng vào phản ảnh sang nhánh colecto-emito, nếu giả thiết F /! R„ >> hịy

fụ.=—— =— —=—n (10.20)

Bước 3 Tinh tich KK:

Rig hay KK,, =» ———_*“ m nˆRụ + hịy(1 + n) 4 _ (10.21) Bước 4 Xác định điều kiện dao động của mạch:

Bằng cách đó có thể tính điều kiện tự dao động cho các mạch khác nhau

Bước õ Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tự dao động được:

Thường ¡+ << 1, nên (10.23) được viết gần đúng:

(10.27)

10.5.1 Vén đề ổn định biên độ trong các bộ tạo đao động LC

1 Chế dộ dao dộng mềm uà dao động cúng Để ổn định biên độ trong các bộ

259

tạo dao động LC thường dùng phương pháp di chuyển điểm làm việc của phần tử tích cực, điện trở ly trên hình 10.3 làm nhiệm vụ đó Khi mới đóng mạch, định thiên cho mặt ghép

‘baza — emito được thực hiện nhé mach phan 4p R,, Rp Khi đó mạch làm việc với góc cắt

8 = 1809 tương ứng có chế độ dao động mềm Hỗ dẫn của tranzistor tại điểm làm việc ban đầu kha én, do dé KK,, > 1 Trong quá trình quá độ, biên độ dao động tăng dần làm cho

hạ áp trên Ry tăng, dẫn đến định thiên cho mặt ghép bazo—-emito giảm, mạch chuyển dần

sang chế độ C, ứng với góc cắt Ø < 90°, tương ứng có chế độ dao động cứng Đồng thời hỗ

dẫn trung bình giảm làm cho hệ số khuếch đại X giảm và tích KK,, tiến tới bằng 1 ở chế

độ xác lập Trong so đồ này ta đã dùng hồi tiếp âm một chiều để dịch chuyển điểm làm việc

từ khu vực có hỗ dẫn lớn sang khu vực có hốn dẫn bé hơn để cho khi mới đóng mạch, mạch

dễ dao động và sau đó mạch dao động ổn định (KK,, = 1) ở trạng thái xác lập

Cũng có thể dịch chuyển điểm làm việc bằng cách thay đổi định thiên tự cấp trên điện trở Fạ của mạch bazo trên hình 10.4 theo nguyên tắc như đối với ?y trên hình 10.3

2 Hiện tượng dao dộng ngắi quảng Nếu chọn RrCp (hình 10.3) hoặc Rp€n thỉnh

10.4) quá lớn thì ngay khi mạch đang ở trạng thái quá

độ, điện áp bazo—emito đã quá âm làm cho tranzistor

ngắt và mất dao động Sau đó Cr phóng điện qua #r,

điện áp bazo-emito bớt âm dần Sau một thời gian

nào đó mạch dao động trở lại Quá trình đó lặp đi lặp

lại và trong mạch có dao động ngắt quăng Ngược lại,

néu chon R,C, (RyCg) quá nhỏ thì mạch có dao động

với biên độ tăng dần (KK,, > 1) Vì vậy cần chọn trị

số RgCp (RpCp) hợp lý để trong mạch luôn luôn có

dao động và mạch làm việc ở trạng thái xác lập khi H nh: 10.4 Mạch tạo dao động định thiển

10.5.2 Mạch tạo dao động ghép biến áp

Mạch tạo dao động ghép biến áp cộng hưởng colecto được biểu diễn trên hình 10.5

Trước hết ta xét điều kiện cân bằng pha của mạch Giả sử điện áp tín biệu đặt vào bazo tại một thời điểm nào đó là Up dién dp trén colecto U, được xác định theo (10.28):

Để thỏa mãn điều kiện pha (10.3b), điện áp hồi tiếp Du phải đồng pha với điện ép ban đầu Uz: Trong (10.30): S, Z,, L.d@u duong, vay M phai am dé Tut va Dạ đồng pha Tom lai, điều kiện cân bằng pha được thỏa mãn khi

Hình 105 Mạch tạo dao động ghép biến áp: |

a) dùng tranzistor lưỡng cực; b) dùng tranzistc trường (Fet) - -

Để có hỗ cảm âm phải quấn cuận sơ cấp và thứ cấp của biến áp hồi tiếp ngược chiều Dấu "*" trên hình 10.5 đánh dấu các đầu của biến áp

Để xét điều kiện biên độ (10.3a), tính K và Ki,

Cho vế trái của (10.37) bàng không và giải ra, ta cd

cho trường hợp này

Biểu thức (10.38) giống (10.25), do đế mợi kết luận đã xét đối với (10.25) đều đúng

241

Cơ thể biểu diễn hệ số hồi tiếp nø theo tải chuẩn như trên hình 10.6 Theo đó, ứng với mỗi tải, có thể xác định được một hệ số hồi tiếp thích hợp để mạch dao động được

Hình 106 Đặc tuyến biều diễn hệ số hồi tiếp theo tải chuồần NHình 107 Mạch tao dao động mắc theo

Sơ đồ bazo chung Giả thiết R pry,

Để tạo dao động cớ tần số cao, dùng sơ đồ bazo chung trên hình 10.7 Trong sơ đồ bazo chung, điện áp vào và ra cùng pha, nên mạch thỏa mãn điều kiện cân bằng pha khi M>0 Điều kiện biên độ cũng giống sơ đồ emito chung, nếu thay h;¡¿; ®i¡„ bởi hạ¡g và hịg

10.5.3 Các loại mạch ba điểm

10.5.3.1 Nguyên tác thiết lập mạch ba diểm Các mạch tạo dao động LC ndi chung

- đều có thể đưa về một kết cấu chung theo hình 10.8a Trong đó 4; là một bộ khuếch đại bất kỳ (tranzistor, Fet, khuếch đại thuật toán, ) Bộ khuếch đại này có thể biểu diễn theo

sơ đồ tương đương 10.8b, trong đó , là điện áp vào) K, là hệ số khuếch đại không tải, r,

là điện trở ra của bộ khuếch đại

xXx KK,, = -K, r(X, + X_ +X) + Xp(X, + X,) —2 | (10.43)

Hình 108 a) Sơ đồ tồng quát mạch tạo dao động ba điềm;

b) Sơ đồ tương đương của A, trong a)

Theo điều kiện cân bằng pha, để cớ hồi tiếp dương,tổng di pha do mạch khuếch đại

và mạch hồi tiếp gây nên phải bằng không tức KK, > 0, do đó từ (10.46) suy ra X,.X; > 0

và X, trái dấu với X, và X; Từ đó ta suy ra hai loại mạch ba điểm:

Hinh 10.9 Mach tao dao d6ng ba aiém điện cảm:

a) sơ đồ cmiio chung — b) sv đồ bazo chung

Do do ta chi còn cần quan tâm đến điều kiện biên độ Th tính được cho mạch 10.9a:

Thay (10.49) (10.51) vao (10.3a):

(1 +n)*hy,, + n7Ryg — nRyghy 5 0 (10.52)

(10.52) hoàn toàn trùng hợp với (10.23), nên cách lập luận và các kết quả (10.24), (10.25) và (10.26) đều đúng cho trường hợp này

Tần số dao động của mạch được xác định theo (10.53):

1

Trường hợp dùng mạch bazo chung hình 10.9b dé tạo dao động tần số cao, cũng cho các kết quả như vậy, nhưng trong các biểu thức trên phải thay h,¡„ và hày, bởi hịyg và hạ, 244