CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (397.35 KB, 23 trang )
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
111
_____________________________________________________________________________
CHƯƠNG 5. MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
Trong thành phần của máy thu lẫn máy phát vô tuyến điện đều có mặt một số
mạch điện cơ bản như: mạch khuếch đại, mạch tạo dao động, bộ nguồn một
chiều,... Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các mạch nói trên và một số
mạch cơ bản khác.
1.1MẠCH KHUẾCH ĐẠI
1.1.1 Định nghĩa
Mạch khuếch đại là một mạch điện mà dưới tác dụng của một năng lượng tín
hiệu điện nhỏ ở đầu vào cho phép thu được một năng lượng tín hiệu điện lớn hơn
ở đầu ra có quy luật biến đổi giống như quy luật biến đổi tín hiệu ở đầu vào. Tín
hiệu ở đầu ra có năng lượng lớn hơn nhờ nhận được một năng lượng bổ sung từ
nguồn ngoài.
Tín hiệu vào
Tín hiệu ra
Khuếch đại
Nguồn
Hình 5.1. Sơ đồ khối mạch khuếch đại
1.1.2 Các chỉ tiêu cơ bản của mạch khuếch đại
Yêu cầu quan trọng nhất đối với mạch khuếch đại là phải đảm bảo tín hiệu ở
đầu ra có cùng dạng với tín hiệu ở đầu vào (cụ thể là tần số của tín hiệu).
Ngoài ra còn cần quan tâm đến một số các chỉ tiêu sau:
• Các mức tín hiệu ở đầu vào: ii, ui, pi.
• Các mức tín hiệu ở đầu ra: io, uo, po.
• Trở kháng vào ra.
• Hệ số khuếch đại:
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
112
_____________________________________________________________________________
Ki =
io
ii
(5.1)
Ku =
uo
ui
(5.2)
Kp =
po
pi
(5.3)
Nếu có nhiều mạch khuếch đại mắc nối tiếp nhau thì hệ số khuếch đại chung
được tính bằng công thức:
n
K = K1 .K 2 ...K n = ∏ K j
(5.4)
j =1
Ngoài ra, hệ số khuếch đại còn có thể được tính bằng đơn vị Decibel:
K i = 20 lg
io
(dB)
ii
(5.5)
K u = 20 lg
uo
(dB)
ui
(5.6)
po
(dB )
pi
(5.7)
K p = 10 lg
Nếu có nhiều mạch khuếch đại mắc nối tiếp nhau:
n
K = K1 + K 2 + ... + K n = ∑ K j (dB )
(5.8)
j =1
• Hiệu suất:
η=
Po
(%)
P
(5.9)
Trong đó: P là công suất lấy từ nguồn điện.
• Đặc tính tần số
Trong khoảng tần số từ f1 tới f2
hệ số khuếch đại của mạch tương
đối đồng đều. Ngoài khoảng đó hệ
số này sẽ nhỏ hẳn đi
K
∆f
f1
f2
f
Hình 5.2. Đặc tuyến tần số của mạch khuếch đại
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
113
_____________________________________________________________________________
• Độ méo phi tuyến
γ =
U 2jm + U 2jm + ... + U 2jm
U 12m
(%)
(5.10)
Trong đó: Ujm là biên độ hài bậc i của điện áp tín hiệu ra.
• Mức tạp âm.
Mức tạp âm là mức tín hiệu ngẫu nhiên không mong muốn, xuất hiện từ nhiều
nguồn khác nhau, xen vào tín hiệu hữu ích, làm giảm chất lượng tín hiệu dẫn đến
sai lệch dạng thông tin ở ngõ ra.
1.1.3 Các chế độ làm việc cơ bản của mạch khuếch đại
RC
Cp1
ui
Khi thiết kế một mạch khuếch đại, ta cần
đảm bảo hai điều kiện làm việc cơ bản sau:
+EC
RR1 1
R2
Cp2
uo
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý mạch
khuếch đại dùng transistor
IC
EC/RC
• Phân cực tĩnh cho phần tử khuếch đại: có
nghĩa là xác lập cho các cực B-C-E của
transistor những điện áp một chiều xác
định.
•
Ổn định chế độ làm việc tĩnh: đảm
bảo sao cho trong qúa trình làm việc điện áp ở
các cực của phần tử khuếch đại chỉ phụ thuộc
vào điện áp điều khiển đưa tới.
Trong mạch khuếch đại ở hình vẽ, phần tử
khuếch đại là transistor lưỡng cực loại N-PN. Bộ phân áp (R1, R2) dùng để phân cực
Q
I
IC0
tĩnh cho phần tử khuếch đại cũng là xác định
B0
chế độ làm việc của mạch khuếch đại. Nguồn
một chiều +EC dùng để nuôi mạch. Điện trở
N
RC là tải của tầng khuếch đại. Các tụ nối tầng
0
Cp1 và Cp2 ngăn ảnh hưởng của các tầng trước
UCE0
EC UCE
và sau tới tầng này, giúp cho việc ổn định
Hình 5.4. Phân cực tĩnh cho mạch khuếch chế độ làm việc tĩnh của tầng.
M
đại dùng transistor
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
114
_____________________________________________________________________________
Các chế độ làm việc cơ bản của mạch khuếch đại được xác định trên họ đặc
tuyến ra của phần tử khuếch đại (mắc theo mạch cực E chung).
Theo sơ đồ mạch điện ta có:
IC =
EC − U CE
RC
(5.11)
Trong đó: EC và RC là các đại lượng không đổi đối với một mạch khuếch đại
xác định. Vì vậy, ta có thể coi (5.11) như một hàm số I C theo đối số UCE phù hợp
với họ đặc tuyến ra của phần tử khuếch đại.
I C = f (U CE )
Dể thấy hàm số trên là một hàm bậc nhất, suy ra đồ thị của nó là một đường
thẳng. Ta sẽ xác định đường thẳng này nhờ hai điểm đặc biệt trên đó.
Điểm thứ nhất:
Cho IC = 0 ⇒ UCE =EC , điểm (EC, 0)
Điểm thứ hai:
Cho UCE = 0 ⇒ IC = EC/RC , điểm (0, EC/RC)
Đường thẳng này được gọi là đường tải tĩnh của mạch khuếch đại.
Khi phân cực tĩnh cho phần tử khuếch đại, ta sẽ được một số giá trị xác định
ban đầu là UCE0, IC0, IB0, UB0. Những giá trị ban đầu này giúp ta xác định được điểm
Q trên đường tải tĩnh. Điểm Q này được gọi là điểm làm việc (điểm công tác) tĩnh
(ban đầu) của mạch khuếch đại. Khi thay đổi phân cực tĩnh cho phần tử khuếch
đại, điểm Q cũng thay đổi vị trí dọc theo đường tải tĩnh. Phụ thuộc vào vị trí của
điểm Q mà người ta phân ra những chế độ làm việc cơ bản sau:
• Chế độ A: Khi điểm Q nằm ở lân cận điểm giữa của đoạn MN
• Chế độ B: khi điểm Q nằm ở điểm N.
• Chế độ AB: khi điểm Q nằm ở khoảng giữa trung điểm của đoạn MN và
điểm N.
• Chế độ C: khi điểm Q nằm ở dưới điểm N.
Ngoài ra khi làm việc với chế độ xung số, người ta thường sử dụng hai chế độ:
• Chế độ bão hoà: khi điểm Q nằm trên điểm M. Khi đó I C = const và đạt giá
trị bão hoà.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
115
_____________________________________________________________________________
• Chế độ khố: khi Q nằm dưới điểm N, khi đó IC = 0.
a. Chế độ A (lớp A)
iC
Khi chọn điện áp phân
iB=I Bmax
C
cực sao cho điểm tónh Q nằm
M
ở khoảng giữa đoạn MN
I Cmax
iB=I BQ
trên đường tải tĩnh (trong
QA
đó M và N là giao điểm
I CQ
của đường tải xoay chiều
I Cm
với đặc tuyến ra ứng với
N iB=I Bmin
I Cmin
V CE
D
dòng cực đại IBmax và dòng
0
V
cực tiểu IBmin, Hình 5.5) thì ta
V CEm CEQ
nói phần tử khuếch đại
Hình 5.5. Mạch khuếch đại làm việc chế độ A
làm việc ở chế độ A.
Đặc điểm của chế độ A:
Khuếch đại trung thực, méo phi tuyến nhỏ .
Dòng tónh (ICQ) luôn luôn khác không, nghóa là ngay
cả trạng thái tónh, tầng khuếch đại đã tiêu hao một
năng lượng đáng kể. Biên độ dòng và áp xoay chiều
lấy ra (Icm, VCEm) tối đa chỉ bằng dòng và áp tónh. Vì vậy
chế độ A có hiệu suất thấp (theo đònh nghóa, hiệu suất
η đo bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa
ra trên tải và tổng công suất tầng khuếch đại tiêu thụ
của nguồn cấp điện). Thông thường ηAmax = 25%.
Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín
hiệu nhỏ.
b. Chế độ B (lớp B)
Nếu chọn điện áp phân cực sao cho vò trí điểm tónh Q
trùng với điểm D (hoặc điểm N) thì phần tử khuếch đại
làm việc ở chế độ B lý tưởng (hoặc chế độ B thực
tế), xem Hình 5.6.
Các đặc điểm của chế độ này:
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
116
_____________________________________________________________________________
Khi dòng điện vào (hoặc điện áp vào) là hình sin, thì
dòng điện ra và điện áp ra chỉ còn nửa (hoặc già
nửa) hình sin, nói cách khác : méo phi tuyến trầm trọng.
Ở trạng thái tónh, dòng I CQ ≈ 0, do đó năng lượng tiêu
thụ bởi tầng khuếch đại rất nhỏ. Chỉ có trạng thái
động, dòng điện trung bình IC mới tăng dần theo biên
độ tín hiệu vào. Do đó, năng lượng tiêu thụ cũng tỷ lệ
với biên độ tín hiệu xoay chiều lấy ra. Như vậy chế độ
B có hiệu suất cao (ηBmax = 78,5%)
Chế độ B thường dùng trong các tầng khuếch đại
công suất (các tầng cuối của thiết bò khuếch đại). Để
khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có 2
iC
vế đối xứng, thay phiên nhau
làm việc
I Bmaxtrong hai nửa chu
C
kỳ (mạch
“đẩy kéo”)
i
M
C
I Cm
QB I Bmin
I CQ
I CQ
t
0
N
0
(b)
0
(a)
V CE
VCEQ D
V CE
V CEm
(c)
t
Hình 5.6. Mạch khuếch đại làm việc ở chế độ B
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
117
_____________________________________________________________________________
Trên thực tế, người ta còn dùng chế độ AB (trung gian
giữa chế độ A và chế độ B) Lúc đó, phát huy được ưu
điểm của mỗi chế độ, giảm bớt méo phi tuyến nhưng
hiệu suất kém hơn chế độ B). Ngoài ra còn có chế độ
C: điểm Q nằm ở phía dưới điểm N và ở trạng thái tónh,
chuyển tiếp JE phân cực nghòch. Chỉ khi tín hiệu vào đủ
lớn, mới có dòng điện I C khác không. Dạng sóng ra chỉ
là một phần của nửa hình sin
c.
Chế độ khoá (còn gọi chế độ đóng mở hay chế độ
D)
Ngoài chế độ khuếch đại, BJT (hoặc FET) còn có thể
làm việc như cái đóng ngắt điện (chế độ khoá). Lúc
này, tuỳ theo xung đột điện vào (hoặc điện áp vào)
mà BJT làm việc ở một trong hai trạng thái đối lập:
trạng thái khoá (hoặc trạng thái tắt ) khi Q nằm ở dưới
điểm N, trạng thái dẫn bão hoà (hoặc trạng thái mở)
khi Q nằm ở phía trên điểm M (gần điểm C) trên Hình
5.6. Đây là chế độ làm việc của transistor khi hoạt
động với tín hiệu.
1.1.4 So sánh các chế độ làm việc của mạch khuếch đại
• Chế độ A: hệ số khuếch đại, độ méo phi tuyến và hiệu suất làm việc nhỏ.
• Chế độ B: Hệ số khuếch đại, hiệu suất làm việc và độ méo phi tuyến lớn
(Mạch hầu như chỉ khuếch đại một nửa chu kỳ của tín hiệu).
• Chế độ AB: các chỉ số nằm trong khoảng giữa chế độ A và B.
• Chế độ C: hiệu suất làm việc rất cao, hệ số khuếch đại rất lớn tuy nhiên độ
méo phi tuyến cũng rất lớn (Chế độ này thường được dùng trong các mạch
khuếch đại cơng suất ở máy phát vơ tuyến).
1.1.5 Ngun lý làm việc của mạch khuếch đại
Giả sử tín hiệu vào ngõ vào của mạch khuếch đại là vin. Khi đó, ta có:
u BE = U BE 0 + vin
u BE thay đổi dẫn đến i B thay đổi theo.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
118
_____________________________________________________________________________
Giả sử ở nửa chu kỳ dương của vin, IB thay đổi tới giá trị I B' khi đó Q sẽ dịch tới
điểm Q’. Tương tự ở nữa chu kỳ âm ta có được I B'' và Q”.
Khi điểm Q dịch chuyển trên đường tải thì I C thay đổi theo. Kết quả ta thu được
một dao động IC thay đổi hoàn toàn theo quy luật của vin (nhưng ngược pha). Sụt
áp trên tải: uRC = RCiC tương tự cũng thay đổi theo quy luật đó. u ra chính là thành
phần xoay chiều của uRc . Khi chọn mạch điện và các linh kiện phù hợp ta sẽ thu
được ura > uvào ,và ta có được một mạch khuếch đại điện áp.
IC
EC/RC
IC0
M
i
Q
IB0
N
0
UCE0
EC
UCE
v
t1
t2
t
t1
t2
t
Hình 5.7. Nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
119
_____________________________________________________________________________
1.2MẠCH VI PHÂN, MẠCH TÍCH PHÂN
1.2.1 Mạch vi phân
a. Định nghĩa
Mạch vi phân là mạch điện có điện áp đầu ra tỷ lệ với đạo hàm bậc nhất của
điện áp đầu vào.
uo = a
C
ui
uc
i
uo
R
Hình 5.8. Mạch vi phân
du i
dt
(5.12)
Trong đó: a là hệ số tỷ lệ.
Nguyên lý làm việc
b.
uo = ui + uC
Ta có:
(5.13)
Mặt khác:
u 0 = u R = iR
i=C
(5.14)
duC
dt
(5.15)
u C = u i − u o = u i − RC
Suy ra:
du C
dt
Với giả thiết RC rất nhỏ thì u C ≈ u i
u 0 = RC
Suy ra:
du C
du
= RC i
dt
dt
(5.16)
Đặt RC = a biểu thức uo được viết lại như sau:
uo = a
du i
dt
(5.17)
Kết luận: Với điều kiện tích τ = RC << t i thì mạch điện trên sẽ làm việc như một
mạch vi phân.
Trong đó:
τ: được gọi là hằng số thời gian của mạch
ti: độ rộng xung ở ngõ vào của mạch.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
120
_____________________________________________________________________________
ui
ti
t1
t2
t
uo
Khi cho một xung vuông tác động ở đầu
vào một mạch vi phân thì ở đầu ra ta thu được
hai xung nhọn có biên độ bằng biên độ của
xung vuông và ngược chiều nhau.
Giải thích:
t
Hình 5.9. Vi phân hàm xung vuông
Ở thời điểm t1 khi xung vuông bắt đầu tác
động, tụ C nạp và xuất hiện dòng i đi qua tụ
(cũng là dòng qua R) lớn nhất. Vì hằng số thời
gian của mạch τ = RC << t i nên tụ C nhanh
chóng được nạp đầy và dòng i nhanh chóng
giảm vể giá trị 0 nên uR = uo = 0.
Ở thời điểm t2 xung vuông mất, tụ C bắt đầu phóng qua điện trở R. Lúc ban
đầu dòng điện có giá trị lớn nhất nên u R ( cũng chính là uo )có giá trị lớn nhất. Vì
τ = RC << t i nên tụ C nhanh chóng phóng hết điện và i = 0 và uo = 0.
Vì dòng điện phóng và nạp có chiều ngược nhau nên u o ở các thời điểm t1 và t2
cũng ngược chiều nhau.
Dễ thấy xung ở đầu ra tỉ lệ với đạo hàm bậc nhất của xung đầu vào
1.2.2
Mạch tích phân
a. Định nghĩa
Mạch tích phân là mạch điện có điện áp đầu ra tỷ
lệ với tích phân một lớp bất định của điện áp đầu vào.
R
uR
ui
C
uo
u o = b ∫ u i dt
(5.18)
Trong đó: b: hệ số tỷ lệ
b.
Nguyên lý làm việc
Ta có: u i = u R + u o = u R + uC
Hình 5.10. Mạch tích phân
Trong đó:
u R = iR ; u C =
1
idt
C∫
ui
1
1
idt
=i+
idt
hay
∫
R
RC ∫
C
Giả thiết tích τ = RC rất lớn, khi đó i = u i / R .
⇒
u i = iR +
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
121
_____________________________________________________________________________
Từ đó, biểu thức ngõ ra được viết lại như sau:
u o = uC =
1
1
idt =
u i dt
∫
C
RC ∫
(5.19)
Đặt b=1/RC. Ta được:
u o = b ∫ u i dt
Kết luận: Với điều kiện hằng số thời gian của mạch lớn hơn rất nhiều so với độ
rộng của xung đặt ở ngõ vào thì mạch điện trên sẽ làm việc như một mạch tích
phân.
τ = RC >> t i
Khi cho một xung vuông tác động ở ngõ vào của mạch tích phân thì ở ngõ ra ta
thu được một xung tam giác.
Giải thích:
ui
ti
t1
t2
t
uo
t
Ở thời điểm t1 khi xung vuông bắt đầu tác
động, tụ C được nạp điện. Vì hằng số
thời gian τ = RC >> t i nên tụ nạp rất chậm,
đến thời điểm t2 tụ vẫn chưa nạp tới đỉnh.
Đến thời điểm t2 tụ bắt đầu phóng
điện. Do thời hằng τ = RC >> t i nên tụ
cũng phóng rất chậm. Dạng điện áp trên
tụ cũng chính là dạng điện áp ngõ ra của
mạch
Hình 5.11.Tích phân hàm xung vuông
1.3 MẠCH XÉN (MẠCH HẠN BIÊN)
1.3.1 Định nghĩa
Mạch xén là mạch điện có biên độ điện áp ngõ ra không vược quá một giá trị
ngưỡng nào đó.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
122
_____________________________________________________________________________
1.3.2 Mạch xén dưới
ui
t1
D
t3
t
t4
E
R
ui
t2
uo
uo
E
t
+
E
Hình 5.12. Mạch xén dưới
Hình 5.13. Đáp ứng mạch xén dưới
Diod D được phân cực nhờ hai nguồn E và u i. Trong đó nguồn E luôn phân cực
thuận cho D.
Xét nguồn ui như hình vẽ, ui = U i cos(ωt + ϕ ) , giả thiết Ui > |E|.
+ Từ 0→t1: Cả hai nguồn E và ui đều phân cực thuận cho D. Do vậy, D được
phân cực thuận và ở trạng thái mở. Suy ra: uo = ui.
+ Từ t1→t2: ui phân cực ngược cho D, E phân cực thuận cho D, nhưng vì |u i| <
|E| nên D được phân cực thuận, D vẫn còn ở trạng thái mở. Do vậy: uo = ui.
+ Từ t2→t3: ui phân cực ngược cho D, E phân cực thuận cho D, và |u i| > |E| nên D
bị phân cực ngược và chuyển qua trạng thái khoá. Lúc này: u o = E. ( do mạch hở
nên không có sụt áp trên R )
+ Từ t3→t4: Giống như trong khoảng thời gian từ t1→t2
Lưu ý : Điện trở R trong mạch được dùng để hạn chế dòng qua D khi D ở trạng
thái mở
1.3.3 Mạch xén trên
D
ui
t1
ui
R
+
uo
E
t2
t3
t
t4
uo
t
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
Hình 5.14. Mạch xén trên và đáp ứng với tín hiệu hình sin
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
123
_____________________________________________________________________________
Lý luận tương tự như trường hợp mạch xén dưới ta thu được điện áp ngõ ra
như hình vẽ 6.13.
D2
E
R1
ui
+
E1
R2
+
D1
1.3.4 Mạch xén hai biên
uo
E2
E
5.15.
xénsau:
hai biên
Bài tập: Vẽ dạng tín hiệu của mạch xén haiHình
bên và
haiMạch
mạch
D D
DD
R
R
ui
uo
ui
E
+
uo
E
+
1.4 MẠCH HỒI TIẾP
1.4.1 Định nghĩa
Hồi tiếp
Khuếch đại
Mạch hồi tiếp là mạch điện cho phép đưa
một phần điện áp đầu ra của một mạch khuếch
đại ngược trở lại đầu vào của nó. Mạch hồi tiếp
được sử dụng khá nhiều trong các mạch điện tử.
Hình 5.16. Sơ đồ khối mạch hồi tiếp
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
124
_____________________________________________________________________________
1.4.2 Phân loại
a. Dựa vào pha của điện áp hồi tiếp
+ Nếu điện áp hồi tiếp cùng pha với điện áp ở đầu vào của mạch ta gọi là mạch
hồi tiếp dương.
+ Nếu điện áp hồi tiếp ngược pha với điện áp ở đầu vào của mạch ta gọi là
mạch hồi tiếp âm.
b. Dựa vào sự phụ thuộc của điện áp hồi tiếp vào điện áp ra hoặc dòng điện ra
+ Nếu điện áp hồi tiếp phụ thuộc vào điện áp ngõ ra ta có mạch hồi tiếp điện
áp.
+ Nếu điện áp hồi tiếp phụ thuộc vào dòng điện ngõ ra ta có mạch hồi tiếp
dòng điện.
c. Dựa vào thành phần điện áp hồi tiếp.
+ Nếu điện áp hồi tiếp được lấy từ thành phần một chiều của điện áp ra ta có
mạch hồi tiếp dòng một chiều.
+ Nếu điện áp hồi tiếp được lấy từ thành phần xoay chiều của điện áp ra ta có
mạch hồi tiếp dòng xoay chiều.
1.4.3 Ứng dụng
+ Mạch hồi tiếp âm thường được dùng trong các mạch khuếch đại để nâng cao
chất lượng tín hiệu và chống hiện tượng tự kích.
+ Mạch hồi tiếp dương tường được sử dụng trong các mạch tạo sóng.
1.5 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG
Trong các thiết bị vô tuyến điện, mạch tạo dao động có chức năng tạo ra một
dao động điện từ có độ ổn định tần số cao (Ví dụ: mạch tạo sóng mang trong các
máy phát, mạch tạo dao động nội ở máy thu, mạch tạo các loại xung quét. Dạng
dao động tạo ra có thể
là hình sin, hoặc các loại xung
như xung vuông, răng cưa,
u
u
xung nhọn,…
t
t
a) Tín hiệu xung vuông
u
b) Tín hiệu xung tam giác
u
_____________________________________________________________________________
t
t
GIÁO TRÌNH KỸc)THUẬT
VTĐvuông
- TRƯỜNG ĐHGTVT
d) TínTp
hiệuHCM
xung nhọn
Tín hiệu xung
Hình 5.17. Một số dao động cơ bản
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
125
_____________________________________________________________________________
+
Rb
M
Lf
T
L
C
R
Hình 5.18. Sơ đồ mạch tạo dao
động hình sin kiểu tái sinh
1.5.1
Mạch tạo dao động hình sin kiểu
tái sinh
Hình 5.18 mô tả một mạch tạo dao động hình sin
kiểu tái sinh. Mạch được cấu tạo trên nền một mạch
khuếch đại. Phần tử khuếch đại là transistor T và điện
trở Rb được dùng để phân cực cho phần tử khuếch
đại, bộ cộng hưởng RCL và cuộn dây Lf hồi tiếp
dương, V là nguồn một chiều cấp cho mạch.
Nguyên lý làm việc:
Sau khi cấp nguồn cho mạch điện, ở cực B của transistor xuất hiện một xung
nhọn đơn lẻ bao gồm một chuỗi các dao động hình sin có tần số biến thiên trong
khoảng từ giá trị 0 đến ∞. Các dao động hình sin này được transistor T khuếch đại.
Ở tải của tầng khuếch đại (cuộn Lf) các dao động vừa được khuếch đại sẽ được
cảm ứng sang cuộn L (cũng có nghĩa là được đưa vào khung dao động RCL như
những dao động cưỡng bức. Trong các dao động này chỉ có duy nhất một dao
động có tần số trùng với tần số dao động riêng của khung dao động LC (
f0 =
1
2π LC
). Dao động này gây nên hiện tượng cộng hưởng trong mạch, các dao
động khác sẽ bị làm yếu hoặc bị triệt tiêu đi. Qúa trình khuếch đại các dao động ở
cực B của transistor sẽ được lặp lại,… Sau một số chu trình nhất định thì dao động
có tần số là f0 sẽ còn lại, còn các dao động với những tần số khác sẽ bị mất đi.
Lưu ý: Để duy trì dao động thì năng lượng hồi tiếp phải bù đắp cho năng
lượng hao hụt ở đầu vào một cách đồng bộ, nghĩa là điện áp hồi tiếp phải cùng pha
với điện áp ở đầu vào, mạch hồi tiếp được dùng là mạch hồi tiếp dương. Ngoài ra,
biên độ của điện áp hồi tíếp cũng phải đủ lớn để có thể bù đắp những tổn hao
trong mạch. Năng lượng cần thiết để bù đắp tổn hao được lấy từ nguồn V.
Kết luận: Mạch tạo dao động có khả năng biến đổi năng lượng điện một chiều
không đổi thành năng lượng biến đổi của dao động điện từ duy trì.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
126
_____________________________________________________________________________
1.5.2 Hai điều kiện cân bằng để duy trì dao động
Như đã xét ở trên, để bù đắp được năng
lượng điện bị mất mát ở đầu vào thì điện áp hồi
tiếp phải thoả mãn hai điều kiện: độ lớn và pha.
Hồi tiếp
vf
vi
a.
Khuếch đại
vo
Hình 5.19. Sơ đồ khối mạch hồi tiếp
Điều kiện cân bằng pha
Giả sử:
+ Khi qua thành phần khuếch
đại điện áp vào bị lệch pha một góc ϕ α .
+ Khi qua thành phần hồi tiếp
điện áp này bị lệch thêm một góc ϕ β .
Khi đó tổng độ lệch pha của tín hiệu hồi tiếp là:
ϕ = ϕα + ϕ β
(5.20)
Để có được hồi tiếp dương giá trị của ϕ phải thoả mãn điều kiện:
ϕ = 2kπ
b. Điều kiện cân bằng biên độ
•
Khi qua thành phần khuếch đại, dao động được khuếch đại lên | K | lần. Khi
•
qua mạch hồi tiếp dao động này bị suy giảm đi | β | lần. Để có thể bù đắp được
năng lượng tổn hao thì các hệ số này phải thoả điều kiện sau:
•
|K|
1.5.3
1
•
|β|
≥1
(5.21)
Vấn đề ổn định tần số của mạch tạo dao động
Trong quá trình làm việc, tần số của mạch tạo dao động có thể bị thay đổi do
nhiều nguyên nhân. Trong phần này giới thiệu một số nguyên nhân và cách khắc
phục.
a. Sự tác động của nhiệt độ môi trường
Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng khá lớn đến dự ổn định tần số dao động. Để
khắc phục ảnh hưởng này người ta thường sử dụng các biện pháp như: dùng
những mạch ổn nhiệt; đặt mạch tạo động trong không gian ổn định nhiệt.
b. Sự tác động cơ học
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
127
_____________________________________________________________________________
Khi các thiết bị liên lạc vô tuyến được đặt trên các phương tiện di động như
trên ô tô, tàu thủy,… thì sự rung có thể làm sai lệch tần số dao động. Vì vậy, ta cần
phải có các biện pháp cố định các máy móc thiết bị cũng như sử dụng các cơ cấu
chống rung động.
c. Sai số của các linh kiện L và C trong khung
Z
cộng hưởng
f0s f0p
f
Để khắc phục sai số của các linh kiện trong mạch,
người ta phải sử dụng các loại linh kiện có sai số
nhỏ; dùng khung cộng hưởng thạch anh thay thế
cho khung cộng hưởng LC.
Một miếng thạch anh, tùy theo kích thước dày
Hình 5.20. Đáp ứng tần số của
mỏng mà nó có thể có tính chất cộng hưởng ở
khung dao động thach anh
những tần số khác nhau tương tự như khung cộng
hưởng LC.
Tại f0s thạch anh làm việc tương tự như mạch cộng hưởng LC nối tiếp, còn tại
f0p thạch anh làm việc như mạch cộng hưởng LC song song. Ngoài ra, các giá trị
f0s và f0p ổn định hơn rất nhiều so với tần số cộng hưởng của khung LC.
1.6 BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU
Để có thể làm việc, các thiết bị vô tuyến điện cần được cung cấp năng lượng
điện một chiều không đổi từ nguồn pin, acquy hoặc từ lưới điện xoay chiều. Khi
cung cấp bằng lưới điện xoay chiềy, ta cần phải sử dụng bộ nguồn một chiều.
1.6.1 Sơ đồ khối
∼ ui
∼u
∼u
∼u
1
2
3
= u4
RL
Hình 5.21. Sơ đồ khối bộ nguồn một chiều
Bộ nguồn một chiều được cấu tạo gồm bốn thành phần:
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
128
_____________________________________________________________________________
Biến áp vào: Dùng để biến đổi điện áp vào thành điện áp có độ lớn theo yêu
cầu.
Mạch chỉnh lưu: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều nhấp
nháy.
Mạch lọc: Giảm độ nhấp nháy của điện áp sau chỉnh lưu..
Mạch ổn áp: Tạo ra điện áp không đổi cung cấp cho các thiết bị.
Trong bốn thành phần nói trên ta đã nghiên cứu hai thành phần là biến áp vào
và mạch chỉnh lưu.
1.6.2 Mạch lọc
a. Lọc bằng tụ
Nhờ vào quá trình phóng nạp của tụ mà độ nhấp nháy của điện áp sau chỉnh
lưu được lọc. Mạch này thường được sử dung khi điện trở tải lớn và thiết bị yêu
cầu công suất nhỏ.
ui
t
+
R L uo
ui
uo
t
Hình 5.22. Mạch lọc dùng tụ
b. Lọc bằng cuộn cảm
Do hiện tượng tự cảm xảy ra bên trong, cuộn dây luôn có xu hướng chống lại
sự biến thiên của dòng điện qua nó nên độ nhấp nháy của điện áp sau chỉnh lưu
u
giảm. Mạch lọc này thường dùng với điệni trở tải nhỏ, thiết bị yêu cầu công suất
vừa và lớn.
t
ui
uo
RL
uo
_____________________________________________________________________________
t
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
Hình 5.23. Mạch lọc dùng cuộn cảm
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
129
_____________________________________________________________________________
c. Lọc hỗn hợp
Mạch này dùng cả tụ và cuộn cảm để lọc. Mạch lọc hình chữ Π được sử dụng
khá phổ biến.
ui
L
C
+
+
ui
C
RL
t
uo
uo
t
Hình 5.24. Mạch lọc hỗn hợp
d. Lọc cộng hưởng
Mạch cộng hưởng song song LC có tần số dao động riêng trùng với tần số dao
động nhấp nháy của điện áp sau chỉnh lưu.
L
C
RL
Hình 5.25. Mạch lọc cộng hưởng.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
130
_____________________________________________________________________________
Lưu ý: Để nâng cao hiệu quả lọc, người ta có thể dùng nhiều mạch lọc mắc nối
tiếp với nhau.
1.6.3 Mạch ổn áp
Điện áp ở đầu vào mạch ổn áp không ổn định do hai nguyên nhân sau:
+ Độ nhấp nháy còn lại sau khi lọc.
+ Điện áp lưới không ổn định.
Mạch ổn áp có hai loại: loại dùng diod bán dẫn và loại dùng transistor lưỡng
cực.
d. Loại dùng diod bán dẫn
Loại mạch này sử dụng một loại diod đặc biệt là diod ổn áp (diod Zener). Diod
này có đặc điểm được chế tạo để làm việc ở vùng đặc tuyến đánh thủng vì vậy nó
phải được phân cực ngược.
RR0
A
-uD
Ui
D
Uo
∆V
∆I
-ID
Hình 5.26. Mạch ổn áp dùng diod Zenner
Nguyên lý làm việc :
Ta có:
U o = U i − U R = U i − IR
Giả sử ta cần ổn định ở điện áp U D ( 0) là điện áp phân cực ngược của diod
Zener.
U o ( 0 ) = U D ( 0 ) = U i ( 0 ) − I ( 0 ) R ( các chỉ số
(0)
tương ứng với các đại
lượng ở chế độ ổn định )
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
131
_____________________________________________________________________________
Nếu điện áp vào thay đổi một lượng ∆U i thì điện áp tại A cũng thay đổi theo
làm cho dòng điện qua diod cũng thay đổi một lượng ∆I
U o = U i ( 0 ) ± ∆U i − ( I 0 ± ∆I ) R
Hay U o = (U i (0) − I ( 0) R) ± (∆U i − ∆I .R)
Nếu chọn mạch điện với các thông số hợp lý sao cho ∆I .R ≈ ∆U i thì
Uo = Ui(0) – I(0)R = Uo(0) không thay đổi.
• Ứng dụng
Mạch ổn áp dùng diod bán dẫn được dùng cho các mạch điện yêu cầu công
suất nhỏ và khoảng dao động điện áp đầu vào nhỏ.
e. Mạch ổn áp dùng transistor lưỡng cực
• Sơ đồ khối
Ổn áp loại này thường được chia
thành hai loại là ổn áp nối tiếp và ổn áp
song song. Trong thực tế, loại ổn áp nối tiếp
được sử dụng nhiều hơn.
UT
Mạch điều
chỉnh
Ui
A
Mạch so sánh
và khuếch đại
Uc
U0
Tham
chiếu
Ur
Nguyên lý làm việc:
Trong trường hợp xác định ta có :
Uo(0)=Ui(0) – UT(0)
Giả sử khi U i tăng lên một lượng ∆U i và
điện áp U o cũng tăng theo. Điện áp này sẽ
Hình 5.27. Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp
được đưa tới một ngõ vào của bộ so sánh và
dùng transistor
khuếch đại để so sánh với một điện áp
chuẩn (được đưa tới một ngõ vào khác từ thành phần tham chiếu). Sự khác biệt
giữa hai điện áp được khuếch đại để tạo ra điện áp U C đưa tới thành phần điều
chỉnh. Trở kháng của thành phần này tăng lên kéo theo sụt áp trên đó cũng tăng
theo:
U T = U T ( 0 ) + ∆U T
U 0 = U i ( 0 ) + ∆U i − (U T ( 0 ) + ∆U T ) = ( Ui(0) – UT(0) ) + ( ∆U i − ∆U T )
Nếu chọn các thông số mạch thích hợp sao cho: ∆U i ≈ ∆U T thì ta có được:
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
132
_____________________________________________________________________________
U 0 = (U i ( 0 ) − U T ( 0) ) + (∆U i − ∆U T ) = U i ( 0 ) − U T ( 0) = U o ( 0 ) = const
Trường hợp Ui giảm ta cũng có được kết quả tương tự.
• Sơ đồ nguyên lý
Các thành phần:
+ Điều chỉnh : T1
+ So sánh và khuếch đại : T2
+ Tham chiếu : D và R2 .
T1
A
R3
R1
ui
IC
B
T2
R2
uo
C
D
Nguyên lý làm việc:
R4
R5
Hình 5.28. Mạch ổn áp dùng Transistor
Trong trường hợp điện áp ổn định ta có:
U o ( 0 ) = U i ( 0) − U T 1( 0 )
Giả sử khi Ui tăng: U i = U i ( 0) + ∆U i thì điện áp Uo tại A cũng tăng theo. Do vậy, điện
áp lấy ra từ bộ phân áp tại điểm B cũng tăng theo. Trong khi điện áp tại điểm C
được đưa tới từ thành phần tham chiếu là không đổi. Kết quả ta có U BE(T2) tăng lên.
Vì T2 là loại transistor loại N-P-N nên nó sẽ rơi vào trạng thái dẫn mạnh hơn,
dòng IC qua đó tăng lên. Dòng này qua R1 làm cho sụt áp U R1 tăng lên hay UCB(T1)
tăng lên (tức UBE(T1) giảm xuống). T1 là transistor N-P-N nên trở kháng Z của nó sẽ
tăng lên. Do vậy, sụt áp trên đó cũng tăng lên:
U T 1 = U T 1 ( 0) + ∆U T 1
Nếu thiết kế mạch với các thông số thích hợp sao cho: ∆U i ≈ ∆U T 1 thì ta có:
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
133
_____________________________________________________________________________
U 0 = (U i ( 0 ) − U T ( 0) ) + (∆U i − ∆U T ) = U i ( 0 ) − U T ( 0) = U o ( 0 ) = const
Ứng dụng: Mạch ổn áp dùng transistor được dùng cho các mạch điện yêu cầu
công suất lớn và khoảng điều chỉnh điện áp vào ( ∆U i ) lớn.
1.6.4 Nhận xét
Trong một số trường hợp không nhất thiết ta phải thiết kế đầy đủ cả bốn thành
phần trong bộ nguồn một chiều.
+ Nếu điện áp yêu cầu xấp xỉ điện áp lưới thì không cần dùng biến áp vào.
+ Nếu điện áp ra không yêu cầu quá khắt khe về hệ số đập mạch (độ nhấp
nháy) thì ta không cần dùng mạch ổn áp.
_____________________________________________________________________________
GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM
