View
3
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
CHƯƠNG I: ỨNG DỤNG CỦA MẠCH DAO ĐỘNG TRONGĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA
I. Tổng quan về mạch ứng dụng tạo dao động:
Mạch tự dao động là mạch khi có nguồn cung cấp nó tự
làm việc cho ra tín hiệu dao động. Mạch dao động có thể
tạo ra dao động có dạng khác nhau như dao động hình sin
(dao động điều hòa), tạo xung chữ nhật, tạo xung tam
giác, xung răng cưa hoặc tạo xung riêng biệt. Các mạch
dao động có thể làm việc trong dải tần từ vài Hz đến hàng
nghìn MHz. Để tạo dao động có thể dùng các phần từ tích
cực như đèn điện tử, transistor lưỡng cực, mạch khuếch
đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như điot Tunel,
điot Gunn.
Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra
lớn. Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc
từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số rất cao. Ở tần
số thấp và trung bình thường dùng mạch khuếch đại thuật
toán để tạo dao động, còn ở tần số cao thì dùng
transistor lưỡng cực hoặc Fet hoặc các loại điot đặc biệt
đã nêu ở trên.
Cần lưu ý rằng, khi dùng mạch khuếch đại để tạo dao
động thì không cần dùng các mạch bù tần số, vì mạch bù
tần số làm giảm dải tần công tác của bộ tạo dao động.
Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số
ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 1
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
và hiệu suất. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, khi thiết
kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài tham số nào đó
hoặc hạ thấp yêu cầu đối với tham số khác, nghĩa là tuỳ
thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc xác định các tham số
một cách hợp lí.
Có thể tạo dao động điều hoà theo hai nguyên tắc cơ
bản sau đây:
- Tạo dao động bằng hồi tiếp dương;
- Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch.
Ở đây ta chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo
nguyên tắc hồi tiếp dương.
Lập sơ đồ khối:
Để xét nguyên lí làm việc của mạch tạo dao động dùngsơ đồ khối hình dưới. Trong đó khối khuếch đại Av=|Av|∅A .
Nếu đặt vào đầu tín hiệu Vs và giả thiếtAvβ=1 thìVf=1.Vs
a
a’
Sơ đồ mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 2
Khuếch đại
Av=|Av|∅A
Hệ thống hồitiếp
β=|β|∅β
Vs Vi V0
Vf
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại Vs và tín hiệu
ra của mạch hồi tiếp Vf bằng nhau cả về biên độ và pha nên
có thể nối các đầu a và a’ với nhau mà tín hiệu vẫn không
thay đổi.
Lúc này, ta có sơ đồ 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 sau:Avβ=1 (1)
Vì Avvàβ đều là những số phức, nên (1) có thể viết
lại như sau:
Avβ=|Av||β|(∅A+∅β)=1
(2)
Trong đó:
|Av|−¿modun hệ số khuếch đại;
|β|−¿modun hệ số hồi tiếp;
∅A−¿góc đi pha của bộ khuếch đại;
∅β–góc đi pha của bộ hồi tiếp.
Có thể tách biểu thức (2) thành biểu thức, một biểu
thức theo modun (2a) và một biểu thức theo pha (2b):
|Av||β|=1(2a)
∅=∅A+∅β=2πn , với n=0;±1;±2;… (2b)
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 3
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
∅−¿tổng dịch pha của bộ khuếch đại và bộ hồi tiếp, biểu
thị sự dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp Vf và tín
hiệu vào ban đầu Vs.
Quan hệ (2a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ.
Nó cho thấy: mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch
đại của bộ khuếch đại có thể bù được sự tổn hao do mạch
hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng pha (2b) cho thấy
dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về
đồng pha với tín hiệu vào.
Thực tế, để có dao động khi mới đóng nguồnAvβ phải
lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần. Do tính phi
tuyến của phần tử khuếch đại điểm làm việc đi vào vùng
làm Av giảm đến lúcAvβ=1mạch làm việc ở chế độ xác lập.
Vậy điều kiện dao động của mạch làAvβ≥1
II/ Ứng dụng cụ thể và phân tích yêu cầu ứng dụng:Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong thiết bị
điện tử, như mạch dao động nội trong khối RF Radio, trong
bộ kênh tivi màu, mạch tạo dao động xung dòng,xung mành
trong tivi, tạo hình sin cho Vi xử lí hoạt động,v.v …
Yêu cầu của mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên
độ, tần số ổn định cao, ít ảnh hưởng của môi trường như
nhiệt độ, độ ẩm.
Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần :
+ Dùng nguồn ổn áp.
+ Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 4
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
+ Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động như mắc
thêm tầng đệm.
+ Dùng các linh kiện có sai số nhỏ.
+ Dùng các phần tử ổn nhiệt.
CHƯƠNG II: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCHTẠO DAO ĐỘNG
I. BJT:I.1: Cấu tạo và nguyên lí của BJT:
I.1.1: Cấu tạo BJT: Người ta lấy hai loại bán dẫn ghép với nhau
ghép theo thứ tự P-N-P hoặc N-P-N thì được cấu trúc loại
Transistor tiếp giáp lưỡng cực và được viết tắt là BJT
(Bipolar Junction Transistor). Khái niệm lưỡng cực
(Bipolar) ở đây được hiểu là Transistor dùng hai loại hạt
dẫn đa số: đó là điện tử(nn mang điện tích âm) và lỗ trống
(ppmang điện tích dương ). Tùy theo cách ghép hai chất bán
dẫn mà người ta có loại Transistor PNP và Transistor NPN.
Transistor có 3 cực được gọi tên và kí hiệu như sau:
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 5
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
+Emitơ - kí hiệu là E (tiếng anh viết là Emitter)
+Bazơ - kí hiệu là B (tiếng anh viết là Base)
+Colectơ - kí hiệu là C (tiếng anh viết là
collector)
Hình 1.1: cấu tạo và kí hiệu của BJT loại PNP và NPN
Trên hình 1.1 mô tả cấu tạo và kí hiệu của hai loại
BJT, trên kí hiệu có mũi tên tại Emitơ ngầm chỉ chiều
dòng điện Emitơ.
Việc chọn kích thước các vùng Emitơ, Bazơ và colectơ
cũng như nồng độ hạt dẫn đa số tại các vùng này phải tuân
thủ một quy tắc nhất định. Trên hình 1.1 cho thấy vùng
Bazơ có kích thước rất mỏng (nhỏ hơn 100 lần) so vơi hai
vùng Emitơ và colectơ. Về nồng độ hạt dẫn đa số tại vùng
Emitơ lớn nhất, sau đó đến vùng colectơ còn vùng Bazơ thì
cần rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều lần (tối thiểu là 10 lần hoặc
bé hơn) so với nồng độ hai vùng trên.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 6
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Với phân bố hạt dẫn đã nêu ở trên, người ta muốn đạt
được một kết quả là dòng Bazơ càng nhỏ càng tốt.
I.1.2. Nguyên lí làm việc của BJTBJT là loại cấu kiện bán dẫn có hai tiếp giáp PN. Mỗi
tiếp giáp PN về nguyên tắc giống như một Điot. Phụ thuộc
vào cách phân cực thuận hay ngược của hai tiếp giáp này
mà ta có các chế độ làm việc khác nhau của BJT. Mô hình
đơn giản của BJT được mô tả như hình 1.2, hai tiếp giáp
được kí hiệu JE(tiếp giáp Emitơ – Bazơ) và Jc( tiếp giáp
Colectơ – Bazơ). Có 4 trường hợp như sau :
a)Tranzito loại PNP
b) Tranzito loại NPN
Hình 1.2 :Sơ đồ tương đương đơn giản của BJT
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 7
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Để phân tích cơ chế làm việc và các dòng điện chạy
trong BJT có thể lấy nền tảng đã nghiên cứu đối với điot
bán dẫn.
Xét BJT làm việc ở vùng tích cực: tiếp giáp Emitơ
phân cực thuận, tiếp giáp colectơ phân cực ngược.
Hai tiếp giáp PN hình thành hai vùng điện tích không
gian. Gọi tắt tiếp giáp Emitơ–Bazơ là tiếp giáp Emitơ,
tiếp giáp colectơ–bazơ là tiếp giáp Colectơ. Nguồn EE mắc
phân cực thuận cho tiếp giáp Emitơ, còn nguồn Ec mắc phân
cực ngược cho tiếp giáp Colectơ. Gần như toàn bộ điện áp
nguồn Ec hạ trên tiếp giáp Colectơ:
UCE≈EC (1.1)
Hình 1.3: Sự hình thành dòng điện trong BJT
UEB: điện áp hạ trên tiếp giáp Emitơ do nguồn EEcung cấp vàUEB/UBE≅ 0,7V(Si) và ≅ 0,3V (Ge)
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 8
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
UCE: điện áp hạ trên tiếp giáp colectơ – Emitơ do nguồn EC
cung cấp và UCE≈EC
Do tiếp giáp Emitơ phân cực thuận, điện áp tổng trên tiếp
giáp giảm đi và bằng:
UΣ(E)=UtxE−UEB (1.2)
Làm cho dòng khuếch tán các hạt dẫn đa số tăng mạnh
(lỗ trống Pp từ Emito khuếch tán sang Bazơ và điện tử nntừ
Bazơ sang Emitơ) tạo thành dòng IE. Tuy nhiên do nồng độpp(Emitơ)≫nn¿Bazơ) nên trong thành phần của IE chủ yếu do
lỗ trống từ Emitơ tạo thành.
Tại vùng Bazơ sát tiếp giáp Emitơ nồng độ lỗ trống
giờ đây lớn hơn nhiều so với phía sát tiếp giáp colectơ
nên dòng hạt dẫn này tiếp tục khuếch tán về phía tiếp
giáp colectơ. Trong quá trình khuếch tán này một số lỗ
trống tái hợp với điện tử tại vùng Bazơ và tạo thành dòng
Bazơ IB. Tuy nhiên như đã nói như ở trên, do nồng độ hạt
dẫn đa số tại Bazơ nhỏ, mặt khác bề dày của Bazơ là rất
nhỏ nên dòng IB≪IE.
Tiếp giáp colectơ phân cực ngược nên tổng điện áp
trên tiếp giáp là:
UΣ(colectơ)=UtxC−UCB (1.3)
Điện áp tổng này có chiều gia tốc đối với lỗ trống
nên nó kéo nhanh số lỗ trống này về colectơ tạo thành
dòng colectơ Ic.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 9
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Tuy nhiên tại vùng Bazơ và colectơ có các hạt dẫn
thiểu số Pnvà Np. Các hạt dẫn này dưới tác dụng của UΣ(colectơ)
hình thành một dòng điện – kí hiệu là dòng ICO. Dòng này
được gọi là dòng dư colectơ. Bản chất dòng điện này giống
như dòng điện ngược IS trong điot, như vậy dòng điện
colectơ gồm 2 thành phần chính do hạt dẫn đa số từ Emitơ
khuếch tán sang tạo thành Ic và thành phần do hạt dẫn
thiểu số ở vùng Bazơ và colectơ tạo thành ICO.
IcΣ=Ic−Ico (1.4)
I.2: Các mạch khuếch đại cơ bản:
I.2.1: Mạch cực gốc chung:
Mạch cực gốc chung
Tiếp giáp EB được phân cực thuận còn tiếp giáp BC
được phân cực ngược. C1, C2 là tụ điện liên lạc tín hiệu
với tầng trước và tầng sau.
Tín hiệu tới được đưa vào giữa hai cực phát – gốc (E-
B), tín hiệu ra lấy giữa hai cực gốc-góp (B-C).
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 10
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Cực gốc B chung cho cả mạch vào và mạch ra, nên gọi
là mạch cực gốc chung.
Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:
- Nửa chu kì dương của tín hiệu vào: Điện áp dương
của tín hiệu hợp với điện áp dương của nguồn E1, làm cực
phát có điện áp dương hơn trước so với cực gốc. UBE tăng
làm cho tiếp giáp EB phân cực thuận bởi điện áp lớn hơn,
do đó IE tăng lên, làm dòng IC tăng, sụt áp trên R2 tăng,
điện áp Uc giảm, nghĩa là dương lên nên điện áp ra dương
hơn.
- Nửa chu kì âm của tín hiệu vào: Điện áp âm của tín
hiệu là giảm điện áp dương của nguồn E1, làm cho UE bớt
dương hơn so với cực gốc nên UBE giảm, làm cho IE giảm,
kéo theo IC giảm. Sụt áp trên R2 giảm, điện áp UC tăng lên,
nghĩa là âm hơn, làm cho tín hiệu ra âm đi.
Như vậy, trong mạch cực gốc chung: điện áp ra đồng
pha với điện áp vào. Dựa vào tính toán, người ta cũng
tính được trở kháng vào và trở kháng ra, độ tăng dòng, độ
tăng áp, độ tăng công suất của transistor.
- Trở kháng vào R1 có trị số khoảng 30-300Ω
- Trở kháng ra R2 có trị khoảng 100 kΩ - 1 MΩ.
- Độ tăng dòng:
α=∆Ic
∆IE<1=¿ Ki
- Độ tăng áp: Ku=U2
U1=Ic.R2
IE.R1=R2
R1 vì IE ≈IC.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 11
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
KU lớn trong khoảng từ vài trăm đến một
nghìn.
- Độ tăng công suất: Kp= P2P1
≈ R2R1
Kp đạt giá trị khoảng 100 đến 1000.
Mạch cực gốc chung chỉ dùng trong tầng dao động của
máy thu, để dao động được ổn định, ít méo hoặc trong các
tầng khuếch đại âm tần đầu, yêu cầu độ méo nhỏ, tạp âm
ít, ổn định cao, hoặc trong tầng công suất các máy tăng
âm có chất lượng cao.
I.2.2: Mạch cực phát chung
Mạch cực phát chung
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 12
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hai cực EB được phân cực thuận, BC được phân cực
ngược. Tín hiệu vào đưa tới giữa phân cực BE. Tín hiệu ra
được lấy từ hai đầu điện trở R2, nghĩa là giữa 2 cực EC.
Cực phát E tham gia cả mạch vào và mạch ra, nên mạch
này được gọi là mạch cực phát chung.
Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:
- Nửa chu kì dương của tín hiệu vào: điện áp dương
của tín hiệu làm cho UB bớt âm hơn, UBE giảm, IB và IC đều
giảm, sụt áp trên R2 giảm đi, làm cho UC tăng tức là làm
cho UC âm hơn.
- Nửa chu kì âm của tín hiệu vào: điện áp âm của tín
hiệu phối hợp với điện áp âm ở cực gốc làm cho UB âm hơn.
UBE tăng lên, IB và IC đều tăng. Sụt áp trên R2 tăng, làm
cho UC giảm, tức là UC dương lên.
Như vậy, điện áp ra và điện áp vào ngược pha nhau.
Qua đây ta thấy, UBE thay đổi thì IB, IC, IE thay đổi.
- Trở kháng vào R1 có trị số khoảng 200-2000Ω
- Trở kháng ra R2 có trị khoảng 20 kΩ - 100 kΩ.
- Độ tăng dòng: β=∆IC∆IB
- Độ tăng áp: Ku=U2
U1=IC.R2
IB.R1=Ki.
R2
R1
KU lớn trong khoảng từ vài trăm đến vài
nghìn.
- Độ tăng công suất: Kp= P2P1
≈α2R2R1
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 13
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Kp đạt giá trị khoảng 1000 đến 10000.
Mạch cực phát chung là kiểu mạch được dùng phổ biến
nhất vì KU, KI, KP đều lớn và hơn nữa R1, R2 không quá
chênh lệch như mạch cực gốc chung. Nên trong máy thông
dụng thường ghép tầng theo kiểu điện trở điện dung, vừa
gọn nhẹ, vừa dễ lắp ráp điều chỉnh.
I.2.3: Mạch cực góp chung:
Mạch cực góp chung
Cực góp vừa tham gia vào mạch vào, vừa tham gia vào
mạch ra nên gọi là mạch cực góp chung. Tiếp giáp EB được
phân cực thuận, tiếp giáp BC được phân cực ngược.
Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:
- Nửa chu kì dương của tín hiệu vào: cực gốc có điện
áp ra ít âm hơn nên UBEgiảm, dòng phát IE giảm, sụt áp trên
R2 giảm, UE bớt âm hơn, nghĩa là dương hơn trước khi có
tín hiệu vào.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 14
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
- Nửa chu kì âm của tin hiệu: cực gốc có điện áp âm
hơn trước, UBE tăng, làm cho IE tăng , sụt áp trên R2 tăng
lên nên UE càng âm hơn.
Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào.
- Trở kháng vào R1 có trị số khoảng 20kΩ -500kΩ
- Trở kháng ra R2 có trị khoảng 50Ω - 50kΩ.
- Độ tăng dòng γ xấp xỉ bằng bằng β
γ=IEIB
=IC+IBIB
=β+1=¿Ki
- Độ tăng áp: Ku bao giờ cũng nhỏ hơn 1, vì điện áp
vào bằng điện áp sụt trên R2 cộng điện áp sụt trên tiếp
giáp EB, điện áp ra là điện áp sụt trên R2.
- Độ tăng công suất nhỏ khoảng vài chục.
Mạch cực góp chung thường chỉ dùng ở tầng khuếch đại
âm tần đầu cho các máy quay đĩa hoặc máy thu có đĩa. Nó
còn dùng trong tầng đệm thay biến áp giữa hai tầng mạch
cực phát chục vì nó có trở kháng vào lớn dễ phối hợp với
trở kháng vào nhỏ của transistor.
I.3: Tính phân cực: Phân cực cho Transistor là tạo ra điện áp phân cực
cho tiếp giáp BE nhằm để tiếp xúc BE được phân cực thuận,để transistor hoạt động trong chế độ khuếch đại, ta cócác cách sau:
I.3.1: Phân cực cho transistor dùng dòng cố định:Xét transistor NPN.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 15
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Mắc một điện trở RB có trị số lớn vào giữa nguồn ECC
và chân B như hình vẽ.
Lúc này:
ECC = UBE + RB.IB
=> RB = ECC−UBE
IBUBE thường được chọn trong khoảng 0.6V đến 0.7V.
I.3.2: Phân cực cho transistor dùng điện ápphản hồi:
Mắc điện trở RB từ chân C về chân B.
Ta có:
UCE = ECC - RC.IC
IC = β.IB.
Suy ra:
=> RB = UCE−UBE
IB
I.3.3: .Phân cực cho transistor dùng cầuchia thế:
Cầu chia thế gồm R1, R2 sẽ xác định
điện thế VB.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 16
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Lúc này:
UBE = UB = R2.I=R2. ECC
R1+R2
I.3.4: .Dùng câu chia thế có bổ chính nhiệt:Ngoài R1, R2 như trên, chân E được mắc xuống Masse qua
một điện trở RE có tác dụng bổ chính nhiệt.
Ngoài ra người ta còn mắc song song với RE một tụ CE
để nối tắt dòng tín hiệu từ E xuống masse, thường chọn CE
có dung kháng ZC << RE.
II. OPAMP (OA):II.1:Cấu tạo và nguyên lí làm việc của OA
II.1.1: Cấu tạo OA:Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp
ráp bằng các transistor, các đèn điện tử chân không hoặc
những linh kiện khuếch đại khác, được trình bày dưới dạng
những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ
ra rất tương hợp với những linh kiện thực sự.
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của một mạch khuếch đại thuật toán
Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là các
tầng khuếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hoặc
khuếch đại vi sai), tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 17
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
DC ở ngõ ra, cuối cùng là tầng đệm để khuếch đại dòng và
có trở kháng ra thấp, tạo tín hiệu bất đối xứng ở ngõ ra.
Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau.
Hình 2.2: Sơ đồ chân thực tế của OPAMP
OPAMP gồm có 8 chân, ta chỉ quan tâm đến 5 chân trong
số đó:
- Chân số 7: dương nguồn, kí hiệu +Vcc.
- Chân số 4: âm nguồn, kí hiệu –Vcc.
- Chân số 2: đầu vào đảo, kí hiệu là: −¿, tín hiệu ra sẽ
biến thiên ngược pha với tín hiệu ở đầu vào này.
- Chân số 3: đầu vào không đảo, kí hiệu là: +, tín hiệu
ra sẽ biến thiên cùng pha với tín hiệu ở đầu vào này.
- Chân số 6: đầu ra.
*Kí hiệu:
Kí hiệu OPAMP là một tam giác có hai ngõ vào (ngõ vào
đảo có điện áp Vi-, ngõ vào không đảo điện áp Vi
+), một ngõ
ra (có điện áp V0), và nguồn cấp điện ±Vcc.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 18
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 2.3: Kí hiệu OPAMP
II.1.2: Nguyên lí làm việc của OAĐầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo
và đầu không đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế
sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữ 2 đầu này. Điện áp
này được gọi là điện áp vi sai đầu vào, hiệu điện thế vào
vi sai:
∆Vi= Vi+ - Vi
-
Trong hầu hết các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch
khuếch đại thuật toán sẽ được điều khiển bằng cách trích
một tỉ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về ngõ
vào.Tác động này được gọi là hồi tiếp.
Nếu tỉ lệ hồi tiếp bằng 0, nghĩa là không có mạch hồi
tiếp, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở trạng thái
vòng hở. Hệ số khuếch đại điện áp của KĐTT trong trạng
thái đó kí hiệu là Avo được gọi là hệ số khuếch đại vòng
hở. Và điện áp ra sẽ được tính theo công thức sau:
V0= ∆Vi . Avo = (Vi+ - Vi
-).Avo
Do giá trị của Avo rất lớn và thường không được quản
lí chặt chẽ ngay từ khi chế tạo, các mạch khuếch đại
thuật toán thường ít khi làm việc ở trạng thái không có
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 19
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
hồi tiếp. Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô
cùng bé, Avo quá lớn sẽ làm cho mạch khuếch đại làm việc ở
trạng thái bão hòa trong các trường hợp khác.
II.2: Đặc tính và các thông số của một bộ KĐTT lý tưởng:Ta có đáp ứng tín hiệu ra Vo theo các cách đưa tín hiệu vào như sau: - Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo: V0= - Av0.Vi
- (µV)
- Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo: V0= Av0.Vi+ (µV)
- Đưa tín hiệu vào đồng thời cả 2 ngõ: (gọi là tín
hiệu vào vi sai): V0= Av0 .∆V i
Ở trạng thái tĩnh: Vi+ = Vi
- = 0.
Hình 2.4: Đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở
Theo đặc tuyến này có 3 vùng làm việc:
- Vùng khuếch đại: V0= Av0 .∆V i
∆Vi= Vi+ - Vi
- nằm trong khoảng ±Vs.
- Vùng bão hòa dương: V0= +Vcc, ∆Vi > Vs
- Vùng bão hòa âm: V0= -Vcc, ∆Vi<-Vs
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 20
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
±Vs là các mức ngưỡng của điện áp vào, giới hạn phạm
vi mà quan hệ V0 (∆Vi) còn là tuyến tính. Các KĐTT thường
có Vs khoảng từ vài chục µV đến vài trăm µV.
Trong thực tế người ta rất ít sử dụng KĐTT ở trạng
thái vòng hở vì tuy Av0 rất lớn nhưng tầm điện áp vào bị
giới hạn quá bé (trong khoảng ±Vs). Mạch khuếch đại vòng
hở thường chỉ được sử dụng trong độ xung.Trong chế độ
khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để
tạo sự làm việc ổn định cho bộ khuếch đại, đồng thời vùng
làm việc của tín hiệu vào tương ứng sẽ được mở rộng
hơn.Trạng thái KĐTT có thêm mạch hồi tiếp như vậy được
gọi là trạng thái vòng kín.
* Mạch khuếch đại lý tưởng:
- Tổng trở vào lớn vô hạn: Ri → ∞.
- Tổng trở ra bằng không: R0≈ 0 (thường R0<1Ω)
- Hệ số khuếch đại điện áp lớn vô hạn : Av0 → ∞. (Thực
tế Av0>10000)
- Dòng phân cực ngõ vào: Ib=0 (thực tế từ vài chục nA
đến hàng trăm nA).
Cân bằng một cách lí tưởng, nghĩa là khi tín hiệu lối
vào bằng 0 thì mức điện áp lối ra phải bằng 0.
Trong thực tế, các mạch khuếch đại thuật toán không
hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu nói trên.
II.3. Một số cách mắc cơ bản: II.3.1. Mạch khuếch đại đảo:
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 21
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Tín hiệu ngõ ra đảo pha so với tín hiệu ngõ vào
II.3.2: Mạch khuếch đại không đảo :
Tín hiệu ngõ ra cùngpha so với tín hiệungõ vào
II.3.3: Mạch cộng đảo :
Tín hiệu ngõ ra là tổng giữa các thành phần ngõ vào nhưngtrái dấu.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 22
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
II.3.4. Mạch tích phân
Tín hiệu ngõ ra là tích phân tín hiệu ngõ vào.
II.3.5: Mạch vi phân:
Tín hiệu ngõ ra là vi phân tín hiệu ngõ vào
II.3.6: Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ):
Mạch chỉ khuếch đại khi giữa hai tín hiệu ngõ vào có sựsai lệch về điện áp.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 23
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN LINH KIỆN CỦA MẠCH
I: Mạch dao động sin tần số thấp:Ngoài các mạch khuếch đại điện thế và công suất, dao
động cũng là loại mạch căn bản của ngành điện tử. Mạch
dao động được sử dụng phổ biến trong các thiết bị viễn
thông. Một cách đơn giản, mạch dao động là mạch tạo ra
tín hiệu. Tổng quát, người ta thường chia ra làm 2 loại
mạch dao động: Dao động điều hòa (harmonic oscillators)
tạo ra các sóng sin và dao động tích thoát (thư giãn -
relaxation oscillators) thường tạo ra các tín hiệu không
sin như răng cưa, tam giác, vuông (sawtooth, triangular,
square).
Ta xem lại mạch khuếch đại có hồi tiếp
Vi=Vs+Vf
Av=V0
Vi
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 25
Hệ thống hồitiếp
β=|β|∅β
Khuếch đại
Av=|Av|∅A
Vs Vi
Vf
V0
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
β=Vf
V0
∅A+∅B = 0° (360°) điều kiện này chỉ thỏa ở một tần
số nào đó, nghĩa là trong hệ thống hồi tiếp dương phải có
mạch chọn tần số.
Nếu βAv >> 1 (đúng điều kiện pha) thì mạch dao động
đạt ổn định nhanh nhưng dạng sóng méo nhiều (thiên về
vuông) còn nếu βAv > 1 và gần bằng 1 thì mạch đạt đến độ
ổn định chậm nhưng dạng sóng ra ít méo. Còn nếu βAv < 1
thì mạch không dao động được.
I.1: Dao động dịch pha RC (phase shift oscillator): - Tạo sóng sin tần số thấp nhất là trong dải
âm tần.
- Còn gọi là mạch dao động RC.
- Mạch có thể dùng BJT, FET hoặc Op-amp.
- Nếu pha của Vf lệch 1800 so với Vs ta có hồi tiếp
âm.
- Nếu pha của Vf cùng pha với Vs (hay lệch 3600) ta
có hồi tiếp dương. Ðộ lợi của mạch khi có hồi tiếp:
Ar=V0
Vs=V0
Vi×Vi
Vs=Av×
Vs+Vf
Vs
¿Av×(1+Vf
Vs )=Av×(1+βV0
Vs )¿Av× (1+βAf )=Av+βAvAf
Af=Av
1−βAv(2.1)
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 26
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Trường hợp đặc biệt βAv = 1 được gọi là chuẩn cứ
Barkausen (Barkausen criteria), lúc này Af trở nên vô hạn,
nghĩa là khi không có tín hiệu nguồn Vs mà vẫn có tín hiệu
ra V0, tức mạch tự tạo ra tín hiệu và được gọi là mạch dao
động. Tóm lại điều kiện để có dao động là:
βAv = 1
- Thường dùng mạch khuếch đại đảo (lệch pha 180°) nên
hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 180° để tạo hồi tiếp
dương.
I.1.1: Nguyên tắc:
Hình 1.1
- Hệ thống hồi tiếp gồm ba mắc R-C, mỗi mắc
có độ lệch pha tối đa 90° nên để độ lệch pha là 180° phải
dùng ba mắc R-C.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 27
KĐ đảo Av
¿)
Hệ thống hồi tiếpβ
(lệch pha 180°¿
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
- Mạch tương đương tổng quát của toàn mạch dao động
dịch pha được mô tả ở hình 1.2
Hình 1.2
Nếu Ri rất lớn và R0nhỏ không đáng kể
Ta có: V0=V1=Vv×Vi
Vi ¿V2
- Hệ thống hồi tiếp gồm 3 mắc C-R, và được vẽ
lại như hình 1.3
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 28
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 1.3
- Ðể phân giải mạch ta theo 4 bước:
+ Viết phương trình tính độ lợi điện thế β =V2/V1của hệ thống hồi tiếp.
+ Rút gọn thành dạng a + jb
+ Cho b = 0 để xác định tần số dao
động f0
+ Thay f0 vào phương trình của bước 1
để xác định giá trị của β tại f0
Để ý : β =V2/V1 =R×i3
V1
Từ hình 1.3, ta có :
−V1+(−j 1ᵂC )i1+R (i1−i2)=0 (2.2)
(−ϳ 1ᵂC )i2+R (i2−i3 )+R (i2−i1)=0 (2.3)
(−ϳ 1wC )i3+R (i3−i2)+Ri3=0 (2.4)
Suy ra:
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 29
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
(R−ϳ 1ᵂC )i1−Ri2+0i3=V1
−Ri1+(2R−ϳ 1ᵂC )i2−Ri3=0
0
i1−Ri2+(2R−ϳ 1wC )i3=0
Từ đó:
i3¿
|R− jωC
−R V1
−R 2R−jωC
0
0 −R 0|
|R−jωC −R 0
−R 2R−jωC −R
0 −R 2R−jωC
|Và:
i3 =
[R−jωC ]|2R−
jωC
0
−R 0|−[R ]|−R 00 0|+[V1 ]|−R 2R−
jωC
0 −R |[R−
jωC ]|2R− j
ωC−R
−R 2R−jωC|−[−R ]|−R −R
0 2R−jωC|+[0 ]|−R 2R−
jωC
0 −R |=> i3=
R2.V1
[R−jωC ] [(2R−
jωC
)2−R2]+(R ) (−R )(2R−
jωC
)
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 30
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
= R2.V1
R3− 5Rω2C2+j(
1ω3C3−
6R2
ωC)
Thay: i3 = V2R
=> V2 = R3.V1
R3− 5Rω2C2+j(
1ω3C3−
6R2
ωC)
=> β=
V2V1
=1
(1− 5ω2C2R2 )+j(
1R3ω3C3−
6RωC
)
Ðể mạch lệch pha 180°:
1R3ω0
3C3−6
Rω0C=0=¿Rω0C=6R3ω0
3C3
=> 1= 6R2ω02C2 => ω0
2=1
6R2C2
Từ đó: w0 = 1
√6RC (2.5)
Và: f0 = 1
2π√6RC (2.6)
Thay w0vào biểu thức của β ta tìm được:
β=V2
V1= 1
1− 5
( 1√6RC )
= 1
1− 516
=−129
Dấu trừ cho biết hệ thống hồi tiếp có độ lệch pha 1800.
Từ βAv≥1 Độ khuếch đại vòng hở Av≥29
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 31
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Tóm lại :
f0=1
2π √6RC
Av≥291800
I.1.2. Thiết kế mạch dịch pha dùng op-amp: - Do op-amp có tổng trở vào rất lớn và tổng trở ra không
đáng kể nên mạch dao động này minh họa rất tốt cho chuẩn
cứ Barkausen. Mạch căn bản được vẽ ở hình 1.4
- Tần số dao động được xác định bởi: f0=1
2π√6RC
và độ lợi dòng hở : |Av|=|−R2
R1|≥29
Hình 1.4
Ta dùng OA 741 để tạo dao độngBước 1:
Chọn f=100Hz C=0.5 µF
R= 1
2π√6fC= 1.4 kΩ
Bước 2: Ta có: |Av|=R2R1
≥ 29.
Chọn R1 = 1kΩSVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 32
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
R2 ¿29kΩ.
I.1.3. Tính chọn linh kiện mạch dùng BJT: - Mạch khuếch đại là cực phát chung có hoặc không có tụ
phân dòng cực phát.
Hình 1.5
- Ðiều kiện tổng trở vào của mạch không thỏa mãn nên điện
trở R cuối cùng của hệ thống hồi tiếp là:
R = RX + (R1||R2||Zb) (2.7)
VớiZb = βre nếu có CEvà Zb = β(re + RE) nếu không cóCE
- Tổng trở của mạch khi chưa có hồi tiếpR0 ≈ Rc không nhỏ
lắm nên làm ảnh hưởng đến tần số dao động. Mạch phân giải
được vẽ lại:
Hình 1.6
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 33
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
-Áp dụng cách phân giải như phần trước ta tìm được tần số
dao động:
f0=1
2πRC× 1
√6+4Rc
R(2.8)
Và hệ số hồi tiếp β=
−1
29+23RC
R +4(Rc
R )2
(2.9)
- Thường người ta thêm một tầng khuếch đại đệm
cực thu chung để tải không ảnh hưởng đến mạch dao động.
Để tạo mạch dao động ta dùng Transistor BC 107BP có các thông số sau:
VCC = 25V; VCE = 5V; VBE = 0.7V; IC = 1mA; IE= 1mA ; hfe = 100;
hie=2kΩ Bước 1: Áp dụng công thức ở đầu ra của bộ khuếch đại: VCC = IC RC + VCE + IERE
(1)Giả sử: RE = 5k
Từ công thức (1), ta có RC = 15k.
Bước 2: Ta lại có: VR2 = VCC*R2/(R1+R2) (2)
Mặt khác: VR2 = VBE + IERE = 5.7V
Giả sử: R2 = 10kTừ công thức (2), ta có: R1=34k
XCE ≤ 0.1RE = 500Ω CE ≥
1.6µF
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 34
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Suy ra : Chọn CE = 3µFChọn: Co = 1µF.
Bước 3: Tần số dịch pha: f=¿ 200 Hz (3)
Giả sử: C = 0.1F (với C=C1=C2=C3) R=3.2kΩ (với R= R4 = R5)
Ta có: R3 = R – hie = 3.2k – 2k = 1.2k
I.2 Mạch dao động cầu Wien: (wien bridge oscillators) - Cũng là một dạng dao động dịch pha. Mạch
thường dùng op-amp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo nên
hệ thống hồi tiếp phải có độ lệch pha 0°. Mạch căn bản như
hình 1.7a và hệ thống hồi tiếp như hình 1.7b
Hì
nh 1.7
Ta có: β= V2V1
¿ωR1C2
ω (R1C1+R2C2+R1C2 )+j(ω2R1R2C1C2−1)
Tại tần số dao độngω0: w02R1R2C1C2 – 1 = 0
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 35
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
w0=1
√R1R2C1C2
f0=1
2π√R1R2C1C2 (2.10)
β =w0R1R2
w0(R1C1+R2C2+R1C2)=
R1C2R1C1+R2C2+R1C2
= 1
1+R2
R1+C1
C2
(2.11)
Nếu chọn R2=R1=RvàC1¿C2=C. Ta có : β = RC
RC+RC+RC=13
AV=3và f0=1
2πRC
(2.12)
Trong mạch cơ bản hình 1.7a, ta chú ý:
- Nếu độ lợi vòng hởAV< 3 thì mạch không dao
động.
- Nếu độ lợi vòng hở AV>> 3 thì tín hiệu dao
động nhận được bị biến dạng (đỉnh dương và đỉnh âm của
hình sin bị cắt).
- Cách tốt nhất là khi khởi động, mạch tạo AV>
3 (để dễ dao động) xong giảm dần xuống gần bằng 3 để có
thể giảm thiểu tối đa việc biến dạng. Người ta có nhiều
cách, hình 1.8 là một ví dụ dùng diode hoạt động trong
vùng phi tuyến để thay đổi độ lợi điện thế của mạch.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 36
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 1.8
- Khi biên độ của tín hiệu ra còn nhỏ, D1, D2
không dẫn điện và không ảnh hưởng đến mạch. Ðộ lợi điện
thế của mạch lúc này là:
AV=1+R4
R3=3.2
- Ðộ lợi này đủ để mạch dao động. Khi điện thế
đỉnh của tín hiệu ngang qua R4khoảng 0.5 volt thì các
diode sẽ bắt đầu dẫn điện. D1dẫn khi ngõ ra dương và D2
dẫn khi ngõ ra âm. Khi dẫn mạnh nhất, điện thế ngang
diode xấp xỉ 0.7 volt. Ðể ý là hai diode chỉ dẫn điện ở
phần đỉnh của tín hiệu ra và nó hoạt động như một điện
trở thay đổi nối tiếp với R5và song song với R4 làm giảm
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 37
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
độ lợi của mạch, sao cho độ lợi lúc này xuống gần bằng 3
và có tác dụng làm giảm thiểu sự biến dạng. Việc phân
giải hoạt động của diode trong vùng phi tuyến tương đối
phức tạp, thực tế người ta mắc thêm một điện trở R5 (như
hình vẽ) để điều chỉnh độ lợi của mạch sao cho độ biến
dạng đạt được ở mức thấp nhất.
- Ngoài ra cũng nên để ý là độ biến dạng sẽ
càng nhỏ khi biên độ tín hiệu ở ngõ ra càng thấp. Thực
tế, để lấy tín hiệu ra của mạch dao động người ta có thể
mắc thêm một mạch không đảo song song với R1C1 như hình vẽ
thay vì mắc nối tiếp ở ngõ ra của mạch dao động. Do tổng
trở vào lớn, mạch này gần như không ảnh hưởng đến hệ
thống hồi tiếp nhưng tín hiệu lấy ra có độ biến dạng được
giảm thiểu đáng kể do tác động lọc của R1C1
I.2.1. Tính chọn linh kiện mạch dao động cầu Wien dùng OPAMP:Sử dụng Opamp 741 để tạo dao động
Bước 1: Ta có: f = 12πRC
=¿100Hz
Chọn C=1µF R= 1.6kΩ
Bước 2: Ta có : Av = 1 + R4R3>3
Giả sử : Av = 3.2 Chọn : R3 = 10kΩ R4= 32kΩ
Để giảm thiểu sự biến dạng ta sử dụng diode 1N4007G
II. Mạch dao động sin tần số cao: Dao động dịch pha không dùng được ở tần số cao
do lúc đó tụ điện phải có điện dung rất nhỏ. Ðể tạo sóng
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 38
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
tần số cao người ta thường đưa vào hệ thống hồi tiếp các
mạch cộng hưởng LC (song song hoặc nối tiếp).
II.1. Mạch cộng hưởng (resonant circuit):
II.1.1: Cộng hưởng nối tiếp (series resonant circuit): - Gồm có một tụ điện và một cuộn cảm mắc
nối tiếp.
- Cảm kháng của cuộn dây là: jXL= 2πfL
- Dung kháng của tụ điện là : -jXc=1
j2πfC
- Người ta định nghĩa tần số cộng hưởng của
mạch là tần số f0 mà tại đó XL=XC
Hay :
2πf0L=1
2πf0C
f0=1
2π√LC - Thực tế, cuộn cảm L luôn có nội trở R nên tổng
trở thực của mạch là:
Z = R + jXL - jXC.
- Tại tần số cộng hưởng f0thì XL= XCnên Z0= R
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 39
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 1.9
- Vậy tại tần số cộng hưởng f0tổng trở của mạch có
trị số cực tiểu.
- Khi tần số f <f0tổng trở có tính dung kháng.
- Khi tần số f >f0tổng trở có tính cảm kháng.
- Người ta định nghĩa băng tần (bandwidth) của
mạch cộng hưởng là:Bw=f2−f1
trong đó f1,f2 là 2 tần số 2 bên cộng hưởng mà tại đó
|Z|=√2R hoặc |I|=Vs
√2R - Nếu gọi Q là hệ số phẩm của cuộn dây (quality
factor), ta có :
Bw=f0Q , với Q được định nghĩa là: Q =
XL
R
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 40
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 1.10
II.1.2. Cộng hưởng song song (parallel resonant circuit)Tổng trở của mạch :
Z =(-jXC¿ /¿(RS+jXLS)
Z=(−jXC)(jXLS
+RS)
−jXC+RS+jXLS
Tại tần số cộng hưởng f0 ta có: XLS = Xc
Suy ra: Z0=¿¿
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 41
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Nhưng Q = XLs
Rs => Z0 =
Rs2Q2
Rs – jRsQ = RsQ2 -
jRsQ
Nếu Q lớn (tần số cao, nội trở Rs nhỏ).
Z0≈RsQ2≈Rpcó giá trị như một điện
trở .
Hình 1.11
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 42
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
II.2. Dạng cơ bản của mạch dao động LCTrong mạch dao động LC, mạch cộng hưởng LC đóng vai trò
mạch hồi tiếp trong khuếch đại thuật toán , transistor
BJT làm nhiệm vụ của tầng khuếch đại.
Bước 1: Xác định hệ số khuếch đại điện áp của tầng khuếch
đại:
Mạch tươngđương
Với trở kháng đầu
vào của khuếch
đại là rất lớn, ta
có dòng vào tầng
khuếch đại là I=0
Gọi R0 là trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại.
Do I = 0, ta có thể xem Z2/¿ (Z1ntZ3). Ta gọi ZL=Z2 /¿(Z1ntZ3)
Do đó mạch có thể rút gọn như sau:
Từ mạch, ta có :
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 43
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
I = AvV1
R0+ZL
Trong khi đó:V0=IZL
Từ đó ta suy ra hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại là:
A = V0
V1 =
AvZL
R0+ZLBước 2: Xác định hệ số khuếch đại của tầng phản hồi
Hệ số khuếch đại điện áp của tầng phản hồi
β = Vf
V0=
Z1Z1+Z3
suy
ra: hệ số khuếch đại toàn mạch là :
Aβ =AvZLR0+ZL
Z1
Z1+Z3=
AvZ2(Z1+Z3)
Z1+Z2+Z3
R0+Z2(Z1+Z3)
Z1+Z2+Z3
Z1Z1+Z3
= AvZ1Z2
R0 (Z1+Z2+Z3)+Z2(Z1+Z3)
Với Z1,Z2,Z3 là các thành phần thuần khángZ1=jX1,Z2=jX2,Z3=jX3
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 44
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Với X = wL với cuộn cảm và X = −1wC với tụ
Ta suy ra :
Aβ = AvZ1Z2
R0 (Z1+Z2+Z3)+Z2(Z1+Z3) =
AvX1X2
−jR0 (X1+X2+X3 )+X2(X1+X3)
Với điều kiện Barkausen để mạch dao động, ta có :X1+X2+X3= 0
Khi đó:
Aβ = −AvX1
X2
II.3. Tính chọn linh kiện các dạng mạch dao động LC
Dạng dao độngCác thành phần trong mạch
X1
X2
X3
Colpitts C C LHarley L L C
II.3.1 Mạch dao động Colpitts
Ta có: X1+X2+X3 = 0
X1=−1wC1
,X2=−1wC2
,X3=¿wL
Suy ra :−1wC1
−1wC2
+wL=0
Suy ra :
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 45
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
w = 1
√LCeq , với Ceq =
C1C2
C1+C2Tần số của mạch dao động :
f0=1
2π√LCeq
a. Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpitts dùng khuếch đại
thuật toán :
Mạng LC
Hệ số khuếch đại cả mạch khuếch đại :
Av=−RfRi
Aβ = −AvX1
X2 =
RfRi
C2
C1
Suy ra ,điều kiện mạch dao động là :Ri
Rf=C2
C1
Sử dụng Opamp 741
Bước 1: Tần số dao động:
f0=1
2π√CeqL = 100 kHz
Chọn L=10mH =>Ceq= 0.25 nF
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 46
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Bước 2: Từ điều kiện của mạch dao động: Ri
Rf=C2
C1=R1
R2
Chọn C1= 2.27 pF => C2=22.7 pF
Suy ra: chọn R1=10kΩ thì R2=100kΩ
b. Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpitts dùng BJT :
Mạch tương đương xoay chiều
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 47
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Chuyển đổi nguồn dòng thành áp với V0= hfeIbXc2 = hfeIb1
jωC2
Dòng tổng từ nguồn :
I =−V0
(X¿¿c2+XL)+(Xc1/¿hie)¿
suy ra :
I=
−hfeIb1
jωC2
(1
jωC2+jωL)+(
hiejωC1
hie+1
jωC1
)
Thay s = j
ω
ta có :
I=
−hfeIb1sC2
(1sC2
+sL )+(
hiesC1
hie+1sC1
)
Qua các bước rút gọn ta có :
(2.13)
Ta lại có :
Ib = IXC1
XC1+hie =
I1+shieC1
thay vào (2.13) ta có:
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 48
I=−hfeIb (1+C1hie)
s3LC1C2hie+s2LC2+shie(C1+C2)+1
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
1=−hfe
s3LC1C2hie+s2LC2+shie(C1+C2)+1
Thay ngược s = jω, ta có:
1=−hfe
jωhie (C1+C2−ω2LC1C2)−ω2LC2+1
(2.14)
Do hfe là số thực nên phần ảo phải bằng 0, do đó:
C1+C2−ω2LC1C2=0
=> ω = 1
√LCeq với Ceq=
C1C2C1+C2
Tần số của mạch dao động :
f0=ω2π
=1
2π√LCeq
Thay vào lại (2.14), ta có :
hfe=C2
C1
Đây là điều kiện để mạch dao động.
Để tạo mạch dao động này, ta dùng Transistor BC 107BP có các thông số sau:
VCC = 25V; VCE = 5V; VBE = 0.7V; IC = 1mA; IE= 2mA; hfe =100; hie=2kΩ
Bước 1: Áp dụng công thức ở đầu ra của bộ khuếch đại:
VCC = IC RC + VCE + IERE
(1)
Giả sử: RE = 5k
Từ công thức (1), ta có RC = 10k.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 49
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Bước 2: Ta lại có: VR2 = VCC*R2/ (R1+R2) (2)
Mặt khác: VR2 = VBE + IERE = 5.7V
Giả sử: R2 = 10kTừ công thức (2), ta có: R1=34k
XCE ≤ 0.1RE = 500Ω
CE ≥ 1.6µF
Suy ra : Chọn CE = 3µF
Bước 3: Tần số dao động
f0=1
2π√CeqL = 100kHz
Chọn L=1mF =>Ceq=50 µF
Bước 4: Điều kiện củamạch dao động:
hfe=C2
C1=¿100
Suy ra : C1=50.5 µF, C2=5.05 mF
Chọn Cc1=Cc2=10uF
II.3.2. Mạch dao động HarleyTa có: X1+X2+X3=0
X1=ωL1,X2=ωL2,X3=−1ωC
Suy ra : −1ωC
+ωL1+ωL2 = 0
Suy ra : ω = 1
√CLeq với Leq=L1+L2
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 50
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Tần số của mạch dao động : f0=1
2π√CLeq
a. Tính chọn linh kiện mạch dao động Harley dùng khuếch đại
thuật toán :
Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại :
Av=−RfRi
Aβ =−AvX1
X2=Rf
Ri
L1L2
Suy ra , điều kiện mạch dao động là : Ri
Rf=L1
L2
Sử dụng Opamp 741 để tạo dao động
Bước 1: Tần số dao động
f0=1
2π√CLeq = 100kHz
Chọn C=1µF =>Leq=2.5 µH
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 51
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Bước 2: Từ điều kiện của mạch dao động: Ri
Rf=L1
L2=R1
R2
Chọn L1=1 µH => L2=1.5 µH
Suy ra: chọn R1=1kΩ thì R2=1.5kΩ
b. Tính chọn linh kiện mạch dao động Harley dùng BJT :
Tính toán tương tự như mạch khuếch đại Colpitts ta có :
ω = 1
√CLeq với Leq=L1+L2
Tần số của mạch dao động :
f0=1
2π√CLeq
Ta có :
hfe=L1
L2
Đây là điều kiện để mạch dao động.
Để tạo mạch dao động này, ta dùng Transistor BC 107BP có các thông số sau:
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 52
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
VCC = 25V, VCE = 5V, VBE = 0.7V, IC = 1mA, IE= 1mA,hfe = 100, hie=2kΩ
Bước 1: Áp dụng công thức ở đầu ra của bộ khuếch đại:
VCC = IC RC + VCE + IERE
(1)
Giả sử: RE = 5k
Từ công thức (1), ta có RC = 15k.
Bước 2 : Ta lại có: VR2 = VCC*R2/ (R1+R2)(2)
Mặt khác: VR2 = VBE + IERE = 5.7V
Giả sử: R2 = 10k Từ công thức (2), ta có: R1=34k
XCE ≤ 0.1RE = 500Ω
CE ≥ 1.6µF
Suy ra : Chọn CE = 3µF
Bước 3 : Tần số dao động
f0=1
2π√CLeq = 500kHz
Chọn C=0.01µF =>Leq = L1 + L2 = 0.01 mH
Bước 4: Điều kiện của mạch dao động:
hfe=L1
L2 = 100
Chọn L1=10 µH , L2= 0.1µH
Chọn CC1=CC2=10µF
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 53
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG MẠCH
I. Mô phỏng mạch dịch pha RC dùng BJT:
Hình 3.1: Mô phỏng mạch dao động dịch pha RC dùng BJT
Hình 3.2: Mạch in dao động dịch pha RC dùng BJT
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 55
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
II. Mô phỏng mạch dịch pha RC dùng OPAMP:
Hình 3.3: Mô phỏng mạch dao động dịch pha RC dùng Opamp
Hình 3.4: Mạch in dao động dịch pha RC dùng OPAMP
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 56
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
III. Mô phỏng mạch cầu Wien dùng OPAMP:
Hình 3.5: Mô phỏng mạch cầu Wien dùng Opamp
Hình 3.6: Mạch in mạch cầu Wien dùng OPAMP
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 57
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
IV. Mô phỏng mạch Colpitts dùng BJT:
Hình 3.7: Mô phỏng mạch Colpitts dùng BJT
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 58
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 3.8: Mạch in mạch Colpitts dùng BJT
V. Mô phỏng mạch Colpitts dùng OPAMP:
Hình 3.9: Mô phỏng mạch dao động Colpitts dùng Opamp
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 59
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 3.10: Mạch in mạch Colpitts dùng Opamp
VI. Mô phỏng mạch dao động Harley dùng BJT
Hình 3.11: Mô phỏng mạch dao động Harley dùng BJT
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 60
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 3.12: : Mạch in mạch Harley dùng BJT
VII. Mô phỏng mạch dao động Harley dùng Opamp
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 61
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Hình 3.13: Mô phỏng mạch dao động Harley dùng Opamp
Hình 3.14: Mạch in mạch Harley dùng Opamp
CHƯƠNG V: TỔNG KẾT ĐỀ TÀII. Ưu điểm của đề tài:
Mạch dao động có thể được ứng dụng nhiều trong khoa
học và đời sống. Đặc biệt là trong thiết bị điện tử, như
mạch dao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh tivi
màu, mạch tạo dao động xung dòng,xung mành trong tivi,
tạo hình sin cho Vi xử lí hoạt động,v.v …
II. Hạn chế và khó khăn của đề tài:
II.1: Hạn chế:
Do sự khác biệt giữa thực tế và lý thuyết, nên tuy
tính toán được ra số liệu của các mạch nhưng lúc mô phỏng
với số liệu đó thì không tạo ra được dao động hình sin,
hoặc tạo ra được nhưng bị méo. Điển hình là với mạch cầu
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 62
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
Wien dùng BJT. Do đó, lúc mô phỏng mạch Proteus phải điều
chỉnh lại số liệu cho phù hợp.
II.2: Khó khăn:
Với những hạn chế đã nêu ở trên, trong lúc làm đề tài
cũng đã gây ra một số khó khăn nhất định như:
- Số liệu tính toán được đôi khi không có trong thực tế.
- Mạch thực tế có thể không hoạt động do những nguyên
nhân như: sai số linh kiện; mối hàn bị hỏng, lỏng lẽo;…
- Do đây là lần đầu tiên làm đồ án, nên chưa có kinh
nghiệm làm việc và xử lý dẫn đến mạch chưa đẹp, còn nhiều
thiếu sót.
III. Kinh nghiệm rút ra:
Sau khi thực hiện đề tài, em đã hiểu biết thêm được
nhiều kiến thức về mạch điện tử, đồng thời rút ra được
nhiều kinh nghiệm trong cách làm việc với Proteus, xuất
layout, đặc biệt là làm mạch thực tế như là:
- Kích thước chân của các linh kiện là khác nhau nên
kích thước lỗ khoan cũng phải khác nhau.
- Phải bố trí linh kiện cho hợp lý để các đường mạch
không bị giao nhau trong mạch in.
- Làm mạch phải theo thứ tự: in mạch ra giấy; ủi lên bản
đồng; rửa mạch in; ngâm mạch in trong dung dịch FeCl3; xóa
lớp mực in trên bảng đồng; quét nhựa thông lên mạch;
khoan các lỗ chân linh kiện; lắp mạch và hàn chân linh
kiện.
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 63
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
MỤC LỤCCHƯƠNG I: ỨNG DỤNG CỦA MẠCH DAO ĐỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA................................................1I. Tổng quan về mạch ứng dụng tạo dao động:.............1II. Ứng dụng cụ thể và phân tích yêu cầu ứng dụng:......3CHƯƠNG II: NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH.................4TẠO DAO ĐỘNG............................................4I. BJT:..................................................4I.1: Cấu tạo và nguyên lí của BJT:......................4
I.1.1: Cấu tạo BJT:........................................4I.1.2. Nguyên lí làm việc của BJT...........................5
I.2: Các mạch khuếch đại cơ bản:.......................7I.2.1: Mạch cực gốc chung:...............................7I.2.2: Mạch cực phát chung...............................9I.2.3: Mạch cực góp chung:.............................10
I.3: Tính phân cực:....................................11I.3.1: Phân cực cho transistor dùng dòng cố định:................11I.3.2: Phân cực cho transistor dùng điện áp phản hồi:.............12I.3.3: .Phân cực cho transistor dùng cầu chia thế:.............12I.3.4: .Dùng câu chia thế có bổ chính nhiệt:.................12
II. OPAMP (OA):........................................12II.1:Cấu tạo và nguyên lí làm việc của OA...............12
II.1.1: Cấu tạo OA:.......................................12II.1.2: Nguyên lí làm việc của OA.............................14
II.2: Đặc tính và các thông số của một bộ KĐTT lý tưởng: Ta có đáp ứngtín hiệu ra Vo theo các cách đưa tín hiệu vào như sau:.14II.3. Một số cách mắc cơ bản:...........................16
II.3.1. Mạch khuếch đại đảo:................................16
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 64
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
II.3.2: Mạch khuếch đại không đảo:..........................16II.3.3: Mạch cộng đảo:....................................16II.3.4. Mạch tích phân....................................17II.3.5: Mạch vi phân:.....................................17II.3.6: Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ):......................18
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN LINH KIỆN CỦA MẠCH...............19I: Mạch dao động sin tần số thấp:......................19I.1: Dao động dịch pha RC (phase shift oscillator):...20I.1.1: Nguyên tắc:.....................................20
I.1.2. Thiết kế mạch dịch pha dùng op-amp:...................24I.1.3. Tính chọn linh kiện mạch dùng BJT:......................24
I.2 Mạch dao động cầu Wien: (wien bridge oscillators) 26I.2.1. Tính chọn linh kiện mạch dao động cầu Wien dùng OPAMP:.....28
II. Mạch dao động sin tần số cao:......................29II.1. Mạch cộng hưởng (resonant circuit):..............29II.1.1: Cộng hưởng nối tiếp (series resonant circuit):...........29II.1.2. Cộng hưởng song song (parallel resonant circuit)........30
II.2. Dạng cơ bản của mạch dao động LC................31II.3. Tính chọn linh kiện các dạng mạch dao động LC...33II.3.1 Mạch dao động Colpitts.......................33
a. Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpitts dùng khuếch đại thuậttoán :................................................34b. Tính chọn linh kiện mạch dao động Colpitts dùng BJT :..........35II.3.2. Mạch dao động Harley............................38
a. Tính chọn linh kiện mạch dao động Harley dùng khuếch đại thuậttoán :................................................38b. Tính chọn linh kiện mạch dao động Harley dùng BJT:..........39
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG MẠCH...............................41
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 65
Đề tài: Thiết kế mạch dao động GVHD: Trần Thái Anh Âu
I. Mô phỏng mạch dịch pha RC dùng BJT:.................41II..................Mô phỏng mạch dịch pha RC dùng OPAMP:
42III....................Mô phỏng mạch cầu Wien dùng OPAMP:
43IV.......................Mô phỏng mạch Colpitts dùng BJT:
44V. Mô phỏng mạch Colpitts dùng OPAMP:..................45VI.................Mô phỏng mạch dao động Harley dùng BJT
46VII. Mô phỏng mạch dao động Harley dùng Opamp..........47CHƯƠNG V: TỔNG KẾT ĐỀ TÀI..............................48I. Ưu điểm của đề tài:.................................48II........................Hạn chế và khó khăn của đề tài:
48II.1: Hạn chế:........................................48II.2: Khó khăn:.......................................48
III. Kinh nghiệm rút ra:...............................48
SVTH: Nguyễn Đăng Nhật Minh Page | 66
Recommended