Vô tuyến điện đại cương - Chương 10: Dao động

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3 CHƯƠNG 10. Dao Động 1. Tiểu chuẩn cho dao động 2. Dao động Clapp 3. Dao động biến thiên tần số 4. Giới hạn độ lợi 5. Dao động tinh thể Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4 1. Tiểu chuẩn cho dao động  Criteria for Oscillation  Tiêu chuẩn chung:  Bộ khuếch đại : G  Tín hiệu vào x và tín hiệu ra là y  Mạch hồi tiếp đặc trưng bởi độ suy hao L • Tất cả các đại lượng đều là số phức  Nếu G  L : x và y phải bằng zero => không có dao động  Nếu G  L : cùng biên độ và pha • Biên độ : • Pha : • Biên độ suy hao là đường nằm ngang  Độ lợi và độ dịch pha của mạch khuếch đại phải bù lại phần suy hao do mạch hồi tiếp  Tiêu chuẩn về biên độ :  Tiêu chuẩn về pha : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5 2. Dao động Clapp  Clapp Oscillator  Mạch dao động biến tấn cộng hưởng LC  VFO : Variable-frequency oscillator  Mạch dao động sử dụng JFET cực nguồn dẫn theo  Mạch dao động Colpitts : hồi tiếp qua mạch chia tụ điện  Mạch dao động Hartley : hồi tiếp qua cuộn cảm  Mạch dao động Clapp  Gần giống với mạch dao động Colpitts.  Còn gọi là mạch JFET VFO  Mạch Clapp tương đương cho tín hiệu bé  JFET được thay bởi nguồn dòng, nguồn cung cấp được tiếp mát Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6 2. Dao động Clapp  Phân tích mạch:  Điện áp giữa gate-source : • Tương ứng với tín hiệu vào x • Dòng qua cực máng Id : ~ y • Độ lợi của tín hiệu bé: • Không có sự dịch pha  Điều kiện cộng hưởng : • Điện kháng trên hai nhánh của mạch hồi tiếp phải triệt tiêu lẫn nhau • Điện dung của mạch nối tiếp • Thay vào ta có • Dòng điện trên nhánh hồi tiếp : • Điện áp giữa gate-source : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7 2. Dao động Clapp  Điện áp trên cực source :  Viết lại điện áp giữa gate-source :  Độ suy hao :  Độ lợi ban đầu phải thoả mãn điều kiện:  Điện áp trên cực gate :  Xét trường hợp :  Ta có:  Độ suy hao  Điều kiện ban đầu : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8 3. Dao động biến thiên tần số  Variable-Frequency Oscillator  Xét hệ số nhiệt của một đại lượng x bất kỳ:  Biểu diễn qua hàm logarithm  Xét tần số cộng hưởng  Biểu diễn qua hàm logarithm  Hệ số nhiệt độ của tần số • : là hệ số nhiệt của cuộn cảm và tụ điện Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9 4. Giới hạn độ lợi  Gain Limiting  Mạch VFO (Variable-frequency oscillator)  Độ lợi phụ thuộc vào diode tách sóng (detector) • Diode tách sóng bắt đầu dẫn khi điện áp ở cực gate là cực đại dương • Khi diode dẫn, nó kéo các hạt tải chạy qua các tụ điện, làm cho cực gate phân cực âm => làm giảm độ lợi ban đầu gm  Khi điều kiện đầu vẫn còn thoả mãn thì dao động vẫn tăng : • Dao động sẽ không tăng khi điều kiện ban đầu đã thoả mãn điều kiện (cân bằng) Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 4. Giới hạn độ lợi  Điện áp trên cực gate và sourse : • Cả hai điện áp đều có dạng sóng hình sin  Điện áp đỉnh đối đỉnh của cực source : V  Điện áp đỉnh đối đỉnh của cực gate : 2V  Trong bộ dao động biến tần VFO:  Điện áp bù trên cực gate: • Vf : điện áp chuyển cho diode giới hạn  Điện áp giữa 2 cực gate-sourse = hiệu của 2 điện áp  Điện áp cực đại giữa cực gate-sourse :  Thay công thức trên vào ta có Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 4. Giới hạn độ lợi  Xét JFET ở trạng thái khởi động  Định nghĩa : Độ hỗ dẫn tín hiệu lớn  V, I : giá trị đỉnh-đỉnh của thành phần cơ bản • V : điện áp gate-source; I : dòng drain (cực máng)  Điều kiện dao động :  Dòng điện cực drain : • Idss : dòng khi điện áp Vgs = 0 ; • Vc : điện áp cắt (để dòng = 0), điện áp cut-off  Điện áp DC qua cực drain xác định qua dòng cực đại drain :  Sử dụng biểu thức gần đúng  Cuối cùng ta có : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 5. Dao động tinh thể  Crystal Oscillators  Mạch dao động thạch anh, mạch tương đương  Mạch cực phát dẫn  Điện trở nội phân cực : Re, Rb ; Ra : điện trở tải nội (internal)  C1, C2 : tụ điện ngoài, đóng vai trò mạch chia điện áp  X : cộng hưởng tinh thể ngoài (thạch anh) Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13 5. Dao động tinh thể  Xét mạch có tín hiệu bé  Dòng đi qua cực góp (tín hiệu ra) • : tín hiệu vào  Độ lợi tín hiệu bé  Mạch dao động tinh thể : tương đương với mạch gồm: tụ điện và cuộn cảm chuyển động : Cm , Lm  Điều kiện pha tại tần số cộng hưởng  Tần số cộng hưởng  Điện dung tổng cộng : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14 5. Dao động tinh thể  : điện trở tải  : độ dẫn của diode cực gốc-phát • I : dòng DC cực gốc phân cực • Vt : điện áp nhiệt (thermal) Vt = 25 mV ở nhiệt độ phòng  Thay thế các điện trở bằng điện trở tương đương R song song với dòng nguồn • Giả thiết: điện tích Q lớn  Điện trở R :  Điều kiện khởi động : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15 5. Dao động tinh thể  Xét tín hiệu lớn  Giá trị đỉnh-đỉnh của dòng cực phát, Io là dòng DC của nó  Giá trị đỉnh-đỉnh của điện áp ra trên điện trở tải cực phát  Nếu đóng vai trò chủ yếu • Bỏ qua các số hạng khác của điện trở  Viết lại biểu thức