Chương 7: DAO ĐỘNG - TỔNG HỢP TẦN SỐ docx

Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Chương 7
DAO ĐỘNG - TỔNG HP TẦN SỐ
Dao động và tổng hợp tần số (THTS) - phần rất quan trọng của điện tử thông tin.
Trong tài liệu này chỉ xét dao động sin cao tần. Mạch dao động biến đổi năng lượng điện
nguồn một chiều thành xoay chiều. Thông số quan trọng nhất của bộ dao động: độ bất ổn
tần số tương đối
o
o
f
ff −
=ε
. Trong đó f
o
- tần số dao động cần có; f - tần số dao động có
được. Các mạch dao động LC cho ε = 10
-3, -4
. Dao động thạch anh có ε = 10
-6,-7,-8,-9
được
dùng làm dao dộng chuẩn.
o
ff −
gọi là độ bất ổn đònh tần số tuyệt đối. Các thông số
khác của bộ dao động: công suất ra, dải tần, trở kháng ra.
7.1. NGUYÊN LÝ DAO ĐỘNG
Amp
i
o
v
V

V
A



=
Hồi tiếp
o
f
f
V
V
B



=
o
v

i
v

f
v

s
v

Amp

i
o
v
V
V
A =

Hồi tiếp
o
f
f
V
V
B =

v
f
v
i
v
o
Hình 7.1. Sơ đồ nguyên lý dao động
(a) (b)
Mạch dao động gồm mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp dương đồng thời làm tải
chọn lọc cao tần của khuếch đại.
Độ lợi khuếch đại điện áp không hồi tiếp
)đạikhuếchmạchvàoápđiện(V
)đạikhuếchmạchraápđiện(V
A
i

o
v



=
Một phần điện áp ra
f
V

đưa vế hồi tiếp dương cho mạch khuếch đại:
Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp
o
f
f
V
V
B



=
off
V.BV

=
- điện áp hồi tiếp ghép nối tiếp với nguồn điện áp kích khởi ban đầu
s
V


. Hồi tiếp âm nếu pha
s
V

và
f
V

ngược nhau, khi đó
fsi
VVV

−=
giảm, điện áp ra
o
V

giảm. Hồi tiếp dương nếu
s
V

và
f
V

cùng pha dẫn đến
o
V

tăng tức là có dao động.

Xét hồi tiếp dương:
ofvsvvofsvfsvio
V.B.AVAA)V.BV(A)VV(A.VV









+=+=+==
Để có tự dao động thì
s
V

= 0 suy ra
1B.A
fv
=


Mạch điện tử 3
71
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Điều kiện
1B.A
fv
=



còn gọi là tiêu chuẩn Barkhausen. Thông thường
1B.A
fv
≥


,
tức là mạch khuếch đại bù được suy hao của mạch hồi tiếp. Nếu
1B.A
fv
<


mạch không
dao động.
Dạng khác,
s
V

= 0 ta có :
vf
fv
v
i
o
A
BA1
A

V
V






=
−
=
vf
A

- hệ số khuếch đại điện áp có hồi tiếp dương. Nếu
1B.A
fv
=


thì
∞→
vf
A

mạch tự dao động.
Từ tiêu chuẩn Barkhausen, có điều kiện dao động về biên độ và pha:
A
v
.B

f
= 1
ϕ
A
+ ϕ
B
= 2πn; n = 0, 1, 2, 3, …
ϕ
A
, ϕ
B
pha của mạch khuyếch đại và mạch hồi tiếp.
Xét mạch dao động dạng tổng quát về mặt xoay chiều (AC) gồm phần tử tích cực
khuếch đại và mạch hồi tiếp gồm 3 phần tử kháng X
l,2,3
đồng thời là tải cộng hưởng. Bỏ
qua điện dung ký sinh bán dẫn và điện trở tổn hao của các phần tử kháng ta có mạch
tương đương xoay chiều của bộ dao động. Coi BJT không có quán tính.
Điều kiện dao động:














=
=
<
>
=++
B
1
A
V
V
B
0x.x
0x.x
0xxx
v
o
f
f
31
21
321
L
1
L
2
C
3
Hình 7.3. Các dạng mạch dao động LC.

L
1
C
1
L
2
C
1
C
2
L
3
C
1
C
2
L
3
C
3
Hartley Ghép biến áp Colpitt Clapp
Hai dạng mạch dao động cơ bản thỏa điều kiện dao động: Hartley (3 điểm điện
cảm) và Colpitt (3 điểm điện dung). Dao động ghép biến áp là biến thể Hartley và Clapp -
biến thể của Colpitt. Lựa chọn thông số tối ưu cho khuếch đại của bộ dao động:
I
CO
= vài mA. V
CEo
= 6V;
Mạch điện tử 3

72
X
1
X
2
X
3
Hình 7.2. Mạch dao động về AC.
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Mạch dao động tần số cao thường dùng nhất - Clapp cho độ ổn đònh cao, thứ đến -
Colpitt, rồi Hartley. Mạch dao động Hartley thường dùng trong công nghiệp hoặc những
nơi không cần ổn đònh tần số cao như lò tôi cao tần, dán cao tần.
f
B

f
B

f
B

o
BA
180=ϕ=ϕ
o
BA
0=ϕ=ϕ
o
BA
0=ϕ=ϕ

Hình 7.4. Các điều kiện pha của mạch dao động mắc CE, CB, CC.
7.2. PHÂN TÍCH MẠCH DAO ĐỘNG
R
B
C
B
R
E
C
1
C
2
C
B
C
B
R
L
L
+V
CC
Hình 7.5. Dao động Colpitt mắc CB.
g
m
V
R
E
C
1
C

2
R
L
L
Hình 7.6. (a) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ mắc CB của bộ dao động
(b) Mạch tương đương sơ đồ (a) nhưng hở mạch hồi tiếp
r
i
V
g
m
V
R
E
C
1
C
2
R
L
L
r
i
V
V
o
(a) (b)
Giả sử bỏ qua điện trở ra BJT, R
B
đủ lớn, tụ C

B
coi như nối tắt về AC
Ta có: |A
v
|.|B
f
| = 1 và ϕ
A
= ϕ
B
= 0 là điều kiện dao động.
Tụ C
2
//R
E
//r
i
=
)mA(I
)mV(26
I
V
CC
T
=
(điện trở vào tầng khuếch đại mắc CB)
Hệ số phẩm chất Q của mạch dao động có tải lớn. Điện áp ngỏ ra mạch hồi tiếp:
Mạch điện tử 3
73
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số

21
1o
CC
CV
V
+
=
Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng:
2
1
21
Ei
Ei
eq
C
CC
Rr
Rr
R








+
+
=

Hệ số truyền đạt








+
==
21
1
o
f
CC
C
V
V
B
. Tại cộng hưởng
21
21
o
CC
CC
L
1
+
=ω

; ϕ
A
= ϕ
B
= 0 và
Leq
Leq
mLm
o
v
RR
R.R
.gZ.g
V
V
A
+
===
. Trong đó
Điều kiện dao động về biên độ:
1
CC
C
.
RR
R.R
.gB.A
21
1
Leq

Leq
mfv
=
++
=
Nếu R
E
>> r
i
thì
1B.A;
C
CC
rR
fv
2
1
21
ieq
≥








+
=

thường chọn bằng 3 (bù trừ sai số gần đúng). Ở trạng thái xác lập:
3
CC
C
CC
C
rgB.A
21
1
21
1
imfv
=
+
=
+
=
Chọn R
L
>> R
eq
để ít ảnh hưởng tới trở kháng tương đương mạch cộng hưởng.
Ví dụ: Cho sơ đồ trên, cho I
C
= lmA; V
cc
= 12V; f
o
= 20MHz, β = 100 Tính mạch dao động.
Giải:

Ω==== 26
mA1
mV26
I
V
g
1
r
C
T
m
i
Chọn
p500
2
C
C
2
1
==
có L = 0,19µH
Ω=









+
= 234
C
CC
rR
2
1
21
ieq
Chọn R
L
= 1,5KΩ >> R
eq
C
B
= 1µF
Ω=== k3
mA1
V3
I
V
R
C
E
E
Ω=
−−
=
−−
= k3

mA1
6312
I
VVV
R
C
CEEcc
C
Ω=
−−−
=
β
−−−
= k530
100/1
76312
)/I(
7VVV
R
C
REcc
B
c
Mạch điện tử 3
74
R
B
C
B
R

E
C
1
C
2
C
B
C
B
R
L
L
+V
CC
Hình 7.7. Mạch dao động Colpitt.
530K
0,1
3K
500p
500p
0,1
0,1
0,19
µ
H
1,5K
R
C
3K
12V

Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
7.3. CÁC KIỂU MẠCH DAO ĐỘNG LC
1. Mạch dao động Clapp:
C
1
C
2
C
3
L
3
RFC
C
E
R
E
R
1
R
2
C
B
+V
CC
Hình 7.8. OSC - Clapp.
Hệ số ghép ngõ ra mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng
1
eq
C
C

C
C
X
X
P
eq
1
==
Trong đó
321eq
C
1
C
1
C
1
C
1
++=
)CntCntC(L
1
3213
o
=ω
Nếu C
1,2
>> C
3
⇒ C
eq

≈ C
3
⇒
33
o
CL
1
=ω
và
1
C
C
P
1
3
<<=
tức là ghép lỏng ngỏ ra
mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng, giảm ảnh hưởng điện dung ký sinh BJT đến tần
số dao động. Do đó mạch dao động Clapp ổn đònh hơn Colpitt.
2
1
C
C
f
C
C
X
X
B
1

2
==
2. Mạch dao động Colpitt
Mạch điện tử 3
75
C
1
C
2
L
3
RFC
C
E
R
E
R
1
R
2
C
B
+V
CC
Hình 7.10. OSC - Colpitt.
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
R
1,2
>> h
ie

21
21
3
o
CC
CC
L
1
+
=ω
2
1
C
C
f
C
C
X
X
B
1
2
==
1K
2700
64
180
2,6K
0,01
1K

+9V
f
o
= 25MHz
0,01
0,01
0,65µH
C
B
C
1
C
2
C
3
L
3
R
E
R
B
+V
cc
200
20010µH
f
o
= 10MHz
Hình 7.11. Các kiểu mạch dao động.
3. Mạch dao động Hartley

321
o
C)LL(
1
+
=ω
1
2
L
L
f
L
L
X
X
B
1
2
==
C
B
C
3
L
1
RFC
C
E
R
E

R
1
R
2
C
B
+V
CC
Hình 7.12. OSC - Hartley.
C
B
L
2
1K
180
2,6K
+9V
f
o
= 10MHz
0,005
1,5µH
0,005
0,005
140
0,005
13/68
Mạch điện tử 3
76
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số

4. Mạch dao động điều hưởng ngỏ vào - ra (Tuned-input Tuned-output
osc)
Điện dung C '
bc
khoảng vài pF chính là thành phần mạch hồi tiếp dương từ ngõ ra
trở lại ngỏ vào. Điện áp ở cực C đảo pha so với B 180
o
. Mạch hồi tiếp dương xoay pha
thêm 180
o
. L
2
C
2
cộng hưởng ở tần số dao động f
o
; L
1
C
1
cộng hưởng ở f
o1
hơi lớn hơn f
o
do
đó tại f
o
. L
1
C

1
mang tính điện cảm L'
1
. Do
c'b
C
X
>>
'
1
L
X
nên nhánh L’
1
C
b'c
mang tính dung
kháng, dòng I
A
sớm pha hơn điện áp trên cực C là 90
o
. Điện áp trên L’
1
sớm pha so với
dòng I
A
90
o
, tức là điện áp
'

1
L
V
sớm pha hơn so với điện áp trên cực C 180
o
, thỏa điều kiện
pha dao động ϕ
A
= ϕ
B
=180
o
. Trong một vài trường hợp cần đệm thêm tụ nhỏ giữa cực C
và B để thỏa điều kiện hồi tiếp dương dao động.
C
1
C
2
L
1
RFC
C
E
R
E
R
1
R
2
C

3
+V
CC
C
4
L
2
C
b’c
out
C
b’c
L’
1
I
A
Req
(L
2
//C
2
)
(a)
(b)
Hình 7.13. (a) Mạch dao động điều hưởng ngõ vào - ra.
(b) Mạch điện tương đương AC.
5. Dao động Pierce (Pierce osc)
Xem xét 2 trường hợp riêng của Colpitt osc:
C
1

C
2
L
RFC
C
E
R
E
R
B
C
B
+V
CC
Hình 7.14. Dao động Pierce.
C
1
C
2
RFC
C
E
R
E
R
B
C
B
+V
CC

L
Tụ C
B
, C
E
coi như nối tắt về AC tại tần số dao động. Mạch dao động có tên Pierce.
Điện trở R
B
không mắc song song vào mạch điều hưởng nên không làm giảm hệ số phẩm
chất Q của nó, tức là tăng độ ổn đònh tần số bộ dao động.
Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Pierce osc
Mạch điện tử 3
77
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
[ ]
( )
122
122
1
CCe'bCe'bL
CCe'bCe'bLm
Co
jXjXr/XjrjX
jX)jXr/(XjrjXV.g
VV
−−−
−−−−
==
trong đó:
[ ]

Le'bCe'bC
e'bCe'bCo
jX)rjX/(rjX
)rjX/(rjXV
V
22
22
++−−
+−−
=
thay thế V:
)CLCCC(rjLC1
r.V.g
V
21
2
21e'b1
2
e'bom
o
ω−+ω+ω−
−
=
Để có xoay pha 360
o
, phần ảo bằng không suy ra tần số dao động
21
21
o
CLC

CC +
=ω
Để thỏa điều kiện dao động xoay pha 360
o
:
1LC
1
2
o
>ω
, tức là
1
C
CC
hay1
CLC
LC)CC(
2
21
21
121
>
+
>
+
Từ điều kiện biên độ:
1B.A
fv
≥
tại cộng hưởng, có:

g
m
.r
b’c
= β > ω
2
LC
1
–1 =
1
C
CC
2
21
−
+
hay βC
2
> C
1
7.4. ỔN ĐỊNH BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG:
Các phân tích tuyến tính dao động thuận tiện cho xác đònh tần số dao động nhưng
không đề cập tới biên độ. Có hai phương pháp thường dùng kiểm soát biên độ dao động:
dao động tự giới hạn và mạch điều chỉnh biên độ.
1) Dao động tự giới hạn: độ lợi vòng
1B.A
v
>
(thường bằng 2;3). Khi biên độ tăng,
bán dẫn đạt đến trạng thái bão hoà, độ lợi vòng giảm dần đến trạng thái biên độ

ổn đònh của dao động
2) Dùng mạch điều chỉnh biên độ: biên độ ra giới hạn nhờ giới hạn dòng Q
2
C
1
C
2
L
R
E
Q
1
Q
2
V
o
Mạch điện tử 3
78
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
7.5. ĐỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ BỘ DAO ĐỘNG
Độ bất ổn đònh tần số tương đối
ooo
o
f
f
f
ff
ω
ω∆
=

∆
=
−
=ε
Có hai loại bất ổn đònh tần số: - thời gian dài (thay đổi tần số từ từ do bất ổn nhiệt
độ, áp suất, độ ẩm, rung cơ học, nguồn v.v ) và thời gian ngắn (thay đổi tần số trong thời
gian ngắn - một giây hay vài chu kỳ tín hiệu do nhiễu nhiệt, nhiễu shot). Độ bất ổn thời
gian ngắn giảm khi hệ số phẩm chất Q mạch cộng hưởng tăng.
Tần số dao động mạch cộng hưởng (mch):
LC
1
o
=ω
. Dưới tác động các yếu tố
gây sái dạng thông số L, C một lượng ∆L, ∆C.
Tần số dao động bò trôi:
)CC)(LL(
1
∆+∆+
=ω
. Khi đó độ bất ổn đònh tần số
tương đối:






∆
+

∆
−=
ω
ω∆
=
∆
==ε
C
C
L
L
2
1
f
f
oo
Để ε nhỏ chọn: L và C có hệ số nhiệt nhỏ biến thiên ngược nhau
(
o
C
o
L
t.C
C
;
t.L
L
∆
∆−
=α

∆
∆
=α
; ∆t
o
độ biến thiên nhiệt độ)
- công suất ra bộ dao động nhỏ
- chống tác động rung cơ học
- ổn đònh nhiệt độ mạch dao động
- Nguồn cung cấp ổn đònh, tách biệt riêng cho phần dao động
- Mạch cộng hưởng có Q lớn, dùng tầng đệm cách ly mạch dao động với tầng sau
- Bán dẫn có tần số cắt cao, nhiễu thấp
- Mạch và phân cực hợp lý
Phân tích độ bất ổn đònh tần số mạch dao động ba điểm điện cảm, điện dung mắc
Emitter chung:
Mạch ba điểm điện dung : (3C):
2
2
2
1
1
1
o
P.
C
C
2
1
P.
C

C
2
1
L
L
2
1
f
f ∆
−
∆
−
∆
−=
∆
=ε
(l)
trong đó:
;
CC
CC
C;
C
C
P;
C
C
P
21
21

2
2
1
1
+
===
Mạch ba điểm điện cảm (3L)
2
2
2
1
1
1
o
P.
L
L
2
1
P.
L
L
2
1
C
C
2
1
f
f ∆

−
∆
−
∆
−=
∆
=ε
(2)
Mạch điện tử 3
79
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
trong đó:
;LLL;
L
L
P;
L
L
P
21
2
2
1
1
+===
Trở kháng mạch cộng hưởng nhìn từ ngỏ ra BJT z
e
trong sơ đồ (3C):
ω
=

ω
==ρ=
1
1
2
1
eq
2
1
2
1e
C
Q
.P
Q
.
C
C
R.PQ Pz
Trong đó
;
Q
.C.z
C
C
P
1e
1
1
ω

==
(3)
Tương tự ở mạch (3L)
QL.PQ.
L
L
R.PQ Pz
11
2
1
eq
2
1
2
1e
ω=ω==ρ=
Trong đó
;
QL
z
L
L
P
1
eq
1
1
ω
==
(4)

Thế (3) vào (l) của mạch dao động (3C):
[ ]
L
L
2
1
C.BC
Q
z.
2
1
f
f
2
2
f1
e
o
∆
−∆+∆
ω
−=
∆
=ε
trong đó
2
1
f
C
C

B =
Thế (4) vào (2) mạch dao động (3L)
C
C
2
1
L
L
.B
L
L
Q
z
2
1
f
f
2
2
2
2
f
2
1
1e
o
∆
−







∆
+
∆
ω
−=
∆
=ε
;
1
2
f
L
L
B =
Nhận xét: Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp B
f
càng nhỏ, độ ổn đònh tần số càng
tăng, nhưng độ khuếch đại Av càng lớn, điện trở ra bán dẫn càng nhỏ gánh vào mạch
cộng hưởng làm Q giảm, độ ổn đònh giảm. Do đó chọn B
f
không quá nhỏ.
- z
e
càng nhỏ độ ổn đònh càng tăng nhưng sẽ khó thỏa điều kiện dao động do đó phải
có sự lựa chọn dung hòa.
- Q lớn, đôï ổn đònh tần số dao động tăng. Đây chính là lý do các mạch cộng hưởng

bộ dao động luôn chọn có hệ số phẩm chất cao, ngoài ra còn có tác dụng loại hài
bậc cao, lọc nhiễu.
- Các phân tích trên bỏ qua ảnh hưởng thông số BJT. Thực chất nếu phân tích sâu,
các thông số phức bán dẫn y
11
, y
12
, y
22
gánh vào mạch cộng hưởng. Phần thực các
thông số đó gây tổn hao thêm ở mạch cộng hưởng, Q giảm, độ ổn đònh tần số giảm.
Phần phức làm thay đổi tần số dao động. Việc lựa chọn linh kiện và mạch hợp lý
giảm thiểu ảnh hưởng này. Điện trở R
E
góp phần làm tăng độ ổn đònh tần số.
- Nguồn cung cấp cần ổn đònh riêng bởi lẽ thông số BJT phụ thuộc vào nó.
- Để có đao động ổn đònh cao, dùng thạch anh có Q rất cao.
7.6. DAO ĐỘNG THẠCH ANH (CRYSTAL OSC)
Mạch điện tử 3
80
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Trong phần Crystal Filter đã đề cập tổng quát thạch anh dùng cho bộ lọc trung tần.
Phần này phân tích chi tiết hơn dao động thạch anh. Mạch điện tương đương thạch anh
(TA): gồm nhiều nhánh có tần số cộng hưởng nối tiếp gần bằng số lẻ tần số cơ bản (f
s
, f
p
).
Các tần số này gọi là overtones Frequency. Trong một khoảng tần số nhỏ quanh tần số
cộng hưởng, mạch điện tương đương có sơ đồ đơn giản sau:

Hình 7.15. Mạch điện tương đương Thạch anh.
L
T
r
T
C
T
C
o
r
1
L
1
C
1
f
2
r
3
L
3
C
3
f
3
r
2n+1
L
2n+1
C

2n+1
C
o
T
L
TA
r
X
Q
T
=
rất lớn cỡ 10
5
÷ 10
6
. Giá trò L
T,
C
T
phụ thuộc kích cỡ, chiều cắt TA.
Điện trở r
T
đặc trưng tổn hao của mạch TA, chủ yếu do điện cực, cấu trúc ráp, điện trở dây
nối ra. L
T
khoảng (16 ÷ 6000)mH
Bảng thông số TA của JAN crystals
Tần số (MHz) Mode cơ bản r
T
(Ω) C

T
(pF) C
o
(pF)
1,0 - 400 0,008 3,2
2,097 - 270 0,010 4,3
5,7 - 25 0,021 5,1
7,16 - 30 0,029 6,4
8,5 - 20 0,027 5,9
9,5 - 30 0,27 5,5
20 - 20 0,026 5,8
26 3 40 0,003 6,2
80 5 60 0,0005 6,1
100 5 60 0,00011 2,9
Trở kháng tương đương TA:
oT
TT
oT
TT
TA
Cj
1
Cj
1
Ljr
Cj
1
.
Cj
1

Ljr
z
ω
+
ω
+ω+








ω








ω
+ω+
=
Do r
T
<< ωL
T

, ta có:
Mạch điện tử 3
81
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
oTT
2
oT
TT
2
TA
CCL)CC(
1CL
jz
ω−+ω
−ω
≈
hay
( )

















ω
ω
−
















ω
ω
−+







ω
−
=
−
ω
2
p
2
S
1
1o
)j(
TA
1
1CC
j
z
Tần số cộng hưởng nối tiếp suy ra từ ω
S
2
L
T
C
T
- 1 = 0 suy ra
TT
S
CL

1
=ω
Tần số cộng hưởng song song: C
T
+ C
o
- ω
p
2
L
T
C
T
C
o
= 0 suy ra
S
To
To
T
p
CC
CC
L
1
ω≈
+
=ω
vì C
o

>> C
T
+jX
-jX
ω
s
ω
p
ω
0
Đặc tính điện kháng TA
+jX
-jX
ω
s
ω
p
ω
0
Hài cơ bản Hài 3 Hài 5
Hình 7.16. Đặc tính điện kháng TA.
Trong khoảng ω
S
÷ ω
p
, TA có tính cảm kháng, dùng trong mạch dao động TA kiểu
song song.
Tại ω
S
TA coi như thuần trở rất nhỏ r

T
, dùng trong mạch dao động TA kiểu nối tiếp.
Ta có tỷ số:
( )
1
o
1
o
1
s
p
k21
C2
C
1
C
C
1
f
f
−
+=+≈+=
Giá trò k nằm giữa 250 và 400.
Ví dụ: f
p
= 1MHz, tìm f
s
?
Giải:
Từ bảng thông số TA có:

MHz999,0
C2
C
1/ff;400
008,0
2,3
C
C
k
o
1
ps
1
o
=








+====
1. Dao động TA kiểu song song (Parallel mode Crystal osc)
Mạch điện tử 3
82
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Thạch anh đóng vai trò như một điện cảm trong khoảng (ω
s

÷ ω
p
) ở mạch dao động
Colpitt, clapp Pierce. Phương pháp tính toán giống như mạch dao động đã xét, ngoại trừ
một lưu ý là TA có thể cách ly điện áp DC. Các điện dung mạch dao động chọn đủ lớn để
có thể bỏ qua điện dung ký sinh.
Ví dụ: tính mạch dao động TA 20MHz. Sau:
C
1
C
2
R
E
R
1
+V
cc
C
B
20MHz
R
2
Hình 7.17.
Giải:
Chọn C
1
= C
2
= 64pF.
Điều kiện dao động:

1
r
XX
g
T
CC
m
21
>
Vậy
21
CC
T
m
XX
r
g >
Điều khó khăn của dao động kiểu này ở chỗ lựa chọn phân cực sao cho không làm
nhụt Q. Bất kỳ điện trở nào mắc song song TA cũng làm giảm Q.
Mạch điện tử 3
83
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
R
2
R
1
C
B
R
E

C
2
C
1
TA
RFC
R
3
+V
cc
C
1
C
2
R
E
R
1
+V
cc
C
B
R
3
R
2
R
2
R
1

C
B
R
E
C
2
C
1
TA
RFC
R
3
+V
cc
Hình 7.18. Các dạng mạch dao động thạch anh kiểu soong song.
TA
2. Tinh chỉnh tần số cộng hưởng TA
TA có Q cao, dễ dao động, độ ổn đònh cao nhưng chỉ cho 1 tần số. Dao động LC có
thể chỉnh nhuyễn nhưng kém ổn đònh. Để thay đổi tần số cộng hưởng TA trong phạm vi
hẹp, có thể mắc nối tiếp với nó một điện dung hay điện cảm. Tầm hiệu chỉnh khoảng
0,2% tần số dao động.
Giả sử TA nối tiếp điện dung
[ ]
OTT
2
TO
SOT
2
SOT
1S

TA
,
TA
CCLCC
)CC(CLCCC
Cj
1
Cj
1
zz
ω−+
++ω−++
ω
=
ω
+=
Tần số cộng hưởng nối tiếp
SO
T
S
,
s
CC
C
1
+
+ω=ω
Độ dòch tần số do có thêm C
S
:







+
=






−
+
+=
ω
ω−ω
=
−
=
∆
SO
T
SO
T
S
S
,

S
s
s
,
s
s
CC
C
2
1
1
CC
C
1
f
ff
f
f
Trong mạch dao động Clapp, tụ C
S
nối tiếp TA thỏa điều kiện
eqTAo
So
L
C
1
ω<
ω
L
eqTA

- điện cảm tương đương TA và C
S
<< C
1
, C
2
Để giảm ảnh hưởng điện dung ký sinh C
O
của TA, mắc song song C
L
[ ]
)CC(CLCCC
1CL
jz
LOTT
2
LOT
TT
2
TA
+ω−++ω
−ω
=
Mạch điện tử 3
84
TA
C
L
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số







+
+≈
++
+
π
=
)CC(2
C
1f
CCC
)CC(C
L2
1
f
TO
T
S
LOT
LOT
T
P
Khi C
L
tăng, f
P

giảm tới gần bằng f
S
và (f
P
- f
S
) = f
S
O
T
C2
C
Tuy nhiên Q
TA
giảm
Các dạng mạch dao động TA kiểu song song
12V
60
5
Hình 7.19. Các dạng mạch dao động thạch anh.
0,001
82
220K
+V
cc
100
C
S
0,001
0,01

1K
120
56
220K
+V
cc
10MHz
47
0,1µF
1K
330
2N2222
C2812
(a) osc 1- 20 MHz
(b) osc 16 MHz
48MHz470
+V
cc
56
5n
5n
2705,6
(c) osc 432MHz
2N5179
0,022
C
10K
2,2p
0,01
2,2K5,6

(d)
C2839
220
L
+V
cc
LC
1
o
<ω
56
100
100K
22
0,01
2K
220K
0,01
100
8 8
0,5
+V
cc
C2786
(e)
3. Dao động TA kiểu nối tiếp (Serial - mode Crystal oscillator)
Tại ω
s
, TA coi như thuần trở r
T

rất nhỏ. Do đó nếu mắc TA ở mạch hồi tiếp bộ dao
động có ω
o
= ω
s
thì hồi tiếp về lớn nhất thỏa điều kiện dao động, nếu ω
o
≠ ω
s
, trở kháng
TA rất lớn, mạch không còn dao động. Kiểu dao động TA ở tần số cộng hưởng nối tiếp ω
s
thực hiện ở tần số cao (> 20MHz) trong khi kiểu dao động TA kiểu song song bò giới hạn ở
tần số thấp. Hầu hết các dao động hài lẻ TA đều ở các tần số cộng hưởng nối tiếp (hài 3
từ 20 ÷ 60MHz; hài 5 từ 60 ÷ 125 MHz và cao hơn)
Mạch điện tử 3
85
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
-V
cc
C
B
R
1
R
2
R
E
C
1

C
2
L
R
L
C
2
L
R
L
r
i
C
1
Z
TA
= r
T
g
m
V
V
V
o
Hình 7.20. Dao động thạch anh kiểu nối tiếp và mạch tương đương.
z
TA
- trở kháng TA; r
i
điện trở vào tiếp giáp B-E mắc CB r

i
<< R
E
.
Điện áp hồi tiếp
TAi
i
21
1o
zr
r
.
CC
CV
V
++
=
Điều kiện
2
iTA
C
1
rz
ω
>>+
Điện áp ra V
o
= g
m
.V.z

L
z
L
tải tương đương nhìn vào Collector
( )
( )
2
1
21
iTLL
C
CC
rr//Rz
o
j








+
+=
ω
Hệ số khuếch đại vòng hở
( )
1
iTA

21
1L
V
rz
CC
C.z
A
−
+
+
=
Một dạng khác ở dao động TA kiểu nối tiếp: Inpedance - Inverting piece osc có
thể dao động được ở mode parallel.
RFC
TAL
+V
cc
C
E
R
E
Hình 7.21.
C
1
C
2
R
b
Mạch điện tử 3
86

Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Hình 7.22. Các sơ đồ dao động thạch anh ở mạch hồi tiếp.
47
18
570
+V
cc
10n
1K
BF 224
(a) osc 116 MHz
(b)
C
3
(c) Batler osc
L
1
+V
cc
12K
8,2K
L
1
18
5,8
L
2
+V
cc
C

B
R
1
R
2
R
E
L
3
C
B
C
1
C
2
C
B
C
B
L
2
C
1
C
2
C
4
R
1
R

2
R
3
R
4
R
E1
R
E2
C
B
+V
cc
C
3
C
1
C
2
C
4
L
3
L
2
R
1
R
2
(d)

7.7. VCO VÀ VCXO
VCO (voltage - control oscillator) - dao động kiểm soát bằng điện áp VCXO
(voltage - controlled crystal oscillator) - dao động TA kiểm soát bằng điện áp. Cả hai loại
này đều sử dụng vari cáp, ứng dụng rất phổ biến trong điều chế tần số, đo xa (Telametry),
Dopler radar, phân tích phổ, điều hưởng ti vi, PLL (phase-locked loops), Tổng hợp tần số
(Frequency synthesizers).
Mạch điện tử 3
87
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
R
E
C
B
C
4
C
V
C
2
C
1
C
C
C
3
R
1
R
2
L

3
L
V
T
R
+V
cc
C
V
C
2
C
1
L
3
C
1
, C
2
, C
3
>> C
V
V3
o
CL
1
≈ω
Hình 7.23. Dao động VCO dạng Clapp.
Điện áp V

T
thay đổi, điện dung varicáp thay đổi, tần số dao động thay đổi
Điều khó khăn khi thiết kế VCO: tạo được đáp tuyến truyền đạt
( )
T
V
f
tuyến tính
VCO 20 - 50 MHz
-12V
5,6K
L
3
0,01
0,01
10
10
560
5,6K0,01
150K
V
T
2N3904
Hình 7.24. Dao động VCO.
Mạch VCXO
Xét VCO (H.7.23): Nếu C
1,2
>> C
V
, ta có

o
V3
o
CL
1
≈ω
o
V
C
- điện dung vari cáp tại phân cực V
o

Khi điện áp V trên varicáp thay đổi,
( )
VV3
CL
1
=ω
Độ bất ổn đònh tần số:
1
C
C
1
f
f
f
ff
f
f
V

V
oo
o
o
o
−=−=
−
=
∆
=ε
Mạch điện tử 3
88
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Độ nhạy VCO:
v
f
dV
df
k
icápvar
o
o
∆
∆
==
V
varicap
- điện áp trên varicap.
+V
cc

R
1
L
S
RFC
V
T
2SK212
Hình 7.25. Mạch VCXO.
R
2
C
1
C
2
R
E
C
V
C
B
330
0,001
0,001
470
390
0,5
180
47
220K

RFC
27K
+ V
cc
7.8. VI MẠCH VCO
VCO tuyến tính có được từ tổ hợp vi mạch dao động MC1648 với varicáp MV1401.
Vi mạch này do Motorola chế tạo làm VCO cho PLL cùng nhiều ứng dụng khác.
C
C
C
V
C
B
C
B
C
B
L
C
B
0,1µ
0,1µ
0,1µ
V
in
R
1
10K
+V
Bias

10
12
14 11
8 7
5
3
R
2
5K
1K
R
2
R
4
51
V
cc
V
o
LC
1
=ω
output
MC 1648
Đáp tuyến truyền đạt VCO (V to F)
8
16
24
32
40

48
56
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
V
f
(MHz)
Hình 7.26. IC-VCO và đáp tuyến V to F.
Mạch điện tử 3
89
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
7.9. DAO ĐỘNG DÙNG FET
FET ứng dụng rộng rãi trong bộ dao động. Nó có một số ưu điểm so với BJT. Trở
kháng vào lớn, công suất tiêu tán nhỏ, nhiễu thấp, độ khuếch đại lớn, hoạt động tốt ở tần
số cao. Cấu hình mạch dao động tương tự BJT.
C
2
C
1
R
S
r
d
L
C
2
C
1
L
3

C
3
L
1
L
3
C
3
C
(a) Colpitt
(b) Clapp (c) Hartley
(d) Ghép biến áp
Hình 7.27. OSC dùng FET.
Xét mạch dao động Colpitt dùng FET mắc G chung, bỏ qua điện trở ra r
d
của FET
rất lớn, ta có điều kiện dao động:





≥
=−−
1
R
XXg
0XXX
S
CCm

CCL
21
213
Trong tính toán chọn X
C1
<< r
d

Ví dụ: Cho r
d
= 50KΩ; g
m
= 5.10
-3
ms; f
dao động
=16MHz; R
S
=15Ω. Tính C
1,2
, L
3
?
Giải:
Chọn X
C1
= 1KΩ << r
d
= 50KΩ
g

m
.X
C1
.X
C2
> R
S
⇒
Ω==>
−
−
3
10.5
10.15
X.g
R
X
3
3
Cm
S
C
1
2
Vậy
pF10
X
1
C
1

C
1
=
ω
=
pF3300
X
1
C
2
C
2
=
ω
=
Tuy nhiên C
1
quá nhỏ, điện dung ra FET có thể ảnh hưởng nên chọn C
1
lớn hơn:
X
C1
= 100Ω, khi đó
Ω=> 30
100.g
R
X
m
S
C

2
Suy ra C
1
= 100pF và C
2
= 330pF
X
L
= X
C1
+ X
C2
= 130Ω ⇒ L = 1,3µH.
7.10. DAO ĐỘNG DÙNG IC
Chất lượng kém hơn dùng linh kiện rời về nhiễu, về khả năng hoạt động tần số
cao, độ ổn đònh tần số. Nhiều IC hoạt động ở chế độ đa hài mà không cần gắn thêm linh
kiện bên ngoài. Tuy nhiên dùng IC có kích thước nhỏ, dễ ráp, giá rẻ.
Mạch điện tử 3
90
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
+V
cc
C
2
C
5
C
1
C
3

C
4
3 8
9
1
2
4
6
5
7
Hình 7.28. IC - OSC.
Phương pháp tính toán mạch dao động
- Chọn sơ đồ mạch.
- Chọn bán dẫn.
- Tính chế độ phân cực bán dẫn
- Tính mạch dao động về AC
7.11. VÒNG KHOÁ PHA (PHASE LOCKED LOOP - PLL)
• Nguyên lý PLL
PLL - Hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số và
pha của tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào. Tín hiệu vào có thể ở dạng sin hoặc số.
Ứng dụng đầu tiên PLL năm 1932 cho tách sóng đồng bộ. Từ 1960, cơ quan không gian
NASA Hoa Kỳ dùng PLL xác đònh tần số phát vệ tinh ở l08MHz, cải thiện chất lượng thu
(do hiệu ứng Doppler - dòch tần số phát) trong băng thông nhỏ (để giảm nhiễu). Ngày nay
công nghệ thích hợp cao làm cho PLL nhỏ, tin cậy, giá rẻ, dễ sử dụng, đa năng, ứng dụng
phổ thông: lọc, tổng hợp tần số, giải điều chế, điều chế, điều khiển tự động, Có hàng
chục kiểu vi mạch PLL khác nhau, một số chế tạo phổ thông đa dạng, một số ứng dụng
đặc biệt như tách Tone, giải mã Stereo, tổng hợp tần số. Trước đây đa phần PLL bao gồm
cả mạch số lẫn tương tự. Hiện nay PLL số trở nên phổ biến.
Sơ đồ khối cơ bản PLL:
Mạch điện tử 3

91
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
Phase
Detector
Low Pass
Filter
VCO
DC Amp
V
d(t)
V
out
v
i
f
i
f
o
f
o
Hình 7.29
Khi không có tín hiệu ngõ vào v
i
, điện áp ngỏ ra bộ khuếch đại V
out
bằng không, bộ
dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên f
N
(Nature or Free running Frequency) được
cài đặt bởi điện trở, tụ điện ngoài. Khi có tín hiệu vào v

i
, bộ tách sóng pha so sánh pha và
tần số của tín hiệu vào với tín hiệu của VCO. Ngỏ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai biệt
V
d(t)
, chỉ sự sai biệt về pha và tần số của hai tín hiệu. Điện áp V
d(t)
được lọc lấy thành phần
biến đổi chậm nhờ LPF, khuếch đại đưa đến ngỏ vào VCO, điều khiển tần số VCO bám
theo tần số tín hiệu vào. Đến khi tần số f
o
của VCO gần bằng tần số vào f
i
, hệ thống hồi
tiếp làm cho VCO đồng bộ (khoá) theo tín hiệu vào. Ở trạng thái khóa (Lock) tần số f
o
của
VCO đồng nhất (bằng) tần số vào f
i
, ngoại trừ sự sai biệt pha.
• Dải khóa (Lock range): khoảng tần số lân cận f
N
của VCO mà PLL đồng nhất
được tần số f
o
với f
i
. Dải này còn gọi là đồng chỉnh (Tracking range), ký hiệu B
L
= f

max
-
f
min
. Các tần số f
max
, f
min
tần số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khóa pha (đồng
bộ).
f
min
f
max
f
N
B
L
= f
max
- f
min
f
min
f
max
f
N
B
L

= f
max
- f
min
B
C
= f
2
- f
1
f
1
f
2
(a) Dải khóa (Lock Ranger)
(b) Dải bắt (Capture ranger)
Dải khóa phụ thuộc hàm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại,
VCO. Nó không phụ thuộc vào đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì f
i
- f
o
= 0.
• Dải bắt (capture range): dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để
PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế dộ khóa). Nói cách khác đó là dải tần số mà
PLL có thể đạt được sự khóa pha khi việc khóa pha chưa thực hiện.
Khi PLL chưa khóa pha: f
i
≠ f
o
. Khi PLL khóa pha f

i
= f
o
. Ở chế độ khóa pha, dao
động f
o
của VCO bám đồng bộ theo f
i
trong dải tần khóa B
L
rộng hơn dải tần bắt B
C
.
Dải bắt B
C
= f
2
– f
1
, trong đó f
2
và f
1
là tần số cao nhất – thấp nhất mà PLL có thể
vào chế độ khóa đồng bộ. B
C
phụ thuộc vào băng thông LPF. Để PLL đạt được sự khóa
Mạch điện tử 3
92
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số

pha thì sự sai biệt (f
i
- f
N
) không vượt quá băng thông LPF. Nếu vượt quá sẽ không đạt
được khóa pha, vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh.
Điện áp sau LPF
f
(f
i
- f
N
) trong băng thông LPF
đồng bộ được
(f
i
- f
N
) ngoài băng thông LPF,
không đồng bộ được
Nói cách khác, dải khóa phụ thuộc điện áp V
out
ngỏ vào VCO và hệ số chuyển đổi
V
TO
F của VCO, trong khi dải bắt phụ thuộc băng thông LPF.
• Bộ tách sóng pha (Phase Detector): còn gọi là bộ so sánh pha. Có ba loại tách
đóng pha:
1. Loại tương tự (Analog phase Detector) ở dạng mạch nhân hay bộ (analog Mix) có
tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào.

2. Loại số (Digital phase Detector), thực hiện bởi mạch số EX-OR, AND, RS Flip
Flop, … có tín hiệu ra biến đổi chậm (DC) phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức là phụ
thuộc sai biệt về pha (hay tần số tức thời) giữa hai tín hiệu vào.
3. Loại tách sóng pha lấy mẫu (sampling phase Detector).
1. Analog phase Detector:
X LPF
v
i
= Asin(ω
i
t + θ
i
)
v
i
= 2cos(ω
o
t + θ
o
)
Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu. Ngỏ ra của nó có điện áp:
v
d
= Asin[(ω
i
t + θ
i
) – (ω
o
t + θ

o
)] + Asin[(ω
i
t + θ
i
) + (ω
i
t + θ
o
)]
Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn
thành phần tần số thấp. Khi khóa pha (ω
i
=ω
o
)
có V
d
= Asin(θ
i
- θ
o
). Điện áp này tỷ lệ với
biên độ điện áp vào A và độ sai pha θ
e
= θ
i
-
θ
o

. Nếu θ
e
nhỏ, làm truyền đạt của bộ tách
sóng pha coi như tuyến tính. Dải khóa giới
hạn trong |θ
e
|<π/2. Ta có độ lợi tách sóng pha
k
φ
tính được theo công thức:
k
φ
= A (V/radian)
Mạch điện tử 3
93
A
-A
V
d
θ
e
(radian)
2
π
2
π
−
A sinθ
e
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số

2. Digital phase Dectector:
Dùng mạch số AND, Exclusive OR, … có
đáp tuyến so sánh pha dạng:
Đáp tuyến tuyến tính trong khoảng |θ
e
| ≤
π/2. Độ lợi tách sóng pha:
π
=
π
=
φ
A2
2/
A
k
Tách sóng pha số EX-OR và đáp tuyến.
θ
e
EX-OR
Y
Y
2
π
π
π2
θ
e
V
d

0
V
d
Tách sóng pha số dùng R-S Flip Flop và đáp tuyến.
θ
e
EX-OR
Q
π2
θ
e
V
d
0
S
R
V
d
V
ce
V
ce
Điện áp sai biệt biến đổi chậm V
d
ngỏ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ rộng
xung ngỏ ra tức là tỷ lệ độ sai biệt về pha θ
e
(hay tần số tức thời) của 2 tín hiệu vào.
Lọc thông thấp LPF: thường bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt
thành phần AC theo yêu cầu. LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực.

R
1
R
f
C
+
-
Ngỏ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thành phần f
o
, f
i
, f
i
- f
o
, f
i
+ f
o
, …
Sau LPF chỉ còn thành phần tần số rất thấp (f
i
- f
o
) đến bộ khuếch đại lái tần số
VCO bám theo f
i
. Sau vài vòng điều khiển hồi tiếp PLL đồng bộ (khóa pha) được f
i
= f

o
,
Mạch điện tử 3
94
A
-A
V
d
θ
e
(radian)
2
π
2
π
−
Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số
tần số phách ( (f
i
- f
o
) = 0. điện áp phân cực VCO được khóa. Tức là bộ so sánh pha thực
hiện so sánh hai tần số vào f
o
, f
i
cho tới khi thiết lập chế độ khóa đồng bộ f
i
= f
o

sẽ chuyển
sang chế độ so sánh pha. Sự sai biệt về pha giữa hai tần số vào bằng nhau được biến đổi
thành điện áp điều khiển VCO. Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vào f
i
, f
o
thấp khoảng vài trăm KHz trở lại.
Khuếch đại DC: khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thông thấp
LPF. Độ lợi khuếch đại k
A
.
R
E
R
C
V
d
V
o
eE
C
A
rR
R
k
+
−=
R
1
R

f
+
-
V
d
V
o
1
f
A
R
R
k −=
R
1
R
f
+
-
V
d
V
o
1
f
A
R
R
1k +=
Hình 7.30

VCO (voltage controlled oscillator) - dao động kiểm soát bằng điện áp DC.
Khi điện áp phân cực ngược varicáp D1, D2 thay đổi, tần số dao động đa hài thay
đổi.
R
E
R
E
Control
Voltage
V
E
V
E
3,9K
3,9K
9,1K
27K
9,1K
27K
8,2K
C
1
8,2K
C
2
D
1
D
2
f

o
Hình 7.31
+V
cc
20V
Đáp tuyến vào - ra của VCO có dạng
như hình vẽ dưới đây. Khi điện áp vào VCO
bằng 0, tần số dao động tự do là f
N
. Khi điện áp
điều khiển thay đổi một lượng ∆V
o
, tần số ra
thay đổi một lượng ∆f
o
.
Độ lợi chuyển đổi V to f của VCO:
Mạch điện tử 3
95
-2
-1 0 21
60
100
140
f
o
f
N
V
o

KHz