Các mạch tạo dao động sử dụng hồi tiếp dương

Có nhiều phương pháp để tạo ra dao động điện: -Tạo dao động bằng hồi tiếp dương; -Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch; -Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ một dãy tín hiệu khác t

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Mở đầu

Kĩ thuật điện tử là ngành mũi nhọn mới phát triển Trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, từ khi ra đời tranzitor (1948), nó đã có những tiến bộ nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi lớn và sâu sắc trong hầu hết mọi lĩnh vực rất khác nhau của đời sống, dần trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất của cách mạng kĩ thuật trình độ cao.(Mà điểm trung tâm là tự động hoá từng phần hoặc hoàn toàn, tin học hoá, phương pháp công nghệ và vật liệu mới)

Trong kĩ thuật điện tử, việc tạo ra các dao động điện là rất quan trọng, nó có mặt trong tất cả các thiết bị điện tử và được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Ví dụ như:

+Trong giáo dục: Với hình thức đào tạo lớp - bài như ở nước ta hiện nay vừa mất thời gian, vừa khó khăn trong việc đi lại cho học tập, với lượng kiến thức, chất lượng đào tạo chưa cao Kĩ thuật điện tử đã giải quyết những khó khăn đó một cách dễ dàng Với việc ứng dụng kĩ thuật điện tử vào giáo dục, đã mở ra một hướng đào tạo mới - đào tạo từ xa, đào tạo qua mạng Internet Với hình thức đào tạo này rất thuận lợi cho việc dạy và học, lượng kiến thức đưa đến cho học sinh nhiều hơn, phong phú hơn Mặt khác tranh thủ tối đa kiến thức và kinh nghiệm của những người thầy giỏi

+Trong quốc phòng: Việc phát hiện các mục tiêu từ xa là rất khó khăn đối với các dụng cụ thông thường cũng như bằng mắt thường; việc phát hiện mìn trong lòng đất, lòng đại dương là rất khó khăn đối với phương pháp thủ công, Kĩ thuật điện tử đã khắc phục những khó khăn đó một cách dễ dàng, bằng cách tạo

ra các Ra đa, các máy dò mìn hoạt động nhờ các sóng vô tuyến điện

+Trong kinh tế: ở nước ta với mục tiêu công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, đưa Việt Nam thành một nước công nghiệp, một nước có dân giàu, nước mạnh, xã hội công bằng và văn minh Kĩ thuật điện tử đóng vai trò là khâu then chốt trong việc thực hiện mục tiêu đó Với việc ứng dụng kĩ thuật điện tử vào sản xuất, nó có thể thay thế con người các công việc buồn tẻ, công việc nguy hiểm, nơi có môi trường làm việc ô nhiễm, có phóng xạ

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

+Trong khoa học kĩ thuật: Việc nghiên cứu các thiên thể trong vũ trụ, các vật chất trong lòng đại dương là rất khó khăn và phức tạp Một ví dụ: Việc đo

khoảng cách từ Trái Đất đến các thiên thể trong vũ trụ, việc xác định hình dạng của chúng là rất khó khăn không thể thực hiện bằng phép đo bình thường được

Kĩ thuật điện tử đã giải quyết vấn đề này một cách đơn giản, bằng cách phóng lên thiên thể các sóng vô tuyến điện và thu sóng phản hồi, rồi xử lý sóng đó (phương pháp vô tuyến định vị)

+Trong y học: Việc khám chữa bệnh bằng các dụng cụ y học thông thường là rất khó khăn, nhất là đối với các bệnh nguy hiểm Kĩ thuật điện tử đã giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng Nhờ ứng dụng kĩ thuật điện tử vào y học, mà ngày nay trong y học người ta có thể tiến hành những ca phẫu thuật nguy hiểm Ví dụ như: thay tim, thay mắt, thực hiện một vết mổ rộng khoảng 1cm,

+Trong đời sống thường ngày: Xã hội ngày càng phát triển, cuộc sống con người càng được nâng cao, do đó mọi công việc cần được giải quyết nhanh gọn

và độ chính xác cao Với các công cụ sản xuất thông thường, lạc hậu thì không thể đáp ứng được nhu cầu đó mà cần phải có công nghệ hiện đại Kĩ thuật điện

tử đã giải quyết vấn đề đó một cách đơn giản

Có nhiều phương pháp để tạo ra dao động điện:

-Tạo dao động bằng hồi tiếp dương;

-Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch;

-Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ một dãy tín hiệu khác thành một dãy hình sin;

-Dùng bộ biến đổi số tương tự (DAC)

Trong đó phương pháp tạo dao động bằng hồi tiếp dương là phổ biến nhất, quan trọng nhất Nó có vai trò quan trọng không thể thiếu được trong các thiết bị điện tử Do đó việc nghiên cứu các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương là rất cần thiết Đề tài luận văn nghiên cứu vấn đề này

Đề tài luận văn bao gồm các phần sau:

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Chương I: Nghiên cứu các vấn đề chung, mang tính đại cương của các mạch

tạo dao động bằng hồi tiếp dương

Chương II: Nghiên cứu các mạch tạo dao động điều hoà

Chương III: Nghiên cứu các mạch tạo dao động không điều hoà hay các xung

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Phần I: Lý thuyết.

Chương I:

CÁCVẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG

Các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương là rất quan trọng trong các thiết

bị điện tử Để nghiên cứu vấn đề này một cách cơ bản, trước hết chúng ta hãy nghiên cứu thế nào là hồi tiếp dương?

I Hồi tiếp

Hồi tiếp là đưa một phần (hay toàn bộ) năng lượng đầu ra của bộ khuếch đại trở về đầu vào của nó có thể thực hiện hồi tiếp trong một tầng, trong vài tầng hay trong cả máy khuếch đại

Hồi tiếp đóng vai trò rất quan trọng đầu vào đầu ra

trong kĩ thuật mạch tương tự

Hồi tiếp cho phép cải thiện các tính

chất của bộ khuếch đại, nâng cao

chất lượng của bộ khuếch đại

Phần năng lượng từ lối ra đưa trở lại

lối vào có thể là điện áp hay dòng điện

vì vậy ta có thể phân ra: Hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dòng điện Có thể hồi tiếp hỗn hợp cả dòng điện và điện áp Khi tín hiệu đưa về hồi tiếp nối tiếp với nguồn tín hiệu vào thì ta có hồi tiếp nối tiếp Khi tín hiệu đưa về hồi tiếp song song với tín hiệu nguồn ban đầu thì ta có hồi tiếp song song

Từ hai đặc điểm trên xác định một loại mạch hồi tiếp cụ thể:

+ Hồi tiếp dòng điện nối tiếp (hình 1.2a): tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với dòng điện ra

+ Hồi tiếp song song dòng điện (hình 1.2b): tín hiệu đưa về hồi tiếp song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với dòng điện ra

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp

: hệ số khuếch đại của bộ KĐ; : hệ số truyền đạt (hồi tiếp)

K



Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

+ Hồi tiếp nối tiếp điện áp (hình 1.2c): tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với điện áp ra

+Hồi tiếp song song điện áp (hình 1.2d): Tín hiệu đưa về hồi tiếp song song với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với điện áp ra

Hình 1.2: Sơ đồ khối các mạch hồi tiếp

Uv: Tín hiệu cần được khuếch đại

U ht : Tín hiệu điện áp cần hồi tiếp U: Tín hiệu điện áp trực tiếp đưa vào bộ khuếch đại

+Ngoài ra ta có thể tổng hợp cả hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dòng điện, do vậy

ta có: Hồi tiếp hỗn hợp nối tiếp và hồi tiếp hỗn hợp song song

Nếu khi hồi tiếp nối tiếp ảnh hưởng đến trị số điện áp vào bản thân bộ khuếch đại U, thì khi hồi tiếp song song sẽ ảnh hưởng đến trị số dòng điện vào bộ khuếch đại:

ht

v U U

U   (1.1) Chia cả hai vế cho điện áp lấy ra U r ta có:

r ht r v

U U

U U

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Mà ta có:

K U

U U K U

r r

1  

ht

K U

K

K   ht  ht 1  

1 1

(1.6)

Nói chung hệ số khuếch đại và hệ số hồi tiếp là những số phức, nhưng nếu ta xét trường hợp điện áp hồi tiếp cùng pha với điện áp tín hiệu thì K > 0 và hồi tiếp được gọi là hồi tiếp dương (dương hồi).Khi hồi tiếp dương, hệ số khuếch đại là:

Ta nhận thấy rằng trong trường hợp này Kht > K nghĩa là hệ số khuếch đại khi

có hồi tiếp dương sẽ tăng lên Nếu K  1 thì Kht tăng lên vô cùng và ta có điều kiện tự kích, lúc này máy khuếch đại trở thành máy phát dao động mà ta sẽ nghiên cứu ở các chương sau Hồi tiếp dương tuy làm tăng hệ số khuếch đại nhưng không được sử dụng trong các bộ khuếch đại âm tần vì nó làm cho bộ khuếch đại kém ổn định

Nếu điện áp hồi tiếp áp ngược pha với điện áp tín hiệu thì K  0 và hồi tiếp được gọi là hồi tiếp âm (âm hồi)

Khi có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại là:

ổn định hơn

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Thực vậy, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho hệ số khuếch đại thay đổi

thì độ không ổn định (đặc trưng bằng tỷ số

K

dk ) sẽ giảm bớt nếu bộ khuếch đại

có hồi tiếp âm

Lấy vi phân 2 vế (1.8 ), ta có:

dkht = 2

) 1 (

) 1 (

k

kdk dk

k













= 2

) 1 ( k

dk







k k dk ht ht    1 1 k dk (1.9) Như vậy ta thấy rằng độ không ổn định của hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp âm nhỏ hơn (1 +k) lần so với độ không ổn định của hệ số khuếch đại khi chưa có hồi tiếp âm Điều này được giải thích như sau: Nếu vì một nguyên nhân nào đó mà hệ số khuếch đại biến đổi một lượng K thì điện áp hồi tiếp âm cũng biến đổi tương ứng một lượng Uht Nếu hệ khuếch đại tăng thì điện áp hồi tiếp cũng tăng làm cho điện áp vào giảm kéo theo sự giảm của điện áp ra, có nghĩa là khuếch đại giảm thì điện áp âm hồi cũng giảm làm cho điện áp vào tăng kéo theo sự giảm của hệ số khuếch đại Như vậy là hồi tiếp âm luôn luôn hạn chế sự thay đổi của hệ số khuếch đại làm chobộ khuếch đại hoạt động ổn định hơn Chính vì vậy mà hồi tiếp âm làm cho hệ số méo tần số cũng như hệ số méo pha của thiết bị khuếch đại giảm bớt; đặc tuyến tần số cũng như đặc tuyến pha tốt hơn Hình 1.3 vẽ đặc tuyến tần số của một tầng khuếch đại khi không có hồi tiếp âm (đường 1) và khi có hồi tiếp âm (đường 2) Khi có hồi tiếp âm (nối tiếp) thì nó làm cho trở kháng vào của tầng khuếch đại tăng lên: Zvht = Zv(1 + K) (1.10) Còn trở kháng ra của tầng khuếch đại giảm hay tăng phụ thuộc vào hồi tiếp là hồi tiếp điện áp hay dòng điện

II Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động K 1

2

f

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

Xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động sơ đồ khối (hình 1.4) trong đó

(1) là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K=Kejk và (2) là khối hồi tiếp có hệ

số truyền đạt K ht=Khtejht Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu X v và giả thiết K K ht

Lúc này ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi

tiếp Rõ ràng, trong sơ đồ này chỉ có dao động mà tần số của nó thoả mãn điều

=1 (1.13) a Xv Xr

Trong đó: a’

k-môđul hệ số khuếch đại; '

r X

kht - là mô dun hệ số hồi tiếp;

k - góc di pha hệ số khuếch đại;

ht - góc di pha của mạch hồi tiếp

Có thể tách (1.13) thành hai biểu thức như sau:

K.Kht= 1 (1.14a) và

 =k+ht = 2n với n= 0;  1 ;  2 (1.14b)

Trong đó:  -tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị

sự dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp '

r

X và tín hiệu vào ban đầu X v Quan hệ (1.14a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ Nó cho thấy mạch

chỉ có 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 (1.14b) cho thấy dao

động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu

hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào

Hình 1.4: sơ đồ khối mạch tạo dao

động theo nguyên tắc hồi tiếp

K hđ(2)

K (1)

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Để minh hoạ ta xét mạch dao động trên hình 1.5 Bộ khuếch đại dùng khuếch

đại thuật toán mắc theo sơ đồ thuận có hệ số khuếch đại:

K=

1

2 1

*

).

1 (

Vì trở kháng ra của bộ khuếch đại nhỏ, nên trong mạch ra mắc thêm điện trở

R để giảm ảnh hưởng của trở kháng ra đến trở kháng của khung cộng hưởng LC Điện áp hồi tiếp về bộ khuếch đại :

M – Hố cảm của cả cuộn dây; L-điện cảm của khung dao động

Điện áp ra bộ khuếch đại: Ur= K*Uht



u dt L dt

du C R

du RC

k k d

u d

du dt

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Từ đây, ta phân biệt ba trường hợp :

1)  > 0, nghĩa là K*Kht < 1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theo hàm số

Kht > 1, biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ

Từ các trường hợp trên đây ta có thể rút ra kết luận: Để có dao động thì khi mới đóng mạch K Kht phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động dao động tăng dần cho đến khi bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà, hệ số khuếch đại giảm dần, sao cho K*

Kht=1, lúc này có dao động ra, nhưng không phải hình sin Để có dao động hình sin cần phải điều chỉnh hệ số khuếch đại sao cho K*Kht=1 và xác lập tại đó trước khi bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà

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

-Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là một 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 1 chiều

-Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thoả mãn điều kiện cân bằng biên

độ (1.14a) và điều kiện cân bằng pha (1.14b)

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

-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 (K.Kht = 1)

III Ổn định biên độ dao động va tần số dao động

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

không đổi ứng với K.Kht= 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 đó

-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 điôt

Tuỳ thuộc vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng một trong những biện pháp trên

2 Ổn định tần số dao động

Vấn đề ổn định tần 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 sự thay đổi tần số dao động

Trong điều kiện (1.14b), cho n= 0 ta có:

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

động:

a)Thực hiện các biện pháp làm giảm sự thay đổi của tham số dm của mạch

khuếch đại và dn của mạch hồi tiếp bằng cách:

-Dùng nguồn ổn áp;

-Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ;

-Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động bằng cách mắc thêm các

bóng đèn ở đầu ra tầng tạo dao động;

-Dùng các linh kiện có sai số nhỏ;

-Dùng các phần tử ổn nhiệt

b) Thực hiện các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số

của mạch, nghĩa là giảm

c)Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi của các góc pha theo tần số,

xung quanh tần số dao động Cụ thể là sử dụng các phần

tử có phẩm chất cao (ví dụ dùng mạch cộng hưởng thạch anh), vì

o o

Q d

IV Phương pháp tính toán mạch tạo dao động

Có nhiều phương pháp để tính toán mạch tạo dao động Ở đây ta chỉ xét

phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch 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 (1.7a) Điều kiện cân bằng pha (1.7b) không cần quan tâm đến,

vì điều kiện này đã được cấu trúc của mạch đảm nhiệm Khi tính toán cần phải

căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K và hệ số hồi tiếp

Kht rồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch

Để minh hoạ ta xét ví dụ sau:

ví dụ: Tính điều kiện tự dao

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

điện dung(mạch colpits) dùng

Tranzitor trên hình 1.4

Giải: Trước hết ta chấp nhận

mạch ba điểm điện dung

đã thoả mãn điều kiện cân bằng pha, tính

điều kiện cân bằng biên độ của mạch:

Bước 1: Tính hệ số khuếch đại của mạch: Hệ số khuếch đại của mạch êmêtơ

chung được tính theo công thức:

2 1

2 1

).

(

.

C C

C C

C C

C C U

U P

L

. (1.27)

L - điện cảm của khung cộng hưởng;

C - điện dung của khung cộng hưởng;

r - điện trở tổn hao của khung cộng hưởng

Zvpa là trở kháng vào phản ánh sang nhánh colectơ - emetơ, nếu giả thiết

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

21

2 11 2

2 11 2

11

21

) 1 ( )

1 (

) 1 (

n h R n

h R

n

h n R

n

h n R

h

h

td td td

21

) 1 (

.

n h R n

h R n

.

11 21 11

2 2 2

11 2



h h

R n n n

h R n

h R

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

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

Thường n << 1, nên (1.32) được viết gần đúng:

1 0

11 21 11

2 td  R td  

h

h n h

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

động Mạch có dao động hình sin tại n1 hoặc n2

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

theo (1.29) và qua tần số dao động của mạch:

2 1

2

1 1

C C

C C L

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Chương II: CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ

(Dao động hình sin)

I Mạch điện các bộ tạo dao động LC

1.Vấn đề ổn định biên độ trong các bộ tạo dao động LC

b) Hiện tượng dao động ngắt quãng

Nếu chọn RECE (hình 1.4) quá lớn thì ngay khi mạch đang ở trạng thái quá độ, điện áp bazơ - emetơ đã quá âm làm cho tranzitor ngắt và mất dao động Sau đó

CE phóng điện qua RE,, điện áp bazơ - emetơ bớt âm dần Sau một thời gian nào

đó mạch dao động trở lại Quá trình đó lặp đi lặp lại và trong mạch xuất hiện dao động ngắt quãng Ngược lại nếu chọn RECE quá bé thì mạch có dao động với biên độ tăng dần (K.Kht > 1), vì vậy cần chọn trị số RECE hợp lý để trong mạch luôn luôn có dao động và mạch làm việc ở trạng thái xác lập khi K.Kht = 1

2 Mạch tạo dao động ghép biến áp

Mạch tạo dao động ghép biến áp cộng hưởng colectơ được biểu diễn trên hình 2.1 Trước hết ta xét điều kiện cân bằng pha của mạch Giả sử điện áp tín hiệu đặt vào bazơ tại một thời điểm nào đó là U B , điện áp trên côlêctơ U c được xác định như sau:

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

U SZ L

M j





= - SZ c U B L

M

(2.3)

Trong đó M là hệ số hố cảm Để thoả mãn điều kiện pha (1.14b), điện áp hồi tiếp U ht phải đồng pha với điện áp ban đầu U B trong (2.3): S, Zc, L đều dương vậy M phải âm để U ht và U B đồng pha

Tóm lại điều kiện cân bằng pha thoả mãn khi:

M < 0 (2.4)

Để có hố cảm âm phải quấn

cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến

áp hồi tiếp ngược chiều nhau

Dấu “*” trên hình 2.1 đánh dấu các

đầu của biến áp

Để xét điều kiện biên độ (1.14b),

n R Z

1 1

M

*

C I L =

*

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

n e e (2.10) Trong đó, Z=Rtđ // Zt

Cho vế trái của (2.10) bằng không và giải ra, ta có:

n1,2 =

Z

h h

h21e 21e 2 11e

) 2

(

2   (2.11) Biểu thức (2.11) giống (1.35), do đó mọi kết luận đối với (1.35) đều đúng cho trường hợp này

Hình 2.2: Đặc tuyến biểu diễn hệ Hình 2.3: Mạch tạo dao động mắc theo

số hồi tiếp theo tải chuẩn sơ đồ Bazơ chung Giả thiết R E >>h 11b

Có thể biểu diễn hệ số hồi tiếp n theo tải chuẩn như trên hình 2.2 Theo đó, ứng với mỗi tải có thể xác định được một hệ số hồi tiếp thích hợp để mạch dao động được

Để tạo dao động có tần số cao, dùng sơ đồ bazơ chung trên hình 2.3 Trong sơ

đồ này điện áp vào và ra cùng pha, nên mạch thoả mãn điều kiện cân bằng pha (1.7b) khi M > 0 Điều kiện biên độ cũng giống sơ đồ emetơ chung, nếu thay

h21e, h11e bởi h21b, h11b

II Các loại mạch ba điểm

1 Nguyên tắc thiết lập mạch ba điểm

Các mạch tạo dao động LC nói chung đều có thể đưa về một kết cấu chung

* M *

C Z t

L

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Hình 2.4: a) Sơ đồ tổng quát mạch tạo dao động ba điểm;

b) Sơ đồ tương đương của A trong a)

Theo hình 2.4, ta tính được:

Hệ số hồi tiếp:

K ht=

3 1

1

Z Z

r

Z r

Z K U

U





 1. (2.13) Với Zt = Z2// (Z1+Z3) (2.14)

Lập tích K.K ht :

K.K ht = - K1

) (

)

2 1

Z Z Z Z Z Z r

Z Z

)

2 1

X X X X X X r

X X

r     (2.16)

Khung dao động gồm các phần tử X1, X2 và X3

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Thường tần số dao động gần bằng tần số cộng hưởng riêng của khung, nên tại

tần số dao động:

X1 + X2 + X3 = 0

Do đó (2.16) được viết lại:

K.Kht= - K1

3 1

1

X X

X

 (2.18)

Từ (2.17) suy ra: X1 + X3 = -X2 (2.19)

K.Kht= K1

2

1

X

X

(2.20)

Theo điều kiện cân bằng pha, để có hồi tiếp dương, tổng di pha do mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp gây nên phải bằng không, tức K.Kht > 0, do đó từ (2.20) suy ra X1.X2 > 0 và X3 trái dấu với X1, X2 Từ đó suy ra hai loại mạch ba điểm:

1) Mạch ba điểm điện cảm:

X1, X2 > 0 và X3 < 0 (2.21)

2)Mạch ba điểm điện dung:

X1, X2 < 0 và X3 > 0 (2.22)

2.Mạch ba điểm điện cảm ( mạch hartley )

Mạch dao động ba điểm điện cảm được biểu diễn trên hình 2.5

+U cc r a

C

R 1 C L 1 E C U tđ L 1 C U tđ L 2

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Ta thấy, mạch điện trên hình 2.5 có:

Thoả mãn điều kiện (2.21), nghĩa là thoả mãn điều kiện cân bằng pha Do đó

ta chỉ cần quan tâm đến điều kiện cân bằng biên độ, ta tính được cho mạch 2.5a:

Kht = - n

L

L U

td e

e (2.24)

Trong đó P là hệ số phản ánh giữa tranzitor và mạch:

P =

2 1

1

L L

L U

(1 + n)2 h11e + n2Rtđ - nRtđ h21e  0 (2.26)

thường n << 1, nên (2.26) được viết gần đúng:

n2 1 0

11 21 11





 td

e e e

h

h n h

e

R

h h

h21 21 2 11

) 2

(

2   (2.28) Đạo hàm (2.27) và xét dấu ta thấy (2.27)  0 khi:

n2 nn1

Tần số dao động của mạch:

C L L f

f dd ch

) (

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

h11b Mặt khác Kht và P được xác định như sau:

Kht = n

L L

L U

2 (2.30)

P = 1 (2.31)

3 Mạch ba điểm điện dung (mạch colpits)

Mạch ba điểm điện dung mắc theo sơ đồ emetơ đã được xét ở ví dụ mục V chương I Ta xét thêm điều kiện cân bằng pha của sơ đồ 1.4:

4.Mạch Clapp

Mạch Clapp là một biến dạng của mạch ba điểm điện dung Ở đây nhánh điện cảm trong sơ đồ 1.4 được thay bởi một nhánh cộng hưởng gồm L và C mắc nối tiếp mà trị số của chúng được chọn sao cho mạch có trở kháng tương đươngvới một điện cảm tại f = fdd nghĩa là: ddL >

C dd

C td

1 1 1 1

2 1

Nghĩa là khung cộng hưởng ghép rất

mỏng với phần tử tích cực nhằm giảm ảnh hưởng của các điện dung phân bố của các phần tử tích cực (điện dung ra, điện dung vào) đến tần số dao động của mạch

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

Hình 2.7:a) sơ đồ quy ước của thạch anh;

b) sơ đồ tương đương về điện của thạch anh

Tần số dao động của mạch:

LC LC

f

f

td ch

Vậy C1, C2 là các điện dung song song với điện dung ra và điện dung vào của

tranzitor, hầu như không tham gia quyết định tần số dao động của mạch Vì vậy

sơ đồ Clapp cho phép tạo dao động có tần số ổn định hơn các loại sơ đồ ba điểm

khác

Điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ của mạch được phân tích hoàn

toàn như đối với sơ đồ ba điểm điện dung Theo điều kiện cân bằng biên độ

h h

h

td

e e

e   (2.35)

n1, n2 là hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch có dao động xác lập khi K.Kht =1

III Các mạch tạo dao động dùng thạch anh

1 Tính chất và mạch tương ứng của thạch anh

Khi yêu cầu mạch tạo dao động có tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp

thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải, vẫn không đảm bảo

được độ ổn định tần số yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số, vì

thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học

cao; ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và tác dụng

hoá học

Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác

dụng của điện trường thì sinh ra dao động cơ học và

ngược lại khi có dao động cơ học thì sinh ra điện tích,

do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng

hưởng

Tính chất dao động của thạch anh

được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

hình 2.7b, trong đó

Lq,, Cq và rq phụ thuộc vào kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq, rq càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hưởng riêng của nó càng cao Lq, Cq, rq có tính chất ổn định cao Cp là điện dung giá đỡ, tính ổn định của Cp kém hơn

Với thạch anh 1MHz thì Lq = 1,5H, Cq =0,016pF; Rq = 60  và Cp = (15)pF Thường rq rất nhỏ nên khi tính toán người ta bỏ qua Với giả thiết rq = 0, thì trở kháng tương đương của thạch anh được xác định:

Zq = Xq =

) (

1 1

1

1 )

1 (

2 2

p q q q

p

q q

p q

p

p q

q

C C L C

C

C L j

C j L j C j

C j C j L j

q

C L

p q q

p q p

C

C f

C C L

C C

p q C C

C C

 Nếu Cp càng lớn so với Cq thì f q càng lớn so

với fp Từ 2.36 vẽ được đặc tính điện kháng

của thạch anh theo tần số như hình 2.8

Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau:

+Có phẩm chất cao: Q  104 105;

+Tỉ số Lq/Cq rất lớn do đó trở kháng tương đương

Rtđ =

rq C

L q

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

10 





f f

Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong một phạm vi hẹp, người ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi Cs như hình 2.9

Lúc này trở kháng tương đương của mạch:

p q q p

q

s p s

p q q

C C L C

C

C C LqCq C

C C C j

q

C C

q q

C C

C f

f f f

q C C

0

2

C C C L C

C C

C L

p q q q

p

q q

Do mắc thêm C 0 nêntần số cộng hưởng song song fp giảm xuống gần bằng fq

và fp hầu như không phụ thuộc vào Cp và Co, nhưng vì thế mà phẩm chất của mạch Q =

C

L r

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song

Trong đó, Ltd là điện cảm tương đương của thạch anh

Ngoài ra, giống như mạch Clapp, trị số của C còn được chọn theo điền kiện (2.46) để giảm ảnh hưởng của điện dung ra và điện dung vào đến tần số dao động của mạch:

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

Tần số dao động của mạch có thể xác định gần đúng như sau:

p

q q

td q p

dd

C

C f

C L f

ở đây Ztđ là trở kháng tương đương của khung cộng hưởng song song, để Ztđ >

0 mạch phải thoả mãn điều kiện sau:

fdd < fch =

k

k C L



2 1

Điều kiện biên độ được xét hoàn toàn tương tự như đối vơí mạch ba điểm điện cảm thông thường

IV.Mạch điện tạo dao động RC

Ở trên ta đã xét các máy phát dao động điều hoà cao tần kiểu LC mà thực chất của nó là những máy khuếch đại cộng hưởng cao tần có hồi tiếp dương, bảo đảm điều kiện tự kích thích  K  1 Với kiểu máy phát này ta không tạo ra được dao động điện từ có tần số thấp vì khi đó L và C có trị số rất lớn Trong thực tế, ở giải tần số thấp (âm tần) người ta dùng những bộ tạo dao động chỉ gồm các yếu tố RC

Thực vậy, muốn trở thành máy phát thì phải bảo đảm trước hết điều kiện về pha Nếu ta dùng một bộ khuếch đại RC mà bản thân sự dịch pha đã là 1800

( ví

dụ bộ khuếch đại dùng một đèn điện tử ba cực hay dùng một tranzito mắc theo lối phát chung thì điện áp cực ra đó lệch pha so với điện áp cực vào 1800

) thì khâu hồi tiếp phải làm dịch pha thêm 1800 nữa để bảo đảm cho sự dịch pha tổng hợp cộng bằng 0 hay bằng 3600

Còn nếu bản thân bộ khuếch đại đã có sự dịch pha bằng 0 ( ví dụ bộ khuếch

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương

_

đại gồm hai tầng khuếch đại RC dùng đèn điện tử ba cực hay dùng tranzito lắp phát chung) thì khâu hồi tiếp phải có sự dịch pha bằng 0 ứng với tần số tự kích thích

1.Bộ tạo dao động RC có mạch hồi tiếp xoay pha 180 0

Điều pha của mạch điện hình 2.12a được thoả mãn khi chọn khâu RC đủ lớn Bản thân phần tứ khuếch đại di pha 1800, do đó mạch hồi tiếp cũng phải có góc pha 1800 Hàm truyền đạt và góc di pha của mỗi khâu RC trên hình 2.2a được xác định như sau:

KRC=

C j R

Theo (2.48b) mỗi khâu RC chỉ có thể tạo ra góc di pha RC < 900 Khi R và C

có trị số khác 0 Vì vậy muốn đảm bảo điều kiện pha, mạch hồi tiếp phải có tối thiểu ba khâu RC, mỗi khâu thực hiện một góc di pha RC = 600 Nếu dùng bốn khâu thì RC = 450

Có thể dùng các khâu RC có giá trị khác nhau, nhưng để đơn giản dùng 3 khâu RC như nhau Trên hình 2.12a để đảm bảo ba khâu mạch giống nhau, mạch phải có các linh kiện thoả mãn: R1 // R2 // rBE = R

Để tính hệ số truyền đạt của mạch di pha RC ba khâu, viết phương trình

+U CC C C C