Các mạch tạo dao động sử dụng hồi tiếp dương

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________

Mở đầu
Kĩ thuật điện tử là ngành mũi nhọn mới phát triển. Trong một khoảng thời
gian tương đối ngắn, từ khi ra đời tranzitor (1948), nó đã có những tiến bộ nhảy
vọt, mang lại nhiều thay đổi lớn và sâu sắc trong hầu hết mọi lĩnh vực rất khác
nhau của đời sống, dần trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất của
cách mạng kĩ thuật trình độ cao.(Mà điểm trung tâm là tự động hố từng phần
hoặc hồn tồn, tin học hố, phương pháp cơng nghệ và vật liệu mới).
Trong kĩ thuật điện tử, việc tạo ra các dao động điện là rất quan trọng, nó có
mặt trong tất cả các thiết bị điện tử và được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh
vực khác nhau của cuộc sống. Ví dụ như:
+Trong giáo dục: Với hình thức đào tạo lớp - bài như ở nước ta hiện nay vừa
mất thời gian, vừa khó khăn trong việc đi lại cho học tập, với lượng kiến thức,
chất lượng đào tạo chưa cao. Kĩ thuật điện tử đã giải quyết những khó khăn đó
một cách dễ dàng. Với việc ứng dụng kĩ thuật điện tử vào giáo dục, đã mở ra
một hướng đào tạo mới - đào tạo từ xa, đào tạo qua mạng Internet. Với hình thức
đào tạo này rất thuận lợi cho việc dạy và học, lượng kiến thức đưa đến cho học
sinh nhiều hơn, phong phú hơn. Mặt khác tranh thủ tối đa kiến thức và kinh
nghiệm của những người thầy giỏi.
+Trong quốc phòng: Việc phát hiện các mục tiêu từ xa là rất khó khăn đối với
các dụng cụ thông thường cũng như bằng mắt thường; việc phát hiện mìn trong
lịng đất, lịng đại dương là rất khó khăn đối với phương pháp thủ công,... Kĩ
thuật điện tử đã khắc phục những khó khăn đó một cách dễ dàng, bằng cách tạo
ra các Ra đa, các máy dị mìn hoạt động nhờ các sóng vơ tuyến điện.
+Trong kinh tế: ở nước ta với mục tiêu cơng nghiệp hố - hiện đại hoá đất
nước, đưa Việt Nam thành một nước cơng nghiệp, một nước có dân giàu, nước
mạnh, xã hội cơng bằng và văn minh. Kĩ thuật điện tử đóng vai trò là khâu then
chốt trong việc thực hiện mục tiêu đó. Với việc ứng dụng kĩ thuật điện tử vào

sản xuất, nó có thể thay thế con người các cơng việc buồn tẻ, cơng việc nguy
hiểm, nơi có mơi trường làm việc ơ nhiễm, có phóng xạ...

________________________________________________________________
3


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
+Trong khoa học kĩ thuật: Việc nghiên cứu các thiên thể trong vũ trụ, các vật
chất trong lòng đại dương là rất khó khăn và phức tạp. Một ví dụ: Việc đo
khoảng cách từ Trái Đất đến các thiên thể trong vũ trụ, việc xác định hình dạng
của chúng là rất khó khăn khơng thể thực hiện bằng phép đo bình thường được.
Kĩ thuật điện tử đã giải quyết vấn đề này một cách đơn giản, bằng cách phóng
lên thiên thể các sóng vơ tuyến điện và thu sóng phản hồi, rồi xử lý sóng đó
(phương pháp vơ tuyến định vị).
+Trong y học: Việc khám chữa bệnh bằng các dụng cụ y học thơng thường là
rất khó khăn, nhất là đối với các bệnh nguy hiểm. Kĩ thuật điện tử đã giải quyết
vấn đề này một cách dễ dàng. Nhờ ứng dụng kĩ thuật điện tử vào y học, mà ngày
nay trong y học người ta có thể tiến hành những ca phẫu thuật nguy hiểm. Ví dụ
như: thay tim, thay mắt, thực hiện một vết mổ rộng khoảng 1cm,...
+Trong đời sống thường ngày: Xã hội ngày càng phát triển, cuộc sống con
người càng được nâng cao, do đó mọi cơng việc cần được giải quyết nhanh gọn
và độ chính xác cao. Với các công cụ sản xuất thông thường, lạc hậu thì khơng
thể đáp ứng được nhu cầu đó mà cần phải có cơng nghệ hiện đại. Kĩ thuật điện
tử đã giải quyết vấn đề đó một cách đơn giản.
Có nhiều phương pháp để tạo ra dao động điện:
-Tạo dao động bằng hồi tiếp dương;
-Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch;

-Biến đổi một tín hiệu tuần hồn từ một dãy tín hiệu khác thành một dãy hình
sin;
-Dùng bộ biến đổi số tương tự (DAC).
Trong đó phương pháp tạo dao động bằng hồi tiếp dương là phổ biến nhất,
quan trọng nhất. Nó có vai trị quan trọng khơng thể thiếu được trong các thiết bị
điện tử. Do đó việc nghiên cứu các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương là rất
cần thiết. Đề tài luận văn nghiên cứu vấn đề này.
Đề tài luận văn bao gồm các phần sau:

________________________________________________________________
4


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Chương I: Nghiên cứu các vấn đề chung, mang tính đại cương của các mạch
tạo dao động bằng hồi tiếp dương.

Chương II: Nghiên cứu các mạch tạo dao động điều hoà.
Chương III: Nghiên cứu các mạch tạo dao động khơng điều hồ hay các xung
điện.
Phần thực hành: Lắp ráp một mạch đa hài tự dao động.
Vinh: 5 / 2002.
Người

thực

hiện:

Đinh Văn

Tuấn.

________________________________________________________________
5


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________

Phần I: Lý thuyết.
Chương I:

CÁCVẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG.
Các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương là rất quan trọng trong các thiết
bị điện tử. Để nghiên cứu vấn đề này một cách cơ bản, trước hết chúng ta hãy
nghiên cứu thế nào là hồi tiếp dương?
I . Hồi tiếp.
Hồi tiếp là đưa một phần (hay toàn bộ) năng lượng đầu ra của bộ khuếch đại
trở về đầu vào của nó có thể thực hiện hồi tiếp trong một tầng, trong vài tầng
hay trong cả máy khuếch đại.
Hồi tiếp đóng vai trị rất quan trọng

đầu vào

K

đầu ra

trong kĩ thuật mạch tương tự.
Hồi tiếp cho phép cải thiện các tính


chất của bộ khuếch đại, nâng cao
chất lượng của bộ khuếch đại.

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp.
Phần năng lượng từ lối ra đưa trở lại
: hệ số khuếch đại của bộ KĐ;
: hệ số truyền đạt (hồi tiếp).
lối vào có thể là điện áp hay dịng điện

vì vậy ta có thể phân ra: Hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dịng điện. Có thể hồi tiếp
hỗn hợp cả dịng điện và điện áp. Khi tín hiệu đưa về hồi tiếp nối tiếp với nguồn
tín hiệu vào thì ta có hồi tiếp nối tiếp. Khi tín hiệu đưa về hồi tiếp song song với
tín hiệu nguồn ban đầu thì ta có hồi tiếp song song.
Từ hai đặc điểm trên xác định một loại mạch hồi tiếp cụ thể:
+ Hồi tiếp dịng điện nối tiếp (hình 1.2a): tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối
tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với dịng điện ra.
+ Hồi tiếp song song dịng điện (hình 1.2b): tín hiệu đưa về hồi tiếp song song
với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với dòng điện ra.
________________________________________________________________
6


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________

+ Hồi tiếp nối tiếp điện áp (hình 1.2c): tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối
tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với điện áp ra.
+Hồi tiếp song song điện áp (hình 1.2d): Tín hiệu đưa về hồi tiếp song song
với nguồn tín hiệu ban đầu và tỉ lệ với điện áp ra.

K

K





K

K

a)

c)

Hình 1.2: Sơ đồ khối các mạch hồi tiếp
Uv: Tín hiệu cần được khuếch đại
Uht: Tín hiệu điện áp cần hồi tiếp
U: Tín hiệu điện áp trực tiếp đưa vào bộ khuếch đại

+Ngoài ra ta có thể tổng hợp cả hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dịng điện, do vậy
ta có: Hồi tiếp hỗn hợp nối tiếp và hồi tiếp hỗn hợp song song.
Nếu khi hồi tiếp nối tiếp ảnh hưởng đến trị số điện áp vào bản thân bộ khuếch
đại U, thì khi hồi tiếp song song sẽ ảnh hưởng đến trị số dòng điện vào bộ

khuếch đại:
U  U v  U ht

(1.1)

Chia cả hai vế cho điện áp lấy ra U r ta có:
U U v U ht


Ur Ur Ur

(1.2)

________________________________________________________________
7


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
U r  K .U 

Mà ta có:
Uv



Ur
U ht
Ur



U
1

Ur K

(1.3)

(1.4) là hệ số hồi tiếp

1
K ht

(1.5)

K ht là hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp.

Thay (1.3),(1.4),(1.5) vào (1.2) ta có:
1
1
K

 K ht 
K
K ht
1  K

(1.6)

Nói chung hệ số khuếch đại và hệ số hồi tiếp là những số phức, nhưng nếu ta
xét trường hợp điện áp hồi tiếp cùng pha với điện áp tín hiệu thì K > 0 và hồi
tiếp được gọi là hồi tiếp dương (dương hồi).Khi hồi tiếp dương, hệ số khuếch
đại là:
K ht =

K
1  K

(1.7)

Ta nhận thấy rằng trong trường hợp này Kht > K nghĩa là hệ số khuếch đại khi
có hồi tiếp dương sẽ tăng lên. Nếu K  1 thì Kht tăng lên vơ cùng và ta có điều
kiện tự kích, lúc này máy khuếch đại trở thành máy phát dao động mà ta sẽ
nghiên cứu ở các chương sau. Hồi tiếp dương tuy làm tăng hệ số khuếch đại
nhưng không được sử dụng trong các bộ khuếch đại âm tần vì nó làm cho bộ
khuếch đại kém ổn định.
Nếu điện áp hồi tiếp áp ngược pha với điện áp tín hiệu thì K  0 và hồi tiếp
được gọi là hồi tiếp âm (âm hồi).
Khi có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại là:
K ht 

K
1  K

(1.8)

Ta nhận thấy rằng trong trường hợp này K ht < K, nghĩa là hệ số khuếch đại
khi có hồi tiếp âm sẽ giảm xuống. Nhưng hiện tượng hồi tiếp âm được ứng

dụng một cách phổ biến trong các máy khuếch đại vì nó làm cho bộ khuếch đại
ổn định hơn.
________________________________________________________________
8


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Thực vậy, nếu vì một ngun nhân nào đó làm cho hệ số khuếch đại thay đổi
thì độ khơng ổn định (đặc trưng bằng tỷ số

dk
) sẽ giảm bớt nếu bộ khuếch đại
K

có hồi tiếp âm.
Lấy vi phân 2 vế (1.8 ), ta có:
dkht =


(1  k )dk  kdk
dk
=
2
(1  k )
(1  k ) 2

dk ht
1

dk

.
k ht 1  k k

(1.9)

Như vậy ta thấy rằng độ không ổn định của hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp
âm nhỏ hơn (1 +k) lần so với độ không ổn định của hệ số khuếch đại khi chưa
có hồi tiếp âm.
Điều này được giải thích như sau: Nếu vì một ngun nhân nào đó mà hệ số
khuếch đại biến đổi một lượng K thì điện áp hồi tiếp âm cũng biến đổi tương
ứng một lượng Uht. Nếu hệ khuếch đại tăng thì điện áp hồi tiếp cũng tăng làm
cho điện áp vào giảm kéo theo sự giảm của điện áp ra, có nghĩa là khuếch đại
giảm thì điện áp âm hồi cũng giảm làm cho điện áp vào tăng kéo theo sự giảm
của hệ số khuếch đại. Như vậy là hồi tiếp âm luôn luôn hạn chế sự thay đổi của
hệ số khuếch đại làm chobộ khuếch đại hoạt động ổn định hơn.
Chính vì vậy mà hồi tiếp âm làm cho hệ số méo tần số cũng như hệ số méo
pha của thiết bị khuếch đại giảm bớt; đặc tuyến tần số cũng như đặc tuyến pha
tốt hơn.
Hình 1.3 vẽ đặc tuyến tần số của một tầng khuếch đại khi khơng có hồi tiếp âm
K
(đường 1) và khi có hồi tiếp âm (đường 2).
Khi có hồi tiếp âm (nối tiếp) thì nó làm cho

1

trở kháng vào của tầng khuếch đại tăng lên:
Zvht = Zv(1 + K).

(1.10)

Còn trở kháng ra của tầng khuếch đại
2

giảm hay tăng phụ thuộc vào hồi tiếp là
hồi tiếp điện áp hay dòng điện.

f

II . Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động.

________________________________________________________________
9


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động sơ đồ khối (hình 1.4) trong đó
(1) là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K =Kejk và (2) là khối hồi tiếp có hệ
số truyền đạt K ht =Khtejht . Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu X v và giả thiết K K ht
=1 thì

X r' = X v vì

X r = K K ht X v

vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại

X v và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp X r' bằng nhau cả về biên độ và pha nên có

thể nối các đầu a và a’ với nhau mà tín hiệu ra vẫn khơng thay đổi.
Lúc này ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi
tiếp. Rõ ràng, trong sơ đồ này chỉ có dao động mà tần số của nó thoả mãn điều
kiện:
K K ht =1

(1.12)

vì K và K ht là những số phức, nên (1.12) có thể viết lại như sau:
K K ht =k.khte

j( +  )
k ht

=1

(1.13)

a Xv
’

Trong đó:

K

(1)

Khđ

(2)

Xr

a

k-mơđul hệ số khuếch đại;

X r'

kht - là mô dun hệ số hồi tiếp;
 k - góc di pha hệ số khuếch đại;

Hình 1.4: sơ đồ khối mạch tạo dao
động theo nguyên tắc hồi tiếp.

 ht - góc di pha của mạch hồi tiếp.
Có thể tách (1.13) thành hai biểu thức như sau:
K.Kht= 1
 = k+ ht = 2n

(1.14a) và
với n= 0;  1;2... (1.14b)

Trong đó:  -tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị
sự dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp X r' và tín hiệu vào ban đầu X v .
Quan hệ (1.14a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy mạch
chỉ có dao động khi hệ số khuếch đại
của bộ khuếch đại có thể bù được tổn

hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều
Ur
R
U1
M
kiện cân bằng pha (1.14b) cho thấy dao
1
động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu
hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào.
*
*
(K*-1)R1

C L

Uht

________________________________________________________________
10


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Để minh hoạ ta xét mạch dao động trên hình 1.5. Bộ khuếch đại dùng khuếch
đại thuật toán mắc theo sơ đồ thuận có hệ số khuếch đại:
K=

R1  R2
( K *  1).R1

= 1+
= K*
R1
R1

Vì trở kháng ra của bộ khuếch đại nhỏ, nên trong mạch ra mắc thêm điện trở
R để giảm ảnh hưởng của trở kháng ra đến trở kháng của khung cộng hưởng LC.
Điện áp hồi tiếp về bộ khuếch đại :
Uht=

M
U 1  K htU 1
L

(1.15)

M – Hố cảm của cả cuộn dây; L-điện cảm của khung dao động.
Ur= K*Uht

Điện áp ra bộ khuếch đại:

Ur=K*KhtU1

(1.16)

Để xác định điện áp ra, viết phương trình dịng điện nút 1:
U r  U1
du 1
 C 1   u1 dt  0
R

dt L

(1.17)

Thay (1.16) vào (1.17) và biến đổi ta được:
d 2 u r 1  k * k ht du r
1


ur  0
2
RC
dt
LC
dt

(1.18)

Để đơn giản, đặt:
1  K * K ht
=
;
2 RC

20 =

1
;
LC

Do đó (1.18) được viết lại như sau:
d 2ur
dt 2

 2

du r
  02 u r  0
dt

(1.19)

Nghiệm của phương trình vi phân (1.19) là:
Ur=Ur 0 e- t .cos (  02   2 ).t

(1.20)

________________________________________________________________
11


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Từ đây, ta phân biệt ba trường hợp :
1)  > 0, nghĩa là K*Kht < 1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theo hàm số
mũ. Dao động tắt dần .
2) =o, nghĩa là K*Kht = 1, điện áp ra là điện áp hình sin có tần số
 0=

1
LC

và biên độ không đổi.

3) < 0, nghĩa là K*Kht > 1, biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ.
Từ các trường hợp trên đây ta có thể rút ra kết luận: Để có dao động thì khi
mới đóng mạch K Kht phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động dao động tăng
dần cho đến khi bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà, hệ số
khuếch đại giảm dần, sao cho K*Kht=1, lúc này có dao động ra, nhưng khơng
phải hình sin. Để có dao động hình sin cần phải điều chỉnh hệ số khuếch đại sao
cho K*Kht=1 và xác lập tại đó trước khi bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở
trạng thái bão hồ.
Từ việc phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đây của một mạch
dao động:
-Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là một mạch
khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào. Năng lượng
tự dao động lấy từ nguồn cung cấp 1 chiều.
-Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thoả mãn điều kiện cân bằng biên
độ (1.14a) và điều kiện cân bằng pha (1.14b).
-Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng
lượng một chiều thành xoay chiều.
-Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo
cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập (K.Kht = 1).
III. Ổn định biên độ dao động va tần số dao động.
1. Ổn định biên độ dao động.
Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha (1.14b) được thoã mãn tại
một tần số nào đó, đồng thời K.Kht > 1 thì trong mạch phát sinh dao động ở tần
số đó. Ta nói mạch ở trạng thái quá độ. ở trạng thái xác lập, biên độ dao động

________________________________________________________________
12


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
không đổi ứng với K.Kht= 1.
Để đảm bảo ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện
pháp sau:
-Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một
chiều thích hợp. Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch
khuếch đại luôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiều cho phần tử
khuếch đại đó.
-Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ
thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại.
-Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh, ví dụ: Điện trở
nhiệt, điện trở thơng của điơt.
Tuỳ thuộc vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng một trong những biện pháp
trên.
2. Ổn định tần số dao động.
Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng
pha. Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ
dẫn đến sự thay đổi tần số dao động.
Trong điều kiện (1.14b), cho n= 0 ta có:
 =  k +  ht = 0

(1.21).

Nói chung góc pha  k và  ht phụ thuộc vào tham số các phần tử của mạch và

phụ thuộc vào tần số, do đó (1.14) được viết lại:
 k(m,) +  ht(n,) = 0

(1.22).

Trong đó, m và n đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch khuếch
đại và trong mạch hồi tiếp.
Vi phân toàn phần (1.22) và biến đổi ta được:
 k

dm  ht dn
n
d = - m
 k  ht




(1.23).

Từ (1.23), suy ra các biện pháp nâng cao ổn định tần số của mạch tạo dao

________________________________________________________________
13


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
động:

a)Thực hiện các biện pháp làm giảm sự thay đổi của tham số dm của mạch
khuếch đại và dn của mạch hồi tiếp bằng cách:
-Dùng nguồn ổn áp;
-Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ;
-Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động bằng cách mắc thêm các
bóng đèn ở đầu ra tầng tạo dao động;
-Dùng các linh kiện có sai số nhỏ;
-Dùng các phần tử ổn nhiệt.
b) Thực hiện các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số
của mạch, nghĩa là giảm

 k
 ht
và
n
m

bằng cách chọn mạch dao động thích

hợp.
c)Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi của các góc pha theo tần số,
tức tăng

 k
 ht
và
xung quanh tần số dao động. Cụ thể là sử dụng các phần



tử có phẩm chất cao (ví dụ dùng mạch cộng hưởng thạch anh), vì
d
2Q
và dùng phần tử có hệ số khuếch đại lớn.
  o  
d
o

IV. Phương pháp tính tốn mạch tạo dao động.
Có nhiều phương pháp để tính tốn mạch tạo dao động. Ở đây ta chỉ xét
phương pháp thông dụng nhất, đó là tính tốn mạch dao động theo phương pháp
bộ khuếch đại có hồi tiếp. Nội dung của phương pháp này xuất phát từ điều kiện
cân bằng biên độ (1.7a). Điều kiện cân bằng pha (1.7b) không cần quan tâm đến,
vì điều kiện này đã được cấu trúc của mạch đảm nhiệm. Khi tính tốn cần phải
căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K và hệ số hồi tiếp
Kht rồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch.
Để minh hoạ ta xét ví dụ sau:

+UCC

động của mạch ba điểm

C

Lc

ví dụ: Tính điều kiện tự dao
Ct

R1

C1
L
C

E

Utđ

2
________________________________________________________________

14

Hình 1.4: Mạch tạo dao động ba điểm


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
điện dung(mạch colpits) dùng
Tranzitor trên hình 1.4.
Giải: Trước hết ta chấp nhận
mạch ba điểm điện dung
đã thoả mãn điều kiện cân bằng pha, tính
điều kiện cân bằng biên độ của mạch:
Bước 1: Tính hệ số khuếch đại của mạch: Hệ số khuếch đại của mạch êmêtơ
chung được tính theo cơng thức:
K   S.Zc = -

h21
.Z c .
h11

(1.24).

Trong mạch điện trên, trở kháng giữa colectơ và đất Zc là một phần trở kháng
của khung cộng hưởng, và:
S

I 2
U 1

U 2  const

h11 

U 1
I 1

h21 

I 2
I 1

: được gọi là hố dẫn truyền đạt;

I 2  const

U1  const

: được gọi là điện trở vào vi phân;

: được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân.

Z c  P 2 Rtd // Z vpa

(1.25).

Trong đó, P là hệ số ghép của tranzitor với khung cộng hưởng,
P

U CE
C1 .C 2
C2


U td
(C1  C 2 ).C1 C1  C 2

(1.26).

Rtđ là trở kháng của khung cộng hưởng tại tần số cộng hưởng,
Rtđ =

L
C.r

(1.27).

L - điện cảm của khung cộng hưởng;
C - điện dung của khung cộng hưởng;
r - điện trở tổn hao của khung cộng hưởng.
Zvpa là trở kháng vào phản ánh sang nhánh colectơ - emetơ, nếu giả thiết

________________________________________________________________
15


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
R1/ / R2 > >h11, ta có:
Zvpa =

Z v h11

n2 n2

(1.28).

n- hệ số phản ánh:
n=

U BE C1

U CE C 2

(1.29).

Thay (1.25), (1.26) và (1.28) vào (1.24) ta xác định được:
Rtd
h11
.
Rtd .h21
h
(1  n) 2 n 2
 2
K = - 21 .
Rtd
h11
h11
n Rtd  h11 (1  n) 2

(1  n) 2 n 2

Kht =

U BE
C
  1  n
U CE
C2

K.Kht = n.

Rtd .h21
n 2 .Rtd  h11 (1  n) 2

Bước 2: Xác định hệ số hồi tiếp:

Bước 3: Tính tích K.Kht:

(1.30).

(1.31).

Bước 4: Xác định điều kiện dao động của mạch: K.Kht > 1.
 n.

Rtd .h21
R
h
 1  (1  n) 2  n 2 td  21 Rtd .n  0
2
h11 h11
n .Rtd  h11 (1  n)
2

(1.32)

trong biểu thức (1.32) dấu “ = “ ứng với trường hợp dao động xác lập, còn
dấu “ < ” ứng với trường hợp quá độ lúc mới đóng mạch.
Bằng cách đó có thể tính điều kiện tự dao động cho các mạch khác nhau.
Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tự dao động được:
Thường n << 1, nên (1.32) được viết gần đúng:
n2

Rtd
h
 n. 21 Rtd  1  0

h11
h11

(1.33).

Giải (1.33) theo n, ta nhận được:
n1,2 =

 h  2 h 
h21
  21   11 
2
Rtd 
 2 

(1.34).

đạo hàm (1.33) và xét dấu, ta thấy (1.33)  khi:
n2  n  n1

(1.35).

Vậy nếu hệ số hồi tiếp n thoả mãn điều kiện (1.28) thì trong mạch có dao
________________________________________________________________
16


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________

động. Mạch có dao động hình sin tại n1 hoặc n2.
Bước 6: Xác định trị số các linh kiện mắc trong mạch qua hệ số hồi tiếp n
theo (1.29) và qua tần số dao động của mạch:

f dd  f ch 

1

(1.36).

C .C
L. 1 2
C1  C 2

________________________________________________________________
17


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________

Chương II:

CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HỒ

(Dao động hình sin).
I. Mạch điện các bộ tạo dao động LC.
1.Vấn đề ổn định biên độ trong các bộ tạo dao động LC.
a) Chế độ dao động mềm và dao động cứng.

Để ổn định biên độ trong các bộ dao động LC thường dùng phương pháp di
chuyển điểm làm việc của phần tử tích cực, điện trở RE trên hình 1.4 làm nhiệm
vụ đó. Khi mới đóng mạch định thiên cho mặt ghép bagơ - emetơ được thực
hiện nhờ mạch phân áp R1, R2. Khi đó mạch làm việc với góc cắt  = 1800
tương ứng có chế độ dao động mềm. Hố dẫn của tranzitor tại điểm làm việc ban
đầu khá lớn, do đó K.Kht > 1. Trong q trình q độ, biên độ dao động tăng dần
làm cho hạ áp trên RE tăng, dẫn đến định thiên cho mặt ghép bagơ - emetơ giảm,
mạch chuyển dần chế độ cứng với góc cắt  < 900, tương ứng có dao động
cứng. Đồng thời hố dẫn trung bình giảm làm cho hệ số khuếch đại K giảm và
tích K.Kht tiến tới bằng 1 ở chế độ xác lập.
b) Hiện tượng dao động ngắt quãng.
Nếu chọn RECE (hình 1.4) quá lớn thì ngay khi mạch đang ở trạng thái quá độ,
điện áp bazơ - emetơ đã quá âm làm cho tranzitor ngắt và mất dao động. Sau đó
CE phóng điện qua RE,, điện áp bazơ - emetơ bớt âm dần. Sau một thời gian nào
đó mạch dao động trở lại. Q trình đó lặp đi lặp lại và trong mạch xuất hiện dao
động ngắt quãng. Ngược lại nếu chọn RECE q bé thì mạch có dao động với
biên độ tăng dần (K.Kht > 1), vì vậy cần chọn trị số RECE hợp lý để trong mạch
ln ln có dao động và mạch làm việc ở trạng thái xác lập khi K.Kht = 1.
2. Mạch tạo dao động ghép biến áp.
Mạch tạo dao động ghép biến áp cộng hưởng colectơ được biểu diễn trên hình
2.1. Trước hết ta xét điều kiện cân bằng pha của mạch. Giả sử điện áp tín hiệu
đặt vào bazơ tại một thời điểm nào đó là U B , điện áp trên côlêctơ U c được xác
định như sau:

________________________________________________________________
18


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________

____________________________________________
U c = - SZc U B

(2.1)

Điện áp này tạo nên trong cuộn cảm cơlêctơ dịng điện I L :

IL =

Uc
SZ U
 c B
jL
jL

(2.2)

Dòng I L cảm ứng sang cuộn thứ cấp điện áp hồi tiếp:
U ht = U B' = I L j

M= -

jM
M
SZ c U B = SZ c U B
L
jL

(2.3)

Trong đó M là hệ số hố cảm. Để thoả mãn điều kiện pha (1.14b), điện áp hồi
tiếp U ht phải đồng pha với điện áp ban đầu U B trong (2.3): S, Zc, L đều dương
vậy M phải âm để U ht và U B đồng pha.
Tóm lại điều kiện cân bằng pha thoả mãn khi:
M<0

(2.4)

Để có hố cảm âm phải quấn
cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến
áp hồi tiếp ngược chiều nhau.

M

Dấu “*” trên hình 2.1 đánh dấu các
đầu của biến áp.

*

Để xét điều kiện biên độ (1.14b),
C

ta tính K và Kht :
K= - S.Zc

(2.5)

IL

=

Hình 2.1: Mạch tạo *dao động ghép
biến áp dùng tranzitor lưỡng cực.

Trong đó,
1
1
n2
1



Z c Rtd h11e Z t

S=

(2.6)

h21e
h11e

Kht= -

U B'
Uc

(2.7).


M

 n
L

(2.8)

________________________________________________________________
19


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Lập tích K.Kht  1

(2.9)

Thay (2.5), (2.6)... (2.8) vào (2.9) ta nhận được:

n 2  nh21e 

h11e
0
Z

(2.10)

Trong đó, Z=Rtđ // Zt.
Cho vế trái của (2.10) bằng khơng và giải ra, ta có:
n1,2 =

h21e
h
h
 ( 21e ) 2  11e .
2
2
Z

(2.11)

Biểu thức (2.11) giống (1.35), do đó mọi kết luận đối với (1.35) đều đúng cho
trường hợp này.
n

* M *
C

Zt

L
n1
khu vực
Hình 2.2: Đặc tuyến biểudao
diễn
hệ
động
số hồi tiếp theo tải chuẩn.

Ct

R2 R1

Hình 2.3: Mạch tạo dao động mắc theo
sơ đồ Bazơ chung. Giả thiết RE>>h11b.

Có thể biểu diễn hệ số hồi tiếp n theo tải chuẩn như trên hình 2.2. Theo đó,
ứng với mỗi tải có thể xác định được một hệ số hồi tiếp thích hợp để mạch dao
động được.
Để tạo dao động có tần số cao, dùng sơ đồ bazơ chung trên hình 2.3. Trong sơ
đồ này điện áp vào và ra cùng pha, nên mạch thoả mãn điều kiện cân bằng pha
(1.7b) khi M > 0. Điều kiện biên độ cũng giống sơ đồ emetơ chung, nếu thay
h21e, h11e bởi h21b, h11b.
II . Các loại mạch ba điểm.
1. Nguyên tắc thiết lập mạch ba điểm.
Các mạch tạo dao động LC nói chung đều có thể đưa về một kết cấu chung
________________________________________________________________
20


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
theo hình 2.4a, trong đó A1 là bộ khuếch đại bất kỳ (tranzitor, Fét, khuếch đại
thuật tốn,...). Bộ khuếch đại này có thể biểu diễn theo sơ đồ tương đương 2.4b,
trong đó Ud là điện áp vào, K1 là hệ số khuếch đại không tải, rr là điện trở ra
của bộ khuếch đại.
C

Ur

rr

Ud

C

~
Z3

B

Z2

K1Ud

Hình 2.4: a) Sơ đồ tổng quát mạch tạo dao động ba điểm;
b) Sơ đồ tương đương của A trong a).

Theo hình 2.4, ta tính được:
Hệ số hồi tiếp:
K ht =

Z1
Z1  Z 3

(2.12)

Hệ số khuếch đại khi có tải của mạch:
K=

Ur
Uv

Zt
rr  Z t

  K1 .

Với Zt = Z2// (Z1+Z3)

(2.13)
(2.14)

Lập tích K . K ht :
K . K ht = - K1

Z1 Z 2
rr ( Z1  Z 2  Z 3 )  Z 2 ( Z1  Z 3 )

(2.15)

Giả thiết các trở kháng Z1, Z2, Z3 thuần kháng:
Z1=j X1; Z2=j X2; Z3=j X3.
Thay vào (2.15) ta có:
K.Kht= - K1

X1 X 2
rr ( X 1  X 2  X 3 )  X 2 ( X 1  X 3 )

(2.16)

Khung dao động gồm các phần tử X1, X2 và X3.
________________________________________________________________
21


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Thường tần số dao động gần bằng tần số cộng hưởng riêng của khung, nên tại
tần số dao động:
X1 + X2 + X3 = 0.
Do đó (2.16) được viết lại:
X1
X1  X 3

(2.18)

Từ (2.17) suy ra: X1 + X3 = -X2

(2.19)

X1
X2

(2.20)

K.Kht= - K1

 K.Kht= K1.

Theo điều kiện cân bằng pha, để có hồi tiếp dương, tổng di pha do mạch
khuếch đại và mạch hồi tiếp gây nên phải bằng không, tức K.K ht > 0, do đó từ
(2.20) suy ra X1.X2 > 0 và X3 trái dấu với X1, X2. Từ đó suy ra hai loại mạch ba
điểm:
1) Mạch ba điểm điện cảm:
X1, X2 > 0 và X3 < 0

(2.21)

2)Mạch ba điểm điện dung:
X1, X2 < 0 và X3 > 0

(2.22)

2.Mạch ba điểm điện cảm ( mạch hartley ).
Mạch dao động ba điểm điện cảm được biểu diễn trên hình 2.5
+Ucc
ra

C

R1

C

L1
E

L1

C

Utđ

C

Utđ

L2

E
B
________________________________________________________________
L2

22
B


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Ta thấy, mạch điện trên hình 2.5 có:
X1 = XBE = L2 > 0; X2 = XCE = L1 > 0 và X3 = XCB = -

1
< 0.
 .C

Thoả mãn điều kiện (2.21), nghĩa là thoả mãn điều kiện cân bằng pha. Do đó
ta chỉ cần quan tâm đến điều kiện cân bằng biên độ, ta tính được cho mạch 2.5a:
Kht = Và

U BE
L
  2  n
U CE
L1

K = - SZC = -

h21e
h11e

(2.23)

h11e 
 2
 P Rtd // n 2 



(2.24)

Trong đó P là hệ số phản ánh giữa tranzitor và mạch:
P=

U CE
L1


U td
L1  L2

(2.25)

Thay (2.23), (2.24), (2.25) vào điều kiện biên độ (1.7b) ta được:
(1 + n)2 h11e + n2Rtđ - nRtđ h21e  0

(2.26)

thường n << 1, nên (2.26) được viết gần đúng:
R

h

td
21e
n2 h11e  n h11e Rtd  1  0

(2.27)

Giải phương trình trên theo n ta nhận được:
n1,2 =

h21e
h
h
 ( 21e ) 2  11e
2

2
Rtd

(2.28)

Đạo hàm (2.27) và xét dấu ta thấy (2.27)  0 khi:
n2  n  n1

Tần số dao động của mạch:
f dd  f ch 

1
2 ( L1  L2 )C

(2.29)

Muốn tạo dao động cao tần, ta dùng mạch bazơ chung hình 2.5b và cũng cho
các kết quả như vậy, nhưng trong các biểu thức trên phải thay h 21e, h11e bởi h21b,

________________________________________________________________
23


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
h11b. Mặt khác Kht và P được xác định như sau:
Kht =

U BE

L2

n
U CE L1  L2

(2.30)

P=1

(2.31)

3. Mạch ba điểm điện dung (mạch colpits).
Mạch ba điểm điện dung mắc theo sơ đồ emetơ đã được xét ở ví dụ mục V
chương I. Ta xét thêm điều kiện cân bằng pha của sơ đồ 1.4:
X1 = XBE = 

1
1
 0 ; X2 = XCE =  0 ; X3 = XBE =  L > 0 .
C 2
C1

Vậy mạch thoả mãn điều kiện (2.22), tức thoả mãn điều kiện pha.
4.Mạch Clapp.
Mạch Clapp là một biến dạng của mạch ba điểm điện dung. Ở đây nhánh điện
cảm trong sơ đồ 1.4 được thay bởi một nhánh cộng hưởng gồm L và C mắc nối
tiếp mà trị số của chúng được chọn sao cho mạch có trở kháng tương đươngvới
một điện cảm tại f = fdd nghĩa là: ddL >

1

 dd C

.

Hệ số ghép giữa tranzitor và khung cộng hưởng được xác định như sau:
P=
Trong đó,

U CE Ctd

U td
C1

+UCC

(2.32)

1
1
1
1



Ctd C1 C 2 C

Rc

Thường chọn C1, C2 >> C,

do đó Ctđ  C.
Biểu thức (2.32) được viết gần đúng:
P=

C
 1
C1

R1

C

(2.33)
C1

Nghĩa là khung cộng hưởng ghép rất

R2

Cr

E

L

mỏng với phần tử tích cực nhằm giảm ảnh hưởng của các điện dung phân bố của
các phần tử tích cực (điện dung ra, điện dung vào) đến tần số dao động của
mạch.
________________________________________________________________
24

Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
Tần số dao động của mạch:
f dd  f ch 

1
LCtd



1
LC

(2.34)

Vậy C1, C2 là các điện dung song song với điện dung ra và điện dung vào của
tranzitor, hầu như không tham gia quyết định tần số dao động của mạch. Vì vậy
sơ đồ Clapp cho phép tạo dao động có tần số ổn định hơn các loại sơ đồ ba điểm
khác.
Điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ của mạch được phân tích hồn
tồn như đối với sơ đồ ba điểm điện dung. Theo điều kiện cân bằng biên độ
(1.7a) xác định được:
n2Rtd - n.h21e Rtd + h11e ( C1 ) 2  0
C

Từ đó tính được:
n1,2 =

h21e
h
h C
 ( 21e ) 2  11e ( 1 ) 2
2
2
Rtd C

(2.35)

n1, n2 là hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch có dao động xác lập khi K.Kht =1.
III. Các mạch tạo dao động dùng thạch anh.
1. Tính chất và mạch tương ứng của thạch anh.
Khi yêu cầu mạch tạo dao động có tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp
thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải,...vẫn không đảm bảo
được độ ổn định tần số yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số, vì
thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học
A
cao; ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và tác dụng
A
hố học.
Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác
dụng của điện trường thì sinh ra dao động cơ học và q
ngược lại khi có dao động cơ học thì sinh ra điện tích,
do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng
hưởng.
Tính chất dao động của thạch anh
được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương

Cp

Lq

Cq

Hình 2.7:a) sơ đồ quy ước của thạch anh;
b) sơ đồ tương đương về điện của thạch anh

________________________________________________________________
25


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
hình 2.7b, trong đó
Lq,, Cq và rq phụ thuộc vào kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch
anh. Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq, rq càng nhỏ, nghĩa là tần số
cộng hưởng riêng của nó càng cao. Lq, Cq, rq có tính chất ổn định cao. Cp là điện
dung giá đỡ, tính ổn định của Cp kém hơn.
Với thạch anh 1MHz thì Lq = 1,5H, Cq =0,016pF; Rq = 60  và Cp = (1  5)pF.
Thường rq rất nhỏ nên khi tính tốn người ta bỏ qua. Với giả thiết rq = 0, thì trở
kháng tương đương của thạch anh được xác định:
1
1
)
jC q jC p
 2 Lq C q  1
 j

1
1
 (C p  C q   2 Lq C q C p )
 jLq 
jC p
jC p

( jLq 

Zq = Xq =

(2.36)

Từ (2.36) ta suy ra thạch anh có hai tần số cộng hưởng: một tần số cộng
hưởng nối tiếp fq ứng với Zq và một tần số cộng hưởng song song fp ứng với Zq
Xq
= .
fq 

fp 

1

(2.37)

2 Lq C q

Cq
1 Cq  C p
.

 fq 1
2 Lq C q C p
Cp

Trong đó, Ctđ =

(2.38)

Cq C p
Cq  C p

Nếu Cp càng lớn so với Cq thì f q càng lớn so
với fp. Từ 2.36 vẽ được đặc tính điện kháng

0

của thạch anh theo tần số như hình 2.8.

fq

fp

f

Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau:
+Có phẩm chất cao: Q  104... 105;
+Tỉ số Lq/Cq rất lớn do đó trở kháng tương đương
Rtđ =

Lq

C q rq

rất lớn;

+Cq<< Cp;
+Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể
________________________________________________________________
26


Các mạch dao động sử dụng hồi tiếp dương.
_____________________________________________
____________________________________________
đạt được độ ổn định tần số:
f
 10 6...10 10
f0

Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong một phạm vi hẹp, người ta
mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi Cs như hình 2.9.
Lúc này trở kháng tương đương của mạch:
2
1 C q  C p  C s   LqCq(C p  C s )
Z 
jC3
C q  C p   2 Lq C q C p
'
q

(2.39)

Do đó tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch:

’

f q= fq. 1 

Cq
C p  Cs

q

(2.40)

Cs

Hình 2.9: Một biện pháp để thay đổi tần

Từ (2.40) xác định được lượng thay đổi tần số nhờ mắc thêm Cs vào:
f q'  f q
Cq
f
1 Cq

 1
-1 
f0
fq
C p  Cs
2 C p  Cs

(2.41)

Ngoài ra do Cp ổn định kém, để giảm ảnh hưởng của Cp, người ta mắc thêm
một tụ C0 song song với Cp: Lúc đó:
 2 Lq C q  1
Zq=j
 C p  C0  C q   2 Lq C q (C p  C0 )

(2.42)

Do đó tần số cộng hưởng song song:
fp= fq 1 

Cq

(2.43)

C p  C0

Khi C0 >>Cq thì fp  fq
Do mắc thêm C 0 nên tần số cộng hưởng song song fp giảm xuống gần bằng fq
và fp hầu như không phụ thuộc vào Cp và Co, nhưng vì thế mà phẩm chất của
mạch Q =

1 L
giảm, vì C tăng.
r C

________________________________________________________________

27