Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin: Chương 3 - Trần Tuấn Vinh

Cùng tìm hiểu về mạch dao động; mạch dao động Hartley; mạch dao động Colpitts; mạch dao động Clapp; mạch dao động điều hưởng đầu vào/đầu ra; mạch dao động không điều hưởng; trạng thái ổn định của mạch dao động;... được trình bày cụ thể trong Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin: Chương 3 - Các mạch tạo dao động do Trần Tuấn Vinh biên soạn.

Điện tử cho CNTT

Electronic for IT

Trần Tuấn Vinh

Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Nội dung

§ Chương 1: Phổ tín hiệu

§ Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio

§ Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ

§ Chương 5: Điều chế tần số và pha

Giới thiệu chung

§ Mạch dao động(Oscillators) được sử dụng như một nguồn tín hiệu và là mạch quan trọng trong việc

phát triển hệ thống truyền thông

› Mạch dao động Harley, Colpitts, Clapp, Pierce

› Mạch dao động cầu Wien

Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao

Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao

động

§ Nguồn điện vào là quan trọng vì mạch điện tử cần

được cung cấp một công suất đủ để đưa ra tải,

thêm vào đó bản thân mạch điện của Oscillators

cũng tiêu thụ công suất và đòi hỏi được phân cực

§ Một số mạch đòi hỏi hệ số khuếch đại >1 để bù lại

Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao

Av là h  s  khu ch đ i c a h  th ng(theo h ệ ố ế ạ ủ ệ ố ướ ng trái­ph i),  ả

B là t  s  đi n áp ra trên đi n áp vào m ch ph n h i ­ h  s   ỷ ố ệ ệ ạ ả ồ ệ ố

Hệ số khuếch đại vòng

§ Nếu mạch có phản hồi âm thì :

§ Với mạch phản hồi dương thỏa mãn điều kiện Barkhausen thì AvB=1 khi đó:

§ Đây là điều không mong muốn trong hệ thống hồi tiếp dương nhưng nó là một điều cần thiết cho mạch dao động

1

v fb

v

A A

A

A =

−

Ví dụ trường hợp AvB>1

§ Xét mạch khuếch đại điều hưởng ghép tải biến áp

› R là tổng trở tải của bộ khuếch đại bao gồm toàn bộ các trở kháng từ đầu ra xuống đất

§ Vậy B = -1/90 = 0,0111 và AvB = 1,11 lớn hơn 1

§ Với vB = 10mV điện áp đầu ra sẽ là v0=11.1 mV

§ Bây giờ nếu chuyển mạch S1 thì điều gì xảy ra

› 11.1mV 12.3 mV

› 12.3 mV

› ……

Ví dụ trường hợp AvB>1

§ Giả thiết là mạch điều hưởng có phẩm chất Q cao,

nguồn cung cấp 12V và VCE(bão hoà) = 0

§ Do nguồn cung cấp có điện áp 12V nên trên

collector điện áp thay đổi từ -12V- 0V

§ Do năng lượng được tích tụ trên biến áp trong một

nửa chu kỳ đầu tiên nên điện áp trên collector thay

đổi tăng thêm 12 V so với điện áp phân cực trong

nủa chu kỳ còn lại

§ Như vậy điện áp đầu ra có thể đạt tới 24V đỉnh đỉnh

§ Khi bật nguồn 12V, dòng điện chạy trong mạch

tăng đột ngột chạy qua biến áp là cho mạch dao

động hoạt động tạo ra điện áp đầu ra

§ Điện áp ra phản hổi ngược lại đầu vào và tăng dần lên cho đến trạng thái bão hòa như đã xét ở trên

Tần số mạch tự dao động

§ Mạch dao động tại tần số mà tổng pha cho một

vòng bằng 3600

§ Tuy nhiên tần số dao động này còn phụ thuộc vào

hệ số phẩm chất Q của biến áp khi mạch có tải

§ Tần số dao động thực tế của mạch

fosc=fres(Q2+1)/Q2 Với Q là hệ số phẩm chất hiệu dụng (Qeff) của cả khối biến áp

Hệ số này được xác định tùy theo từng mạch dao

es 1/ 2

r

Phân tích mạch dao động

Hartley

§ Giả thiết rằng điện thế cực emitter là pha dương

bởi một dao động sin hoặc nhiễu

§ Q1 sẽ có làm việc ở chế độ cắt và điện áp cực

collector có xu hướng tăng lên phía Vcc

§ Điện áp tăng lên của tín hiệu được chia áp trên n2

bởi công thức n2/(n1+n2) nhưng sẽ đồng pha với điện áp trên collector, có thể lệch chut ít tuỳ thuộc

tổng tải RL

§ Tín hiệu hồi tiếp đến cực emitter qua tụ C1 sẽ đồng pha với tín hiệu ban đầu có tần số fosc

Xác định tải của mạch dao

động

§ Với tải 50Ώ , khi quy đổi về phía collector trở thành tải hiệu dụng R với

§ Do Qu của cuộn sơ cấp hữu hạn, tải được tính

theo công thức sau với tần số 1 Mhz , XL=300 và

c V

Xác định hệ số khuếch đại vòng

§ Khi này điện áp phản hổi vfb là vi

§ Nếu ta giả thiết hở mạch phản hổi, re//RE không

được quy đổi sang mạch Collector

§ Hệ số khuếch đại AV có thể sai số lớn

Av=(50 k //24.2 k //15k )/26 =7.8 k /26 =300

§ Lớn hơn 11 dB so với mạch phản hồi đóng Điêu

này có thể làm cho mạch không dao động

§ Hệ số khuếch đại vòng

AVB = AV*(n2/n1+n2) = 84.6 * (10/110) = 7.697.69 >>1 thỏa mãn đk để mạch có thể dao động

Xác định giá trị điện dung

§ Để tính toán giá trị của tụ điện C cần mắc trên

mạch Collector ta cần quan tâm đến

§ Cần thay đổi điện dung xung quanh 47 pF Có thể

sử dụng một tụ điện biến đổi 100pF

2

1

478  pF(2 )

C

f L

Π

Mạch dao động Colpitts

§ Colpitts oscillator cũng giống như mô hình của

Hartley chỉ khác là mạch phản hồi được thực hiện bằng điện áp trên tụ điện thay vì trên các cuộn dây hay biến áp tự ngẫu

§ Chú ý rằng điện áp hồi tiếp được đưa tới cực

emitter chứ không tới base của Q1

§ Nên nhớ rằng điều kiện pha rất quan trọng Để xét điều kiện pha, ta cắt mạch tại điểm x gần emitter và xét pha của mạch vòng Ta thấy điều kiện pha cũng đúng như mạch Hartley

Mạch dao động Colpitts

Mạch dao động Colpitts

§ Việc phân tích hệ số khuếch đại vòng đối với

Colpotts oscillator cho thấy điện trở ngang C1

xuống đất ít nhất lớn gấp 10 lần so với dung kháng XC1

Ví dụ 3.1

Phân tích mạch dao động trong hình

§ Bỏ qua điện trở của các tải hãy xác định tần số cộng hưởng của mạch điều hưởng (CCB của transistor cộng với tụ tạp

tán có giá trị là 30 pF).

§ Tính hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại base

chung Av (giữa emittor và collector) ở tần số cộng hưởng.

§ Tính các điện trở phân cực trên hình 3-5a với giả thiết

Vcc=12V, VBE=0.7 V, và =50.

§ Tính một gía trị thích hợp cho điện dung ghép vòng CBP

trên hình

§ Tính hệ số khuếch đại vòng AvB.

§ Sự dao động có thể duy trì được liên tục hay không? Tại

sao

Ví dụ 3.1

Ví dụ 3.1

1 Xác định tần số công hưởng

2 Có 3 điện trở tải ảnh hưởng tới collector: tổn hao trên cuộn

sơ cấp biến áp, RL’ và Re’ :

R =QUX =30x2 (10.8X106)(1.3X10-6)=2646 Ώ re=26mV/IE=20 Ώ ; 80 + (rE//1 k )=99.6 =RE

Dòng điện phân cực base vào khoảng 26 A ( =

50) hoặc nhỏ hơn thế, vì vậy điện trở phân cực cho

dòng 1mA là hợp lý và tiện lợi

Từ đó R1 = 2V/1mA = 2k và R2 = (12V-2V)/1mA

' 1.16

58(35.27 ) 20

C V

Ví dụ 3.1

4 XC(BP) cần phải nhỏ hơn hàng chục lần trở kháng tính từ base-đất để được xem là ngắn mạch

2k //10k //5k = 1,25k ,

mà dung kháng tụ 1500pF (C1) còn nhỏ hơn 10

CBP = 10/(2 10,8MHz x 1,25k ) = 118pF

§ Ta chọn chuẩn hoá tụ gốm 1000pF(loại CK05 có

cấu trúc điện cảm thấp) đảm bảo độ dự trữ rất lớn

§ Giá trị 5k được dùng tính toán ở đây là điện trở

emitter-đất phản ánh đến mạch base Đó là

{re+[1k //(80 + XC1)]}( + 1) (20 + 80 )*

101

Ví dụ 3.1

5 Xác định hệ số phản hồi B ta có sơ đồ tương đương như

hình dưới.Điện áp xoay chiều collector được phân áp hai lần đưa đến đầu vào emitter, một bộ phân áp tụ điện và một bộ

phân áp điện trở.(Điện trở 80 là điện trở hiệu dụng tinh thể

cộng hưởng nối tiếp).

, 34 (

0179 ,

0 )

197 ,

0 )(

091 ,

0

( 6

, 19 80

6 , 19

2 1

C C

C B

2 1

1 1

1

C

C C

C

Mạch dao động Clapp

§ Trong sơ đồ này, C1 và C2 có thể thay đổi sao cho mạch phản hồi là tối ưu còn C3 thay đổi để thay

đổi tần số của dao động

§ C3 cũng có thể kết hợp với hệ số nhiệt độ âm để

cải thiện sự ổn định tần số dao động, áp dụng cho các mạch làm việc trong môi trường có nhiệt độ

biến động

Mạch dao động điều hưởng

§ FET có trở kháng cực cửa cao nhưng loại mạch

oscillator này không tin cậy hoặc tần số không ổn

định, bởi vì nó rất nhậy cảm đối với sự thay đổi

nguồn cung cấp và nhiệt độ

§ Tuy nhiên đây là một mạch hoàn hảo để chứng

minh tại sao cần nhiều mạch điều hưởng cho mạch khuếch đại đến thế

Mạch dao động điều hưởng

§ Đường hồi tiếp cho oscillator vẽ

trên hình là thông qua Cgd

§ Tại một tần số mà trở kháng

đầu ra Z1 và trở kháng đầu

vào Z2 cộng hưởng thì pha của

dòng điện chạy qua điện dung

Cgd(Z3) sẽ không thay đổi

§ Tuy nhiên phân tích chi tiết cho

thấy rằng pha của nó sẽ thay

đổi nếu mạch dao động tại tần

Mạch dao động điều hưởng

§ LC mắc song song mang tính điện cảm ở tần số dưới tần số cộng hưởng mạch điên có thể dao động ở dưới tần số cộng hưởng của Z1 và Z2

§ Hình dưới minh hoạ điều kiện có dao động

› Chú ý rằng L0 khác L1 và Li khác L2

› Lo và Li là mạng điện cảm cho mạch LC đầu ra và đầu vào với tần

số f<fres

Mạch dao động điều hưởng

§ Hình bên mô tả cấu hình

chung của một máy phát dao

kháng) Z1 phải giống Z2 Loại

điện kháng của Z3 phải

ngược vơi Z1 và Z2.

Mạch dao động không điều

hưởng

§ Trong dải tần số thấp người ta không sử dụng

mạch cộng hưởng mà thường sử dụng

› Mạch dao động dịch pha RC

› Mạch dao động cầu Wien

› Các mạch dao động đa hài.

Mạch dao động dùng dịch pha

RC

§ Như trên hình dưới một bộ khuếch đại đảo được

sử dụng để khuếch đại tín hiệu, vì vậy mạch RC

trong đường hồi tiếp được dùng để dịch pha tín

hiệu 180o ,đảm bảo điều kiện pha cho dao động

§ Dịch pha sẽ đạt 1800 tại tần số sau:

RC

f

6 2

1

Mạch dao động dùng dịch pha

RC

§ Tại tần số này điện áp của tín

hiệu sau vòng phản hồi sẽ suy

giảm còn 1/29 ở đầu vào RC vì

vậy bộ khuếch đại đảo phải cung

cấp một hệ số khuếch đại điện áp

Mạch dao động dùng dịch pha

RC

§ Các mạch dao động được thiết kế với hệ số

khuếch đại vòng không đổi ngay cả khi các phần tử của mạch bị già hóa hay do ảnh hưởng của nhiệt

độ

§ Điều đó có thể dễ dàng thực hiện được nếu trong

vòng hồi tiếp sử dụng một điện trở nhiệt để điều

chỉnh hệ số khuếch đại theo sự thay đổi nhiệt độ

Mạch dao động cầu Wien

Mạch dao động cầu Wien

§ Mạch dao động cầu Wien có cả mạch hồi tiếp âm

và hồi tiếp dương

› Trong đó Rf và R1 cung cấp hồi tiếp âm và quyết định hệ

số khuếch đại

› Mạch hồi tiếp dương nối từ đầu ra đến cực 2 của IC

thông qua một mạch RC mắc nối tiếp và mạch RC mắc song song.

§ Mạch RC nối tiếp tạo một điểm "không" (hoặc sớm pha) trong đáp ứng tần số

§ Mạch RC song song tạo một điểm "cực" (hoặc trễ pha) trong đáp ứng tần số

Mạch dao động cầu Wien

§ Nói cách khác mạch RC cũng như một bộ lọc thông dải trong đó mạch RC nối tiếp ngăn không cho tần

số thấp đi qua còn mạch RC song song ngăn

không cho tần số cao đi qua

§ Sự sớm pha và trễ pha được bù trừ ở một tần số

fo=1/(2IIRC)

§ tại đó dịch pha bằng O0 Đối với mạch phản hồi

RC thì tín hiệu bị suy giảm còn 1/3 Vì vậy trong

mạch sử dụng khuếch đại không đảo (pin 2 tới đầu ra) và hệ số khuếch đại điện áp bằng 3

Mạch dao động đa hài

§ Mạch dao động đa hài dựa trên các tiêu chuẩn

khác so với các mạch dao động ta đã học

§ Mạch sử dụng phản hồi dương và hệ số khuếch đại vòng lớn nhưng tín hiệu ra lại không phải có dạng sin

Mạch dao động đa hài

§ IC trong hình vẽ là một mạch so sánh điện áp, nếu điện áp đầu vào v3 lớn hơn v2 thì đầu ra v0 =Vcc

(IC được xem là lý tưởng) Ngược lại v0=-VEE

.Còn R1 và R2 là bộ chia áp v0 theo tỷ số R1 /

(R1+R2) vì vậy:

2 1

1

0 3

R R

R V V

Mạch dao động đa hài

§ Hình bên biểu diễn dạng sóng

điện áp đầu vào đầu ra cua IC

§ Tại thời điểm t0 điện áp đầu ra

lật đến v0 Vcc = 12V Điện áp

sau bộ chia R1,R2 là v3 = +6V

v2 = -6V tại t0 là điện áp trên tụ

C trạng thái trước đó.

§ Điện áp này không thể thay đổi

tức thời, bởi vậy tại t0+ điện áp

trên điện trở R là

v0 - v3 = 12V-(-6V) = 18V

§ Tụ C được nạp bằng dòng điện

IC(t0+) = IR= (18V)/47k =

Mạch dao động đa hài

§ Điện áp v2 trên tụ C có xu hướng tăng đến +12V với hằng

số thời gian

RC =47k x 0,01 F = 0,47ms

§ v2 không bao giờ đạt đến 12V bởi vì tại t1, v2 đạt đến = v3

= +6V thì bộ so sánh lật đến trạng thái không ổn định tiếp

theo

§ Thời gian cần thiết để điện áp ở chân 2 tăng từ -6V đến +6V được tính từ biểu thức

v2 = vC = -6V + (18V)(1 - e-t/RC) = 1-2/3 = 1/3

§ Lấy logairith tự nhiên cả 2 vế ta có -t/RC = ln(1/3) = -1,1

§ Do đó thời gian yêu cầu là t =1,1RC = 0,517ms

Mạch dao động đa hài

ln[

2

1

2 1

2

f

Trạng thái ổn định của mạch dao

động

§ Mạch dao động là một mạch khá đơn giản nhưng

những ứng dụng của nó là rất quan trọng trong hệ

thống truyền thông

§ Các tham số ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống thu phát truyền thông là sự ổn định tần số:

› Do tác động của nhiễu thay đổi trong thời gian ngắn

› Do sự trôi tần số trong thời gian dài,

› Do độ sạch của tín hiệu bao gồm sự biến đổi biên độ và

các méo hài

Trạng thái ổn định của mạch dao

động

§ Độ sạch phổ tín hiệu có thể điều khiển được bằng

bộ lọc và mạch tự động điều khiển hệ số khuếch

đại(AGC) AGC cũng có thể cải thiện được sự thay đổi của nhiễu trong thời gian ngắn, nhưng phải đặc biệt chú ý tới lọc chặn tránh nguồn cung cấp có

gợn sóng nhỏ

Trạng thái ổn định của mạch dao

động

§ Tuy nhiên tham số ảnh hưởng lớn đến một mạch

dao động là sự trôi tần số

§ Độ ổn định tần số trong thời gian dài của một

Oscillator bị ảnh hưởng bởi sự già hoá của các linh kiện quyết định tần số của Oscillator

§ Cũng tương tự như vậy, nhiệt độ thay đổi cũng ảnh hưởng tới các thành phần điều khiển tần số và tất

nhiên là nguyên nhân của sự trôi tần số

§ Những thay đổi tần số này được đặc trưng bởi hệ

số nhiệt của linh kiện và nói chung cần ổn định

Hệ số ổn định nhiệt

§ Hệ số ổn định là tham số hệ thống (TC) là sự thay đổi tương đối của tần số theo nhiệt độ

TC = f0/f0

§ Sự biến động tương đối được tính bằng phần trăm hoặc phần triệu(ppm) trên một độ Celsius (0C)

Hệ số ổn định nhiệt

§ Ví dụ sự biến đổi tần số TC của một bộ dao động là +100 ppm/0C Nghĩa là TC = f0/f0 = (+100

Hz/MHz) cho sự thay đổi 10C

§ Nếu nhiệt độ tăng 200C thì bộ dao động 5MHz sẽ

tăng một lượng tần số xác định như sau:

f0/f0 = TC x T

= (100 Hz/MHz/0C) x 200C = +2kHz/MHzf0 = TC x T xf0 = (+2kHz/MHz) x 5MHz = +10

kHz

Ổn định nhiệt cho mạch dao động

§ Tần số của bộ dao động thay đổi khi nhiệt độ mạch thay đổi

vì các linh kiện điều khiển tần số trong sơ đồ có hệ số nhiệt khác không Về nguyên tắc, phần tử có ảnh hưởng lớn nhất

là tụ điện.

§ Các tụ điện được chế tạo bằng một chất điện môi kẹp giữa hai bản cực dẫn điện Điện dung được xác định:

§ A là diện tích dẫn điện của bản cực và d là khoảng cách

giữa hai điện cực Các điện cực được cách điện bằng một chất điện môi có hằng số điện môi

§ Nếu A, thay đổi hoặc các kích thước vật lý của tụ điện

thay đổi sẽ làm giá trị C thay đổi.

d A C

Ổn định nhiệt cho mạch dao

động

§ Tụ điện tốt nhất dùng cho bộ điều hưởng của dao

động là tụ mica-bạc Hệ số nhiệt nhỏ hơn nhiều so

với hàng trăm ppm/0C

§ Nếu tụ điện được dùng trong mạch cộng hưởng thì

sự thay đổi tần số theo nhiệt độ phụ thuộc hệ số

TC của tụ điện và tần số cộng hưởng

thay đổi theo hàm

LC

f0 1 / 2

2 /

) (

2

) 2 / 1

( ]

) (

2 / 1

[ 2

0

LC LC

L L

LC dC

df

Ổn định nhiệt cho mạch dao

động

§ Chia cả 2 về cho

§ Nếu thay đổi C nhỏ hơn 10%, có thể viết gần đúng:

§ Kết quả cho thấy điện dung tăng lên 4% ( C/C = 0,04) thì

tần số dao động giảm 2%

dC C

LC

2

1 ( 2

df

2

1

0 0

C

C f

df

2

1

0 0

Nâng cao độ ổn định tần số của bộ dao

động

§ Một số biện pháp thiết kế để nâng cao độ ổn định

tần số:

› Sử dụng các linh kiện có hệ số nhiệt biết trước Đây là

điều đặc biệt quan trọng trong đó cần lưu ý các tụ điện.

› Làm trung hoà các hiệu ứng thay đổi theo nhiệt độ của

các phần tử tích cực bằng các điện trở, nguồn cung cấp

và các tải thay đổi.

› Tính toán mạch dao động với công suất nhỏ.

› Sử dụng các tụ điện có hệ số nhiệt TC âm để bù trừ các mạch điều hưởng có hệ số nhiệt dương.

Nâng cao độ ổn định tần số của bộ dao

› Cách nhiệt cho oscillator; sử dụng bộ cách nhiệt hoặc

các mạch bù nhiệt khác như mạng tụ điện - điện trở

nhiệt

› Sử dụng tinh thể để điều khiển tần số dao động

Nâng cao độ ổn định tần số của bộ dao

động

số nhiệt khoảng 500 ppm/0C ( nếu có bù nhiệt thì

khoảng 100 ppm/0C)

số nhiệt chỉ 10 ppm/0C Các sơ đồ bù nhiệt có thể cải

thiện hệ số nhiệt của XOs chỉ còn nhỏ hơn 1 ppm/0C

Các sơ đồ như vậy gọi là TCXOs

có thể đạt được độ ổn định nhiệt 10-10, nhưng các bộ

giảm nhiệt điển hình tiêu tốn khoảng 4W để hoạt động