Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số Chương 7 DAO ĐỘNG - TỔNG HP TẦN SỐ Dao động và tổng hợp tần số (THTS) - phần rất quan trọng của điện tử thông tin. Trong tài liệu này chỉ xét dao động sin cao tần. Mạch dao động biến đổi năng lượng điện nguồn một chiều thành xoay chiều. Thông số quan trọng nhất của bộ dao động: độ bất ổn tần số tương đối o o f ff − =ε . Trong đó f o - tần số dao động cần có; f - tần số dao động có được. Các mạch dao động LC cho ε = 10 -3, -4 . Dao động thạch anh có ε = 10 -6,-7,-8,-9 được dùng làm dao dộng chuẩn. o ff − gọi là độ bất ổn đònh tần số tuyệt đối. Các thông số khác của bộ dao động: công suất ra, dải tần, trở kháng ra. 7.1. NGUYÊN LÝ DAO ĐỘNG Amp i o v V V A    = Hồi tiếp o f f V V B    = o v  i v  f v  s v  Amp i o v V V A =  Hồi tiếp o f f V V B =  v f v i v o Hình 7.1. Sơ đồ nguyên lý dao động (a) (b) Mạch dao động gồm mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp dương đồng thời làm tải chọn lọc cao tần của khuếch đại. Độ lợi khuếch đại điện áp không hồi tiếp )đạikhuếchmạchvàoápđiện(V )đạikhuếchmạchraápđiện(V A i o v    = Một phần điện áp ra f V  đưa vế hồi tiếp dương cho mạch khuếch đại: Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp o f f V V B    = off V.BV  = - điện áp hồi tiếp ghép nối tiếp với nguồn điện áp kích khởi ban đầu s V  . Hồi tiếp âm nếu pha s V  và f V  ngược nhau, khi đó fsi VVV  −= giảm, điện áp ra o V  giảm. Hồi tiếp dương nếu s V  và f V  cùng pha dẫn đến o V  tăng tức là có dao động. Xét hồi tiếp dương: ofvsvvofsvfsvio V.B.AVAA)V.BV(A)VV(A.VV          +=+=+== Để có tự dao động thì s V  = 0 suy ra 1B.A fv =   Mạch điện tử 3 71 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số Điều kiện 1B.A fv =   còn gọi là tiêu chuẩn Barkhausen. Thông thường 1B.A fv ≥   , tức là mạch khuếch đại bù được suy hao của mạch hồi tiếp. Nếu 1B.A fv <   mạch không dao động. Dạng khác, s V  = 0 ta có : vf fv v i o A BA1 A V V       = − = vf A  - hệ số khuếch đại điện áp có hồi tiếp dương. Nếu 1B.A fv =   thì ∞→ vf A  mạch tự dao động. Từ tiêu chuẩn Barkhausen, có điều kiện dao động về biên độ và pha: A v .B f = 1 ϕ A + ϕ B = 2πn; n = 0, 1, 2, 3, … ϕ A , ϕ B pha của mạch khuyếch đại và mạch hồi tiếp. Xét mạch dao động dạng tổng quát về mặt xoay chiều (AC) gồm phần tử tích cực khuếch đại và mạch hồi tiếp gồm 3 phần tử kháng X l,2,3 đồng thời là tải cộng hưởng. Bỏ qua điện dung ký sinh bán dẫn và điện trở tổn hao của các phần tử kháng ta có mạch tương đương xoay chiều của bộ dao động. Coi BJT không có quán tính. Điều kiện dao động:              = = < > =++ B 1 A V V B 0x.x 0x.x 0xxx v o f f 31 21 321 L 1 L 2 C 3 Hình 7.3. Các dạng mạch dao động LC. L 1 C 1 L 2 C 1 C 2 L 3 C 1 C 2 L 3 C 3 Hartley Ghép biến áp Colpitt Clapp Hai dạng mạch dao động cơ bản thỏa điều kiện dao động: Hartley (3 điểm điện cảm) và Colpitt (3 điểm điện dung). Dao động ghép biến áp là biến thể Hartley và Clapp - biến thể của Colpitt. Lựa chọn thông số tối ưu cho khuếch đại của bộ dao động: I CO = vài mA. V CEo = 6V; Mạch điện tử 3 72 X 1 X 2 X 3 Hình 7.2. Mạch dao động về AC. Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số Mạch dao động tần số cao thường dùng nhất - Clapp cho độ ổn đònh cao, thứ đến - Colpitt, rồi Hartley. Mạch dao động Hartley thường dùng trong công nghiệp hoặc những nơi không cần ổn đònh tần số cao như lò tôi cao tần, dán cao tần. f B  f B  f B  o BA 180=ϕ=ϕ o BA 0=ϕ=ϕ o BA 0=ϕ=ϕ Hình 7.4. Các điều kiện pha của mạch dao động mắc CE, CB, CC. 7.2. PHÂN TÍCH MẠCH DAO ĐỘNG R B C B R E C 1 C 2 C B C B R L L +V CC Hình 7.5. Dao động Colpitt mắc CB. g m V R E C 1 C 2 R L L Hình 7.6. (a) Mạch tương đương tín hiệu nhỏ mắc CB của bộ dao động (b) Mạch tương đương sơ đồ (a) nhưng hở mạch hồi tiếp r i V g m V R E C 1 C 2 R L L r i V V o (a) (b) Giả sử bỏ qua điện trở ra BJT, R B đủ lớn, tụ C B coi như nối tắt về AC Ta có: |A v |.|B f | = 1 và ϕ A = ϕ B = 0 là điều kiện dao động. Tụ C 2 //R E //r i = )mA(I )mV(26 I V CC T = (điện trở vào tầng khuếch đại mắc CB) Hệ số phẩm chất Q của mạch dao động có tải lớn. Điện áp ngỏ ra mạch hồi tiếp: Mạch điện tử 3 73 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số 21 1o CC CV V + = Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng: 2 1 21 Ei Ei eq C CC Rr Rr R         + + = Hệ số truyền đạt         + == 21 1 o f CC C V V B . Tại cộng hưởng 21 21 o CC CC L 1 + =ω ; ϕ A = ϕ B = 0 và Leq Leq mLm o v RR R.R .gZ.g V V A + === . Trong đó Điều kiện dao động về biên độ: 1 CC C . RR R.R .gB.A 21 1 Leq Leq mfv = ++ = Nếu R E >> r i thì 1B.A; C CC rR fv 2 1 21 ieq ≥         + = thường chọn bằng 3 (bù trừ sai số gần đúng). Ở trạng thái xác lập: 3 CC C CC C rgB.A 21 1 21 1 imfv = + = + = Chọn R L >> R eq để ít ảnh hưởng tới trở kháng tương đương mạch cộng hưởng. Ví dụ: Cho sơ đồ trên, cho I C = lmA; V cc = 12V; f o = 20MHz, β = 100 Tính mạch dao động. Giải: Ω==== 26 mA1 mV26 I V g 1 r C T m i Chọn p500 2 C C 2 1 == có L = 0,19µH Ω=         + = 234 C CC rR 2 1 21 ieq Chọn R L = 1,5KΩ >> R eq C B = 1µF Ω=== k3 mA1 V3 I V R C E E Ω= −− = −− = k3 mA1 6312 I VVV R C CEEcc C Ω= −−− = β −−− = k530 100/1 76312 )/I( 7VVV R C REcc B c Mạch điện tử 3 74 R B C B R E C 1 C 2 C B C B R L L +V CC Hình 7.7. Mạch dao động Colpitt. 530K 0,1 3K 500p 500p 0,1 0,1 0,19 µ H 1,5K R C 3K 12V Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số 7.3. CÁC KIỂU MẠCH DAO ĐỘNG LC 1. Mạch dao động Clapp: C 1 C 2 C 3 L 3 RFC C E R E R 1 R 2 C B +V CC Hình 7.8. OSC - Clapp. Hệ số ghép ngõ ra mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng 1 eq C C C C X X P eq 1 == Trong đó 321eq C 1 C 1 C 1 C 1 ++= )CntCntC(L 1 3213 o =ω Nếu C 1,2 >> C 3 ⇒ C eq ≈ C 3 ⇒ 33 o CL 1 =ω và 1 C C P 1 3 <<= tức là ghép lỏng ngỏ ra mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng, giảm ảnh hưởng điện dung ký sinh BJT đến tần số dao động. Do đó mạch dao động Clapp ổn đònh hơn Colpitt. 2 1 C C f C C X X B 1 2 == 2. Mạch dao động Colpitt Mạch điện tử 3 75 C 1 C 2 L 3 RFC C E R E R 1 R 2 C B +V CC Hình 7.10. OSC - Colpitt. Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số R 1,2 >> h ie 21 21 3 o CC CC L 1 + =ω 2 1 C C f C C X X B 1 2 == 1K 2700 64 180 2,6K 0,01 1K +9V f o = 25MHz 0,01 0,01 0,65µH C B C 1 C 2 C 3 L 3 R E R B +V cc 200 20010µH f o = 10MHz Hình 7.11. Các kiểu mạch dao động. 3. Mạch dao động Hartley 321 o C)LL( 1 + =ω 1 2 L L f L L X X B 1 2 == C B C 3 L 1 RFC C E R E R 1 R 2 C B +V CC Hình 7.12. OSC - Hartley. C B L 2 1K 180 2,6K +9V f o = 10MHz 0,005 1,5µH 0,005 0,005 140 0,005 13/68 Mạch điện tử 3 76 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số 4. Mạch dao động điều hưởng ngỏ vào - ra (Tuned-input Tuned-output osc) Điện dung C ' bc khoảng vài pF chính là thành phần mạch hồi tiếp dương từ ngõ ra trở lại ngỏ vào. Điện áp ở cực C đảo pha so với B 180 o . Mạch hồi tiếp dương xoay pha thêm 180 o . L 2 C 2 cộng hưởng ở tần số dao động f o ; L 1 C 1 cộng hưởng ở f o1 hơi lớn hơn f o do đó tại f o . L 1 C 1 mang tính điện cảm L' 1 . Do c'b C X >> ' 1 L X nên nhánh L’ 1 C b'c mang tính dung kháng, dòng I A sớm pha hơn điện áp trên cực C là 90 o . Điện áp trên L’ 1 sớm pha so với dòng I A 90 o , tức là điện áp ' 1 L V sớm pha hơn so với điện áp trên cực C 180 o , thỏa điều kiện pha dao động ϕ A = ϕ B =180 o . Trong một vài trường hợp cần đệm thêm tụ nhỏ giữa cực C và B để thỏa điều kiện hồi tiếp dương dao động. C 1 C 2 L 1 RFC C E R E R 1 R 2 C 3 +V CC C 4 L 2 C b’c out C b’c L’ 1 I A Req (L 2 //C 2 ) (a) (b) Hình 7.13. (a) Mạch dao động điều hưởng ngõ vào - ra. (b) Mạch điện tương đương AC. 5. Dao động Pierce (Pierce osc) Xem xét 2 trường hợp riêng của Colpitt osc: C 1 C 2 L RFC C E R E R B C B +V CC Hình 7.14. Dao động Pierce. C 1 C 2 RFC C E R E R B C B +V CC L Tụ C B , C E coi như nối tắt về AC tại tần số dao động. Mạch dao động có tên Pierce. Điện trở R B không mắc song song vào mạch điều hưởng nên không làm giảm hệ số phẩm chất Q của nó, tức là tăng độ ổn đònh tần số bộ dao động. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Pierce osc Mạch điện tử 3 77 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số [ ] ( ) 122 122 1 CCe'bCe'bL CCe'bCe'bLm Co jXjXr/XjrjX jX)jXr/(XjrjXV.g VV −−− −−−− == trong đó: [ ] Le'bCe'bC e'bCe'bCo jX)rjX/(rjX )rjX/(rjXV V 22 22 ++−− +−− = thay thế V: )CLCCC(rjLC1 r.V.g V 21 2 21e'b1 2 e'bom o ω−+ω+ω− − = Để có xoay pha 360 o , phần ảo bằng không suy ra tần số dao động 21 21 o CLC CC + =ω Để thỏa điều kiện dao động xoay pha 360 o : 1LC 1 2 o >ω , tức là 1 C CC hay1 CLC LC)CC( 2 21 21 121 > + > + Từ điều kiện biên độ: 1B.A fv ≥ tại cộng hưởng, có: g m .r b’c = β > ω 2 LC 1 –1 = 1 C CC 2 21 − + hay βC 2 > C 1 7.4. ỔN ĐỊNH BIÊN ĐỘ DAO ĐỘNG: Các phân tích tuyến tính dao động thuận tiện cho xác đònh tần số dao động nhưng không đề cập tới biên độ. Có hai phương pháp thường dùng kiểm soát biên độ dao động: dao động tự giới hạn và mạch điều chỉnh biên độ. 1) Dao động tự giới hạn: độ lợi vòng 1B.A v > (thường bằng 2;3). Khi biên độ tăng, bán dẫn đạt đến trạng thái bão hoà, độ lợi vòng giảm dần đến trạng thái biên độ ổn đònh của dao động 2) Dùng mạch điều chỉnh biên độ: biên độ ra giới hạn nhờ giới hạn dòng Q 2 C 1 C 2 L R E Q 1 Q 2 V o Mạch điện tử 3 78 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số 7.5. ĐỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ BỘ DAO ĐỘNG Độ bất ổn đònh tần số tương đối ooo o f f f ff ω ω∆ = ∆ = − =ε Có hai loại bất ổn đònh tần số: - thời gian dài (thay đổi tần số từ từ do bất ổn nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, rung cơ học, nguồn v.v ) và thời gian ngắn (thay đổi tần số trong thời gian ngắn - một giây hay vài chu kỳ tín hiệu do nhiễu nhiệt, nhiễu shot). Độ bất ổn thời gian ngắn giảm khi hệ số phẩm chất Q mạch cộng hưởng tăng. Tần số dao động mạch cộng hưởng (mch): LC 1 o =ω . Dưới tác động các yếu tố gây sái dạng thông số L, C một lượng ∆L, ∆C. Tần số dao động bò trôi: )CC)(LL( 1 ∆+∆+ =ω . Khi đó độ bất ổn đònh tần số tương đối:       ∆ + ∆ −= ω ω∆ = ∆ ==ε C C L L 2 1 f f oo Để ε nhỏ chọn: L và C có hệ số nhiệt nhỏ biến thiên ngược nhau ( o C o L t.C C ; t.L L ∆ ∆− =α ∆ ∆ =α ; ∆t o độ biến thiên nhiệt độ) - công suất ra bộ dao động nhỏ - chống tác động rung cơ học - ổn đònh nhiệt độ mạch dao động - Nguồn cung cấp ổn đònh, tách biệt riêng cho phần dao động - Mạch cộng hưởng có Q lớn, dùng tầng đệm cách ly mạch dao động với tầng sau - Bán dẫn có tần số cắt cao, nhiễu thấp - Mạch và phân cực hợp lý Phân tích độ bất ổn đònh tần số mạch dao động ba điểm điện cảm, điện dung mắc Emitter chung: Mạch ba điểm điện dung : (3C): 2 2 2 1 1 1 o P. C C 2 1 P. C C 2 1 L L 2 1 f f ∆ − ∆ − ∆ −= ∆ =ε (l) trong đó: ; CC CC C; C C P; C C P 21 21 2 2 1 1 + === Mạch ba điểm điện cảm (3L) 2 2 2 1 1 1 o P. L L 2 1 P. L L 2 1 C C 2 1 f f ∆ − ∆ − ∆ −= ∆ =ε (2) Mạch điện tử 3 79 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số trong đó: ;LLL; L L P; L L P 21 2 2 1 1 +=== Trở kháng mạch cộng hưởng nhìn từ ngỏ ra BJT z e trong sơ đồ (3C): ω = ω ==ρ= 1 1 2 1 eq 2 1 2 1e C Q .P Q . C C R.PQ Pz Trong đó ; Q .C.z C C P 1e 1 1 ω == (3) Tương tự ở mạch (3L) QL.PQ. L L R.PQ Pz 11 2 1 eq 2 1 2 1e ω=ω==ρ= Trong đó ; QL z L L P 1 eq 1 1 ω == (4) Thế (3) vào (l) của mạch dao động (3C): [ ] L L 2 1 C.BC Q z. 2 1 f f 2 2 f1 e o ∆ −∆+∆ ω −= ∆ =ε trong đó 2 1 f C C B = Thế (4) vào (2) mạch dao động (3L) C C 2 1 L L .B L L Q z 2 1 f f 2 2 2 2 f 2 1 1e o ∆ −       ∆ + ∆ ω −= ∆ =ε ; 1 2 f L L B = Nhận xét: Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp B f càng nhỏ, độ ổn đònh tần số càng tăng, nhưng độ khuếch đại Av càng lớn, điện trở ra bán dẫn càng nhỏ gánh vào mạch cộng hưởng làm Q giảm, độ ổn đònh giảm. Do đó chọn B f không quá nhỏ. - z e càng nhỏ độ ổn đònh càng tăng nhưng sẽ khó thỏa điều kiện dao động do đó phải có sự lựa chọn dung hòa. - Q lớn, đôï ổn đònh tần số dao động tăng. Đây chính là lý do các mạch cộng hưởng bộ dao động luôn chọn có hệ số phẩm chất cao, ngoài ra còn có tác dụng loại hài bậc cao, lọc nhiễu. - Các phân tích trên bỏ qua ảnh hưởng thông số BJT. Thực chất nếu phân tích sâu, các thông số phức bán dẫn y 11 , y 12 , y 22 gánh vào mạch cộng hưởng. Phần thực các thông số đó gây tổn hao thêm ở mạch cộng hưởng, Q giảm, độ ổn đònh tần số giảm. Phần phức làm thay đổi tần số dao động. Việc lựa chọn linh kiện và mạch hợp lý giảm thiểu ảnh hưởng này. Điện trở R E góp phần làm tăng độ ổn đònh tần số. - Nguồn cung cấp cần ổn đònh riêng bởi lẽ thông số BJT phụ thuộc vào nó. - Để có đao động ổn đònh cao, dùng thạch anh có Q rất cao. 7.6. DAO ĐỘNG THẠCH ANH (CRYSTAL OSC) Mạch điện tử 3 80 [...].. .Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số Trong phần Crystal Filter đã đề cập tổng quát thạch anh dùng cho bộ lọc trung tần Phần này phân tích chi tiết hơn dao động thạch anh Mạch điện tương đương thạch anh (TA): gồm nhiều nhánh có tần số cộng hưởng nối tiếp gần bằng số lẻ tần số cơ bản (f s, fp) Các tần số này gọi là overtones Frequency Trong một khoảng tần số nhỏ quanh tần số cộng hưởng,... Khi điện áp vào VCO bằng 0, tần số dao động tự do là f N Khi điện áp điều khiển thay đổi một lượng ∆Vo, tần số ra thay đổi một lượng ∆fo Độ lợi chuyển đổi V to f của VCO: fo KHz 140 fN 100 60 Mạch điện tử 3 95 Vo -2 -1 0 1 2 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số ko = ∆fo (Hz/V) ∆Vo Tần số fN ở giữa vùng tuyến tính đáp tuyến Ví dụ khi điện áp vào thay đổi từ 1V đến -1 V, tần số tăng từ 60KHz đến 140KHz... 7.10 DAO ĐỘNG DÙNG IC Chất lượng kém hơn dùng linh kiện rời về nhiễu, về khả năng hoạt động tần số cao, độ ổn đònh tần số Nhiều IC hoạt động ở chế độ đa hài mà không cần gắn thêm linh kiện bên ngoài Tuy nhiên dùng IC có kích thước nhỏ, dễ ráp, giá rẻ 90 Mạch điện tử 3 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số C3 +Vcc 3 8 C4 9 1 C2 7 C5 2 5 C1 6 4 Hình 7.28 IC - OSC Phương pháp tính toán mạch dao động - Chọn... VCO ωo Q C I Q D Q C :2 Q Hình 7.44 Tần số VCO gấp hai lần tần số chuẩn ωr, tần số ra của Flip-Flop bằng tần số ωr nhưng góc pha giữa hai ngõ ra lệch 90o 104Mạch điện tử 3 Q Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số vo t I t Q t 90o Hình 7.45 7 Đồng bộ và phục hồi sóng mang Phương pháp thu tín hiệu với sai số nhỏ nhất là phương pháp nhất quán Ta cần biết chính xác tần số và pha của tín hiệu đến cho việc... giải mã Stereo, tổng hợp tần số Trước đây đa phần PLL bao gồm cả mạch số lẫn tương tự Hiện nay PLL số trở nên phổ biến Sơ đồ khối cơ bản PLL: Mạch điện tử 3 91 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số fi Phase Detector vi Vd(t) Low Pass Filter DC Amp fo Vout VCO fo Hình 7.29 Khi không có tín hiệu ngõ vào v i, điện áp ngỏ ra bộ khuếch đại V out bằng không, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên f N... LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực C R1 - Rf + Ngỏ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thành phần fo, fi, fi - fo, fi + fo, … Sau LPF chỉ còn thành phần tần số rất thấp (f i - fo) đến bộ khuếch đại lái tần số VCO bám theo fi Sau vài vòng điều khiển hồi tiếp PLL đồng bộ (khóa pha) được f i = fo, 94 Mạch điện tử 3 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số tần số phách ( (fi - fo) = 0 điện áp phân cực... song bò giới hạn ở tần số thấp Hầu hết các dao động hài lẻ TA đều ở các tần số cộng hưởng nối tiếp (hài 3 từ 20 ÷ 60MHz; hài 5 từ 60 ÷ 125 MHz và cao hơn) Mạch điện tử 3 85 Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số C1 CB L R1 R2 RE C1 gmV ZTA = rT RL C2 V ri L RL Vo C2 -Vcc Hình 7.20 Dao động thạch anh kiểu nối tiếp và mạch tương đương zTA - trở kháng TA; ri điện trở vào tiếp giáp B-E mắc CB ri 20MHz) trong khi kiểu dao động TA... Mạch điện tử 3 thời hằng 8.103 12.103 RF − 1 VCO output 5 Hình 7.34 = fo CF 0,01µF Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số - Ứng dụng: giải điều chế FM giải điều chế FSK, Modem, tổng hợp tần số, lọc bám, dao động, đồng bộ Data, giải điều chế AM, … khuếch đại IFFM, tách sóng Tone - Độ nhạy ngỏ vào tách sóng pha 100µV ÷ 1V - fi ≤ 30MHz R1 +Vcc C1 16 13 Timming Capacitor Co 15 14 Phase Detector C1 11 Deemphasis . Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số Chương 7 DAO ĐỘNG - TỔNG HP TẦN SỐ Dao động và tổng hợp tần số (THTS) - phần rất quan trọng của điện tử thông tin. Trong tài liệu này chỉ xét dao động. động cần có; f - tần số dao động có được. Các mạch dao động LC cho ε = 10 -3 , -4 . Dao động thạch anh có ε = 10 -6 ,-7 ,-8 ,-9 được dùng làm dao dộng chuẩn. o ff − gọi là độ bất ổn đònh tần số. của bộ dao động: I CO = vài mA. V CEo = 6V; Mạch điện tử 3 72 X 1 X 2 X 3 Hình 7.2. Mạch dao động về AC. Chương 7 - Dao động và tổng hợp tần số Mạch dao động tần số cao thường dùng nhất - Clapp