Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Login

Username: Password:

Forgot your password? Forgot your username?
ĐĂNG KÝ TÀI KHOẢN ĐỂ TRUY CẬP NHIỀU TÀI LIỆU HƠN!

Create an account

Skip to content

Mạch dao động (Oscillators)

Saturday, 17 March 2018 18:37 Semicon Editor 01

Chắc các bạn ngành điện cũng đã nghe nhiều về mạch khuếch đại, nhưng mạch dao động thì ít hơn cho nên cũng hơi lờ mờ về loại mạch này. Do đó hôm nay mình xin tổng hợp lại một số kiến thức về loại mạch này để các bạn nắm rõ hơn. Mạch dao động thực tế là gì? Mạch dao động chính là mạch tạo ra tín hiệu.

Các loại mạch dao động tổng quát:

-Dao động điều hòa (harmonic oscillators) tạo ra các sóng sin

-Dao động tích thoát (thư giãn - relaxation oscillators) tạo ra các tín hiệu không sin như răng cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular, square).

Sau đây mình sẽ trình bày một số loại mạch thông dụng:

1 Mạch cộng hưởng (resonant circuit):

a. Cộng hưởng nối tiếp (series resonant circuit):

- Gồm có một tụ điện và một cuộn cảm mắc nối tiếp.

- Cảm kháng của cuộn dây là jX_L = 2pf_L

- Thực tế, cuộn cảm L luôn có nội trở R nên tổng trở thực của mạch là: Z = R + jX_L - jX_C.

- Tại tần số cộng hưởng f₀ thì X_L = X_C nên Z₀ = R

- Vậy tại tần số cộng hưởng tổng trở của mạch có trị số cực tiểu.

- Khi tần số f < f₀ tổng trở có tính dung kháng.

- Khi tần số f > f₀ tổng trở có tính cảm kháng.

b. Cộng hưởng song song (parallel resonant ci rcuit)

Tổng trở của mạch:

2 Tổng quát về dao động LC:

-Dạng tổng quát như hình 10.17a và mạch hồi tiếp như hình 10.17b

- Giả sử R_i rất lớn đối với Z₂ (thường được thỏa vì Z₂ rất nhỏ)

Ðể tính hệ số hồi tiếp ta dùng hình 10.17b

Ðể xác định A_v (độ lợi của mạch khuếch đại căn bản ta dùng mạch 10.17c

3 DAO ÐỘNG THẠCH ANH (crystal oscillators)

a Thạch anh

Tinh thể thạch anh (quaRtz crytal) là loại đá trong mờ trong thiên nhiên, chính là dioxyt silicium (SiO₂).

Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra từ tinh thể. Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác nhau. Lát thạch anh có diện tích từ nhỏ hơn 1cm² đến vài cm² được mài rất mỏng, phẳng (vài mm) và 2 mặt thật song song với nhau. Hai mặt này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài để dễ sử dụng.

Ðặc tính của tinh thể thạch anh là tính áp điện (piezoelectric effect) theo đó khi ta áp một lực vào 2 mặt của lát thạch anh (nén hoặc kéo dãn) thì sẽ xuất hiện một điện thế xoay chiều giữa 2 mặt. Ngược lại dưới tác dụng của một điện thế xoay chiều, lát thạch anh sẽ rung ở một tần số không đổi và như vậy tạo ra một điện thế xoay chiều có tần số không đổi. Tần số rung động của lát thạch anh tùy thuộc vào kích thước của nó đặc biệt là độ dày mặt cắt. Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung động của thạch anh cũng thay đổi theo nhưng vẫn có độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao động không dùng thạch anh (tần số dao động gần như chỉ tùy thuộc vào thạch anh mà không lệ thuộc mạch ngoài).

Mạch tương đương của thạch anh như hình 10.25

Tinh thể thạch anh cộng hưởng ở hai tần số khác nhau:

Ta có thể dùng thạch anh để thay thế mạch nối tiếp LC, mạch sẽ dao động ở tần số f_S. Còn nếu thay thế mạch song song LC, mạch sẽ dao động ở tần số f_p (hoặc f_op). Do thạch anh có điện cảm L_S lớn, điện dung nối tiếp rất nhỏ nên thạch anh sẽ quyết định tần số dao động của mạch; linh kiện bên ngoài không làm thay đổi nhiều tần số dao động (dưới 1/1000). Thường người ta chế tạo các thạch anh có tần số dao động từ 100khz trở lên, tần số càng thấp càng khó chế tạo.

b Dao động thạch anh:

Dao động dùng thạch anh như mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là mạch dao động Pierce (Pierce crystal oscillator). Dạng tổng quát như sau:

Ta thấy dạng mạch giống như mạch dao động clapp nhưng thay cuộn dây và tụ điện nối tiếp bằng thạch anh. Dao động Pierce là loại dao động thông dụng nhất của thạch anh.

Hình 10.29 là loại mạch dao động Pierce dùng rất ít linh kiện. Thạch anh nằm trên đường hồi tiếp từ cực thoát về cực cổng.

Trong đó C₁ = C_dS; C₂ = Cg_S tụ liên cực của FET.

Do C₁ và C₂ rất nhỏ nên tần số dao động của mạch:

và thạch anh được dùng như mạch cộng hưởng song song.

Thực tế người ta mắc thêm một tụ tinh chỉnh C_M (Trimmer) như hình 10.29 và có tác động giảm biến dạng của tín hiệu dao động.

Ta có thể dùng mạch hình 10.30 với C₁ và C₂ mắc bên ngoài.

Trường hợp này ta thấy thạch anh được dùng như một mạch cộng hưởng nối tiếp

4.Dao động tích thoát dùng OP-AMP (op-amp relaxation oscillator)

Ðây là mạch tạo ra sóng vuông còn gọi là mạch dao động đa hài phi ổn (astable mutivibrator). Hình 10.31 mô tả dạng mạch căn bản dùng op-amp

Ta thấy dạng mạch giống như mạch so sánh đảo có hồi tiếp dương với điện thế so sánh vi được thay bằng tụ C.

Ðiện thế thềm trên V_UTP=β.(+V_SAT)>0

Ðiện thế thềm dưới V_LTP=β.(-V_SAT)<0

Giả sử khi mở điện v₀ = +V_SAT, tụ C nạp điện, điện thế hai đầu tụ tăng dần, khi V_C (điện thế ngõ vào -) lớn hơn v_f = V_UTP (điện thế ngõ vào +) ngõ ra đổi trạng thái thành -V_SAT và v_f bây giờ là: v_f = V_LTP = b.(-V_SAT). Tụ C bắt đầu phóng điện qua R1, khi V_C = 0 tụ C nạp điện thế âm đến trị số V_LTP thì mạch lại đổi trạng thái (v0 thành +V_SAT). Hiện tượng trên cứ tiếp tục tạo ra ở ngõ ra một dạng sóng vuông với đỉnh dương là +V_SAT và đỉnh âm là -V_SAT. Thời gian nạp điện và phóng điện của tụ C là chu kỳ của mạch dao động.

Do tụ C nạp điện và phóng điện đều qua điện trở R1 nên thời gian nạp điện bằng thời gian phóng điện.

Khi C nạp điện, điện thê 2 đầu tụ là:

Thực tế |+V_SAT| có thể khác |-V_SAT| nên để được sóng vuông đối xứng, có thể sử dụng mạch như hình 10.33

Trong các mạch hình trên ở ngõ ra ta được sóng vuông đều (t₁ = t₂). Muốn t₁ ¹ t₂ ta có thể thế R₂ bằng mạch

a. Tạo sóng tam giác:

Một cầu chỉnh lưu và JFET được đưa vào hệ thống hồi tiếp âm như hình 10.35. Ðể ý là điện thế tại cực thoát D của JFET luôn dương hơn cực nguồn S (bất chấp trạng thái của ngỏ ra V0). JFET như vậy hoạt động như một nguồn dòng điện và trị số của nguồn này tùy thuộc JFET và R1 khi V_DS lớn hơn 3v. Thí dụ với JFET 2N4221, ta có:

- Giả sử v₀ = +V_SAT thì D₁, D₂ dẫn. Dòng điện qua D₁, JFET, D₂ nạp vào tụ C từ trị số

- Khi v_C = V_UTP, v₀ đổi trạng thái thành -V_SAT; D₃, D₄ dẫn, tụ C phóng điện cho đến hết và nạp điện thế âm đến V_LTP trong thời gian tn. Sau đó hiện tượng lại tiếp tục.

Nếu 4 diode đồng nhất thì ta có thời gian nạp điện bằng thời gian phóng điện, tức t_p = t_n, và chu kỳ dao động T = t_p + t= = 2t_p

Như vậy ở ngõ ra ta có sóng vuông và ở ngõ vào trừ ta có sóng tam giác.

b. Thay đổi độ dốc của sóng tam giác

Ðể thay đổi độ dốc của sóng tam giác ta phải thay đổi t_p và t_n (nếu t_p ¹ t_n ta có sóng tam giác không đều). Muốn vậy ta tạo dòng nạp và dòng phóng khác nhau.

Gọi dòng phóng là I_n và dòng nạp là I_p, ta có: