22
CHƯƠ CH ƯƠ NG NG 2
CÁC MẠ MẠCH TẠ TẠO DAO ĐỘ NG ĐỘNG Chươ ng ng 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, phươ ng ng pháp tính toán các mạch dao động 3 điểm điện c ảm, 3 điểm điện dung, mạch clapp, mạch dao động ghép biến áp, mạch dao động thạch anh, mạch dao động RC...
động 2.1. Các vấ v ấn đề chung về 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 r ăng 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 thườ ng ng đượ c 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 lưỡ ng ng cực, FET, K ĐTT, hoặc như diode tunel, diode gunn. - Đèn dùng khi cần công suất ra lớ n, n, tần số từ thấ p đến r ất cao. - K ĐTT khi tần số yêu cầu thấ p 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 tiế p dươ ng. ng. - Tạo dao động bằng phươ ng ng pháp tổng hợ p mạch. Chươ ng ng này khảo sát mạch dao dươ ng. ng.
động theo nguyên tắc mạch dao động b ằng h ồi ti ế p
23
2.2. Điều kiệ kiện dao động động và đặc đặc điểm củ của mạ mạch dao động động 2.2.1. Điều kiệ kiện để mạch dao động động _ K (A)
XV
a a’
’
X r
Xr
_ Kht(B)
Hình 2.1. Sơ đồ ơ đồ khối tổng quát của mạch dao động
(A): Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại : K = K.e j
ϕ k
jϕ ht (B): Khối hồi tiế p có hệ số truyền đạt : K ht = K ht ht.e
X’r = K ht . Xr Mà
Xr = K . Xv
⇒
X’r = K . K ht.Xv
Mạch chỉ dao động khi Xv = X’r , ngh ĩ a là lúc đó ta có thể nối điểm a và a’ và tín ở lại đầu vào (Mạch điện không có tín hiệu vào mà hiệu lấy ra từ mạch hồi tiế p đượ c đưa tr ở có tín hiệu ra). Vậy điều kiện để mạch dao động là : X’r = Xv ⇒ K . K ht = 1 Hay là :
j (ϕk + ϕht)
K K ht ht . e
= 1 (*)
Trong đó : K : module hệ số khuếch đại K ht ht : module hệ số hồi tiế p Từ (*) ⇒
ϕk : góc pha của bộ khuếch đại ϕht : góc pha của mạch hồi tiế p
⎧K .K ht = 1 ⎨ ⎩ϕ = ϕ k + ϕ ht = 2πn
(1) ( 2)
Vớ i n = 0, ±1, ±2, ...
ϕ : t ổng dịch pha của b ộ khuếh đại và của mạch hồi tiế p, 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 đượ c tổn hao do mạch hồi tiế p gây ra.
24
Biểu thức (2) : điều kiện cân bằng pha cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiế p về đồng pha vớ i tín hiệu vào.
2.2.2. Đặ của mạ mạch dao động Đặcc điểm củ động 1. M ạch dao động c ũng là một m ạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại t ự điều khiển bằng hồi tiế p dươ ng ng từ đầu ra về đầu vào. Năng lượ ng ng tự dao động lấy từ nguồn cung cấ p 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 lượ ng ng một chiều thành xoay chiều. 4. M ạch phải ch ứa m ột ph ần t ử phi tuyến hay một khâu điều ch ỉnh để đảm b ảo cho biên độ dao động không đổi ở tr ạng thái xác lậ p.
định biên độ dao động động và tầ động 2.3. Ổn định t ần số số dao động 2.3.1. Ổn định định biên độ dao động động Khi mớ i đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha
đượ c th ỏa mãn tại một t ần số nào đó, đồng thờ i KK htht > 1 thì mạch phát sinh dao động ở tần số đó. Ta nói mạch ở tr ạng thái quá độ. Ở tr ạng thái xác lậ p biên độ dao động không đổi ứng vớ i K.K ht ht = 1. Để đảm bảo biên độ ở tr ạng thái xác lậ p, có thể thực hiện các biện pháp sau đây : - Hạn chế biên chiều thích hợ p.
độ điện áp ra bằng cách chọn tr ị số điện áp nguồn cung cấ p một
- 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. ở nhiệt, - Dùng mạch h ồi ti ế p phi tuyến ho ặc dùng phần t ử hiệu ch ỉnh. Ví dụ điện tr ở điện tr ở ở 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 số dao động định tầ động Vấn đề ổn định tân số dao động liên quan chặt chẽ đến điều ki ện cân bằng pha. Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiế p 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 tiế p và phụ thuộc ω.
25
ϕK (m, ω) + ϕht (n, ω) = 0 (**) Vi phân toàn ph ần và biến đổi (**) ta nhận đượ c biểu thức :
∂ϕ ht ∂ϕ K ∂ϕ ∂ϕ dm + K dn + K d ω + d ω = 0 ∂m ∂ω ∂ω ∂ω
∂ ϕ ht ∂ ϕ K dm + dn m n ∂ ∂ d ω = − Suy ra: (3) ∂ ϕ K ∂ ϕ ht + ∂ω ∂ω Từ biểu thức (3) ta suy ra các biện pháp nâng cao độ ổn định tần số : 1. Thực hi ện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số của m ạch hồi tiế p (dn) và mạch khuếch đại (dm). - Dùng nguồn ổn áp. - Dùng các phần tử có hệ số nhiệt nhỏ. ở đầu - Gi ảm ảnh h ưở ng ng c ủa t ải đến m ạch dao động b ằng cách mắc thêm tầng đệm ở đầ ra của tầng dao động. - Dùng các linh kiện có sai số nhỏ. - Dùng các phần tử ổn định nhiệt. 2. Dùng các biện pháp nhằm gi ảm t ốc độ thay đổi góc pha theo tham s ố của mạch, ∂ϕ K ∂ ht ngh ĩ a là giảm và bằng cách chọn mạch dao động thích hợ p. ∂m ∂m 3. Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ thay đổi góc pha theo tần số, tức là bằng ∂ K ∂ ht , xung quanh tần số dao động bằng cách sử dụng các phần tử có phẩm chất cao, ∂ω ∂ω ví dụ thạch anh.
2.4. Các phươ phươ ng ng pháp tính toán mạ mạch dao động động 2..4.1. Các mạ mạch tươ tươ ng ng đươ ng ng củ của mạ mạch dao động động dùng transistor
Z3
+
_ Z2
I
Z1
_
+
ơ đồ mạch tạo dao động dùng Transitor Hình 2.2. Sơ đồ
26
z 1 = r 1 + jx1 ≅ jx1
(r 1 ≅ 0)
z 2 = r 2 + jx2 ≅ jx2
(r 2 ≅ 0)
z 3 = r 3 + jx3 ≅ jx3
(r 3 ≅ 0)
Điều kiện dao động : x1 + x2 + x3 = 0 x1 , x2 cùng dấu x1 , x3 khác dấu |x3| > |x2| * Nếu z 1 , z 2 : C ⇒ z 3 : L Ta có mạch dao động ba điểm điện dung (Colpits)
C2
L3
L1
C1 L2
C2
Hình 2.3. Mạch dao động ba điểm điện dung (Colpits)
Hình 2.4. Mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley)
* Nếu z 1 , z 2 : L ⇒ z 3 : C Ta có mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley) Thông thườ ng ng dùng ba mạch điện nhưng ba điểm điện cảm dễ thực hiện.
động ba điểm điện dung vì sự ổn định tốt hơ n
* Mạch biến thể : L C
L2
L1
C3
C1
C2
Hình 2.5. Mạch dao động ghép biến áp
Hình 2.6. Mạch dao động Clapp
27
2.4.2. Phươ Phươ ng ng pháp tính toán. ở đây ta xét phươ ng Có nhiều phươ ng ng pháp, nhưng ở đ ng pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phươ ng ng pháp bộ khuếch đại có hồi tiế p. Xem điều kiện pha đã bảo đảm (do k ết cấu mạch đảm nhiệm). Ta chỉ cần căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K và K và hệ số hồi tiế p K p K ht ht . Sau đó d ựa vào điều ki ện cân bằng biên độ K.K ht ht = 1 để suy ra các thông s ố cần thiết của mạch, ví dụ : Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điện dung sử dụng BJT Lc Vcc
C R1 Ct C1 L
E I R2
Re
Vtd
C2 Ce
B Hình 2.7. Sơ đồ ơ đồ mạch dao động ba điểm điện dung dùng Transitor
R E , C E : thành phần ổn định nhiệt R1 , R2 : phân cực LC : cuộn cản cao tần để giảm ảnh hưở ng ng tần số dao động về nguồn C t t : tụ liên lạc cao tần (thoát cao tần) + Bướ c 1 : Tính hệ số khuếch đại K : K : K = - S.Z c = -
h21e h11e
Z c
S : S : hỗ dẫn BJT
ở kháng giữa Colectơ và đất : nó là một phần tr ở ở kháng của khung cộng Z c : tr ở hưở ng. ng. Z c = p2 Rtd // Z vpa vpa
ở kháng vào phản ảnh sang nhánh Colectơ -emit Z vpa -emitơ . vpa : tr ở Nếu R1 // R2 >> h11e ta có :
28
Z v
Z vpa vpa =
n2
h11e
=
n2
Trong đó : n là hệ số phản ảnh. 0
& V BE & V CE
=
I
:
jωC 2
I jωC 1
=
C 1 C 2
0
ở kháng của khung cộng hưở ng Rtd là tr ở ng tại tần số cộng hưở ng. ng. Rtd
=
L Cr
L : điện cảm của khung cộng hưở ng ng C : C : điện dung của khung cộng hưở ng ng
ở tổn hao của khung cộng hưở ng r : r : điện tr ở ng p : hệ số ghép của Transistor vớ i khung cộng hưở ng ng
p
& V
I
I
jω
I
= &CE = = × : C 1C 2 jω C 1 V td jω C 1 jω C 1 + C 2 =
C 1C 2
C 2
=
(C 1 + C 2 )C 1
C 1 + C 2
=
1 C 1 C 2
=
Z C =
p Rtd + Z VPa 2
1
Z C
⇒
K = −
⇒
K = −
( 1 + n ) n 2 Rtd h11e ( 1 + n )2
K ht
+
n 2 Rtd + h11e ( 1 + n ) 2 h21e
Rtd .h11e
h11e n Rtd + h11e ( 1 + n ) 2 2
Rtd h21e n 2 Rtd + h11e ( 1 + n )2
+ Bướ c 2 : Xác định hệ số hồi tiế p :
& BE V
h11e 2
Rtd .h11e
⇒
=
=
I
I
C
= & =− : = − 1 = −n jωC 2 jωC 1 C 2 V CE
+ C 2
I
Rtd
⇒
C 1
+1 1+ n
2
p Rtd Z VPa
C 1C 2
n2
29
+ Bướ c 3 : Tính tích K.K tích K.K ht ht : KK ht = n.
Rtd .h21e n Rtd + h11e ( 1 + n )2 2
+ Bướ c 4 : Xác định điều kiện dao động của mạch : K.K ht ht ≥ 1
⇒ (1 + n )2 + n 2
Rtd h11e
−
h21e h11e
Rtd n ≤ 0
ườ ng Dấu “ = ” ứng vớ i tr ườ ng hợ p dao động xác lậ p. ườ ng Dấu “ < ” ứng vớ i tr ườ ng hợ p quá độ lúc đóng mạch. + Bướ c 5 : Xác định hệ số hồi tiế p cần thiết để mạch tự dao động đượ c. c. Thườ ng ng n << 1 nên biểu thức trên có thể viết : n2
Rtd h11e
− 2n
⇔ n2 − 2
h21e 2h11e
h 21e 2
Rtd + 1 ≤ 0
n+
h 11e R td
(*)
≤0
Giải phươ ng ng trình bậc hai này ta nhận đượ c : n1 ,2
2
h ⎞ h = ± ⎛ ⎜ 21e ⎟ − 11e 2 ⎝ 2 ⎠ Rtd h21e
(*) ≤ 0 khi n2 ≤ n ≤ n1 Lúc đó mạch có dao động hình sine (ở tr ạng thái xác lậ p) tại n1 hoặc n2 2
Vì
⎛ h ⎞ h ⎛ h ⎞ Rtd >>⇒ ⎜ 21e ⎟ − 11e ≅ ⎜ 21e ⎟ ⎝ 2 ⎠ Rtd ⎝ 2 ⎠
⇒ n1 = h21 > ⇒ loại bỏ n1 vì điều kiện
2
n <<1
+ Bướ c 6 : Xác định tr ị số linh kiện m ắc trong mạch qua hệ số hồi tiế p n và qua tần số dao động của mạch. Từ giá tr ị n = n2 vừa tìm đượ c ta có : 2 ⎧ C h h h ⎛ ⎞ 21 e 21 e ⎪n = 1 = n2 = − ⎜ ⎟ − 11e 2 ⎪ C 2 ⎝ 2 ⎠ Rtd ⎪ ⇒ tìm đượ c L, C 1 , C 2 ⎨ 1 f = f = ⎪ dd CH C C ⎪ 2π L 1 2 ⎪⎩ C 1 + C 2
30
2.5. Mạ Mạch điện các bộ bộ dao động động LC 2.5.1. Vấ Vấn đề ổn định định biên độ Để ổn định biên độ trong các mạch dao động LC, thườ ng ng dùng phươ ng ng pháp di chuyển điểm làm việc c ủa ph ần t ử tích cực. Điện tr ở ở R R E trong mạch điện tính toán ở trên làm nhiệm vụ đó.(Nếu không mắc tụ C E //R E ) Khi mớ i đóng mạch, nhờ có phân áp R 1, R 2 nên tiế p giáp BE của Transistor đượ c định thiên và làm việc vớ i góc cắt θ = 180o tươ ng ng ứng vớ i chế độ dao động mềm. Hỗ dẫn S của Transistor tại điểm làm việc ban đầu khá lớ n, n, do đó KK ht ht > 1 và mạch ở vào chế độ ườ ng quá độ. Biên độ dao động tăng dần làm cho hạ áp trên R trên R E (tr ườ ng hợ p không có tụ mắc ở về cực B c ủa BJT tăng song song) tăng dần, đồng thờ i điện áp hồi ti ế p có cực tính âm tr ở dẫn đến phân cực BE giảm, m ạch chuyển sang chế độ C ứng v ớ i góc cắt θ < 90 o. T ươ ng ng ứng v ớ i ch ế độ dao động c ứng. Đồng thờ i h ỗ dẫn trung bình giảm làm cho hệ số khuếch
đại K = K = -
h21 h11
giảm và tích KK tích KK ht ht t iến tớ i bằng 1 ở chế độ xác lậ p.
Trong mạch ta đã dùng hồi tiế p âm trên R E hỗ dẫn lớ n sang khu vực có hỗ dẫn bé.
để chuyển d ịch làm việc t ừ khu vực có
IC
Điểm làm việc t ĩ ĩ nh nh
VBE
ωt Hình 2.8. Đặc tuyến VBE - IC của Transitor động 3 điểm điện cả 2.5.2 Mạ Mạch dao động cảm (Hartley) Xét dao động 3 điểm điện cảm mắc E chung. Ta thấy : X 1 = X CE L1>o, X 2 = CE = ω X BE = ω L2 > o, X 3 = X CB CB = −
1
ωc Thỏa mãn điều kiện cân bằng về pha
Điều kiện cân bằng biên độ : (tính cho mạch hình 2.11)
31
Vcc C1
R3
C
R1 C2 L1 R2
Re
Ce
Vtđ
C
E
E
L2
B ơ đồ mạch tạo dao động Hartley mắc E chung Hình 2.11. Sơ đồ Hệ số khuếch đại:
K = − SZ c
h21e
=−
h11e
h11e
( p 2 Rtd //
n2
) ]
Hệ số phản ảnh khi L khi L1 và L và L2 ghép chặt trên cùng một lõi: n=−
V BE
=
V CE
V EB V CE
=
Ijω( L2 + M ) Ijω( L1 + M )
Trong đó M là M là độ hỗ cảm giữa 2 cuộn dây Thông thườ ng: ng: k = 0 ,5 ÷ 0 ,9 k = 0 ,1 ÷ 0 ,2
=
L2 + M L1 + M
M = k L1 L2
ở băng sóng dài và sóng trung ở băng sóng ngắn
Khi L Khi L1 và L và L2 ghép lỏng, ghép trên từng lõi riêng: M=0 riêng: M=0 Lúc đó:
n=−
K ht
=
V BE
=
V CE
V BE V CE
=
V EB V CE
=
Ijω L2 Ijω L1
=
L2 L1
− Ijω L2 L = − 2 = −n Ijω L1 L1
p: p: hệ số ghép giữa transistor và mạch (khi L (khi L1 và L và L2 ghép lỏng) : p
=
V CE V td
=
V CE V CB
=
L1 L1 + L2
⇒
V CE V CB
=
V CE V CE + U EB
= 1+
1 V CE V EB
= 1−
1 V CE
=
1 1+ n
V EB
ướ c ta tìm đượ c bất phươ ng Thực hiện tươ ng ng tự như các mạch tr ướ ng trình :
32
n2
− 2n
Tần số dao động : f dd = f CHR =
h21e 2
+
1 2π LΣ C
h11e
≤0
Rtd
=
1 2π ( L1 + L2 )C
Nếu ghép chặt : L : LΣ = L1 + L2 + 2M Vr
C L1
C1
E
R2
V t tđ đ
L2
Re C2
C
B
R1
Vcc
ơ đồ mạch dao động 3 điểm điện cảm (Hartley) Hình 2.12 Sơ đồ mắc theo cực B chung. 2.5.3 Mạ Mạch điện dao động biến áp động ghép biế Vcc R1
C
M *
C
B
R2
B
C
Cb
E
Re
L
V ht ht = V BE
*
Ce
E
E
Vcc
ơ đồ mạch tạo dao động ghép biến áp mắc E chung Hình 2.9. Sơ đồ Tươ ng ng t ự như mạch dao thức:
động 3 điểm điện cảm h ệ số phản ánh đượ c tính theo biểu
33
n=-
& V BE
=−
&CE V
jω MI jω LI
M
=−
L
⇒ M < 0
Vớ i M là M là độ hỗ cảm giữa 2 cuộn dây sơ cấ p và thứ cấ p. Ngh ĩ a là hai cuộn dây sơ cấ p và thứ cấ p phải có cực tính ngượ c nhau để điện áp hồi tiế p về đồng pha vớ i điện áp vào.
Điều kiện biên độ : K.K ht ht = 1;
K ht ht = - n =
K = - SZ C C ; Trong đó :
1 Z C
=
1 p 2 Rtd
+
1 p 2 Z t
Z vpa vpa =
+
n2
=
h11e
1 p 2 Z
+
n2 h11e
M L
h11e n2
vớ i Z = Rtd // Z t
ướ c khi lấy ra tải Nếu tín hiệu ra từ mạch dao động đưa vào mạch khuếch đại đệm tr ướ 2 thì Z thì Z t t>>Z qua Z t t. vpa vpa, và Z t t >> p .Rtd . Do đó có thể bỏ qua Z Lúc đó:
Z c
= p 2 Rtd //
⎛
h21e ⎞
n2
h21e
S =
Lậ p tích : K.K : K.K ht ht ≥ 1 ⇒ ⎜ ⎜−
h11e
h11e
R h
nh R
⎟⎟ 2 td 11e ( −n ) ≥ 1 ⇒ 2 21e td ≥ 1 n Rtd + h11e ⎝ h11e ⎠ n Rtd + h11e p =
V CE V td
=
V CE V CE
=1
thay vào ta đượ c : n2
− 2n
=
h21e
h21e 2
+
h11e Rtd
≤0
Giải ra ta đượ c k ết quả : n1 ,2
2
2
⎛ h ⎞ h ± ⎜ 21e ⎟ − 11e ⎝ 2 ⎠ Rtd
K ết quả cũng giống như mạch ở phần trên đã tính toán
34
Tần số dao động của mạch : f =
1 2π LC
Để tạo dao động có tần số cao, dùng sơ đồ ơ 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 ơ đồ emitơ chung nếu thay h21e , h11e bở i h21b và h11b. n=
& V EB & V CB
=
Ijω M M Ijω L
p =
V CB V td
=
L
;
0
=1 M *
* L
R2
Ce
R1
C
Zt
Re
Vcc
ơ đồ mạch tạo dao động ghép biến áp mắc B chung Hình 2.10. Sơ đồ 2.5.4 Mạch Clapp Vcc Rc R1 C3 Cr Cv
R2
C1 L
E Re
Ce C2
Hình 2.13. Sơ đồ ơ đồ mạch tạo dao động Clapp
C
35
Đây là biến dạng của mạch ba điểm điện dung. Nhánh điện cảm cần đượ c thay bở i một mạch cộng hưở ng ng gồm L, C nối tiế p mà tr ị số của chúng đượ c chọn sao cho mạch có 1 ở kháng tươ ng tr ở ng đươ ng ng vớ i một điện cảm tại f = f d d đ đ, ngh ĩ a là ω dd L > ω dd C
Hệ số ghép giữa transister và khung c ộng hưở ng: ng: n
V BE
= −
I
=
V CE
K ht =
p =
j ω C 2
V BE V CE
V CE
I
C 1
=
j ω C 1
C 2
= −n
I
=
V td
jωC 1 1
Trong đó :
:
=
C td
:
1
I
=
C td
jωC td +
C 1
1
+
C 2
C 1 1 C
Thườ ng ng chọn C << C 1 , C 2 => C ≈ C td td => p =
C td
=
C 1
C C 1
<< 1
Ngh ĩ a là khung cộng hưở ng ng ghép r ất lỏng vớ i BJT nhằm giảm ảnh hưở ng ng 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 : f dd
=
f ch
1
=
≈
2π LC td
1 2π LC
Vì vậy C1, C2 và các điện dung vào ra của transistor hầu như không tham gia ơ đồ Clapp cho phép tạo dao động có tần quyết định t ần s ố dao động c ủa m ạch . Do đó s ơ đồ ơ đồ ba điểm khác. số ổn định hơ n các loại sơ đồ Theo điều kiện cân bằng biên độ ta xác định đượ c phươ ng ng trình:
( −n).(−
h21e h11e
).
C 2 Rtd h11e . 2 2 n C 1 C 2 Rtd C 1
2
+
h11e
=
nh21e Rtd .C 2 C 2 Rtd n 2
2
+ h11e .C 1
n2
Suy ra: C n 2 Rtd − nh21e Rtd + h11e ( 1 ) 2 C
≤
0
≥ 1.
36
⇔ n2 − 2
h21e 2
n+
h11e C 1 2 ( ) Rtd C
≤0
Từ đó tính đượ c : n1, 2
=
h21e 2
2
h ⎞ h ⎛ C ⎞ ± ⎛ ⎜ 21e ⎟ − 11e ⎜ 1 ⎟ ⎝ 2 ⎠ Rtâ ⎝ C ⎠
2
2.5.5 Các mạ mạch tạ tạo dao động thạch anh động dùng thạ 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 nướ c ta. Thạch anh chính là dioxid silicium SiO2 cùng chất làm lớ p cách điện ở transitor MOSFET. Ở tinh thể thạch anh có các tr ục mang tên Z, X, Y. Tr ục Z xuyên qua hai đỉnh tháp, tr ục X qua hai cạch đối và thẳng góc vớ i tr ục Z (có 3 tr ục X), tr ục Y thẳng góc vớ i hai mặt đối (có 3 tr ục Y). Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng đựơ c cắt ra từ tinh thể. Tùy theo mặt c ắt th ẳng góc vớ i tr ục nào mà lát th ạch anh có dặc tính khác nhau. Th ườ ng ng tr ục cắt là AT (thẳng góc vớ i tr ục Y, song song vớ i tr ục X và tạo vớ i tr ục Z một góc 35o15’). Lát thạch anh có diện tích mặt khoảng một đến vài cm2 đượ c mài mỏng đến vài mm sao cho hai mặt thật phẳng và thật song song. Hai mặt này đượ c mạ kim loại (vàng hay bạc) và hàn vớ i hai điện cực làm chân ra. K ế đến lớ p thạch anh đượ c b ọc trong một lớ p bột cách điện và đượ c đóng trong hộ p thiết kín có hai chân ló ra, bên trong có th ể đượ c hút hết không khí. Z
(tr ục quang)
điện cực (chân ra)
Y
bạc
(tr ục cơ )
X (tr ục điện)
thạch anh
Hình 2.14. Tinh thể, cấu tạo và hình dạng linh kiện thạch anh Đặc tính của tinh thể thạch anh là hiêu ứng áp điện (piezoelectric) theo đó khi ta áp hai mặt của lát thạch anh thì một hiệu điện th ế xuất hiện giữa hai mặt, còn khi ta kéo dãn hai mặt thì hiệu điện thế có chiều ngượ c lại. Ngượ c lại, dướ i tác dung của hiệu thế xoay chiều lát thạch anh sẽ rung ở tần số không đổi và như vậy tạo tín hiệu xoay chiều ở tần số không đổi. Tần số dao động của thạch anh tuỳ thuộc vào kích thướ c của nó (đặc biệt là chiều ườ ng dày) và mặt cắt. Tần số dao động thay đổi theo thờ i gian và nhiệt độ môi tr ườ ng nhưng nói chung r ất ổn định. Ảnh hưở ng ng quan tr ọng nhất lên thạch anh là nhiệt độ. Khi nhiệt độ
37
thay đổi, kích thướ c của lát thạch anh thay đổi dẫn đến tần số dao động thay đổi theo, nhưng dù sao cũng tram ngàn lần ổn định hơ n các mạch không dùng thạch anh. Do đó trong những ứng dung cần ổn định tần số r ất cao ngườ i ta phải ổn định nhiệt độ thạch anh. Các đồng hồ chỉ giờ (đeo tay, treo tườ ng) ng) đều dùng dao động thạch anh.
2.5.4.1. Tính chấ chất và mạ mạch tươ tươ ng ng đươ ng ng củ của thạ thạch anh Lq , C q , r q : phụ thuộc kích thướ c khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh.
A A
Lq Cp
C q: Điện dung tạo bở i 2 má ghép vớ i đầu ra.
Cq rq
Thông thườ ng ng r q r ất nh ỏ có thể bỏ qua.
B
B
Hình 2.15. Ký hiệu và mạch tươ ng ng đươ ng ng của thạch anh + Thạch anh đượ c cấu tạo từ SiO2, đượ c sử dụng khi yêu cầu mạch dao tần số ổn định cao vì hệ số phẩm chất Q của nó r ất lớ n. n.
động có
ườ ng + Thạch anh có tính chất áp điện : Điện tr ườ ng - sinh dao động cơ học và dao động cơ học - sinh ra điện tích. Do đó có thểdùng thạch anh như một khung cộng hưở ng. ng. Bỏ qua r q (r q = 0) thì tr ở ng đươ ng ng của thạch anh đượ c xác định : ở kháng tươ ng
⎛ ⎞ ⎜ jω Lq + 1 ⎟. 1 2 ⎜ jω C q ⎠⎟ jω C p ω LqC q − 1 ⎝ = j Z q = X q = 2 1 1 ω (C p + C q − ω Lq .C p .C q ) + jω Lq + jω C q
jω C p
Gọi f d dđ là tần số dao động của 1 mạch đ Từ (*) thạch anh có 2 tần số cộng hưở ng: ng: -
Tần số cộng hưở ng ng nối tiế p f p f q ứng vớ i Z q = 0 f q
-
=
1 2π Lq .C q
Tần số cộng hưở ng ng song song : f : f p ứng vớ i Z q = ∞ f p
=
1
C q
+ C q
2π Lq C q C p
=
1 2π LC td
= f q
1+
C q C p
(*)
38
Trong
đó :
C td
=
C q C p C q
Cq nối tiế p C p
+ C p
Khi C p >> Cq => f p ≈ f q . Dựa vào đặc tính điện kháng ta thấy jX q
Nối tiế p
Song song
Nếu f d dđ < f q - Thạch anh ⇔ C đ
Nếu f q < f d dđ < f p -T.anh đ
Nếu f d dđ >f p - Thạch anh đ
Các thông số đặc tr ưng của T.A:
f p f
f q
Hình 2.16. Đặc tính điện kháng của thạch anh
⇔ L ⇔ C
f q : 1KHz ÷ 100MHz. Các thạch anh có tần số thấ p hơ n ít đượ c s ản xuất, vì loại này kích thướ c lớ n hơ n và đắt tiền. Thực tế, ngườ i ta thườ ng ng sản xuất thạch anh có tần số f q : 50KHz ÷ 1MHz vì chọn đượ c mặt cắt có tính ổn định nhất cho thạch anh.
Lq
r q =0 ⇒ Rtd =
Lq C q r q
r ất lớ n
Q = Rtd
C q Lq
=
C q r q
= 10 4 ÷ 10 5 r ất lớ n
Độ ổn định tần số : ∆ f f 0
≈ 10 −6 ÷ 10 −10
Để thay đổi tần số cộng hưở ng ng của thạch anh trong một phạm vi hẹ p, ngườ i ta mắc nối tiế p thạch anh vớ i một tụ biến đổi Cs như hình vẽ. q
CS
Hình 2.17
Tần số cộng hưở ng ng nối tiế p của nó : f q/
= f q
1+
C q C q
+ C s
Lượ ng ng thay đổi tần số do mắc thêm C s vào:
39
∆ f f q
=
f q/
− f q f q
=
1+
C q C p
+ C s
−1 =
C q
1 2 C q
+ C s
2.5.4.2. Mạ Mạch điện bộ bộ tạo dao động thạch anh vớ vớ i tầ tần số số cộng hưở hưở ng ng song song động dùng thạ Vcc Rc Rb1
C1
q
Rb2 Re
CS
C2
Ce
Hình 2.18. Mạch bộ dao động dùng thạch anh vớ i tần số cộng hưở ng ng song song Nhánh thạch anh mắc nối tiế p vớ i tụ C s tươ ng ng thể dao động dướ i dạng 3 điểm điện dung.
đươ ng ng vớ i 1 điện cảm để mạch có
Lúc đó phải chọn thạch anh sao cho: f q< f dd dd < f p
1
và
ω dd c s
< ω dd Ltd
2.5.4.3. Mạ Mạch điện bộ bộ tạo dao động thạch anh vớ vớ i tần số số cộng hưở hưở ng ng nố nối tiế tiếp động dùng thạ Cs
q q
C1 L3
R 2 Ce
R 1
Re
C2
Re C3 Vcc
Hình 2.19. Mạch dao động dùng thạch anh vớ i tần số cộng hưở ng ng nối tiế p, ghé p biến áp, EC
R 1
R 2 Vcc
Hình 2.20. Mạch d.động thạch anh vớ i tần số cộng hưở ng ng nối tiế p, ba điểm điện dung, BC
40
T1
C1
T2
q
Ck R 1
R 2
Re
Rc
R 3
R 4
Lk
Re Vcc
Hình 2.21. Mạch bộ dao động dùng thạch anh vớ i tần số cộng hưở ng ng nối tiế p hồi tiế p qua hai tầng khuếch đại Trong 3 sơ đồ trên, thạch anh ghép có tính chọn lọc đối vớ i tần số.
đượ c mắc hồi tiế p và đóng vai trò như 1 phân tử
ở kháng X Khi f Khi f d p) thì tr ở kháng X q = 0 - hạ áp trên thạch anh nhỏ làm điện áp d đ đ ~ f q (nối tiế hồi tiế p về tăng lên và mạch tạo ra dao động vớ i tần số f dd dd = f q 2.5.5. Mạ Mạch điện các bộ bộ tạo dao động động RC Đặc điểm chung của các bộ tạo dao động RC: 1. Thườ ng ng dùng ở phạm vi tần số thấ p thay cho các bộ LC vì kích thướ c của bộ tạo dao động LC ở tần số thấ p quá lớ n. n. 2. Không có cuộn cảm, do đó có thể chế tạo nó dướ i dạng vi mạch 3. Trong bộ dao động RC - f dd dd tỉ lệ vớ i 1/C, còn trong b ộ dao động LC thì f dd dd tỉ lệ vớ i
1 C
trong bộ dao động RC dễ dàng thay đổi f dd dd vớ i bộ dao động LC
4. Yêu cầu bộ dao động RC làm việc ở chế độ A để giảm méo 5. Vì khâu hồi ti ế p (gồm các phân tử R,C) phụ thuộc tần số, nên mạch sẽ tạo đượ c dao động tại tần số mà điều kiện pha đượ c thỏa mãn
Bộ dao động RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiế p:
R1 C
C
C
R2 Vr
V1
R I1
R I2
R
V2
I3
Hình 2.22. Mạch dao động RC
41
Hệ phươ ng ng trình :
⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ + R ⎟⎟ I 1 − RI 2 = V &1 ⎝ jω C ⎠ ⎛ 1 ⎞ − RI 1 + ⎜⎜ + 2 R ⎟⎟ I 2 − RI 3 = 0 ⎝ jω C ⎠ ⎛ 1 ⎞ − RI 2 + ⎜⎜ + 2 R ⎟⎟ I 3 = 0 ⎝ jω C ⎠ &2 RI 3 = V Hệ số truyền đạt của mạch :
&1 ⎡ 1 V 5 6 ⎤ & = 1− + − K = j ⎢( ω RC )3 ω RC ⎥ &2 V ( ω RC )2 ⎣ ⎦ * Phần
ảo = 0 ⇒ ω = 1
Thay ⇒ ω =
6.RC
vào phần thực ta tính đượ c điều kiện cân bằng biên độ :
6 RC .
K = 1 −
⇒ K =
5 2 (ω R.C )
R1
R2
1
= 1 − 30 = 29
= 29 ⇒ R1 = 29 R2
Mạch dao động dùng mạch lọc T và T - kép trong m ạch hồi tiế p : R C
C
C
1
R
C
3
1
2 V1
V1
2
V2
R C/2
R 2R
V2
Hình 2.23. Mạch bộ dao động dùng mạch lọc T và T kép trong hồi tiế p
•
Vớ i mạch lọc T, viết phươ ng ng trình dòng điện cho nút 1 và 2, từ đó xác định đượ c hệ số truyền đạt:
42
−
−
K ht =
V r
=
−
V v
a 2 − 1 + j 2a a 2 − 1 + j3a
⎧⎪ ⎨ K ht = ⎪⎩
ϕ ht ht = 0 khi a = 1 tức ω dd =
1 RC ω
− 1) 2 + 4a 2 (a 2 − 1) 2 + 9a 2
(a 2
= arctg
ϕ ht
trong đó a =
a (1 − a 2 ) (a 2
− 1) 2 + 6a 2
1 RC
Thay a = 1 vào kht ta tìm đượ c : K ht = K htmun
•
=
2 3
Vớ i mạch lọc T kép: K ht =
V 2
=
V 1
−1 (a 2 − 1) + j 4a a2
vớ i
a=
1 ω RC
Từ đó ta suy ra : 2 ph ươ ng ng trình Module và pha:
−1 (a 2 − 1) 2 + 16a 2 − 4a 4a ϕ ht = arctg 2 = arctg a −1 1− a2
K ht
a2
=
Khi a = 1 ⇒ ω dd =
1 RC
và ϕ ht = ±
π
2
Và K ht ht = K htmun htmun = 0
•
Mạch tạo dao động vùng K ĐTT có mạch T trong mạch nối tiế p:
Vr R C
C R
R 1
R 2
Hình 2.24. Mạch bộ dao động dùng K ĐTT có mạch lọc T trong mạch hồi tiế p
43
R 1, R 2 : Mạch hồi tiế p dươ ng; ng; T : Hồi tiế p âm Tại ω dd : K ht (−) =
2 3
Vì K Vì K o của K ĐTT r ất lớ n => K ht ( + )
= K ht (−) và
K ht ( + )
=
R2 R1 + R2
2
= ⇒ R2 = 2 R1 3
Chính là điều kiện cân bằng biên độ của mạch.
