chuong2 CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG

CHƯƠNG 2 CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG Chương này nhằm trình bày các vấn đề về tạo dao động, điều kiện và đặc điểm mạch tạo dao động, ổn định biên độ và tần số dao động, phương pháp tính toán cá

CHƯƠNG 2 CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG

Chương này nhằm trình bày các vấn đề về tạo dao động, điều kiện và đặc điểm mạch tạo dao động, ổn định biên độ và tần số dao động, phương pháp tính toán các mạch dao động 3 điểm điện cảm, 3 điểm điện dung, mạch clapp, mạch dao động ghép biến áp, mạch dao động thạch anh, mạch dao động RC

2.1 Các vấn đề chung về tạo dao động

Mạch dao động có thể tạo ra các dạng dao động :

- hình Sine (điều hòa) - xung chữ nhật

- xung tam giác - xung răng cưa

Ơ đây ta xét tạo dao động hình Sine (điều hoà) vì đây là dạng dao động cơ bản Các mạch dao động hình Sine thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế Các phần tử tích cực dùng để tạo dao động như đèn điện tử, transistor lưỡng cực, FET, KĐTT, hoặc như diode tunel, diode gunn

- Đèn dùng khi cần công suất ra lớn, tần số từ thấp đến rất cao

- KĐTT khi tần số yêu cầu thấp và trung bình

- Transistor khi tần số yêu cầu cao

• Tham số cơ bản của mạch dao động

- Tần số dao động

- Biên độ điện áp ra

- Độ ổn định tần số dao động (nằm trong khoảng 10- 2 ÷ 10- 6)

- Công suất ra

- Hiệu suất của mạch

• Nguyên tắc cơ bản để tạo mạch điều hòa

- Tạo dao động bằng hồi tiếp dương

- Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

Chương này khảo sát mạch dao động theo nguyên tắc mạch dao động bằng hồi tiếp dương

2.2 Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch dao động

2.2.1 Điều kiện để mạch dao động

K (A) _

Hình 2.1.Sơ đồ khối tổng quát của mạch dao động

(A): Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại : K = K.ejϕ k

(B): Khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt : Kht = Kht.ejϕ ht

Trong đó :

K : module hệ số khuếch đại ϕk : góc pha của bộ khuếch đại

Kht : module hệ số hồi tiếp ϕht : góc pha của mạch hồi tiếp

=ϕ

=

)2(n2

)1(1

K.K

ht k ht

Với n = 0, ±1, ±2,

ϕ : tổng dịch pha của bộ khuếh đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa X’r và Xv

Biểu thức (1) : điều kiện cân bằng biên độ, cho biết mạch chỉ có thể dao động khi hệ

số khuếch đại của bộ khuếch đại bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra

Biểu thức (2) : điều kiện cân bằng pha cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào

2.2.2 Đặc điểm của mạch dao động

1 Mạch 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 cung cấp một chiều

2 Mạch phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và pha

3 Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều

4 Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

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

2.3.1 Ổn định biên độ dao động

Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha được thỏa mãn tại một tần số nào

đó, đồng thời KKht > 1 thì mạch phát sinh dao động ở tần số đó Ta nói mạch ở trạng thái quá độ Ở trạng thái xác lập biên độ dao động không đổi ứng với K.Kht = 1

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

- Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp

- Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại

- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh Ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông của diode

Tùy thuộc vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng một trong các biện pháp trên

2.3.2 Ổn định tần số dao động

Vấn đề ổn định tân số dao 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 thay đổi của tần số dao động

Điều kiện cân bằng pha : ϕ = ϕK + ϕht = 2πn

Cho n = 0 ⇒ ϕK + ϕht = 0

ϕK, ϕht : phụ thuộc vào tham số m, n của các phân tử của mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp và phụ thuộc ω

ϕ

∂ + ω

∂

ϕ

∂ +

∂

ϕ

∂

d d

dn dm

m

ht K

ht

n

dm m

Từ biểu thức (3) ta suy ra các biện pháp nâng cao độ ổn định tần số :

1 Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số của mạch hồi tiếp (dn)

3 Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ thay đổi góc pha theo tần số, tức là bằng ω

2.4 Các phương pháp tính toán mạch dao động

2 4.1 Các mạch tương đương của mạch dao động dùng transistor

Ta có mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley)

Thông thường dùng ba mạch điện động ba điểm điện dung vì sự ổn định tốt hơn nhưng ba điểm điện cảm dễ thực hiện

2.4.2 Phương pháp tính toán

Có nhiều phương pháp, nhưng ở đây ta xét phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phương pháp bộ khuếch đại có hồi tiếp

Xem điều kiện pha đã bảo đảm (do kết cấu mạch đảm nhiệm)

Ta chỉ cần căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K và hệ số hồi tiếp K ht Sau đó dựa vào điều kiện cân bằng biên độ K.K ht = 1 để suy ra các thông số cần thiết của mạch, ví dụ :

Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điện dung sử dụng BJT

C

B E

Lc

C2C1

Vcc

Ct

R2R1

CeRe

L C : cuộn cản cao tần để giảm ảnh hưởng tần số dao động về nguồn

C t : tụ liên lạc cao tần (thoát cao tần)

+ Bước 1 : Tính hệ số khuếch đại K :

Z vpa = 112

2 n

h n

C C j

I : C j

I V

V n

CE

ωω

L : điện cảm của khung cộng hưởng

C : điện dung của khung cộng hưởng

r : điện trở tổn hao của khung cộng hưởng

p : hệ số ghép của Transistor với khung cộng hưởng

I

C C

C C j C j I C

C

C C j

I C

j

I V

V p td

2 1

1 2

1

2 1 1

×

= +

=

=

ωω

ωω

&

&

=

n C

C C C

C C

C C

C C

+

= +

= +

=

1 1

1 )

(

2

1 2 1

2 1

2 1

2 1

⇒

2

11 2

2

11 2 2

n

h ) n ( R Z

R p

Z R p Z

e td

e td

VPa td

VPa td C

+ +

+

= +

=

11 2

11

( h R n

h R Z

e td

e td

11 2

11 11

21

( h R n

h R h

h K

e td

e td e

e

++

−

=

11 2

21

1 n ) ( h R n

h R K

e td

e td

+ +

−

=+ Bước 2 : Xác định hệ số hồi tiếp :

n C

C C

j

I : C j

I V

V K

CE

BE

ωω

2

&

&

+ Bước 3 : Tính tích K.K ht :

11 2

21

1 n ) ( h R n

h R

n KK

e td

e td

R n

e

e e td

Dấu “ = ” ứng với trường hợp dao động xác lập

Dấu “ < ” ứng với trường hợp quá độ lúc đóng mạch

+ Bước 5 : Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tự dao động được

Thường n << 1 nên biểu thức trên có thể viết :

e

e e

h

h n h

h2n

td

e 11 e

e ,

R

h h

h

2 21 21

2 21

td

h R

h h

R

⇒ n 1 = h 21 > ⇒ loại bỏ n1 vì điều kiện n <<1

+ Bước 6 : Xác định trị số linh kiện mắc trong mạch qua hệ số hồi tiếp n và qua tần

2 1

11

2 21 21

2 2 1

2 1

2 2

C C

C C L

f f

R

h h

h n C

C n

CH dd

td

e e

e

⇒ tìm được L, C1 , C 2

2.5 Mạch điện các bộ dao động LC

2.5.1 Vấn đề ổn định biên độ

Để ổn định biên độ trong các mạch dao động LC, thường dùng phương pháp di

chuyển điểm làm việc của phần tử tích cực Điện trở R E trong mạch điện tính toán ở trên

làm nhiệm vụ đó.(Nếu không mắc tụ C E //R E )

Khi mới đóng mạch, nhờ có phân áp R1, R2 nên tiếp giáp BE của Transistor được định thiên và làm việc với góc cắt θ = 180o tương ứng với chế độ dao động mềm Hỗ dẫn

S của Transistor tại điểm làm việc ban đầu khá lớn, do đó KK ht > 1 và mạch ở vào chế độ

quá độ Biên độ dao động tăng dần làm cho hạ áp trên R E (trường hợp không có tụ mắc song song)tăng dần, đồng thời điện áp hồi tiếp có cực tính âm trở về cực B của BJT tăng dẫn đến phân cực BE giảm, mạch chuyển sang chế độ C ứng với góc cắt θ < 90o Tương ứng với chế độ dao động cứng Đồng thời hỗ dẫn trung bình giảm làm cho hệ số khuếch

giảm và tích KK ht tiến tới bằng 1 ở chế độ xác lập

Trong mạch ta đã dùng hồi tiếp âm trên RE để chuyển dịch làm việc từ khu vực có

hỗ dẫn lớn sang khu vực có hỗ dẫn bé

Điểm làm việc tĩnh

ωtHình 2.8 Đặc tuyến VBE - IC của Transitor

VBE

IC

2.5.2 Mạch dao động 3 điểm điện cảm (Hartley)

Xét dao động 3 điểm điện cảm mắc E chung Ta thấy : X 1 = X CE = ωL 1 >o, X 2 =

X BE = ωL 2 > o, X 3 = X CB =

c

ω

− 1 < o

Thỏa mãn điều kiện cân bằng về pha

Điều kiện cân bằng biên độ : (tính cho mạch hình 2.11)

R p ( h

h SZ

td e

M L ) M L ( Ij

) M L ( Ij V

V V

V n

CE

EB CE

BE

+

+

=+ω

+ω

Trong đó M là độ hỗ cảm giữa 2 cuộn dây M =k L1L2

Thông thường: k = 0,5 ÷ 0,9 ở băng sóng dài và sóng trung

ở băng sóng ngắn 2

0 1

2

L

L L Ij

L Ij V

V V

V n

CE

EB CE

Ij

L Ij V

V K

2

p : hệ số ghép giữa transistor và mạch (khi L 1 và L 2ghép lỏng) :

n V

V V

V U

V

V V

V L L

L V

V V

V p

EB

CE EB

CE EB

CE

CE CB

CE CB

CE td

= +

=

⇒ +

1 1

1

2 1 1

Thực hiện tương tự như các mạch trước ta tìm được bất phương trình :

h h n

Tần số dao động :

C ) L L ( C

L f

f dd CHR

2 1

2

12

1

+π

=π

*Ce

Hình 2.9 Sơ đồ mạch tạo dao động ghép biến áp mắc E chung Tương tự như mạch dao động 3 điểm điện cảm hệ số phản ánh được tính theo biểu thức:

n = -

L

M LI

j

MI j V

Nghĩa là hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp phải có cực tính ngược nhau để điện áp hồi tiếp về đồng pha với điện áp vào

Điều kiện biên độ :

K.K ht = 1; K ht = - n =

L M

t td

n Z p h

n Z p R p

2 2

11

2 2

2

11

Rtd p

21 11

2 11 11

td e e

td

e td e

e

h R n

R nh )

n ( h R n

h R h

h

CE

CE td

CE

V

V V

R

h h n

e ,

R

h h

h

2 21 21

Để tạo dao động có tần số cao, dùng sơ đồ bazơ chung vì điện áp vào và ra cùng pha nên điều kiện cân bằng pha thỏa mãn khi M > 0 (2 cuộn dây quấn cùng cực tính)

Điều kiện biên độ cũng giống sơ đồ emitơ chung nếu thay h 21e , h 11e bởi h 21b và h 11b

n =

L

M L Ij

M Ij V

CrRe

Đây là biến dạng của mạch ba điểm điện dung Nhánh điện cảm cần được thay bởi một mạch cộng hưởng gồm L, C nối tiếp mà trị số của chúng được chọn sao cho mạch có

trở kháng tương đương với một điện cảm tại f = f dđ, nghĩa là

C

L dd

dd ω

ω > 1

Hệ số ghép giữa transister và khung cộng hưởng:

2 1 1

C C j

I : C j

I V

V n

CE

ω ω

=

−

=

n V

V K

I : C j

I V

V

td td

ωω

=

=

Trong đó :

C C C

C td

1111

2 1

++

=

Thường chọn C << C 1 , C 2 => C ≈ C td

=> 1

1 1

C

Nghĩa là khung cộng hưởng ghép rất lỏng với BJT nhằm giảm ảnh hưởng của các điện dung phân bố của phân tử tích cực (BJT) (điện dung ra, điện dung vào) đến tần số dao động của mạch

Tần số dao động của mạch :

LC LC

f f

td ch

dd

π

12

số ổn định hơn các loại sơ đồ ba điểm khác

Theo điều kiện cân bằng biên độ ta xác định được phương trình:

.)

).(

1 11 2 2

2 21

2

11 2

1 2

2

11 2 1 2

11

+

=+

−

−

C h n R C

C R nh n

h C

R C

n

h C

R C h

h n

e td

td e e

td

e td

e e

Suy ra:

1 2 0

11 21

C

C ( h R nh R

h n

h n

2 21 21

2 , 1

h h

h n

tâ

e e

e

2.5.5 Các mạch tạo dao động dùng thạch anh

Tinh thể thạch anh (quartz crystal) là loai đá trong mờ trong thiên nhiên có cấu tạo sáu mặt và hai tháp ở hai đầu (hình 2.14) có nhiều ở nước ta Thạch anh chính là dioxid silicium SiO2 cùng chất làm lớp cách điện ở transitor MOSFET Ở tinh thể thạch anh có các trục mang tên Z, X, Y Trục Z xuyên qua hai đỉnh tháp, trục X qua hai cạch đối và thẳng góc với trục Z (có 3 trục X), trục Y thẳng góc với hai mặt đối (có 3 trục Y)

Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng đựơc cắt ra từ tinh thể Tùy theo mặt cắt thẳng góc với trục nào mà lát thạch anh có dặc tính khác nhau Thường trục cắt là AT (thẳng góc với trục Y, song song với trục X và tạo với trục Z một góc

35o15’) Lát thạch anh có diện tích mặt khoảng một đến vài cm2 được mài mỏng đến vài

mm sao cho hai mặt thật phẳng và thật song song Hai mặt này được mạ kim loại (vàng hay bạc) và hàn với hai điện cực làm chân ra Kế đến lớp thạch anh được bọc trong một lớp bột cách điện và được đóng trong hộp thiết kín có hai chân ló ra, bên trong có thể được hút hết không khí

thạch anh

bạc

điện cực (chân ra)

Hình 2.14 Tinh thể, cấu tạo và hình dạng linh kiện thạch anh

thay đổi, kích thước của lát thạch anh thay đổi dẫn đến tần số dao động thay đổi theo, nhưng dù sao cũng tram ngàn lần ổn định hơn các mạch không dùng thạch anh Do đó trong những ứng dung cần ổn định tần số rất cao người ta phải ổn định nhiệt độ thạch anh

Các đồng hồ chỉ giờ (đeo tay, treo tường) đều dùng dao động thạch anh

2.5.4.1 Tính chất và mạch tương đương của thạch anh

L q , C q , r q : phụ thuộc kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh

C q : Điện dung tạo bởi 2 má ghép với đầu ra

Thông thường r q rất nhỏ có thể bỏ qua

+ Thạch anh được cấu tạo từ SiO2, được sử dụng khi yêu cầu mạch dao động có tần số ổn định cao vì hệ số phẩm chất Q của nó rất lớn

+ Thạch anh có tính chất áp điện : Điện trường - sinh dao động cơ học và dao động

cơ học - sinh ra điện tích

Do đó có thểdùng thạch anh như một khung cộng hưởng

Bỏ qua rq (rq = 0) thì trở kháng tương đương của thạch anh được xác định :

) (

1 1

1

1 1

2 2

q p q q

p

q q

p q

q

p q

q q

q

C C L C

C

C L j

C j C j L j

C j C j L j X Z

ωω

ωω

ωω

ωω

ω

− +

−

= +

q

C L

f

.2

q q p

C C L

C C

π

= 2

1

p

q q

C f

2 1

π

Trong đó :

p q

p q td

C C

C C C

xuất thạch anh có tần số f q : 50KHz ÷ 1MHz vì chọn được mặt cắt có tính ổn định nhất cho thạch anh

q td

r C

L

⇒ rất lớn = = = 10 4 ÷ 10 5

q q q

q

q td

r C L L

C R

Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong một phạm vi hẹp, người ta mắc nối tiếp thạch anh với một tụ biến đổi Cs như hình vẽ

q q

q

C C

C f

f

+ +

/

Lượng thay đổi tần số do mắc thêm C s vào:

s q

q s

p

q q

q q

C C

C

C f

f f f

f

+

=

− + +

Hình 2.18 Mạch bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song

Nhánh thạch anh mắc nối tiếp với tụ C s tương đương với 1 điện cảm để mạch có thể dao động dưới dạng 3 điểm điện dung

Lúc đó phải chọn thạch anh sao cho:

f q < f dd < f p và dd td

s dd

Hình 2.21 Mạch bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp hồi tiếp qua hai tầng khuếch đại Trong 3 sơ đồ trên, thạch anh được mắc hồi tiếp và đóng vai trò như 1 phân tử ghép có tính chọn lọc đối với tần số

Khi f dđ ~ f q (nối tiếp) thì trở kháng X q = 0 - hạ áp trên thạch anh nhỏ làm điện áp

hồi tiếp về tăng lên và mạch tạo ra dao động với tần số f dd = f q

2.5.5 Mạch điện các bộ tạo dao động RC

™ Đặc điểm chung của các bộ tạo dao động RC:

1 Thường dùng ở phạm vi tần số thấp thay cho các bộ LC vì kích thước của bộ tạo dao động LC ở tần số thấp quá lớn

2 Không có cuộn cảm, do đó có thể chế tạo nó dưới dạng vi mạch

3 Trong bộ dao động RC - fdd tỉ lệ với 1/C, còn trong bộ dao động LC thì fdd tỉ lệ với

C

1

trong bộ dao động RC dễ dàng thay đổi fdd với bộ dao động LC

4 Yêu cầu bộ dao động RC làm việc ở chế độ A để giảm méo

5 Vì khâu hồi tiếp (gồm các phân tử R,C) phụ thuộc tần số, nên mạch sẽ tạo được dao động tại tần số mà điều kiện pha được thỏa mãn

™ Bộ dao động RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp:

R1

R2C

R

C

RR

Hệ phương trình :

2 3

3 2

3 2 1

1 2 1

0 2

1

0 2

1 1

V RI

I R C j RI

RI I R C j RI

V RI I R C j

ωωω

+ ω

−

=

=

RC )

RC (

j ) RC ( V

1

=ω

⇒

Thay

RC

.6

1

=

⇒ω vào phần thực ta tính được điều kiện cân bằng biên độ :

2 1

2 1

2

2929

29301).(

51

R R

R

R K

C R K

T và T kép trong hồi tiếp

• Với mạch lọc T, viết phương trình dòng điện cho nút 1 và 2, từ đó xác định được hệ số truyền đạt:

a j a

a j a

V

V K

v

r ht

31

21

2

2 2 2

2 2 2

6)1(

)1(

9)1(

4)1(

a a

a a arctg

a a

a a

a V

V

K ht

4)1(

1

2 2 1

2 2

2 2

1

41

4

16)1(

1

a

a arctg a

a arctg

a a

a K