Tài liệu Bài giảng điện tử cho công nghệ thông tin chương 3 - trần tuấn vinh

Điện tử cho CNTT Electronic for IT Trần Tuấn Vinh Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Nội dung § § § § § Chương 1: Phổ tín hiệu Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio Chương 3: Các mạch tạo dao động Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ Chương 5: Điều chế tần số và pha. Copyright (c) 8/2009 by 2 Chương 3 § § § § § § § § § Giới thiệu chung về mạch dao động Mạch dao động Hartley Mạch dao động Colpitts Mạch dao động Clapp Mạch dao động điều hưởng đầu vào/đầu ra Mạch dao động không điều hưởng Trạng thái ổn định của mạch dao động Thạch anh và các bộ dao động thạch anh Mạch dao động thạch anh Pierce Copyright (c) 8/2009 by 3 Giới thiệu chung § § Mạch dao động(Oscillators) được sử dụng như một nguồn tín hiệu và là mạch quan trọng trong việc phát triển hệ thống truyền thông Ứng dụng của mạch dao động › › › § Đồng hồ định thời Tạo sóng mang để truyển tín hiệu tần số cao ….. Các loại mạch dao động › › › Mạch dao động Amstrong Mạch dao động Harley, Colpitts, Clapp, Pierce Mạch dao động cầu Wien Copyright (c) 8/2009 by 4 Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao động § § Việc nhớ tên các mạch dao động không quan trọng bằng việc hiểu rõ cấu tạo của chúng Các tiêu chí đánh giá một mạch tự dao động › › › › Nguồn cung cấp Hệ số khuếch đại. Sơ đồ xác định tần số. Phản hồi dương(điều kiện pha và hệ số khuếch đại vòng =1). Copyright (c) 8/2009 by 5 Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao động § § § § Nguồn điện vào là quan trọng vì mạch điện tử cần được cung cấp một công suất đủ để đưa ra tải, thêm vào đó bản thân mạch điện của Oscillators cũng tiêu thụ công suất và đòi hỏi được phân cực Một số mạch đòi hỏi hệ số khuếch đại >1 để bù lại tổn hao trong. Một số mạch hoặc bộ cộng hưởng đòi hỏi phải điều chỉnh tần số dao động. Toàn bộ mạch và các vật liệu như kim loại, chất khí, chất lỏng, chất rắn được sử dụng để điều khiển tần số của các Oscillators Copyright (c) 8/2009 by 6 Các tiêu chuẩn đánh giá mạch dao động § Oscillators là một hệ thống phản hồi phải thoả mãn hai tiêu chuẩn, gọi là tiêu chuẩn Barkhausen: Tín hiệu phản hồi phải đồng pha với tín hiệu vào sau khi kết thúc một vòng. › Hệ số khuếch đại vòng ở trạng thái ổn định phải bằng 1. (AvB = 1) › Copyright (c) 8/2009 by 7 Hệ số khuếch đại vòng § Hệ số khuếch đại vòng của hệ thống được xác định như sau vfb=Bv0 v0=(vi+vfb)Av v0 Av = = A fb vi 1 − Av B Av là hệ số khuếch đại của hệ thống(theo hướng trái­phải),  B là tỷ số điện áp ra trên điện áp vào mạch phản hồi ­ hệ số  phản hồi.  Afb là hệ số khuếch đại toàn phần của hệ thống có phản hồi  – hệ số khuếch đại vòng Copyright (c) 8/2009 by 8 Hệ số khuếch đại vòng § Nếu mạch có phản hồi âm thì : Av Afb = 1 + Av B § Với mạch phản hồi dương thỏa mãn điều kiện Barkhausen thì AvB=1 khi đó: Av Afb = 1−1 § Đây là điều không mong muốn trong hệ thống hồi tiếp dương nhưng nó là một điều cần thiết cho mạch dao động. Copyright (c) 8/2009 by 9 Ví dụ trường hợp AvB>1 § Xét mạch khuếch đại điều hưởng ghép tải biến áp › R là tổng trở tải của bộ khuếch đại bao gồm toàn bộ các trở kháng từ đầu ra xuống đất. Copyright (c) 8/2009 by 10 Ví dụ trường hợp AvB>1 § § § § § Giả thiết hệ số khuếch đại BC : AV=-100 = 100 1800 Biến áp là lý tưởng(k=1) và tỷ số biến áp np/ns = 90:1 Vậy B = -1/90 = 0,0111 và AvB = 1,11 lớn hơn 1 Với vB = 10mV điện áp đầu ra sẽ là v0=11.1 mV Bây giờ nếu chuyển mạch S1 thì điều gì xảy ra › › › § 11.1mV 12.3 mV 12.3 mV …… Tín hiệu ra lại tiếp tục tăng, vậy nó sẽ tăng đến khi nào ? 11 Copyright (c) 8/2009 by Ví dụ trường hợp AvB>1 § § § § Giả thiết là mạch điều hưởng có phẩm chất Q cao, nguồn cung cấp 12V và VCE(bão hoà) = 0 Do nguồn cung cấp có điện áp 12V nên trên collector điện áp thay đổi từ -12V- 0V Do năng lượng được tích tụ trên biến áp trong một nửa chu kỳ đầu tiên nên điện áp trên collector thay đổi tăng thêm 12 V so với điện áp phân cực trong nủa chu kỳ còn lại Như vậy điện áp đầu ra có thể đạt tới 24V đỉnh đỉnh Copyright (c) 8/2009 by 12 Ví dụ trường hợp AvB>1 § § § § Với điện áp 24V đỉnh đỉnh trên Collector điện áp đầu ra là 24V/90 = 266.7 mV Do mạch phản hồi điện áp này được phản hồi ngược về Base Hệ số phản hồi B= tỷ số biến áp = 1/90 Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bão hòa vc/vb= - (24 V pk-pk)/(2.667 mV pk-pk)= - 90 § Vậy hệ số khuếch đại vòng : AVB = 90 * 1/90 =1 Thỏa mãn điều kiện Barkhausen Copyright (c) 8/2009 by 13 Kịch hoạt mạch tự dao động § § § § Mạch dao động sẽ hoạt động khi có kích thích của một dãy xung đầu vào. Quay lại với ví dụ trên ta giả thiết nguồn điên chưa bật và chưa có dòng điện chảy trong mạch Khi bật nguồn 12V, dòng điện chạy trong mạch tăng đột ngột chạy qua biến áp là cho mạch dao động hoạt động tạo ra điện áp đầu ra Điện áp ra phản hổi ngược lại đầu vào và tăng dần lên cho đến trạng thái bão hòa như đã xét ở trên. Copyright (c) 8/2009 by 14 Tần số mạch tự dao động § Mạch dao động tại tần số mà tổng pha cho một vòng bằng 3600 . f res = 1/ 2Π LC Tuy nhiên tần số dao động này còn phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q của biến áp khi mạch có tải. § Tần số dao động thực tế của mạch fosc=fres(Q2+1)/Q2 Với Q là hệ số phẩm chất hiệu dụng (Qeff) của cả khối biến áp. Hệ số này được xác định tùy theo từng mạch dao động § Copyright (c) 8/2009 by 15 BP = (bypass capacitor) tụ ngắn mạch, có Xc = 0; Cho: n1 = 100 vòng n2 = 10 vòng, n0 = 5 vòng. IC = 1mA, Rc = 50k . Lp = 53 H. Qu = 50. CCB = 1,0 pF. C1 điều chỉnh tại tần số cộng hưởng 1MHz. Phân tích mạch dao động Hartley Copyright (c) 8/2009 by 16 Phân tích mạch dao động Hartley § § § § Giả thiết rằng điện thế cực emitter là pha dương bởi một dao động sin hoặc nhiễu. Q1 sẽ có làm việc ở chế độ cắt và điện áp cực collector có xu hướng tăng lên phía Vcc. Điện áp tăng lên của tín hiệu được chia áp trên n2 bởi công thức n2/(n1+n2) nhưng sẽ đồng pha với điện áp trên collector, có thể lệch chut ít tuỳ thuộc tổng tải RL. Tín hiệu hồi tiếp đến cực emitter qua tụ C1 sẽ đồng pha với tín hiệu ban đầu có tần số fosc. Copyright (c) 8/2009 by 17 § Xác định tải của mạch dao Với tải 50Ώ , khi quy đổi về phía collector trở thành động tải hiệu dụng R với n1 + n2 2 ' R1 = RL ( ) = 50(100 / 5) 2 = 24.2k Ω n0 § § Do Qu của cuộn sơ cấp hữu hạn, tải được tính theo công thức sau với tần số 1 Mhz , XL=300 và Rcoil=QuXL=50(333)=16.7 k Ώ Từ n1- n2 nhìn sang bên trái, chúng ta thấy re//RE=26 mV/Ic//1 k =25 Ώ Copyright (c) 8/2009 by 18 Hệ số khuệch đại AV § Khi nhìn tử Collector tải RE’ là n1 + n2 2 R =( ) (re / / RE ) = 3k Ω n2 Tổng trở mạch Collector R =rc// R’E // Rcoil// RL’ R=50 kΏ //24.2 k Ώ //16.7 k Ώ //3 k Ώ =2.2 k Ώ Hệ số khuếch đại AV ' E § § Rc' 2.2k Ω AV = = = 84.6(38.5dB ) re 26Ω Copyright (c) 8/2009 by 19 Xác định hệ số khuếch đại vòng § § Để mạch có thể dao động hệ số khuếch đại vòng phải ≥ 1 Giả thiết rằng nếu ta hở mạch vòng phản hồi như hình Copyright (c) 8/2009 by 20