CH NG I: NG hình sin

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


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


Khuếch đại

Av=|Av|∅A

Hệ thống hồitiếp

β=|β|∅β

Vs Vi V0

Vf


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)



∅−¿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.



+ 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:



+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.



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



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)



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.



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).



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.



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



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.


- 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



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.


- 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.



- 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.



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.



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



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.



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



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



±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:



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.



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.





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


Hệ thống hồitiếp

β=|β|∅β

Khuếch đại

Av=|Av|∅A

Vs Vi

Vf

V0


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)



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.


KĐ đảo Av

¿)

Hệ thống hồi tiếpβ

(lệch pha 180°¿


- 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



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:



(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

)



= 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



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


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



-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



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



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.



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



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



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



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



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=¿¿



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



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 :



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



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 :



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



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



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:


I=−hfeIb (1+C1hie)

s3LC1C2hie+s2LC2+shie(C1+C2)+1


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




Bước 2: Ta lại có: VR2 = VCC*R2/ (R1+R2) (2)


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



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



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:



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


Bước 2 : Ta lại có: VR2 = VCC*R2/ (R1+R2)(2)


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





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



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



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



IV. Mô phỏng mạch Colpitts dùng BJT:

Hình 3.7: Mô phỏng mạch Colpitts dùng BJT



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



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



Hình 3.12: : Mạch in mạch Harley dùng BJT

VII. Mô phỏng mạch dao động Harley dùng Opamp



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



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.



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



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



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


Documents

CH NG I: NG hình sin