›
›

Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 3: Các mạch tạo dao động - Trần Tuấn Vinh

pptx 86 trang huongle 5110
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 3: Các mạch tạo dao động - Trần Tuấn Vinh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptxbai_giang_dien_tu_cho_cong_nghe_thong_tin_chuong_3_cac_mach.pptx

Nội dung text: Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin - Chương 3: Các mạch tạo dao động - Trần Tuấn Vinh

  1. Điện tử cho CNTT Electronic for IT Trần Tuấn Vinh Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
  2. Nội dung ▪ Chương 1: Phổ tín hiệu ▪ Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio ▪ Chương 3: Các mạch tạo dao động ▪ Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ ▪ Chương 5: Điều chế tần số và pha. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 2
  3. Chương 3 ▪ Giới thiệu chung 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 ▪ Thạch anh và các bộ dao động thạch anh ▪ Mạch dao động thạch anh Pierce Copyright (c) 8/2009 by KTMT 3
  4. 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 ▪ Ứng dụng của mạch dao động  Đồng hồ định thời  Tạo sóng mang để truyển tín hiệu tần số cao  ▪ Các loại mạch dao động  Mạch dao động Amstrong  Mạch dao động Harley, Colpitts, Clapp, Pierce  Mạch dao động cầu Wien Copyright (c) 8/2009 by KTMT 4
  5. Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao động ▪ Việc nhớ tên các mạch dao động không quan trọng bằng việc hiểu rõ cấu tạo của chúng ▪ Các tiêu chí đánh giá một mạch tự dao động  Nguồn cung cấp  Hệ số khuếch đại.  Sơ đồ xác định tần số.  Phản hồi dương(điều kiện pha và hệ số khuếch đại vòng =1). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 5
  6. 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 tổn hao trong. ▪ Một số mạch hoặc bộ cộng hưởng đòi hỏi phải điều chỉnh tần số dao động. ▪ Toàn bộ mạch và các vật liệu như kim loại, chất khí, chất lỏng, chất rắn được sử dụng để điều khiển tần số của các Oscillators Copyright (c) 8/2009 by KTMT 6
  7. Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao động ▪ Oscillators là một hệ thống phản hồi phải thoả mãn hai tiêu chuẩn, gọi là tiêu chuẩn Barkhausen:  Tín hiệu phản hồi phải đồng pha với tín hiệu vào sau khi kết thúc một vòng.  Hệ số khuếch đại vòng ở trạng thái ổn định phải bằng 1. (AvB = 1) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 7
  8. Hệ số khuếch đại vòng ▪ Hệ số khuếch đại vòng của hệ thống được xác định như sau vfb=Bv0 v0=(vi+vfb)Av vA0 v ==A fb viv1− A B Av là hệ số khuếch đại của hệ thống(theo hướng trái-phải), B là tỷ số điện áp ra trên điện áp vào mạch phản hồi - hệ số phản hồi. Afb là hệ số khuếch đại toàn phần của hệ thống có phản hồi – hệ số khuếch đại vòng Copyright (c) 8/2009 by KTMT 8
  9. Hệ số khuếch đại vòng ▪ Nếu mạch có phản hồi âm thì : Av Afb = 1+ ABv ▪ Với mạch phản hồi dương thỏa mãn điều kiện Barkhausen thì AvB=1 khi đó: A A =v → fb 11− ▪ Đây là điều không mong muốn trong hệ thống hồi tiếp dương nhưng nó là một điều cần thiết cho mạch dao động. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 9
  10. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 10
  11. Ví dụ trường hợp AvB>1 0 ▪ Giả thiết hệ số khuếch đại BC : AV=-100 = 100 180 ▪ Biến áp là lý tưởng(k=1) và tỷ số biến áp np/ns = 90:1 ▪ 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  ▪ Tín hiệu ra lại tiếp tục tăng, vậy nó sẽ tăng đến khi nào ? ▪ Nó sẽ dừng lại khi hệ thống là bão hoà tuyến tính Copyright (c) 8/2009 by KTMT 11
  12. 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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 12
  13. Ví dụ trường hợp AvB>1 ▪ Với điện áp 24V đỉnh đỉnh trên Collector điện áp đầu ra là 24V/90 = 266.7 mV ▪ Do mạch phản hồi điện áp này được phản hồi ngược về Base ▪ Hệ số phản hồi B= tỷ số biến áp = 1/90 ▪ Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bão hòa vc/vb= - (24 V pk-pk)/(2.667 mV pk-pk)= - 90 ▪ Vậy hệ số khuếch đại vòng : AVB = 90 * 1/90 =1 Thỏa mãn điều kiện Barkhausen Copyright (c) 8/2009 by KTMT 13
  14. Kịch hoạt mạch tự dao động ▪ Mạch dao động sẽ hoạt động khi có kích thích của một dãy xung đầu vào. ▪ Quay lại với ví dụ trên ta giả thiết nguồn điên chưa bật và chưa có dòng điện chảy trong mạch ▪ 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 14
  15. Tần số mạch tự dao động ▪ Mạch dao động tại tần số mà tổng pha cho một vòng bằng 3600 . fres =1/ 2 LC ▪ 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 2 2 fosc=fres(Q +1)/Q 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 động Copyright (c) 8/2009 by KTMT 15
  16. Phân tích mạch dao động Hartley BP = (bypass capacitor) tụ ngắn mạch, có Xc = 0; Cho: n1 = 100 vòng n2 = 10 vòng, n0 = 5 vòng. IC = 1mA, Rc = 50k. Lp = 53H. Qu = 50. CCB = 1,0 pF. C1 điều chỉnh tại tần số cộng hưởng 1MHz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 16
  17. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 17
  18. Xác định tải của mạch dao động ▪ Với tải 50Ώ , khi quy đổi về phía collector trở thành tải hiệu dụng R với 'nn12+ 2 2 R1 = RL ( ) = 50(100 / 5) = 24.2 k  n0 ▪ Do Qu của cuộn sơ cấp hữu hạn, tải được tính theo công thức sau với tần số 1 Mhz , XL=300 và Rcoil=QuXL=50(333)=16.7 k Ώ ▪ Từ n1- n2 nhìn sang bên trái, chúng ta thấy re//RE=26 mV/Ic//1 k =25 Ώ Copyright (c) 8/2009 by KTMT 18
  19. Hệ số khuệch đại AV ▪ Khi nhìn tử Collector tải RE’ là '2nn12+ RE=( ) ( r e / / R E ) = 3 k  n2 ▪ Tổng trở mạch Collector R =rc// R’E // Rcoil// RL’ R=50 kΏ //24.2 k Ώ //16.7 k Ώ //3 k Ώ =2.2 k Ώ ▪ Hệ số khuếch đại AV ' Rc 2.2k AV = = = 84.6(38.5 dB ) re 26 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 19
  20. Xác định hệ số khuếch đại vòng ▪ Để mạch có thể dao động hệ số khuếch đại vòng phải ≥ 1 ▪ Giả thiết rằng nếu ta hở mạch vòng phản hồi như hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 20
  21. 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) = 7.69 ▪ 7.69 >>1 thỏa mãn đk để mạch có thể dao động Copyright (c) 8/2009 by KTMT 21
  22. 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  Tụ điện tạp tán CCB  Tụ điện cố định C= 430pF  Cần xác định giá trị tụ xoay C1 ▪ Ứng với cuộn cảm 53H thì ở tần số công hưởng 1 MHz 1 C ==478 pF (2fL )2 ▪ Cần thay đổi điện dung xung quanh 47 pF. Có thể sử dụng một tụ điện biến đổi 100pF. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 22
  23. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 23
  24. Mạch dao động Colpitts Copyright (c) 8/2009 by KTMT 24
  25. 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. ▪ Do đó hệ số phản hồi sẽ là: C ve c2 eq CC12 B = = = Ceq = vc c1+ c 2 C 1 CC12+ ▪ Do đó điện trở tải của sơ đồ là các thành phần mắc song song RL’ và Re’ với np C 1 RR'2= () R'= ()(//)()1 2 r R 2 r LLn e e e e s CBeq Copyright (c) 8/2009 by KTMT 25
  26. 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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 26
  27. Ví dụ 3.1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 27
  28. Ví dụ 3.1 1. Xác định tần số công hưởng 150pF )(1500 pF ) C= +30 pF = 136.4 pF + 30 pF = 166.4 pF eq 150pF+ 1500 pF 1 f0 ==10.8 MHz 2 LCeq 2. Có 3 điện trở tải ảnh hưởng tới collector: tổn hao trên cuộn sơ cấp biến áp, RL’ và Re’ : 6 -6 R =QUX =30x2 (10.8X10 )(1.3X10 )=2646 Ώ re=26mV/IE=20 Ώ ; 80 + (rE//1 k )=99.6 =RE 'CCC1+ 2 2 1 2 RRRE=( ) E ( ) e = 12  CC22 2 '2 np RLL= R =(5) 100  = 2.5 k  n s Copyright (c) 8/2009 by KTMT 28
  29. Ví dụ 3.1 ▪ R C=Rcoil //RL’//Re’ =1.16 kΏ ' RC 1.16k AV = = = 58(35.27 dB ) re 20 3. Tính giá trị các điện trở phân cực Từ VE=IERE =1.3 mA x1k => VB=1.3V + VBE= 2V. 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 = 10k. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 29
  30. 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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 30
  31. 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). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 31
  32. Ví dụ 3.1 C2 19,6 B = = (0,091)(0,197) = 0,0179(−34,95dB) C1 + C2 80 +19,6 ▪ Hệ số khuếch đại vòng AvB = 58 x 0,0179 = 1,038 (+0,32dB), hoặc 35,27dB+(-34,95dB) = +0,32dB. 6. Đúng, mạch duy trì được dao động vì AvB >1. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 32
  33. Mạch dao động Clapp ▪ Mạch dao động Clapp trên hình cũng giống mô hình Colpitts chỉ khác là có một tụ nhỏ C3 nối tiếp với điện cảm L. Tụ điện C3 nhỏ hơn tụ điện C1 và C2 vì thế điện kháng của nó lớn hơn, theo đó mà nó có ảnh hưởng lớn đến việc quyết định tần số cộng hưởng. −1 −1 −1  1 1 1 Ceff = + + CBC +  C1 C2 C3  Copyright (c) 8/2009 by KTMT 33
  34. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 34
  35. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 35
  36. 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 số mà điện kháng của Z1 và Z2 mang tính cảm kháng, do đó nó tạo thành mạch cộng hưởng nối tiếp với Cgd Copyright (c) 8/2009 by KTMT 36
  37. 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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 37
  38. Mạch dao động điều hưởng ▪ Hình bên mô tả cấu hình chung của một máy phát dao động được hiệu chỉnh từ tất cả các phân tích trước đây về oscillator. ▪ Z1, Z2 và Z3 nên sử dụng các điện kháng có hệ số phẩm chất cao. Còn loại điện kháng (cảm kháng hay dung kháng) Z1 phải giống Z2. Loại điện kháng của Z3 phải ngược vơi Z1 và Z2. 38 Copyright (c) 8/2009 by KTMT
  39. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 39
  40. 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: 1 f = 2 6RC Copyright (c) 8/2009 by KTMT 40
  41. 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 là 29 R A = f v R R f = 29R Copyright (c) 8/2009 by KTMT 41
  42. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 42
  43. Mạch dao động cầu Wien Copyright (c) 8/2009 by KTMT 43
  44. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 44
  45. 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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 45
  46. 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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 46
  47. 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: V0 R1 V3 = R1 + R2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 47
  48. 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 = 0,38mA. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 48
  49. 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 -t/RC v2 = vC = -6V + (18V)(1 - e ) = 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. ▪ Đây là nửa chu kỳ sóng vuông, vậy tần số tín hiệu xung vuông ra f0 = 1/T =1/(2t) = 1/(2,2RC) = 967 Hz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 49
  50. Mạch dao động đa hài ▪ Tóm lại v0 = Vcc khi VEE= Vcc . v3 = v0R1/(R1+R2) t = -RC ln[R2/(2R1+R2)] 1 f 0 = − 2RC ln[ R2 /(2R1 + R2 )] Copyright (c) 8/2009 by KTMT 50
  51. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 51
  52. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 52
  53. 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 nhiệt độ của Oscillator Copyright (c) 8/2009 by KTMT 53
  54. 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). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 54
  55. Hệ số ổn định nhiệt ▪ Ví dụ sự biến đổi tần số TC của một bộ dao động là 0 +100 ppm/ C. 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/MHz f0 = TC x T xf0 = (+2kHz/MHz) x 5MHz = +10 kHz. ▪ Như vậy tần số dao động tăng 10 kHz khi nhiệt độ tăng 200C. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 55
  56. 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 C =  d ▪ 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 56
  57. 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 f0 =1/ 2 LC thay đổi theo hàm 1 f = (LC) −1/ 2 0 2 df 1 (−1/ 2)L 0 = [−1/ 2(LC)−1/ 2−1 L] = dC 2 2 LC (LC) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 57
  58. Ổn định nhiệt cho mạch dao động 1 −1 df 0 = ( )dC 2 LC 2C ▪ Chia cả 2 về cho f0 =1/ 2 LC df 1 dC 0 = − f0 2 C ▪ Nếu thay đổi C nhỏ hơn 10%, có thể viết gần đúng: df 1 C 0 = − f0 2 C ▪ Kết quả cho thấy điện dung tăng lên 4% ( C/C = 0,04) thì tần số dao động giảm 2%. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 58
  59. 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. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 59
  60. 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:  Giảm tạp âm; sử dụng lọc chặn, AGC, lọc đường điện áp phân cực.  Sử dụng mạch dao động ghép với bộ khuếch đại đệm để hạn chế hiệu ứng thay đổi tải.  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 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 60
  61. Nâng cao độ ổn định tần số của bộ dao động ▪ Các bộ dao động điển hình dùng điều hưởng LC có hệ số nhiệt khoảng 500 ppm/0C ( nếu có bù nhiệt thì khoảng 100 ppm/0C) ▪ Các bộ dao động điều khiển bằng tinh thể (XOs) có hệ 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. ▪ Cuối cùng, các bộ dao động tinh thể có bộ giảm nhiệt có thể đạt được độ ổn định nhiệt 10-10, nhưng các bộ giảm nhiệt điển hình tiêu tốn khoảng 4W để hoạt động. ▪ Nhiễu pha là một nguy cơ khác cho sự ổn định pha/tần số của bộ dao động. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 61
  62. Thạch anh ▪ Như đã phân tích, những Oscillator điều khiển tần số bằng tinh thể có độ ổn định tần số rất tốt. ▪ Tinh thể thường được chế tạo bằng cách cắt tinh thể thạch anh nguyên chất thành miếng rất mỏng sau đó được ép bề mặt vào một chất dẫn điện để tạo tiếp điểm đầu ra dẫn điện. ▪ Điều đó được minh hoạ trên hình bên. Tính chất nổi bật của quartz là hiệu ứng áp điện (piazoelectric). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 62
  63. Thạch anh ▪ Hiệu ứng áp điện của quartz là hiện tượng lan truyền điện áp dọc trục hoặc bề mặt "cắt", đó là hiệu ứng biến dạng của vật liệu quartz. ▪ Hiệu ứng ngược cũng đúng vì nếu tinh thể bị biến dạng bởi lực ép thì một điện áp sinh ra dọc trục hoặc bề mặt cắt của tinh thể. ▪ Các tính chất đặc biệt của tinh thể dùng trong bộ dao động và các bộ lọc phẩm chất cao là tính đơn phiến, tính bền vững về cơ học và dạng mặt cắt đã tạo nên độ ổn đinh tần số rất cao của tinh thể. ▪ Tóm lại tính chất vật lý của quartz là ổn định cao với sự biến động của nhiệt độ. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 63
  64. Cắt thạch anh ▪ Thạch anh có cấu trúc tinh thể hình lục lăng (6 mặt) và nếu cắt thẳng đứng song song với bất cứ mặt nào trong 6 mặt thì được gọi cắt kiểu Y. ▪ Nếu cắt kiểu Y không thẳng đứng mà nghiêng 350 20’ với trục thẳng đứng thì gọi là cắt kiểu AT. ▪ Đặc tính ổn định nhiệt của tinh thể thạch anh phụ thuộc kiểu cắt của thạch anh Copyright (c) 8/2009 by KTMT 64
  65. Cắt thạch anh ▪ Ví dụ, để tìm hiểu cách cắt tinh thể ta xem xét việc sử dụng mỗi kiểu cắt AT-cắt và BT- cắt trong một Oscillator có bù nhiệt độ (TCXO). Mạch bù nhiệt đơn giản là một mạch tuyến tính và có điểm uốn trên đồ thị hình dưới ở nhiệt độ khoảng 200 C. Rõ ràng, kiểu AT-cắt được ưa chuộng hơn BT-cắt trong các ứng dụng Copyright (c) 8/2009 by KTMT 65
  66. Sơ đồ tương đương ▪ Mạch điện tương đương cho tinh thể thạch anh trên hình vẽ. ▪ Tụ điện Cp là điện dung vỏ vào khoảng 7-10pF với các vỏ cỡ nhỏ. Còn Cs cỡ khoảng 0.05pF. ▪ Mặt khác L của tinh thể thạch anh rất lớn cỡ khoảng hàng chục Henry và một điện trở r nhỏ, vì r đặc trưng cho tổn hao công suất bên trong và có ảnh hưởng đến Q. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 66
  67. Sơ đồ tương đương ▪ Hệ số phẩm chất Q của thạch anh rất lớn, khoảng 105 và điện trở r nhỏ hơn 1. ▪ Chú ý rằng trong mạch tương đương của thạch anh có cả tần số cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp vớí Cp=140Cs , tần số cộng hưởng song song fp và nối tiếp fs chênh lệch nhau cỡ khoảng 0,36%. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 67
  68. Sơ đồ tương đương ▪ Tần số cộng hưởng nối tiếp nhỏ hơn tần số cộng hưởng song song bởi vì 1 1 f = fs = p 2 LC CsC p s 2 L Cs + C p ▪ Do đó Cs f p (1+ ) f s 2C p Copyright (c) 8/2009 by KTMT 68
  69. Sơ đồ tương đương ▪ Sự biến đổi trở kháng theo tần số của thạch anh được minh hoạ trên hình dưới trong đó khoảng cách giữa tần số cộng hưởng fs và fp được khuếch đại lên rất lớn để cho dễ nhìn. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 69
  70. Các bộ dao động thạch anh ▪ Phân tích và thiết kế sơ đồ này cũng giống như sơ đồ Colpitts dùng LC. Sơ đồ điều hưởng LC tạo một trở kháng băng hẹp (phẩm chất Q cao) trên mạch collector của bộ khuếch đại base chung. Phản hồi dương qua thạch anh hoạt động ở tần số gần tần số cộng hưởng nối tiếp fs của nó. Tất nhiên mạch điều hưởng LC có thể điều hưởng tại fs hoặc gần fs Copyright (c) 8/2009 by KTMT 70
  71. Các bộ dao động thạch anh ▪ Điện cảm Ln có trong mạch dao động hoạt động ở tần số khoảng 20 MHz. ▪ Tác dụng của Ln là kết hợp với điện dung vỏ Cp khoảng 7 đến 10 pF sao cho tại những tần số thấp nó không có tác dụng gì. ▪ Tuy nhiên trở kháng của tụ điện 10 pF tại tần số 20 MHz là nhỏ hơn 1000 cho nên phản hồi tín hiệu ở tần số cao có thể ngắn mạch và không còn tác dụng của thạch anh. ▪ Ta có thể nhận thấy điều này khi tần số dao động ra khác đi rất nhiều và không phái tần số thạch anh. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 71
  72. Các bộ dao động thạch anh ▪ Để tránh nhược điểm trên, ta sử dung điện cảm Ln kết hợp với Cp thành cộng hưởng song song và giá trị điện cảm được tính xấp xỉ: 1 Ln = 2 (2 f 0 ) C p Copyright (c) 8/2009 by KTMT 72
  73. Các bộ dao động thạch anh ▪ Một sơ đồ dao động Colpitts dùng thạch anh khác như trên hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 73
  74. Các bộ dao động thạch anh ▪ Thạch anh hoạt động tại tần số gần với tần số cộng hưởng song song của mạch với C1, C2 tạo điện áp phản hồi và chuyển đổi trở kháng cực nguồn đến cực cửa. ▪ Một trở kháng cao tại RF có tác dụng làm nghẹt (RFC) và tạo đường dẫn phân cực một chiều. Tụ C1 được chọn với điện kháng khoảng 500 tạo một trở kháng trong mạch cực nguồn. ▪ Thực tế nếu trở kháng tải ở đầu ra thấp, C1 có thể được điều chỉnh giá trị giảm đi sao cho điện kháng mạch cực nguồn XC1 không bị mất tác dụng. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 74
  75. Các bộ dao động thạch anh ▪ Dòng điện từ tổ hợp Rg và tinh thể thạch anh chảy qua C2 và C1 tạo thành điện áp vg được tính: i i + g mvgs vg = + jC2 jC1 trong đó gmvgs là dòng điện xoay chiều cực nguồn phụ thuộc vào vgs và gm hỗ dẫn của FET. ▪ Cho C3 = C2 + Cin C2 + Cgs i vgs = jC3 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 75
  76. Các bộ dao động thạch anh ▪ Hệ số khuếch đại vòng đủ lớn để dao động hình thành và duy trì ta chọn C3 10C1. ▪ Có một cách chọn khác C2 Cgs, xuất phát từ điều kiện tự kích thích dao động, đặc biệt với sơ đồ Colpitts thạch anh cực base sử dụng BJT. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 76
  77. Các bộ dao động thạch anh ▪ Thay C2 với C3 vào ta có vg 1 1 g m = + − 2 i jC3 jC1  C1C3 ▪ Chú ý rằng số hạng cuối cùng bên phải của biểu thức là số thực âm. Ký hiệu điện trở này là: g m − R = 2  C1C3 ▪ Có thể xem nguồn tín hiệu nối tiếp với Ceq = C1C3/ (C1 + C3) và nối tiếp thành vòng với L và r Copyright (c) 8/2009 by KTMT 77
  78. Các bộ dao động thạch anh ▪ Khi toàn bộ các thành phần tổn hao trong sơ đồ biểu thị tương đương bằng r thì điện trở tổn hao r phải nhỏ hơn - R. ▪ Với điều kiện trên thoả mãn, dao động sẽ duy trì và hệ số phẩm chất Q của sơ đồ là:  L Q = 0 L r -1/2 Với 0 = (LCeq) , và L là điện cảm biểu thị cho thạch anh, có giá trị nhỏ hơn nhiều so với cộng hưởng song song. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 78
  79. Mạch dao động Pierce dùng thạch anh. Các thông số của mạch được tính tại tần số 3,5789 MHz dùng cho bộ dao động tạo sóng mang mầu trong TV tiêu chuẩn. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 79
  80. ▪ Hình trên là sơ đồ mạch dao động thạch anh Pierce. Mạch dao động này phụ thuộc vào các thành phần điện cảm của sơ đồ tương đương thạch anh để cung cấp tín hiệu hồi tiếp đúng pha. ▪ Từ mô hình trở kháng của dao động Pierce ta thấy Z3 biểu thị cho thạch anh trong mạch Pierce phải có trở kháng đối lại Z1 và Z2 (mà trong trường hợp này chúng là các tụ điện). ▪ Thông thường nếu Rd đủ lớn để hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại cực nguồn chung đủ lớn thì mạch sẽ dao động ở tần số giữa tần số cộng hưởng fs và fp nơi mà tinh thể tương đương cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 80
  81. ▪ Điều này dẫn đến sự ổn định tối ưu. Điện áp phân cực được cung cấp cho FET từ nguồn VDD qua điện trở Rd . Điện trở Rd có thể được thay thế bằng mạch chặn. Điện trở Rg có giá trị khoảng 100k có nhiệm vụ nối giữa cực cổng của FET với đất. Còn Rs tạo một phân cực tự cấp (Vs = IdRs) từ cực nguồn của FET. Điện trở này bị ngắn mạch xoay chiều bằng tụ BP để nâng cao hệ số khuếch đại có nhiệm vụ làm cho khuếch đại cao lên bởi tụ BP. Rs và tụ ngắn mạch có thể không có nếu ta nối cực nguồn xuống đất. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 81
  82. Bài tập Bài 1: Một bộ khuếch đại 3 tầng được minh hoạ như trên hình vẽ. Điểm A và B là hai đầu vào có thể nối hồi tiếp tới đầu ra. Trong hai cực A hoặc B, cực nào dùng cho hồi tiếp thoả mãn điều kiện pha cho dao động? tại sao? Copyright (c) 8/2009 by KTMT 82
  83. Bài tập Bài 2: Một mạch tích hợp có trở kháng đầu vào và đầu ra cao, có hệ số khuếch đại điện áp là +50 được vẽ trong hình a- Tên của sơ đồ mạch dao động là gì? b-Tính hệ số khuếch đại vòng của mạch. c- Dao động có duy trì được không? Phân tích điều kiện Barkhausen? Copyright (c) 8/2009 by KTMT 83
  84. Bài tập Bài 3: Cho mạch điện như sơ đồ, giả sử n1=20 vòng (T) n2=10 T, n3 =2 T, n2 độc lập với n3 và k=1 ,L1=50 H và QN là vô cùng. Transistor có =20 và IE=1mA  Giá trị của tụ điện C sẽ là bao nhiêu nếu mạch điều hưởng ở tần số 1MHz (bỏ qua điện kháng của cuộn thứ cấp biến áp)  Tính hệ số khuếch đại điện áp collector - base.  Tính hệ số khuếch đại vòng.  Nếu n1:n3 là biến áp đảo pha có tạo thành bộ dao đọng được không? Tại sao?  Hệ số khuếch đại vòng như trên có đủ cho dao động duy trì không? Copyright (c) 8/2009 by KTMT 84
  85. Bài tập Copyright (c) 8/2009 by KTMT 85
  86. Bài 4: Trong các mạch hình dưới thì mạch nào là phù hợp với mô hình của bộ dao động thạch anh nếu như tinh thể thạch anh tương đương với điện cảm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 86