Chơng Các mạch tạo dao động điện 5.1 Các khái niệm chung mạch tạo dao động Mạch điện tử để tạo điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu đợc gọi mạch dao động điện từ (hay mạch tạo sóng) Mạch tạo dao ®éng cã thĨ t¹o dao ®éng cã d¹ng ®iỊu hoà (dao động hình sin) hay dao động có dạng khác sin nh: xung chữ nhật, xung tam giác, xung ca tạo xung đơn riêng biệt Các mạch dao động điều hòa thờng đợc dùng hệ thống thông tin, máy đo, máy kiểm tra, thiết bị y tế v.v Các mạch dao động điều hòa làm việc tốt dải tần từ vài Hz hàng nghìn MHz Để tạo dao động, dùng phần tử tích cực nh: đèn điện tử, transistor lỡng cực (BJT), transistor trờng (FET), khuếch đại thuật toán phần tử đặc biệt nh: diode Tunel, diode Gunn Các đèn điện tử chân không đợc dùng yêu cầu công suất lớn Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử làm việc từ phạm vi tần số thấp đến phạm vi tần số cao phạm vi tần số thấp trung bình thờng dùng khuếch đại thuật toán, phạm vi tần số cao cao dùng transistor lỡng cực transistor trờng loại diode đặc biệt Các tham số mạch tạo dao động gồm: tần số tín hiệu ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất hiệu suất Có thể tạo dao động điều hòa theo nguyên tắc sau: - Tạo dao động khuếch đại có hồi tiếp dơng - Tạo dao động phơng pháp tổng hợp mạch Các mạch tạo xung thờng đợc dùng thiết bị đo lờng, kiểm tra đợc dùng truyền thông số 5.2 Nguyên tắc tạo dao động điện từ Để xét nguyên tắc tạo dao động điện dùng sơ đồ khối hình 5.1, & khối (1) khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K = K e j K vµ 127 khèi (2) lµ khèi håi tiÕp cã hƯ số truyền đạt (hay hệ số hồi tiếp) & = e j Vì mạch khuếch đại mạch hồi tiếp gồm phần tử điện kháng nên hệ số truyền đạt chúng đại lợng phức : K mô-đun hệ số khuếch đại (độ lớn hệ số khuếch đại) K độ di pha khuếch ®¹i (gãc lƯch pha cđa tÝn hiƯu ë lèi so víi tÝn hiƯu ë lèi vµo cđa bé khch đại) mô-đun hệ số hồi tiếp (độ lớn hệ số hồi tiếp) độ di pha cđa bé håi tiÕp, lµ gãc lƯch pha cđa tÝn hiƯu ë lèi vµ lèi vµo cđa hồi tiếp Để xác định xem sơ đồ với m¹ch håi tiÕp kÝn cã t¹o tÝn hiƯu xoay chiều hay không ta mắc điện trở RV vào lèi cđa m¹ch håi tiÕp cđa bé t¹o dao động hở mạch có trị số điện Hình 5.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao trở lối vào mạch khuếch đại động theo nguyên tắc hồi tiếp Điện trở RVht điện trở lối vào hồi tiếp & Nếu đặt tới lối vào mạch khuếch đại tín hiệu X V giả && thiÕt Kβ = th×: & & & & & & & X ht = X r β = X V K β = X V & & ë X r tín hiệu lối mạch khuếch đại, X ht tín hiệu lối mạch hồi tiếp & Tín hiệu vào mạch khuếch đại X V tín hiệu mạch hồi & tiếp X ht biên độ pha nên nối a a với nhau, ngắt tín hiệu đa tới lối vào mạch khuếch đại, tín hiệu không đổi Lúc ta có sơ đồ mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp Trong sơ đồ trì dao động mà tần số tháa m∙n ®iỊu kiƯn sau: 128 && Kβ = (5.1) & & Vì K số phức, nên (5.1) viết lại nh sau: j (ϕ +ϕ ) && Kβ = K β e K β = (5.2) Cã thĨ t¸ch biĨu thøc (5.2) thành hai biểu thức: Một biểu thức viết theo mô-đun vµ mét biĨu thøc viÕt theo pha Kβ = (5.3a) ϕ = ϕ K + ϕ β = 2nπ víi n = 0, ±1, ±2 (5.3b) ϕ lµ tổng độ dịch pha mạch khuếch đại mạch hồi tiếp Quan hệ (5.3a) đợc gọi điều kiện cân biên độ Nó cho thấy mạch tạo dao động trì mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại bù đợc tổn hao mạch hồi tiếp gây Quan hệ (5.3b) đợc gọi điều kiện cân pha, cho thấy dao động phát + sinh tín hiệu hồi tiếp đồng Ur R ã R2 pha với tín hiệu vào (hồi tiếp ã dơng) U1 C ã M * L * Uht R1 Để minh họa ta xét mạch tạo dao động hình 5.2 Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ khuếch Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi đại thuận có hệ số khuếch đại: K =1+ tiếp R2 Vì trở kháng khuếch đại nhỏ, nên mạch R1 mắc thêm điện trở R để giảm ảnh hởng trở kháng đến trở kháng khung cộng hởng LC Điện áp hồi tiếp khuếch đại U ht = M U = U L M hệ số hỗ cảm cuộn dây; (5.4) L điện cảm khung dao động Điện áp khuếch đại: U r = K U ht (5.5) 129 Để xác định điện áp ra, viết phơng trình dòng điện nót 1: U r − U1 dU 1 −C − U dt = dt R L ∫ (5.6) Thay (5.4) (5.5) vào (5.6) biến đổi ta đợc (5.7) d 2U r dt − Kβ dU r + Ur = RC dt LC (5.7) Để đơn giản, đặt: = Kβ ; RC ω o2 = LC Khi (5.7) đợc viết lại nh sau: d 2U r dt + 2α dU r + ω o U r = dt (5.8) Nghiệm phơng trình vi ph©n (5.8) nh− sau: U r = U ro e − αt cos ω o − α t (5.9) Tõ nghiƯm (5.9) cã thĨ ph©n biƯt ba trờng hợp đặc trng: > , nghĩa K < , biên độ điện áp giảm dần theo quy luật hàm mũ, mạch có dao động tắt dần = , nghĩa K = , điện áp điện áp hình sin có tần số o = biên ®é kh«ng ®ỉi LC α < , nghÜa K > , biên độ điện áp tăng dần theo quy luật hàm mũ Từ trờng hợp đây, rút kết luận, để có dao động trì đóng mạch K phải lớn làm cho biên độ dao động tăng dần khuếch đại chuyển sang làm việc trạng thái bo hòa, hệ số khuếch đại giảm dần cho = Lúc dao động đợc trì nhng hình sin Để có dao động hình sin phải điều chỉnh hệ số khuếch đại cho = xác lập trớc khuếch đại chuyển sang trạng thái bo hòa Tại tần số đủ cao, dễ dàng thực khung dao động có phẩm chất cao Khi điện áp khung dao động lúc khuếch đại bo hòa sâu, thực tế có dao động hình sin Vì sơ đồ tạo dao động cao tần thờng không dùng biện 130 pháp đặc biệt ®Ĩ ®iỊu chØnh biªn ®é tÝn hiƯu cđa bé khuếch đại, điện áp lấy trực tiếp khung dao động 5.3 ổn định biên độ v tần số dao động 5.3.1 ổn định biên độ dao động Khi đóng mạch, có xung dòng chạy qua phần tử mạch Phổ xung liên tục có tần số từ không đến vô Nếu điều kiện cân pha (5.3b) đợc thỏa mn tần số đó, đồng thời > mạch tăng cờng dao động tần số đó, mạch trạng thái độ biên độ dao động tăng dần Đến trạng thái xác lập hay trạng thái dừng biên độ dao động không đổi ứng với = Để đảm bảo ổn định biên độ trạng thái xác lập, thực biện pháp sau: - Hạn chế biên độ điện áp cách chọn trị số điện ¸p ngn cung cÊp mét chiỊu thÝch hỵp BiÕt r»ng biên độ đỉnh đỉnh điện áp xoay chiều cực đại lối mạch khuếch đại nhỏ giá trị điện áp chiều cung cấp cho tầng khuếch đại - Dịch chuyển điểm làm việc đặc tuyến phi tuyến phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển phần tử khuếch đại - Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến dùng phần tử điều chỉnh, ví dụ: điện trở nhiệt, điện trở thông thuận diode để ổn định biên độ Tùy thuộc vào mạch cụ thể áp dụng biện pháp 5.3.2 ổn định tần số độ dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân pha Khi độ dịch pha điện áp hồi tiếp điện áp lối vào thay đổi, dẫn đến thay đổi tần số dao động Trong điều kiện cân pha (5.3b), nÕu cho n = 0, ta cã: ϕ = ϕK + ϕβ = (5.10) Gãc pha ϕ K phụ thuộc vào tham số phần tử mạch phụ thuộc vào tần số Do viết điều kiện (5.10) cách tỉng qu¸t nh− sau: 131 ϕ K ( m , ω ) + ϕ β ( n, ω ) = (5.11) Trong m n đặc trng cho tham số phần tử mạch khuếch đại mạch hồi tiếp Lấy vi phân toàn phần biểu thức (5.11) biến đổi, ta nhận đợc biểu thức (5.12) dω = (∂ϕ K ∂m ).dm + (∂ϕ β ∂n).dn (∂ϕ K ∂ω ) + (∂ϕ β ∂ω ) (5.12) Từ (5.12) suy biện pháp để nâng cao độ ổn định tần số mạch tạo dao động: a) Thực biện pháp để ổn định tham số mạch khuếch đại dm tham số mạch hồi tiếp dn cách: - Dùng nguồn nuôi chiều nguồn ổn áp - Dùng phần tử có hệ số nhiệt nhỏ - Giảm ảnh hởng tải đến mạch dao động cách mắc thêm tầng đệm lối mạch tạo dao động - Dùng phần tử bù nhiệt b) Thực biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số mạch, nghĩa giảm K cách chọn mạch dao m n động thích hợp (ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, ghép biến áp ) c) Thực biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi góc pha theo tần số tức tăng K xung quanh tần số dao động Cụ thể sử dụng phần tử có phẩm chất cao nh thạch anh sử dụng phần tử tích cực có hệ số khuếch đại cao Thông thờng không dùng biện pháp ổn định đặc biệt, độ không ổn định tần số tơng đối f tạo dao động điều hòa có fo thể đạt đợc khoảng 10 ữ 10 Khi dùng biện pháp ổn định đạt đợc độ không ổn định tần số tơng đối tới 10 nhỏ hơn, trờng hợp mạch dao động dùng thạch anh đạt 10 ữ 10 5.4 Bộ tạo dao động sóng cao tần hình sin LC 132 5.4.1 Vấn đề ổn định biên độ các tạo dao động cao tần LC 1) Chế độ dao động mềm dao R1 RC Để ổn định biên độ tạo dao động cao tần LC thờng làm việc phần tử tích cực Điện trở RE hình (5.3) làm nhiệm vụ R1, R2, RE phân cực cho CP2 ã CP1 dùng phơng pháp di chuyển điểm o + EC ã động cøng o • R2 C1 L • RE CE C2 ã Hình 5.3 Sơ đồ máy phát ba điểm điện dung (Sơ đồ Colpit) transistor dòng emitter (tự phân cực) Khi đóng mạch, biên độ dao động nhỏ, mạch làm việc với góc cắt = 180 o tơng ứng chế độ dao động mềm, độ dốc trung bình lân cận điểm làm việc lớn, > Trong trình độ, biên độ dao động tăng dần, điểm làm việc chuyển sang vùng phi tuyến, khuếch đại chuyển sang làm việc chế độ bo hòa, ứng với góc cắt < 90 o , tơng ứng chế độ dao động cứng Đồng thời độ dốc trung bình giảm, làm cho hệ số khuếch đại giảm, tích K tiến tới chế độ xác Hình 5.4 Mạch tạo dao động định thiên tự cấp RBCB lập Cũng dịch chuyển điểm làm việc cách thay đổi định thiên tự cấp điện trở RB mạch base hình 5.4 2) Hiện tợng dao động ngắt quÃng Nếu chọn RE CE (hình 5.3) RB CB (hình 5.4) lớn mạch trạng thái độ điện áp Base-Emitter đ âm làm cho transistor ngắt dao động Sau CE phãng ®iƯn qua RE (cịng nh− vËy, CB phãng ®iƯn qua RB), điện áp base-emitter tăng dần Sau thời gian mạch dao động trở lại Quá trình lặp lặp lại mạch có dao động ngắt qung Ngợc lại chọn RE CE (RB CB) 133 nhỏ mạch có dao động tăng dần ( > 1) Vì cần chọn trị số RECE (RB CB) thích hợp lấy để mạch luôn có dao động mạch làm việc trạng thái xác lập = 5.4.2 Mạch tạo dao động cao tần LC ghép hỗ cảm (ghép biến áp - sơ đồ Maisnơ) + EC + EC M M * R1 L w2 R1 * L C C w1 * * Ur Ur C2 C2 R2 UZ C1 CE RE RE CE Hình 5.5 Bộ tạo dao động cao tần LC Hình 5.6 Bộ tạo dao động LC ghép biến ghép biến áp áp, dùng diode ổn áp để ổn định điện (Sơ đồ Maisnơ) phân cực dòng áp chiều base Emitter Đặc điểm tạo dao động theo sơ đồ Maisnơ là: hồi tiếp đợc thực nhờ biến áp Cuộn sơ cấp kết hợp với tụ điện làm thành khung dao động định tần số dao động tạo dao động Trên hình 5.5 đến 5.7 vẽ ba biến thể tạo dao động transistor o+E C * L mắc theo sơ đồ emitter chung Bộ khuếch C * đại, khuếch đại điện áp lối vào cã tÇn sè b»ng tÇn sè céng h−ëng cđa khung dao động o = LC , cực Collector RE CE transistor, điện áp có biên độ cực đại dịch pha 180o Một phần điện áp lấy từ Hình 5.7 Bộ tạo dao cuộn thứ cấp dùng để hồi tiếp Để thỏa mn động LC ghép biến áp, hoạt điều kiện cân pha, biến áp cần bảo đảm động chế độ B viÖc quay pha tÝn hiÖu o håi tiÕp 180 Nếu cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp có chiều cuốn, để quay pha, phải đấu 134 cuộn dây ngợc đầu nhau, tức điện áp đầu cuối cuộn thứ cấp đồng pha với điện áp collector Dấu (*) gần cuộn dây biến áp rõ đầu cuộn dây có điện áp đồng pha Hệ số biến áp đợc chọn cho tần số cộng hởng, hệ số khuếch đại vòng lớn Nhờ mà đấu nguồn nuôi xuất dao động có biên độ tăng theo hàm mũ lúc tng khuếch đại bị tải Do bị tải mà hệ số khuếch đại trung bình tầng khuếch đại bị giảm đi, trình giảm tiếp tục trị số = Lúc biên độ dao động đợc xác lập số Sẽ phân biệt dạng tải tải lối vào tải lối Quá tải lối xuất tiếp giáp collector base transistor mở Trong sơ đồ hình 5.5 5.6 xuất điện áp collector nhỏ điện áp base Với độ sâu hồi tiếp lớn xuất tải lối vào Nó xuất tín hiệu vào lớn bắt đầu đợc tách sóng tiếp giáp base emitter transistor Tụ C1 bắt đầu nạp transistor đợc mở nửa chu kỳ dơng điện áp vào Trong sơ đồ hình 5.5, bỏ điện trở R2, lúc transistor đợc phân cực dòng cố định, với biên độ dao động nhỏ, tụ C1 đợc nạp nhanh đến điện áp âm, lúc transistor bị khóa chấm dứt dao động Bộ tạo dao động đợc kích (dao động) điện áp base-emitter với số thời gian R1C1 đủ lớn, để tăng đến +0,6V Khi điện áp ca đợc tạo tụ C1 Sơ đồ nh đợc gọi tạo dao động tự triệt, tạo dao động nghẹt (Blocking) Để tránh tợng tự triệt tạo dao động, trớc hết phải giảm tải lối vào cách chọn hệ số biến áp thích hợp Ngoài ra, mạch thiên áp chiều cho base đợc chọn có điện trở nhỏ tốt Trong sơ đồ hình 5.3 bỏ R2, giảm điện trở R1 làm cho dòng Base lớn thực đợc Vì thế, hợp lý định điểm làm việc hồi tiếp âm dòng điện, sơ đồ hình 5.5 có điện trở R2, nh sơ đồ hình 5.6 5.7 Để xét điều kiện cân biên độ, tính K Hệ số khuếch đại: K = SZ c (5.13) Zc trở kháng khung cộng hởng mạch collector; 135 S độ dốc đặc trng truyền đạt transistor Trong đó: 1 n2 = + + Zc Rtd h11e zt (5.14) Rt® trở kháng khung cộng hởng tần số céng h−ëng R tđ = L cr (5.15) L : §iƯn c¶m cđa khung céng h−ëng; C : §iƯn dung cđa khung céng h−ëng; r : §iƯn trë tỉn hao khung cộng hởng; Zt : Trở kháng tải S= h21e h11e (5.16) HÖ sè håi tiÕp: & u M & β = − B = − = −n & uC L (5.17) LËp tÝch Kβ ≥ (5.18) Thay (5.13) (5.17) vào (5.18) nhận đợc: n − n.h21e + Trong ®ã Z = Rtd // Z t h11e ≤0 Z (5.19) Cho vÕ ph¶i cđa biĨu thức không, giải phơng trình ta đợc: n 1, = h 21e h ⎛h ⎞ ± ⎜ 21e ⎟ − 11e 2 ⎠ ⎝ (5.20) Đạo hàm (5.19) xét dấu, ta thấy (5.19) Khi n2 ≤ n ≤ n1 (5.21) VËy nÕu hƯ sè håi tiÕp n tháa m∙n ®iỊu kiƯn (5.21) mạch có dao động Mạch có dao động hình sin (ở trạng thái xác lập) n1 , n2 Xác định trị số linh kiện qua hệ số hồi tiếp n theo (5.17) qua tần số dao động mạch: f d f ch = 5.4.3 2π LC (5.22) Bé dao ®éng ba ®iĨm (Máy phát ba điểm) Cũng nh máy phát ghép hỗ cảm, máy phát ba điểm gồm tầng khuếch đại cộng 136 Thời gian nạp phóng tụ đợc tính theo công thức (5.96) (5.97) UC (2-6) Ec Ec + Thêi gian n¹p: t tn¹p = τn¹p ln tn¹p = 0,7 ((R1 + P1 + R2) C UD (7) n¹p phãng (5.96) + Thêi gian phãng: t tphãng = τphãng ln2 ≈ 0,7 (R2 + RCE) C (5.97) Ur (3) Ec + Chu kú cđa xung ë lèi ra: T = tn¹p + tphóng Urmin t (5.98) Dạng tín hiệu cực mạch đợc trình bày hình 5.49 Hình 5.49 Dạng điện áp chân Do thời gian phóng, nạp không nhau, nên xung vuông mạch đa hài dùng IC - 555 không đối xứng Mạch đa hài đợi dùng IC - 555 Hình 5.50 trình bày sơ đồ nguyên lý mạch đa hài đợi dùng IC - 555 Trong sơ đồ hình 5.50, tụ C1 tác dụng điện trở R tạo thành mạch lọc thông thấp Điện trở R4 đợc chọn cỡ 10k, để đảm bảo điện áp lối vào thuận so sánh (2) lớn EC Khi đóng mạch nguồn điện, lúc đầu tụ C ch−a tÝch ®iƯn uC = 0, tơ C tÝch ®iƯn, m¹ch tÝch ®iƯn tõ +EC qua R1, P1, R2, qua C xuống đất Tụ C tích điện, điện áp uC tăng lên, u c EC , điện áp so sánh (1) R d = , dần đến Q = , ur = Vì Q = nên cho transistor T më, tơ C phãng ®iƯn qua R2 , qua collector emitter xng ®Êt Tơ C phãng ®iƯn đến uC = Đây trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi) mạch 184 +E C R KΩ R1 + Q (1) C1 Sd - P1 R KΩ D R4 (2) UV + C2 Q Sd R2 R T KΩ RB C H×nh 5.50 Ur Mạch đa hài đợi dùng IC - 555 Khi có xung vuông đa tới lối vào, qua mạch vi phân C2(R4 // D), ë ch©n cã xung vi ph©n, đ hạn chế xung dơng tác dụng diode D Nếu biên độ xung vào đủ lớn, điện áp cđa bé so s¸nh (2) R d = , Q = Q = , ur = bắt đầu thời gian kéo dài xung lối Vì Q = nên T cấm, tụ C tích điện, mạch tích điện từ +EC , qua R1, P1, R2, qua C xng ®Êt, tơ C nạp điện với số thời gian: nạp = (R1 + P1 + R2) C Tô C tÝch điện, điện áp uC tăng, uc EC , so sánh (1) ud đổi dấu, điện áp R d = , dÉn ®Õn Q = , ur = chÊm døt thêi gian kÐo dµi xung ë lèi V× Q = , T më, tơ C phãng ®iÖn, qua R2, qua T xuèng ®Êt, cho ®Õn uC = 0, trở lại trạng thái ban đầu Khi tụ C tích điện, điện áp tụ C tăng theo quy lt hµm mị: ⎡ ⎛ t uC = E C ⎢1 − exp⎜ − ⎜ τ nap ⎢ ⎝ ⎣ ⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦ Thêi gian tơ n¹p từ điện áp 0V đến t x u C = E C ⎜1 − e τ ⎜ ⎝ Suy ra: − e t − x τ nap = (5.99) EC đợc trình bày nh sau: ⎞ ⎟ = EC ⎟ ⎠ 185 tx − τ = e nap ; hay lµ e tx τ nap Uv =3 t x = τ nap ln = 1,1 τn¹p t x = 1,1( R1 + P1 + R2 ).C t0 t1 t2 t3 t Uv chân (5.100) Trong mạch 0,6V giảm giá trị R2 đến không t Giản đồ điện áp - thời gian minh họa hoạt động Ura tx Ura max mạch đa hài đợi dùng IC - 555 đợc trình bày hình 5.51 t 5.6.6 Bộ tạo dao động Hình 5.51 Giản đồ điện áp - thời gian Blocking mạch Blocking hay gọi dao động nghẹt đa hài đợi dùng IC - 555 tầng khuếch đại đơn hay đẩy kéo, có hồi tiếp dơng mạnh qua biến áp xung, đợc trình bày hình 5.52, nhờ tạo xung có độ rộng hẹp (cỡ 103 ữ 106s) có biên độ lớn UC t1 t2 t3 t4 t5 t6 t ECC UB Ec + + Wt D1 WB RB - C Tr + WK t ECC nB Rt R1 Ut ECC nT R o D2 T UC C n¹p C1 t C phãng t iB -ECC iBbh t (b) 186 iM (a) Hình 5.52 Sơ đồ nguyên lý Blocking tự dao động (a) ; giản đồ điện áp - thời gian minh họa hoạt động Blocking (b) Blocking thờng đợc dùng để tạo xung điều khiển hệ thống số Blocking làm việc chế độ khác nhau: chế độ tự dao ®éng, chÕ ®é ®ỵi, ®ång bé hay chÕ ®é chia tần Hình 5.52.a sơ đồ nguyên lý Blocking tự dao động, có transistor T mắc emitter chung, với biến áp xung Tr gồm cuộn WK cuộn sơ cấp, WB Wt cuộn thứ cấp Quá trình hồi tiếp dơng thực từ WK qua WB, nhờ cực tính ngợc chúng Điện trở R để hạn chế dòng base Ngoài điện trở R tham gia mạch phóng tụ điện C transistor T khóa Diode D1 để loại bỏ xung cực tính âm tải sinh transistor chuyển chế độ từ mở sang khóa Mạch R1, D2 để bảo vệ transistor khỏi bị áp Các hệ số biến áp xung nB nt đợc xác định (5.101) nB = WK ; WB nt = WK Wt (5.101) Quá trình dao động xung liên quan đến thời gian mở đợc trì trạng thái bo hòa nhờ mạch hồi tiếp dơng transistor Kết thúc việc tạo xung lúc transistor khỏi trạng thái bo hòa chuyển đột biến sang trạng thái khóa nhờ hồi tiếp dơng Trong khoảng thời gian < t < t1, T khóa điện áp nạp tụ C, (phân cực ngợc lớp tiếp giáp base - emitter) Tơ C phãng ®iƯn tõ +C qua R, RB , nguồn nuôi EC qua cuộn dây WB tới C, tíi thêi ®iĨm t = t1 , uC = Trong kho¶ng thêi gian t1 < t < t2 , uC chuyển qua giá trị không, xuất trình đột biến Blocking thuận nhờ mạch hồi tiếp dơng qua WB , dần đến transistor mở bo hòa Trong kho¶ng thêi gian t2 < t < t3, T b∙o hòa sâu, điện áp cuộn WB gần trị số EC , giai đoạn tạo đỉnh xung, có tích lũy lợng từ cuộn dây biến áp, tơng ứng điện áp hồi tiÕp qua WB lµ: uWB = EC nB (5.102) 187 Và điện áp cuộn dây Wt là: uWt = EC nt (5.103) Lúc tốc độ thay đổi dòng collector giảm nhỏ, nên sức điện động cảm ứng WK, WB giảm, làm dòng base giảm theo, làm giảm mức bo hòa transistor T, đồng thời tụ C đợc dòng base IB nạp qua mạch diode, tiÕp gi¸p emitter - base cđa T, R, C, cuộn WB, đất Lúc IB giảm tới giá trị tíi h¹n: I B = I Bbh = IC β = I Cbh , Lúc xuất trình hồi tiếp dơng theo hớng ngợc lại (quá trình Blocking ngợc): T thoát khỏi trạng thái bo hòa IC giảm làm cho IB giảm, đa T đột ngột sang trạng thái khóa, dòng IC = 0, nhiên quán tính cuộn dây collector, xuất suất điện động tự cảm chống lại giảm đột ngột dòng điện, hình thành mức điện áp âm, biên độ lớn (quá giá trị nguồn EC), trình tiêu tán lợng từ trờng đ tích lũy từ trớc, nhờ dòng thuận chạy qua D2 R1, lúc cuộn Wt cảm ứng điện áp âm làm D1 cấm tách mạch tải khỏi sơ đồ Sau tụ C phóng điện trì T khóa uC = lập lại nhịp làm việc Độ rộng xung Blocking tính đợc là: t x = t t1 = ( R + rv ).C ln βRt n B ( Rt + rv ) (5.104) Trong ®ã rv điện trở vào transistor lúc mở Trở tải xoay chiều mạch collector: Rt ~ = nt2 Rt (5.105) hệ số khuếch đại dòng tĩnh transistor T Thời gian hồi phục t4 ữ t6 hình 5.52.b, thời gian phóng điện tụ định đợc xác định (5.106) t hph = t − t = RB C ln⎜1 + ⎟ ⎜ n ⎟ B ⎠ ⎝ (5.106) Nếu bỏ qua thời gian tạo sờn trớc s−ên sau cđa xung th× chu kú xung: Tx = t x + t hph 188 (5.107) tần số cña d∙y xung: f = t x + t hph (5.108) Sơ đồ Blocking xây dựng từ hai transistor mắc đẩy kéo, làm việc với biến áp xung bo hòa từ để tạo xung vuông, với hiệu suất lợng cao chất lợng tham số xung tốt Khi Blocking làm việc chế độ ®ång bé cÇn chän chu kú cđa d∙y xung ®ång bé TV nhá h¬n chu kú cđa d∙y xung Blocking tạo TX, chế độ chia tần cần tuân theo điều kiện TX >> TV có dy xung đầu có chu kỳ lặp lại là: Tra = nTV (hình 5.53.a 5.53.b víi n lµ hƯ sè chia Uvµo Uvµo t t Tvµo Tvµo Ura Ura Tx=4Tvµo t UB t UB t Tx t Tx (b) (a) H×nh 5.53 Blocking ë chế độ Tx > Tvào (a) chế độ chia tần với Tx >> Tvào Tra = nTvào với n = 4.(b) 5.6.7 Mạch tạo xung ca Khái niệm mạch tạo xung ca (dao động tích thoát) Mạch tạo dao động tích thoát mạch tạo xung có dạng hình ca (xung tam giác) Xung đợc sử dụng làm tín hiệu quét dao động ký, máy thu hình, máy tính Nó đợc sử dụng kỹ thuật đo lờng hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuẩn hai chiều biên độ thời gian, có vai trò thiếu đợc hầu nh hệ thống điện tử đại 189 Hình 5.54 đa dạng xung tam gi¸c lý t−ëng víi c¸c tham sè chđ yếu U0 Umax sau: Biên độ Umax, mức điện áp U0 K t tq chiều ban đầu uq(t = 0) = uo, chu kỳ lặp lại tng T T (với xung tuần hoàn) Thời gian quét thuận tq thời gian quét ngợc tng Hình 5.54 Xung tam giác lý tởng (thông thờng tq >> tng), tốc độ quÐt thuËn: K = du q (t ) dt hay độ nghiêng vi phân đờng quét Để đánh giá chÊt l−ỵng Uq thùc tÕ so víi lý t−ëng, cã hệ số không đờng thẳng đợc định nghĩa nh sau: du q ( t =0 ) dt ε= − du q ( t = t q ) du q ( t =0) dt = u q(o) − u q( tq ) u q(o) (5.109) dt Ngoài tham số khác nh: tốc độ quét trung bình: K TB = = u max hiệu suất lợng: tq u max EC Tõ ®ã cã hƯ sè phÈm chất uq : Q= (5.110) Nguyên lý tạo xung tam giác dựa việc sử dụng trình nạp hay phóng điện tụ điện qua mạch Khi quan hệ dòng điện qua tụ điện áp tụ biến ®ỉi theo thêi gian cã d¹ng: I C ( t ) = C du C (t ) dt (5.111) Trong ®ã C lµ ®iƯn dung cđa tơ ®iƯn, lµ h»ng số, muốn quan hệ uC(t) tuyến tính dòng điện qua tụ phải số 190 Có hai dạng xung ca là: thời gian quét thuận uq tăng tuyến tính theo thời gian nhờ trình nạp cho tụ từ nguồn chiều Uq giảm tuyến tính theo thời gian nhờ trình phóng điện tụ điện qua mạch Yêu cầu chung tq >> tng Để điều khiển tức thời mạch phóng nạp, thờng sử dụng khóa điện tử (transistor, hay IC) đóng mở theo xung điều khiển bên Trên thực tế để ổn định dòng điện nạp hay dòng điện phóng tụ cần khối tạo nguồn dòng, điện áp Uq tăng hay giảm tuyến tính theo thời gian Về nguyên lý có ba phơng pháp sau để tạo xung ca: a) Dùng mạch tích phân đơn giản, mạch RC lối C, để nạp điện cho tụ từ nguồn E hình 5.55.a, trình phóng nạp đợc khóa điện tử điều khiển Khi ®ã ®é phÈm chÊt cđa m¹ch thÊp, ®é phi tun cao Rn K K in E + Rn if Rt - E + C - Rt M¹ch phãng (a) (b) Hình 5.55 Các phơng pháp tạo Uq b) Dùng phần tử để ổn định dòng kiểu thông số, có điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt Rn = f (u Rn ) làm điện trở nạp cho tụ C Để giữ cho dòng nạp không đổi, điện trở Rn giảm điện áp giảm lúc đó: = u max với Etđ =Inạp Ri Etd (5.112) Ri điện trở nội nguồn dòng, có giá trị lớn, Etd lớn cho phÐp n©ng cao umax víi møc mÐo phi tun cho trớc, hình 5.55(b) c) Thay nguồn E cố định đầu vào nguồn biến đổi e(t ) = E + k (U C − U o ) hay e(t ) = E + kΔu C (5.113) 191 với k số tỉ lệ nhỏ k = de(t ) < với hình 5.56.a dU c Ngn bỉ sung kΔU c bï l¹i møc giảm dòng nạp nhờ mạch khuếch đại có hồi tiếp thay đổi theo điện áp tụ UC, ®ã møc mÐo phi tuyÕn: U ε = max (1 k ) (5.114) E Giá trị thực tế nh k Do dù Umax lớn xấp xỉ E làm tăng hiệu suất mạch mà nhỏ, hình 5.56 R R E K.uC in + E - - + K=1 - C + C + K 1+ K Δ Uc - - + + K>>1 - (b) (a) Hình 5.56 Phơng pháp Bootstrap tạo Uq Mạch tạo xung ca dùng transistor Hình 5.57 sơ đồ dùng transistor thông dụng để tạo xung ca (a) sơ đồ đơn giản, (b) mạch dùng phần tử ổn dòng (phơng pháp Miller) (c) mạch bù có khuếch đại bám kiểu Bootstrap +EC R3 +EC R1 R1 R T2 Dz R2 T Uvào C ã R2 C1 T1 Uvµo (a) 192 RE C1 (b) Ura C +EC a) Khảo sát sơ đồ hình D 5.57.a Ban đầu ch−a cã tÝn hiƯu vµo R1 N më b∙o hoà nhờ điện trở R1 R2 M Điện áp Ura = UC 0V Trong cực tính không) âm ®−a (hc tíi lèi C0 R Uv = 0, transistor T thêi gian cã xung vu«ng cã + T2 E2 T1 Uvµo C1 b»ng Ura C RE (c) vµo, transistor T bị khoá, tụ C đợc nạp điện từ +EC qua RC , C Hình 5.57 Các mạch tạo xung ca thông dụng xuống đất, điện áp tụ C tăng theo qui luật: U c (t ) = E c ⎛1 − e − t / RC (5.115) Điện áp Ura(t) = UC(t) gần bậc theo t với hƯ sè phi tun ε= Víi I (o ) ≈ I (o) − I (t q ) I (o) EC vµ R = Um EC I (t q ) = (5.116) EC U m dòng nạp ban đầu cuối R Khi hết xung điển khiển (hoặc xung điều khiển mức điện áp cao), transistor T lại mở bo hoà, tụ C phóng điện nhanh qua T, Ura 0V, mạch trở trạng thái ban đầu Trong mạch, lối vào có điện trở R2 mắc song song với tụ C1, điện trở R2 để hạn chế dòng base T cho thành phần tần số thấp qua, tụ C1 để tác động nhanh tới base cđa T Tõ biĨu thøc hƯ sè phi tun ε (5.116) thÊy râ, muèn sai sè bÐ cÇn chän nguån EC lớn biên độ xung ca Um nhỏ Đây nhợc điểm sơ đồ đơn giản b) Với mạch hình 5.57.b, transistor T2 mắc theo kiểu base chung có tác dụng nh nguồn dòng có bù nhiệt diode ổn áp Dz (ở diode ổn áp có điện ỏp ổn áp 6V, có hệ số nhiệt dơng) Dòng IC2 ổn định nạp cho tụ C thời gian xung vuông điều khiển lối vào không 193 (hoặc có cực tính âm) làm khoá T1, ta có: t q IC U = U C ( t ) = ∫ I C dt = t Co C (5.117) Mạch hình 5.57.b cho phép tận dụng toàn nguồn EC để tạo xung ca với biên ®é nhËn ®−ỵc Um ≈ EC Tuy vËy, cã tải nối song song trực tiếp với C, có phần dòng qua Rt Um giảm, sai số tăng Để sử dụng tốt cần có biện pháp nâng cao Rt, hay giảm ảnh hởng Rt với mạch sơ đồ Để thực đợc điều trên, lối dùng tầng khuếch đại lặp lại (dùng transistor lỡng cực hay transistor trờng, KĐTT), giảm ảnh hởng trở tải c) Với mạch hình 5.57.c, T1 phần tử khoá thờng mở nhờ điện trở R1 khoá xung điều khiển mức không (hoặc có cực tính âm), T2 tầng khuếch đại lặp lại (làm tầng đệm) Ban đầu cha có xung điều khiển, T1 mở bo hoà nhê ®iƯn trë R1, E c qua T1 , ®iƯn áp tụ diode D mở, qua điện trở R có dòng I = o R+R D C: u C = U CBbh RD điện trở diode D diode mở Qua T2 tụ nhận đợc Ura Tụ C0 nạp tới điện áp U N U E EC , víi cùc tÝnh nh− m¹ch Trong thêi gian có xung vào âm T1 bị khoá, tụ C đợc nạp điện qua D, R làm điện áp điểm M (cũng điện áp base T2) tăng lên, làm T2 mở, gia số UC qua T2 qua C0 (có điện dung lớn) gần nh đợc đa toàn điểm N bù thêm với giá trị sẵn có N giữ ổn định dòng qua R nạp cho tụ C Khi dòng h i tiếp qua C0 N có trị số EC/R không dòng qua diode D, dẫn tới cân động, nguồn EC nh tách khỏi mạch, lúc tụ C nạp nhờ nguồn EC đợc nạp trớc cho C0 Sơ đồ có u điểm biên độ Um xấp xỉ giá trị nguồn EC hệ số phi tuyến giảm ảnh hởng trở tải Rt mắc emitter T2 ảnh hởng đến trình nạp tụ C Các sơ đồ hình 5.57 dùng xung điều khiển với cực tính dơng, ta bỏ điện trở R1 chuyển mạch T1 đợc thiết kế dạng thờng khoá 194 Có thể tạo xung tam giác (xung ca) dùng KĐTT nh mạch tích phân dòng KĐTT 5.6.8 Bộ tạo tín hiệu có dạng đặc biệt (bộ tạo hm số) Từ khảo sát phần thấy rằng: tạo tín hiệu hình sin tần số thấp, hầu nh cần phải sử dụng ổn định biên độ điện áp Để tạo điện áp xoay chiều có dạng tam giác đợc thực sơ đồ đơn giản nhờ tích phân trigger Smith dùng KĐTT Tiếp theo, cách sử dụng khối tạo hàm sin từ điện áp hình tam giác Bằng phơng pháp đồng thời tạo điện áp tam giác, vuông góc hình sin, tạo dao động làm việc theo nguyên tắc đợc gọi tạo hàm số Sơ đồ khối tạo dao động nh đợc trình bày Trigger Smith hình 5.58 UR Bộ tạo điện áp tam giác Bộ tạo tín hiệu hình sin Bộ tích phân UD US Hình 5.57 Sơ đồ khối dao động hàm vuông góc đơn giản số Bộ tạo điện áp tam giác vuông góc góc đợc tạo cách mắc nối tiếp mét bé tÝch ph©n víi R1 R2 R C mét trigger Smith đợc trình bày + - - hình 5.59 + UR Bộ tích phân lấy điện áp lối KĐTT(1) UD KĐTT(2) trigger Smith Khi điện áp Hình 5.59 Bộ tạo hình tam giác tích phân đạt ngỡng lật vuông góc đơn giản trigger Smith điện áp trigger Smith thay đổi cách đột biến dấu (lật trạng thái lối ra) Điện áp tích phân lại thay đổi theo hớng ngợc lại, thay đổi tiếp diễn đạt ngỡng lật trigger Smith Bằng cách thay đổi số tích phân RC thay đổi đợc tần số điện áp dải rộng, biên ®é cđa ®iƯn ¸p tam gi¸c UB chØ phơ thc vào hai ngỡng lật 195 trigger Smith Theo điều trình bày biên độ xung tam giác: Um = R1 R2 U r max Uramax -Uramax hai trạng thái lối trigger Smith Chu kỳ dao động dài gấp đôi thời gian cần thiết để điện áp tích phân biến ®æi tõ -UDm ®Õn +UDm Tõ ®ã suy chu kú: R T = RC R2 (5.118) Nh− tần số tín hiệu không phụ thuộc vào mức giới hạn bo hoà Uramax KĐTT Bộ tạo hàm số có điều khiển tần số tín hiệu Trong tạo hàm số, đảm bảo việc điều khiển tần số điện áp phơng pháp tơng đối đơn giản Muốn ngời ta mắc nối tiếp với trigger Smith chuyển mạch analog Hình 5.60 trình bày sơ đồ minh hoạ giải pháp R3 C R +Ue - R3 + + 0y1 R2 + - R4 R1 - 0y2 0y3 Ue > D R5 UD UR Hình 5.60 Bộ tạo hàm số có chuyển mạch analog dùng khuếch đại thuật toán Tuỳ theo cực tính tín hiệu trigger Smith mà lối vào tích phân có điện áp Ue hay -Ue Lúc đó, tốc độ tăng điện áp UD lối tích phân bằng: U ⎞ ⎛ ΔU D ⎞ ⎜ ⎟ = ±⎜ e ⎟ ⎝ Δt ⎠ ⎝ RC ⎠ (5.119) Nh− phần khảo sát trigger Smith cho thấy: điện áp trigger Smith lật trạng thái điện áp tam giác UD vợt hai ngỡng R1 U r max (đối với trigger Smith với lối vào đảo) Trong sơ đồ R1 + R2 tần số dao động mạch điện: 196 f = R1 + R2 U e R1 RC U r max (5.120) Nh− tần số dao động liên hệ với điện áp lối vào Ue Vì sơ đồ sơ đồ biến đổi điện áp thành tần số Nếu trị số điện áp Ue cho bằng: U e = U eo + ΔU e (5.121) th× cã thể điều khiển tần số điện áp thay đổi tuyến tính Khi cần phải có độ ổn định cao biên độ tần số tín hiệu ra, ng−êi ta thay trigger Smit b»ng trigger Smith chÝnh x¸c (trigger Smith cã hai bé so s¸nh, IC 555) Bộ chuyển mạch analog mô tả hình 5.60 làm việc tần số không cao Đối với tần số cao 10 kHz tốt dùng chuyển mạch transistor hình 5.61 - U1 = +Ue + R4 0y4 Ue > T1 R3 R R2 R1 C R3 T2 + + 0y3 U2 = -U e + 0y2 UD - 0y1 UR Hình 5.61 Bộ tạo hàm số với chuyển mạch transistor Tuỳ theo trạng thái trigger Smith mà transistor T1 T2 có điện áp +Ue -Ue đặt lối vào tích phân (điều kiện |Ue| < Urmax) Trong trờng hợp transistor làm việc nh tầng lặp lại emitter kiểu bù có sụt áp tiếp giáp mở vài mi-li vôn 5.7 Dùng biến đổi số - tơng tự D/A để tạo dao động 197 Dựa tiến kỹ thuật X(t) năm gần đây, ®Ỉc biƯt lÜnh vùc kü tht sè, ng−êi t ta xây dựng máy phát tín hiệu hình sin dựa nguyên tắc xấp xỉ hóa đoạn kết hợp với lấy mẫu theo thời gian Hình 5.62 Xấp xỉ hóa đoạn tín hiệu hình sin tín hiệu bậc hình 5.62 thang Sơ đồ khối tạo dao động hình sin phơng pháp số đợc mô tả hình 5.63 Tx C DFC ADC LTT Hình 5.63 Sơ đồ khối tạo dao động hình sin phơng pháp số Trong khối khối tạo xung nhịp Tx; C đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá trị tức thời đối số; DFC biến đổi tần số - hàm, để tạo giá trị tín hiệu hình sin (ở dạng số); DAC biến đổi số - tơng tự để biến đổi tín hiệu từ dạng số (ở đầu DFC) thành dạng tín hiệu tơng tự Cuối lọc thông thấp để từ tín hiệu tơng tự dạng bậc thang thành tín hiệu hình sin Độ méo tín hiệu hình sin phụ thuộc vào số l−ỵng mÉu lÊy mét chu kú NÕu sè mÉu lấy lớn (đợc xác định tần số xung nhịp) hình sin có độ xác cao Tuy nhiên điều phụ thuộc vào giới hạn tần số làm việc DFC DAC Vì phơng pháp ứng dụng tần số cao để tạo tín hiệu hình sin với độ méo nhỏ đợc 198 ... // n ⎥ ⎣ ⎦ (5 .3 4) Trong P hệ số ghép transistor m¹ch P= U CE L2 = U tđ L1 + L (5 .3 5) Thay (5 .3 3) (5 .3 5) vµo (5 .3a) ta ®−ỵc: (1 + n ) h 11e + n R tđ − nR tđ h 21e ≤ (5 .3 6) Nh (5 .3 6) hoàn toàn... lín cđa hƯ sè håi tiÕp: β= (1 − 5? ? ) + α (6 − α ) 2 (5 .56 b) Vµ gãc pha cđa m¹ch håi tiÕp: α (6 − α ) Với mạch di pha này, = π α = ϕ β = arctg (5 .5 7) Do ®ã: ωdđ = RC (5 .5 8) Thay = vào (5 .56 b)... dây; (5 . 4) L điện cảm khung dao động Điện áp khuếch đại: U r = K U ht (5 . 5) 129 Để xác định điện áp ra, viết phơng trình dòng điện nút 1: U r − U1 dU 1 −C − U dt = dt R L ∫ (5 . 6) Thay (5 . 4) (5 . 5)