Bài giảng Điện tử cho Công nghệ thông tin: Chương 3 - Trần Tuấn Vinh

Điện tử cho CNTT
Electronic for IT
Trần Tuấn Vinh
Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT
Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Nội dung
§
§
§
§
§

Chương 1: Phổ tín hiệu
Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio
Chương 3: Các mạch tạo dao động
Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ
Chương 5: Điều chế tần số và pha.

Copyright (c) 8/2009 by

2


Chương 3
§
§
§
§
§

§
§
§
§

Giới thiệu chung về mạch dao động
Mạch dao động Hartley
Mạch dao động Colpitts
Mạch dao động Clapp
Mạch dao động điều hưởng đầu vào/đầu ra
Mạch dao động không điều hưởng
Trạng thái ổn định của mạch dao động
Thạch anh và các bộ dao động thạch anh
Mạch dao động thạch anh Pierce
Copyright (c) 8/2009 by

3


Giới thiệu chung
§

§

Mạch dao động(Oscillators) được sử dụng như một
nguồn tín hiệu và là mạch quan trọng trong việc
phát triển hệ thống truyền thông
Ứng dụng của mạch dao động
›
›

›

§

Đồng hồ định thời
Tạo sóng mang để truyển tín hiệu tần số cao
…..

Các loại mạch dao động
›
›
›

Mạch dao động Amstrong
Mạch dao động Harley, Colpitts, Clapp, Pierce
Mạch dao động cầu Wien
Copyright (c) 8/2009 by

4


Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao
động
§

§

Việc nhớ tên các mạch dao động không quan trọng
bằng việc hiểu rõ cấu tạo của chúng
Các tiêu chí đánh giá một mạch tự dao động

›
›
›
›

Nguồn cung cấp
Hệ số khuếch đại.
Sơ đồ xác định tần số.
Phản hồi dương(điều kiện pha và hệ số khuếch đại vòng
=1).

Copyright (c) 8/2009 by

5


Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao
động
§

§

§

§

Nguồn điện vào là quan trọng vì mạch điện tử cần
được cung cấp một công suất đủ để đưa ra tải,
thêm vào đó bản thân mạch điện của Oscillators
cũng tiêu thụ công suất và đòi hỏi được phân cực

Một số mạch đòi hỏi hệ số khuếch đại >1 để bù lại
tổn hao trong.
Một số mạch hoặc bộ cộng hưởng đòi hỏi phải điều
chỉnh tần số dao động.
Toàn bộ mạch và các vật liệu như kim loại, chất khí,
chất lỏng, chất rắn được sử dụng để điều khiển tần
số của các Oscillators
Copyright (c) 8/2009 by

6


Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao
động
§

Oscillators là một hệ thống phản hồi phải thoả mãn
hai tiêu chuẩn, gọi là tiêu chuẩn Barkhausen:
Tín hiệu phản hồi phải đồng pha với tín hiệu vào sau khi
kết thúc một vòng.
› Hệ số khuếch đại vòng ở trạng thái ổn định phải bằng 1.
(AvB = 1)
›

Copyright (c) 8/2009 by

7


Hệ số khuếch đại vòng

§

Hệ số khuếch đại vòng của
hệ thống được xác định như
sau

vfb=Bv0
v0=(vi+vfb)Av

v0
Av
=
= A fb
vi 1 − Av B
Av là hệ số khuếch đại của hệ thống(theo hướng trái­phải), 
B là tỷ số điện áp ra trên điện áp vào mạch phản hồi ­ hệ số 
phản hồi. 
Afb là hệ số khuếch đại toàn phần của hệ thống có phản hồi 
– hệ số khuếch đại vòng
Copyright (c) 8/2009 by

8


Hệ số khuếch đại vòng
§

Nếu mạch có phản hồi âm thì :
Av
Afb =

1 + Av B

§

Với mạch phản hồi dương thỏa mãn điều kiện
Barkhausen thì AvB=1 khi đó:

Av
Afb =
1−1

§

Đây là điều không mong muốn trong hệ thống hồi
tiếp dương nhưng nó là một điều cần thiết cho
mạch dao động.
Copyright (c) 8/2009 by

9


Ví dụ trường hợp AvB>1
§

Xét mạch khuếch đại điều hưởng ghép tải biến áp

›

R là tổng trở tải của bộ khuếch đại bao gồm toàn bộ các
trở kháng từ đầu ra xuống đất.

Copyright (c) 8/2009 by

10


Ví dụ trường hợp AvB>1
§

§

§
§
§

Giả thiết hệ số khuếch đại BC : AV=-100 = 100
1800
Biến áp là lý tưởng(k=1) và tỷ số biến áp np/ns =
90:1
Vậy B = -1/90 = 0,0111 và AvB = 1,11 lớn hơn 1
Với vB = 10mV điện áp đầu ra sẽ là v0=11.1 mV
Bây giờ nếu chuyển mạch S1 thì điều gì xảy ra
›
›
›

§

11.1mV 12.3 mV
12.3 mV
……

Tín hiệu ra lại tiếp tục tăng, vậy nó sẽ tăng đến khi
nào ?
11
Copyright (c) 8/2009 by


Ví dụ trường hợp AvB>1
§

§

§

§

Giả thiết là mạch điều hưởng có phẩm chất Q cao,
nguồn cung cấp 12V và VCE(bão hoà) = 0
Do nguồn cung cấp có điện áp 12V nên trên
collector điện áp thay đổi từ -12V- 0V
Do năng lượng được tích tụ trên biến áp trong một
nửa chu kỳ đầu tiên nên điện áp trên collector thay
đổi tăng thêm 12 V so với điện áp phân cực trong
nủa chu kỳ còn lại
Như vậy điện áp đầu ra có thể đạt tới 24V đỉnh đỉnh

Copyright (c) 8/2009 by

12

Ví dụ trường hợp AvB>1
§

§

§
§

Với điện áp 24V đỉnh đỉnh trên Collector điện áp
đầu ra là 24V/90 = 266.7 mV
Do mạch phản hồi điện áp này được phản hồi
ngược về Base
Hệ số phản hồi B= tỷ số biến áp = 1/90
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bão hòa

vc/vb= - (24 V pk-pk)/(2.667 mV pk-pk)= - 90
§

Vậy hệ số khuếch đại vòng :
AVB = 90 * 1/90 =1
Thỏa mãn điều kiện Barkhausen
Copyright (c) 8/2009 by

13


Kịch hoạt mạch tự dao động
§

§

§

§

Mạch dao động sẽ hoạt động khi có kích thích của
một dãy xung đầu vào.
Quay lại với ví dụ trên ta giả thiết nguồn điên chưa
bật và chưa có dòng điện chảy trong mạch
Khi bật nguồn 12V, dòng điện chạy trong mạch
tăng đột ngột chạy qua biến áp là cho mạch dao
động hoạt động tạo ra điện áp đầu ra
Điện áp ra phản hổi ngược lại đầu vào và tăng dần
lên cho đến trạng thái bão hòa như đã xét ở trên.

Copyright (c) 8/2009 by

14


Tần số mạch tự dao động
§

Mạch dao động tại tần số mà tổng pha cho một
vòng bằng 3600 .
f res = 1/ 2Π LC

Tuy nhiên tần số dao động này còn phụ thuộc vào
hệ số phẩm chất Q của biến áp khi mạch có tải.

§
Tần số dao động thực tế của mạch
fosc=fres(Q2+1)/Q2
Với Q là hệ số phẩm chất hiệu dụng (Qeff) của cả
khối biến áp.
Hệ số này được xác định tùy theo từng mạch dao
động
§

Copyright (c) 8/2009 by

15


BP = (bypass capacitor)
tụ ngắn mạch, có Xc = 0;
Cho: n1 = 100 vòng
n2 = 10 vòng,
n0 = 5 vòng.
IC = 1mA, Rc = 50k .
Lp = 53 H. Qu = 50.
CCB = 1,0 pF.
C1 điều chỉnh tại tần số
cộng hưởng 1MHz.

Phân tích mạch dao động
Hartley

Copyright (c) 8/2009 by

16


Phân tích mạch dao động
Hartley

§

§

§

§

Giả thiết rằng điện thế cực emitter là pha dương
bởi một dao động sin hoặc nhiễu.
Q1 sẽ có làm việc ở chế độ cắt và điện áp cực
collector có xu hướng tăng lên phía Vcc.
Điện áp tăng lên của tín hiệu được chia áp trên n2
bởi công thức n2/(n1+n2) nhưng sẽ đồng pha với
điện áp trên collector, có thể lệch chut ít tuỳ thuộc
tổng tải RL.
Tín hiệu hồi tiếp đến cực emitter qua tụ C1 sẽ đồng
pha với tín hiệu ban đầu có tần số fosc.
Copyright (c) 8/2009 by

17


§

Xác định tải của mạch dao
Với tải 50Ώ , khi quy đổi về phía collector trở thành
động
tải hiệu dụng R với
n1 + n2 2
'
R1 = RL (
) = 50(100 / 5) 2 = 24.2k Ω
n0

§

§

Do Qu của cuộn sơ cấp hữu hạn, tải được tính
theo công thức sau với tần số 1 Mhz , XL=300 và
Rcoil=QuXL=50(333)=16.7 k Ώ
Từ n1- n2 nhìn sang bên trái, chúng ta thấy
re//RE=26 mV/Ic//1 k =25 Ώ

Copyright (c) 8/2009 by

18


Hệ số khuệch đại AV
§

Khi nhìn tử Collector tải RE’ là

n1 + n2 2
R =(
) (re / / RE ) = 3k Ω
n2
Tổng trở mạch Collector
R =rc// R’E // Rcoil// RL’
R=50 kΏ //24.2 k Ώ //16.7 k Ώ //3 k Ώ =2.2 k Ώ
Hệ số khuếch đại AV
'
E

§

§

Rc' 2.2k Ω
AV =
=
= 84.6(38.5dB )
re
26Ω
Copyright (c) 8/2009 by

19


Xác định hệ số khuếch đại vòng
§

§

Để mạch có thể dao động hệ số khuếch đại vòng
phải ≥ 1
Giả thiết rằng nếu ta hở mạch vòng phản hồi như
hình

Copyright (c) 8/2009 by

20


Xác định hệ số khuếch đại vòng
§
§

§

§

§

§

Khi này điện áp phản hổi vfb là vi
Nếu ta giả thiết hở mạch phản hổi, re//RE không
được quy đổi sang mạch Collector
Hệ số khuếch đại AV có thể sai số lớn
Av=(50 k //24.2 k //15k )/26 =7.8 k /26 =300
Lớn hơn 11 dB so với mạch phản hồi đóng. Điêu
này có thể làm cho mạch không dao động

Hệ số khuếch đại vòng
AVB = AV*(n2/n1+n2) = 84.6 * (10/110) = 7.69
7.69 >>1 thỏa mãn đk để mạch có thể dao động
Copyright (c) 8/2009 by

21


Xác định giá trị điện dung
§

Để tính toán giá trị của tụ điện C cần mắc trên
mạch Collector ta cần quan tâm đến
›
›
›

§

§

Tụ điện tạp tán CCB
Tụ điện cố định C= 430pF
Cần xác định giá trị tụ xoay C1

Ứng với cuộn cảm 53 H thì ở tần số công hưởng 1
MHz
1
C=
= 478  pF

2
(2Π f ) L
Cần thay đổi điện dung xung quanh 47 pF. Có thể
sử dụng một tụ điện biến đổi 100pF.
Copyright (c) 8/2009 by

22


Mạch dao động Colpitts
§

§

§

Colpitts oscillator cũng giống như mô hình của
Hartley chỉ khác là mạch phản hồi được thực hiện
bằng điện áp trên tụ điện thay vì trên các cuộn dây
hay biến áp tự ngẫu.
Chú ý rằng điện áp hồi tiếp được đưa tới cực
emitter chứ không tới base của Q1.
Nên nhớ rằng điều kiện pha rất quan trọng. Để xét
điều kiện pha, ta cắt mạch tại điểm x gần emitter và
xét pha của mạch vòng. Ta thấy điều kiện pha cũng
đúng như mạch Hartley.
Copyright (c) 8/2009 by

23

Mạch dao động Colpitts

Copyright (c) 8/2009 by

24


Mạch dao động Colpitts
§

§

§

Việc phân tích hệ số khuếch đại vòng đối với
Colpotts oscillator cho thấy điện trở ngang C1
xuống đất ít nhất lớn gấp 10 lần so với dung kháng
XC1.
Do đó hệ
hồi
Ceqsẽ là:
ve số phản
c2
C1C2
B= =
=
Ceq =
vc c1 + c2 C1
C1 + C2

Do đó điện trở tải của sơ đồ là các thành phần mắc
song songnRL’ và Re’ với
C1 2
1 2
p 2
'
'
RL = ( ) RL
Re = ( ) ( re / / Re ) ( ) re
ns
Ceq
B
Copyright (c) 8/2009 by

25