Mạch dao động, phát tín hiệu và tổng hợp tần số

CHƯƠNG VI MẠCH DAO ĐỘNG, PHÁT TÍN HIỆU VÀ TỔNG HỢP TẦN SỐ Các hệ thống truyền thanh và truyền tin hiện đại yêu cầu có dạng sóng sin hay không sin có tần số ổn định, có khi còn yêu cầu cả một mạng rất nhiều sóng có tần số vừa ổn định, vừa có quan hệ liên kết nhau. Quan hệ hệ tần số liên kết nhau có thể được minh họa bởi một hệ thống nhiều bánh răng có tốc độ quay quan hệ liên kết nhau tỷ lệ nghịch với số răng của mỗi bánh. Do vậy mạch dao động, mạch đồng bộ tần số, mạch tổng hợp tần số là các thành phần quan trọng của kỹ thuật truyền thanh và truyền tin. I. Mạch dao động: 1.Nhắc lại nguyên lý mạch dao động: Nguyên lý mạch dao động có đường hồi tiếp âm đã được nói đến ở môn Điện tử cơ bản. Do vậy, phần này chỉ nhắc lại vấn đề một cách ngắn gọn. (H.VI-1) Vi b: khối hồi tiếp Vào Vo Ra Av b Nếu đưa đến ngõ vào của mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại điện áp Av một tín hiệu điện áp Vi thì lại ngõ ra ta có Vo = AvVi. Nếu muốn vẫn có tín hiệu ra Vo mà không cần điện áp vào Vi thì phải lấy một phần bằng tỷ số b của tín hiệu ra tức bVo, đưa trở lại ngõ vào thay thế cho tín hiệu Vi. Muốn có điện áp ra Vo giống như khi có Vi vào mạch khuếch đại thì phải thỏa mãn điều kiện (H.VI-1) bVo = Vi. Nếu thay Vo = AvVi thì: bVo = bAvVi = Vi. Vậy điều kiện là: bAv = 1 (Đk Barkhausen) Điều kiện này là điều kiện Barhausen. Nếu b và Av đếu đặc trưng cho quan hệ biên độ lẫn góc pha của các tín hiệu ra và vào khối hồi tiếp và mạch khuếch đại thì điều kiện Barhausen: bAv = 1 là điều kiện cân bằng pha và điều kiện cân bằng biên độ: (điều kiện cân bằng pha) (điều kiện cân bằng biên độ) Điều kiện cân bằng pha không có điều gì cần giải thích thêm nhưng điều kiện cân bằng biên độ cần phải được nói thêm cho phù hợp với thực tế. Khi cấp điện cho mạch dao động có đường hồi tiếp, nếu điều kiện cân bằng biên độ được thỏa thì mạch không bao giờ khởi động, vì như vậy về lý thuyết biên độ dao động của mạch ổn định ở mức khởi động là bằng không. Như vậy để cho mạch có thể khởi động thì |bA| phải lớn hơn một để biên độ có thể tăng từ không cho đến khi biên độ đạt mức cần thiết thì hệ số khuếch đại vòng hở |bA| giảm xuống bằng 1 để có biên độ dao động ổn định. Để hiểu rõ điều kiện cân bằng pha và biên độ ta nghiên cứu mạch dao động cầu Wien và mạch dao động dịch pha. 2.Mạch dao động cầu Wien (H.VI-2): Mạch dao động gồm mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại bằng: Khối hồi tiếp có hàm truyền hồi tiếp bằng: Khối hồi tiếp Mạch khuếch đại H.VI-2 với ; ; Thông thường ta chọn C1 = C2 = C; R1 = R2 = R. Vậy: . Vậy điều kiện Barhausen là: Điều kiện cân bằng pha là: Arg(bAv) = 0; vậy hay ; Điều kiện cân bằng biên độ là: khi |bAv| = 1 hay Để |bAv| > 1 tức Av > 3, lúc khởi động Ri được thay bằng một mạch điện trở phụ thuộc vào biên độ dao động. Khi biên độ dao động bằng không lúc khởi động thì . Khi biên độ dao động tăng và đạt mức yêu cầu thì Ri tăng đến mức . 3. Mạch dao động lệch pha: Mạch dao động gồm: - Mạch khuếch đại đảo pha có hệ số khuếch đại bằng: . - Khối hồi tiếp b có hàm truyền hồi tiếp được tính từ ba phương trình Kirchoff (H.VI-3) Nút có điện áp V1: V1 V2 Vvàob Vrab H.VI-3 Nút có điện áp V2: (2) Nút có điện áp Vrab : (3) Sau khi loại V1 và V2 ta có hàm truyền của khối b bằng: . Điều kiện Barhausen là: . Điều kiện cân bằng pha cho biết tần số dao động: hay . Điều kiện cân bằng biên độ cho biết hệ số khuếch đại tối thiểu của mạch khuếch đại: |bAv| = 1 tức |b | = 1/29 hay Av = -29. 4. Mạch dao động ba điểm: Ro b) khối hồi tiếp K.Vi Các mạch dao động có khung dao động ba điểm theo sơ đồ tổng quát sau đây: (H.VI-4a, b). Zt Vi K.Vi Vo ngõ vào mạch khuếch đại K ngõ ra mạch khuếch đại Vi Vi K Z3 Ro Vo Z2 Z3 ngõ ra khối hồi tiếp Z1 ngõ vào khối hồi tiếp Z1 Z2 H.VI-4 Ta có: ; Ro đặc trưng cho tổng trở ra của mạch khuếch đại. Theo điều kiện Barhausen: Thay Z = Xj, ta có: Điều kiện cân bằng pha: X1 +X2 +X3 = 0. Điều kiện cân bằng biên độ: Vậy: a. Nếu dùng mạch khuếch đại đảo, K < 0 thì: , như vậy X2 và X1 phải là cùng một điện kháng. X1 + X2 + X3 = 0. X1 + X2 = -X3 X3 phải là điện kháng khác loại với X1 và X2 nếu X3 = L3w thì ; ; ta có mạch dao động Colpitts có sơ đồ H.VI-5a và H.VI-5b: K.Vi -K H.VI-5 Điều kiện cân bằng pha cho: ; ; Điều kiện cân bằng biên độ cho : Khối khuếch đại K có thể là bất cứ mạch khuếch đại dùng linh kiện nào khác lắp thành mạch khuếch đại đảo như transistor trường, mạch khuếch đại thuật toán v.v... Nếu ; thì X1 = L1w; X2 = L2w ta có mạch dao động Hartley như H.VI-6a, b. H.VI-6 -K Điều kiện cân bằng pha cho: X1 + X2 + X3 = 0 . ; ; Điều kiện cân bằng biên độ cho: Cũng như mạch Colpitts, khối K có thể là bất cứ linh kiện nào lắp thành mạch khuếch đại đảo như transistor trường, mạch khuếch đại thuật toán v.v... b. Nếu dùng mạch khuếch đại không đảo: K > 0 thì ; X2 và X1 phải khác dấu tức là khác loại điện kháng, kết hợp vơí X1 + X2 + X3 = 0, ta có các mạch sau đây được gọi chung là mạch dao động điều hợp ngõ ra điều hợp ngõ vào: (H.VI-7a, b, c, d) +K +K +K -K H.VI-7 Bốn sơ đồ trên không phải tất cả đều thực hiện được vì khi thực hiện còn phải nghiên cứu đến vấn đề dung hợp tổng trở với ngõ vào ngõ ra của khối khuếch đại liên quan đến các linh kiện và sơ đồ khuếch đại. Sơ đồ H.VI-7c đã được thực hiện với dạng H.VI-8, được gọi là sơ đồ mạch dao động Colpitts ở một số tài liệu. Một số tài liệu phân loại tất cả các mạch dao động trên thành hai loại, là loại ba điểm dung và loại ba điểm điện cảm. Ở mạch H.VI-8 kiện cân bằng pha cho: H.VI-8 ;; Điều kiện cân bằng biên độ cho: Mạch H.VI-8 làm việc tốt ở tần số VHF, thường được thấy ở Micro không dây. 5.Các mạch dao động ghép hỗ cảm: Các máy thu yêu cầu mạch dao động ghép hỗ cảm có một khung dao động LC có thể đổi tần số bằng cách dùng một tụ điện biến đổi có một điện cực nối đất. Sau đây là các mạch dao động dùng trong máy thu thanh. a. Mạch dao động điều hợp cực phát (H.VI-9): Khối khuếch đại dùng transistor nối đất cực khiển, khung dao động LC ở cực phát transistor. Tần số dao động của mạch bằng : . Vi H.VI-9 Co là điện dung của tụ điện biến đổi CVo mắc song song với tụ điện tinh chỉnh To của khung dao động LoCo. Khung này được ghép hỗ cảm với cuộn L nối vào cực thu của transistor. Bộ biến áp ghép hỗ cảm là đường hồi tiếp dương đưa tín hiệu hồi tiếp vào cực phát là ngõ vào mạch khuếch đại transistor có cực khiển nối đất. Tụ điện biến đổi CVo, tụ điện tinh chỉnh To và lõi Ferit Fo dùng để chỉnh phạm vi thay đổi tần số dao động. (lưu ý cực tính điện áp tại ngõ vào và ra mạch khuếch đại). b. Mạch dao động điều hợp cực phát (H.VI-10): Khung dao động LC xác định tần số dao động bằng: ; Co: điện dung tương đương với CVo và To mắc song song. Tụ điện Cvo, To và lõi Ferit có công dụng như ở khung dao động LC (H.VI-9). Tín hiệu hồi tiếp được ghép từ cực thu (ngõ ra mạch khuếch đại) qua cực khiển của transitor Q (ngõ vào) bằng hồ cảm. (Lưu ý cực tính điện áp ngõ vào và ra mạch khuếch đại C nối đất khác với mạch B nối đất ở H.VI-9). H.VI-11b H.VI-11a H.VI-10 c. Mạch dao động điều hợp cực thu (H.VI-11a, b): - Có hai mạch liên quan đến mạch khuếch đại cực khiển nối đất và mạch khuếch đại cực phát nối đất. Hai sơ đồ này lần lượt giống như H.VI-9 và H.V-10, chỉ khác ở vị trí của khung dao động LC ở cực thu, khung LC cũng gồm LoCvoTo và lõi Ferit có cùng công dụng như các sơ đồ trên. 6. Mạch dao động thạch anh: Cấu tạo và đặc tính của tinh thể thạch anh đã nói ở chương IV. Mạch dao động thạch anh là mạch dao động có khung dao động LC được thay thế bằng tinh thể thạch anh, tương đương với khung dao động hai điểm. Tuy nhiên, như đã biết, tinh thể có hai tần số cộng hưởng là fc và fr: H.VI-15 được vẽ lại để nói thêm về hai tần số cộng hưởng này: fp f fc 0 H.VI-15 Để thuận lợi trong việc tính toán và cũng trong thực tế Rc rất nhỏ, ta cho Rc » 0 khi tính tổng trở tương đương với tinh thể thạch anh. Từ biểu thức trên ta biết được tần số cộng hưởng nối tiếp là tần số tương ứng với Zta = 0 và tần số cộng hưởng ứng với Zta = ¥. Từ LcCdw2 – 1 = 0 ta có Từ Cc + Cd - LcCcCdw2 = 0 ta có Tần số cộng hưởng nối tiếp rất ổn định vì nó đặc trưng cho đặc tính cơ khí rất ổn định và tính áp điện của tinh thể thạch anh. Tần số cộng hưởng song song fp kém ổn định hơn do điện dung điện cực Cd thay đổi theo nhiệt độ nhiều hơn. Ta cũng có thể thay đổi tần số thạch anh trong một phạm vi hẹp bằng cách mắc nối tiếp với một tụ điện tinh chỉnh CT như sau (H.VI-16): Tổng trở của thạch anh có giá trị mới như sau: H.VI-16 Tần số cộng hưởng nối tiếp mới bằng: Tụ điện CT làm mất tính ổn định do f’c phụ thuộc vào Cd và CT kém ổn định hơn Cc. Ta đã biết rõ đặc tính của của tinh thể thạch anh và bây giờ có thể tóm lược như sau: - Thạch anh có cảm kháng khi tần số ở trong khoảng fc < f < fp và dung kháng ở tần số ngoài khoảng này. - Tần số cộng hưởng nối tiếp fc ổn định hơn tần số cộng hưởng song song. - Do thạch anh tương đương với khung dao động hai điểm nên chỉ có thể lắp chung với hai tụ điện thành mạch dao động ba điểm điện dung, do vậy tần số dao động bắt buộc phải ở trong khoảng fc < fo < fp để thạch anh tương đương với cuộn cảm. Thạch anh cũng có thể lắp thành mạch hồi tiếp dương nối giữa ngõ ra với ngõ vào của mạch khuếch đại không đảo và làm việc ở tần số cộng hưởng nối tiếp ổn định hơn khi ở tần số làm việc có tính cảm kháng. Sau đây là một số mạch tiêu biểu: a. Mạch dao động Pierce: Hình H.V-17a,b là mạch dao động thạch anh Pierce dùng transistor và IC: b) a) Ra -K mạch khuếch đại đệm H.VI-18 H.VI-17 Tinh thể thạch anh XTAL là Z3; ; ;Z3 = Ltawj. Tần số dao động fo của mạch phải ở trong khoảng fc < fo < fp để Z3 là cảm kháng. Diode D ở sơ đồ a) giới hạn biên độ dao động, Rf là điện trở ổn định cho LC. Tinh thể thạch anh tương đương với cảm kháng L3wj của khung dao động ba điểm điện dung. b. Mạch dao động thạch anh ba điểm điện cảm: Khung dao động ba điểm điện cảm là Z1 = Lcwj, cảm kháng của tinh thể thạch anh Z2 = L2wj, cuộn kháng L2 có tụ điện tinh chỉnh T2, (H.VI-18) c. Mạch dao động nửa cầu (H.VI-19): Đây là mạch dao động nửa cầu RLC dùng thạch anh ở tần số cộng hưởng nối tiếp fc kiểu Meacham. Tín hiệu tại cực phát E và cực thu C lệch pha nhau 1800. H.VI-19 Khi tần số dao động bằng tần số cộng hưởng nối tiếp fc, thạch anh tương đương với điện trở Rc, Thermistor Rth khi ở biên độ qui định có điện trở bằng điện trở của thạch anh ở tần số cộng hưởng nối tiếp fc, do vậy khi biên độ tín hiệu dao động tăng, Rth giảm đến gần trị số bằng điện trở Rc của thạch anh do vậy biên độ được giới hạn ở mức qui định. Khung dao động LoCo cộng hưởng ở tần số fc của thạch anh. d. Mạch dao động có đường hồi tiếp dùng thạch anh (H.VI-20a, b): Sau đây các mạch điều hợp cực thu và mạch ba điểm điện dung có đường hồi tiếp dùng tinh thể thạch anh ở tần số cộng hưởng nối tiếp fc. a) H.VI-20 Tần số dao động các khung dao động được điều chỉnh cho bằng tần số cộng hưởng nối tiếp fc của thạch anh do vậy rất ổn định. Mạch dao động thạch anh, nhất là mạch có thạch anh dao động ở tần số cộng hưởng nối tiếp rất ổn định, có thể làm mạch dao động chủ máy phát vô tuyến truyền thanh hay mạch dao động phát tần số chuẩn cho các mạch tổng hợp tần số sẽ nói đến ở các phần sau. II. Vi mạch dao động quy mô lớn phát dạng sóng chuẩn: Trong các thập niên mới đây, các vi mạch dao động quy mô lớn được chế tạo gọi là vi mạch phát dạng sóng, phát được sóng dạng vuông, tam giác và sin với tần số thay đổi trong phạm vi lớn và điều biến được, có thể sử dụng vào nhiều mục đích như điều biến, phát xung chuẩn, phát dạng sóng chuẩn, v.v...Vi mạch tiêu biểu có sơ đồ khối như H.VI-21. Ra xung vuông đồng bộ +Vcc Ra Khuếch đại đệm Điều biến biên độ Chỉnh dạng sóng Dao động Điều khiển mức điện áp một chiều ra Điện áp điều khiển ra dạng sóng sin hay tam giác H.VI-21 Khối dao động phát sóng tần số cơ bản, khối chỉnh dạng sóng đổi dạng sóng, khối dao động thành sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác hay sóng dạng răng cưa tùy theo loại điện áp điều khiển bộ chuyển mạch. Khối điều biến nếu được sử dụng có thể phát sóng điều biến. Khối khuếch đại đệm cách ly khối dao động với phụ tải, ngoài ra còn thay đổi được mức điện áp một chiều tại ngõ ra. Ngõ ra xung đồng bộ vuông có thể dùng để tạo xung đồng bộ hay ra sóng vuông. Trước khi vi mạch vi mô lớn ra đời đã có vi mạch dao động quy mô trung, ta cần biết để hiểu rõ hơn về khối dao động : - Mạch dao động tiêu biểu trong vi mạch dùng hai transistor luân phiên nhau ngắt dẫn Q1Q2 cho một tụ điện Co nối từ bên ngoài được tuần tự nạp và phóng điện vào hai nguồn dòng điều khiển bằng điện áp từ bên ngoài(H.VI-22). VCo Vo Vo t t VCo = K.Vdk Vdk H.VI-22 Hình H.VI-23 là sơ đồ khối vi mạch dao động phát sóng chuẩn quy mô trungXR-2206 làm thí dụ. +1 H.VI-23 GND Phân dòng Đồng bộ ra hoặc nhân fra Vào FSK Điện trở định thì Tụ điện định thì +Vcc AM vào 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VCO Khối chuyển mạch Nhân tần số và chỉnh dạng sin Sóng có thể được điều tần hay điều biên bởi một tín hiệu từ bên ngoài. Sóng ra có dạng sin, vuông, tam giác hay dốc. Tần số có thể điều chỉnh từ 0.01 Hz đến 1MHz rất thích hợp trong viễn thông, đo lường, tạo hàm, phát sóng điều biên hay điều tần. Vi mạch có bốn khối: khối dao động điều tần bằng điện áp VCO, khối nhân tần số và chỉnh dạng sin và một nhóm bộ chuyển mạch. Khối dao động gồm hai transistor ghép tín hiệu ở cực phát có tần số dao động phụ thuộc vào tụ điện và điện trở nối từ bên ngoài và thay đổi được bằng điện áp điều khiển Uđk. Ngõ vào FSK (số 9) là ngõ đưa điện áp điều khiển vào cho tần số sóng ra thay đổi giữa f1 và f2 bằng cách điều khiển chuyển mạch giữa hai điện trở ở hai ngõ số 7 và số 8. Ngõ số 9 ra điện áp dạng vuông hoặc điện áp tạo xung đồng bộ. Khối +1 là mạch điện cho ra sóng sin hay tam giác. Tần số có điều biến bằng cách đưa tín hiệu điều biến em(t) vào cầu phân áp RcR’ nối vào ngõ số 7 hay số 8 như sau (H.VI-24): em(t) điều biến dòng điện từ vi mạch vào điện trở định thì, do vậy điều biến tần số. Các ngõ 13, 14, 15, 16 là ngõ điều chỉnh dạng sóng ra như hệ số chu kỳ sóng, chỉnh đối xứng v.v...Giáo trình chỉ giới thiệu một số vi mạch chức năng phát sóng đặc biệt mà không thể thay thế tài liệu hướng dẫn sử dụng được. em(t) 12 ngõ vào số 8 hoặc 7 điện trở định thì XR-2206 Trên đây là chỉ một trong nhiều vi mạch quy mô tích hợp lớn có chức năng đặc biệt dùng trong kĩ thuật, viễn thông, đo lường và các kĩ thuật khác. III. Mạch tổng hợp tần số: Mạch tổng hợp tần số là mạch tạo sóng có tần số xác định bằng cách tổng hợp nhiều sóng có tần số khác nhau. Có nhiều loại mạch tổng hợp tần số: - Mạch tổng hợp tần số dùng nhiều tinh thể thạch anh. - Mạch tổng hợp tần số dùng một tinh thể thạch anh. - Mạch tổng hợp tần số gián tiếp. - Mạch tổng hợp tần số dùng các mạch cộng phi tuyến và vòng khóa pha. Do vậy trước khi nói về các mạch tổng hợp tần số, cần phải nói về mạch khuếch đại phi tuyến, mạch cộng phi tuyến và vòng khóa pha. * Mạch khuếch đại phi tuyến: Nếu ta đưa đến ngõ vào của mạch khuếch đại tuyến tính có hệ số khuếch đại A một tín hiệu Vi = Vmsinwt thì tại ngõ ra ta có tín hiệu có biên độ lớn gấp A lần (H.VI-25a) : Vo = A.Vmsinwt. Tín hiệu tạo ngõ ra chỉ là tín hiệu đơn tần nếu tín hiệu vào cũng đơn tần. b) a) ra ra vào vào Vo = AVmsinwt Vi = Vmsinwt A Vi = Vmsinwt H.VI-25 Khác với trường hợp trên, nếu đưa vào một tín hiệu đơn tần Vi = Vmsinwt và nếu mạch khuếch đại không tuyến tính thì tại ngõ ra tín hiệu bằng: Vo = aVi + bVi2 + cVi3 + ... Vo = aVmsinwt + bVm2sin2wt + cVm3sin3wt + ... Vậy tín hiệu ra có thành phần tần số cơ bản, có các hài bậc 2, 3, v.v... tức là các thành phần có tần số 2w, 3w, v.v... Nếu đưa vào mạch khuếch đại tuyến tính tín hiệu nhiều tần số, thí dụ là hai tần số khác nhau w1 vàw2 như: Vi = V1sinw1t + V2 sinw2t. Tại ngõ ra ta có: Vo = AVi = a.V1sinw1t + a.V2 sinw2t. Nếu đưa tín hiệu nhiều tần số vào mạch khuếch đại phi tuyến thì tín hiệu ra bằng: Vo = aVi + bVi2 + cVi3 + ... = a[V1sinw1t + V2sinw2t] + b[V1sinw1t + V2sinw2t]2 + c[V1sinw1t + V2sinw2t]3 +... = (aV1sinw1t + bV12sin2w1t + cV13sin3w1t + ...) + (aV2sinw2t + bV22sin2w2t + cV23sin3w2t + ...) + (2aV1V2sinw1t.sinw2t + 3cV12V2sin2w1t.sinw2t + 3cV1V22sinw1t.sin2w2t + ...) Các số hạng trong dấu ngoặc trên có tần số w1, 2w1, 3w1, ... Các số hạng trong dấu ngoặc thứ hai có tần số w2, 2w2, 3w2 ... Các số hạng trong các ngoặc thứ ba có tần số w1 + w2, w1 – w2, 2w1 + w2, 2w1 – w2 v.v ... là tổng và hiệu của hai tần số nguyên thủy, là tổng và hiệu của hai tần số này với các bội tần của chúng, là tổng và hiệu của các bội tần của chúng. Nếu các thành phần tổng và hiệu các tần số có ngoài ý muốn của chúng ta thì hiện tượng này gọi là hiện tượng méo liên điều biến. Nếu các thành phần này được tạo ra vì các mục đích nhất định thì hiện tượng được gọi là sự điều biến. Các tần số tổng và hiệu mw1 + nw2 gọi là tần số điều biến chéo, m và n là các số nguyên dương. Các đổi tần số và mạch tổng hợp tần số ứng dụng hiện tượng này. * Mạch tổng hợp tần số nhiều tinh thể thạch anh: Loại mạch này chọn hai trong nhiều tần số khác nhau đưa vào mạch khuếch đại phi tuyến để có các tần số tổng hay hiệu theo ý muốn. H.IV-26 là mạch tổng hợp 20 tần số từ 20 tinh thể thạch anh để có 128 tần số khác nhau từ 510KHz đến 1790KHz với độ phân giải là 10KHz, có thể cho ra 106 tần số khác nhau làm sóng mang cho các đài phát thanh AM