Kĩ thuật mạch điện tử

Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân : RC f V Để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh It và điện áp lệch không có thể gây sai số đáng kể cho mạch tích phân, ở cửa thuận của bộ KĐTT ngư

CHƯƠNG 1 CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH

ĐẠI THUẬT TOÁN

Chương này nhằm giới thiệu việc ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) trong các mạch khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm Khảo sát các mạch cộng, trừ, nhân chia, khai căn, mạch khuếch đại loga và đối loga, mạch vi, tích phân,

PD, PID, mạch chỉnh lưu chính xác, mạch so sánh tương tự

1.1 Khái niệm chung

Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sine và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực Trong kỹ thuật mạch tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ KĐTT Khi thay đổi các linh kiện mắc trong mạch hồi tiếp ta sẽ có được các mạch tính toán và điều khiển khác nhau

Có 2 dạng mạch tính toán và điều khiển: tuyến tính và phi tuyến

Tuyến tính: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền đạt tuyến tính Phi tuyến: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền phi tuyến tính

Về mặt kỹ thuật, để tạo hàm phi tuyến có thể dựa vào một trong các nguyên tắc sau đây:

1 Quan hệ phi tuyến Volt - Ampe của mặt ghép pn của diode hoặc BJT khi phân cực thuận (mạch khuếch đại loga)

2 Quan hệ phi tuyến giữa độ dốc của đặc tuyến BJT lưỡng cực và dòng Emitơ (mạch nhân tương tự)

3 Làm gần đúng đặc tuyến phi tuyến bằng những đoạn thẳng gấp khúc (các mạch tạo hàm dùng diode)

4 Thay đổi cực tính của điện áp đặt vào phân tử tích cực làm cho dòng điện ra thay đổi (khoá diode, khoá transistor)

1.2 Các mạch tính toán và điều khiển

N

out n

inn in

in

R

v R

v R

v R v

N in

N

R

R

v R

R v R

R

2

1 1

N

in

R

v R

v

suy ra N v in

R

R v

R v

3

2 1

' ( 1

R

R R

R

Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn thì phải chọn R1 nhỏ Lúc đó trở kháng

vào của mạch Z V = R 1 nhỏ Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách chọn R 1 = R N lớn Do đó K’ chỉ còn phụ thuộc vào (1 )

3

2

R

R

+ , có thể tăng tỷ số này tùy ý mà vẫn

không ảnh hưởng đến trở kháng vào Z V = R 1 = R N của mạch

=

2 1

Hình 1.3 Sơ đồ mạch trừ

Điện áp ở cửa vào thuận:

R R

R v

P P

P in

Điện áp ở cửa vào đảo:

( )

1 1

av v

a

R R

R v

v

out N N

N out

1

1 2

+

++

=

v a

av a

Vậy v out = a(v in2 -v in1 )

1.2.4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn

R/n KR

v R

v

Mà v N = v in2

⇒ v in1 -v in2 = nv in2 +

K

v

v out − in2

= 0

⇒ Kv in1 - (n + 1) Kv in2 + v out - v in2 = 0

⇒ v out = v in2 + K(n + 1) v in2 -Kv in1

⇒ v out = (1 + K + nK) v in2 -Kv in1

Hệ số của V in2 luôn luôn lớn hơn hệ số của V in1 ( mạch không tạo được điện áp ra

có dạng : K (V in2 -V in1 ) Trở kháng vào của cửa P lớn (Z v = r d), nên không yêu cầu

nguồn v in2 có công suất lớn

−+

−

=

−+

−+

−

00

1

2 1 2

2 3

2 3

2

1 1

1 2 3

1 3

R

v v R

v v R

v v

R

v R

v v R

v v

in in in out in

in in

in in

Suy ra: v out = (

3 1

3 1 2

2 1

R R

R R

Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng r d của KĐTT Có thể thay

đổi được hệ số khuếch đại K’ =

3 1

3 1 2

2 1

R R

R R

+ khi thay đổi R 1

K = K min khi R 1 = ∞ Lúc đó: v out = (

1.2.5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi

out in out out in N

V V V V V

=+

Khi q > 1/2 ( V out và V in cùng pha)

Khi q < 1/2 ( V out và V in ngược pha)

0

=+

t v RC v

t

out in

in out

(điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào)

Thường chọn hằng số thời gian t = RC = 1s

v out (t = 0) là điều kiện đầu, không phụ thuộc vào điện áp vào v in

Nếu v in là điện áp xoay chiều hình sin: v in =V insinωtthì:

RC

V dt t V RC

−

Nghĩa là biên độ điện áp ra tỷ lệ nghịch với tần số

Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân :

RC

f V

Để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh It và điện áp lệch không có thể gây sai số đáng

kể cho mạch tích phân, ở cửa thuận của bộ KĐTT người ta mắc thêm một điện trở

thay đổi được R 1 và nối xuống masse

Hình 1.6.b Mạch tích phân đảo có điện trở R 1 bù dòng lệch không

Điều chỉnh R 1 sao cho R 1 ≅ R thì giảm được tác dụng của dòng điện lệch không

dt

R

v R

v R

v C

v

n

inn in

−

2

2 1

1

dt

v v d C R

v

N N

v

P P

N

out

1+

R

v dt

dv C

⇒ v out = - R N C 1

dt

dv in

Giả thiết: v in = V in sinωt

⇒ vout = -R N C 1ωV in cosωt = -V out cosωt

Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân:

V

V

in out = (ω)=ω có độ dốc 20dB/decade

Vậy : Mạch được gọi là mạch vi phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó tăng với độ dốc 20dB/decade

Mạch có điện áp ra được biểu diễn theo dạng: v out =A.v in +B∫v in dt

Áp dụng phương trình cân bằng dòng tại N: i 1 + i N = 0 ⇒

1 1

R

in N

v i

1

R

R v

in out = − - ∫v dt

Φ+

V t V

⇒ Đặc tuyến biên tần:

2

1 2

2

2 2 2 1 2 2 2 1 '

11

11

11

C R

C

C R R

C

R R V

V

N in

out

ωωωω

ωω

K

ω

1 1

1 ' ≈

Suy ra đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc -20dB/decade (tương ứng khu vực I)

Suy ra sơ đồ làm việc như một mạch tích phân

1.2.11 Mạch PID (Proportional Integrated Differential)

PID cũng là mạch hay được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển của mạch và trong nhiều trường hợp tăng tính ổn định của

hệ thống điều khiển trong một dải tần số rộng

Điện áp ra có dạng: = + ∫ +

dt

dv C dt v B v A

in in

out

Từ phương trình dòng điện nút tại N: 1 0

1

=+

dt

dv C R

v

Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra: = + ∫i dt

C R i

N N N out

1

(2) Thay (1) vào (2):

−

dt

dv C R

v C

R dt

dv C R

v

N N in in

1

1 1

1

Suy ra:

dt

dv C R dt v C R

v C

C R

R

N in

N

in N

N

1

1 1

* Ở tần số thấp

N N N

C R

1

C R

N =

>>ω

ω thì thành phần vi phân trong (*) chiếm ưu thế

• Trong dải:ωN <ω<ω1 thì thành phần khuếch đại in

N

C

C R

P: Tỉ lệ D: Vi phân

ωlogHình 1.11.b Đặc tuyến biên-tần của mạch PID

1.3 Các mạch khuếch đại và tính toán phi tuyến liên tục

1.3.1 Mạch khuếch đại Loga

D

R

v in

v out

Hình 1.12.a Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng Diode

Để tạo mạch khuếch đại loga, mắc diode hoặc BJI ở mạch hồi tiếp của bộ KĐTT Mạch điện dùng diode (1.12.a.) có thể làm việc tốt với dòng điện I nằm trong khoảng nA → mA

Dòng điện qua diode và điện áp đặt lên diode có quan hệ :

D

v

v I

Trong đó :

i D , v D : dòng điện qua diode và điệp áp đặt lên diode

I o: dòng điện ban đầu, có trị số bằng dòng qua diode ứng với điện áp ngược cho phép

v T : điện áp nhiệt Ở nhiệt độ bình thường thì v T= 26mV

⇒

o

in T o

D T D

out

RI

v v I

i v v

Với A N: hệ số khuếch đại dòng điện khi mắc Bazơ chung (BC)

I Ebh: là dòng điện emitơ ở trạng thái bão hòa

v v

I A

i v

v

Ebh N

in T

Ebh N

C T

out = − ln = − ln

Mạch chỉ làm việc với điện áp vào dương (do mối nối p-n)

Muốn làm việc với điện áp âm thì ta thay BJT npn bằng BJT pnp

1.3.2 Mạch khuếch đại đối Loga

RD

Hình 1.13.b Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Transitor

BE

V V Ebh N V

V Ebh N

out i R RA I e v

Mạch chỉ làm việc được với các tín hiệu v x , v y > 0 (do tính chất hàm loga) Mạch nhân 4200 là một trong những mạch tiêu biểu được chế tạo theo nguyên tắc này

1.3.4 Mạch luỹ thừa bậc hai

Đấu hai đầu vào của mạch nhân với nhau ta sẽ có mạch lũy thừa:

K

Hình 1.15 Sơ đồ mạch luỹ thừa bậc hai

Lúc này v x = v y ⇒( vZ = Kv x 2 )

Giả sử điện áp vào có dạng sin: v X = Vcosωt

2)

cos

K

⇒ có thể dùng mạch lũy thừa bậc hai để nhân tần số

1.3.5 Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo

Hình 1.16 Sơ đồ mạch chia thuận

Ta có tại cửa thuận :

b Mạch chia đảo

PTCB dòng tại N :

x

z y

z x

Kv

v v

R

v R

v K

Trong các biểu thức trên v Z có thể lấy dấu tùy ý, còn v X luôn luôn dương

Nếu v X < 0 thì hồi tiếp qua bộ nhân về đầu vào bộ KĐTT là hồi tiếp dương, làm cho mạch chuyển sang trạng thái bão hòa gây méo lớn

v X > 0 chỉ đúng với mạch nhân thuận (K > 0)

v X < 0 chỉ đúng với mạch nhân đổi dấu (K < 0)

1.3.6 Chia mạch dùng khuếch đại loga và đối loga

v

v ln K K

v ln K K

v ln

2

1 2

v Y =

x

z x

z v

v ln

v

v K v

v K e

R

Kv R

Hình 1.19.a Mạch khai căn đảo

22

2

=

Z Kv v

⇒

K

v v

v

out Y X

out N

Mạch điện hình 1.19.a chỉ làm việc với điện áp vào v Z < 0, còn mạch điện hình

1.19.b thì v Z > 0 Trong trường hợp ngược lại thì mạch sẽ có hồi tiếp dương làm mạch

bị kẹt Để ngăn ngừa người ta mắc thêm diode (mỗi mạch một diode) ở đầu ra của bộ KĐTT như hình vẽ

1.4 Các mạch phi tuyến không liên tục

1.4.1 Nguyên tắc thực hiện các mạch phi tuyến không liên tục và các phần tử cơ bản của nó

Các phần tử cơ bản dùng để tạo hàm phi tuyến không liên tục là các bộ so sánh tương tự và diode lý tưởng Diode lý tưởng được cấu tạo bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT một diode thực Ta so sánh nguyên lý làm việc và sai số trong trường hợp dùng diode thực và diode lý tưởng

⇒ điện áp ngưỡng:

OL

ng '

Được dùng chủ yếu trong các bộ nguồn cung cấp, trong các máy đo

Phân loại mạch chỉnh lưu:

vin

vout

vout

vinHình 1.24 Mạch chỉnh lưu nửa sóng

1.4.2.2 Mạh chỉnh lưu toàn sóng dùng sơ đồ cầu: (chỉnh lưu giá trị trung bình số

Hình 1.25 Mạch chỉnh lưu toàn song dung sơ đồ cầu

v out = v t (trên cơ cấu đo) = v in (lấy N làm mốc)

1.4.2.3 Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng

Khi mắc thêm vào cửa đảo mạch nối tiếp R2, C2 thì ta có một mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng

I I

T

2 sin

2 2 0

22/

T T

⇒ so với trị trung bình số học thì trị hiệu dụng lớn gấp

22

π lần

Sh Sh

I

222

2

=

=Lúc đó điện áp một chiều thì R2, C2 không có tác dụng

Lúc đó điện áp xoay chiều thì R2, C2 tham gia vào điện trở R1 dưới dạng R1 // R2

Để đồng hồ chỉ giá trị hiệu dụng thì ta phải có :

2 1

2 1

2 2

2 2 2

2

R R

R R R

R R

2

32 , 0

R f

Khi vin > 0 và vin > vc thì diode thông và dòng ra của bộ KĐTT A1 nạp điện cho

tụ C cho tới khi bằng điện áp cực đại của tín hiệu vào (điện áp đỉnh): vc ≈ Vinmax Nếu sau đó vin giảm thì D ngắt, tụ C phóng điện qua điện trở ngược của diode và tạo dòng tải it Nếu điện trở ngược của diode và điện trở vào A1 lớn ⇒ điện áp trên tụ

Đặc điểm: Phân biệt giữa bộ KĐTT thông thường với bộ so sánh chuyên dụng (mà thực chất cũng là một bộ KĐTT)

- Bộ so sánh có tốc độ đáp ứng cao hơn để thời gian xác lập và phục hồi nhỏ

- Là KĐTT làm việc ở trạng thái bão hòa nên mức ra thấp (L) và mức ra cao (H) của nó là mức dương và mức âm của nguồn Các mức này phải tương ứng với mức logic

1.4.2.5.1 Đặc tuyến truyền đạt tĩnh của bộ so sánh

vP - vN > 0 ⇒ vout = vRH : điện áp ra ứng với mức cao

vP - vN < 0 ⇒ vout = vRL : điện áp ra ứng với mức thấp

1.4.2.5.2 Đặc tuyến truyền đạt thực

tc ≈ 10ns : gọi là thời gian chết

Sườn dốc của đặc tuyến ra tỷ lệ thuận với biên độ vin

Bộ so sánh yêu cầu phải có độ nhạy cao : đáp ứng nhanh

tc nhỏ và phải có độ dốc lớn : vùng khuếch đại bé

Hình a) v in = v ch + V o

Hình 1.31 Bộ so sánh không trễ (a) (b)

Hình b) in o ch o I N

R

V V R

V

2 1

2

1 2

R

R V

V R

R

R V

V R

−

=

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

Kht(B) _

X’r

a

a’

(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

X’r = Kht Xr

⇒ X’r = K Kht.XvMạch chỉ dao động khi Xv = X’r, nghĩa là lúc đó ta có thể nối điểm a và a’ và tín hiệu lấy ra từ mạch hồi tiếp được đưa trở lại đầu vào (Mạchđiện không có tín hiệu vào mà

có tín hiệu ra)

Vậy điều kiện để mạch dao động là :

X’r = Xv ⇒ K Kht = 1 Hay là : K Kht ej (ϕk + ϕht) = 1 (*)

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

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

1 n ) ( h R n

h R Z

e td

e td

11 2

11 11

21

1 n ) ( 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 :

2

211

21 11

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 12

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

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 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

đương của thạch anh

Cp

+ 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

1π

- Tần số cộng hưởng song song : f p ứng với Z q = ∞

p q q

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

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