Lời nói đầu

Ngày nay khi cuộc sống con người càng phát triển, các ứng dụng
nhằm đáp ứng các nhu cầu của đời sống cũng càng ngày càng phong phú.
Mức sống càng nâng cao, nhu cầu càng được thoả mãn nhiều hơn. Con
người cũng luôn tìm cách làm mình thư giãn hơn với các sản phẩm của
công nghệ. Các thiết bị điện tử đã và đang có chỗ đứng quan trọng trong
đời sống, nó đem đến những phương tiện giải trí cơ bản hay những sản
phẩm đa năng, đa dịch vụ, tương tác với con người. Một phần không thể
thiếu trong hầu hết các sản phẩm điện tử là mạch dao động. Các mạch tạo
dao động điều hoà thường được dùng trong các hệ thống thông tin, trong
các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế.v..v.v
Thiết kế mạch analog
_____________________________________________________________
MẠCH DAO ĐỘNG
I- Phân tích
Mạch dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau như dao
động hình sin (dao động điều hoà), tạo xung chữ nhật, tạo xung tam giác,
xung răng cưa hoặc tạo từng xung riêng biệt. Trong phần này ta chỉ xét các
mạch tạo dao động điều hoà; các mạch tạo dao động xung được xét đến
trong giáo trình “kỹ thuật xung”. Các mạch tạo dao động điều hoà có thể
làm việc trong dải tần từ vài Hz cho đến hàng nghìn MHz. Để tạo dao động
có thể dùng các phần từ tích cực như đèn điện tử, transistor lưỡng cục, Fet ,
mạch khuyếch 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 khuyếch 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 khuyếch đại để tạo dao động thì không
cần dùng các mạch bù tần số, vì mạch bù tần số làm giảm dải tần công tấc
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 ( nằm trong khoảng 10
-2
đến 10
-6
), công suất
ra 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
2
Thiết kế mạch analog
_____________________________________________________________
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.
II- Lập sơ đồ khối
1. Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động
Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động dùng sơ đồ khối
hình 1, trong đó (1) là khối khuyếch đại K= k.e
iφk
và (2) là khối hồi tiếp có
hệ số truyền đạt Kht= Kht e
jφht

. Nếu đặt vào đầu vào tín hiệuX
v
và giả thiết
KK
ht
= 1 thì X
`
r
= KK
ht
x
v


Sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp
Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại X
v
và tín hiệu ra của mạch hồi
tiếp X
r
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 .
3
Thiết kế mạch analog
_____________________________________________________________
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:
K.Kht=1 (1)
Vì K và K
ht
đều là những số phức, nên(1) có thể viết lại như sau:
KK
ht
= KK
ht
e
j(φk+φht)
=1 (2)

trong đó.
K – modun hệ số khuyếch đại;
K
ht
–modyn hệ số hồi tiếp;
φk – góc đi pha của bộ khuyếch đại;
φht- góc đi pha của bộ hồi tiếp.
Có thể tách biểu thức (2) thành hai biểu thức; một biểu thức viết theo
modun (3a) và một biểu thức viết theo pha (3b):
KK
ht
= 1 (3a)
φ= φ
k
+ φ
ht
2πn với n = 0,

2,1
±±
… (3b)
ϕ
- tổng dịch pha của bộ khuyếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự
dịch pha giữa tín hiệu ra mạch hồi tiếp X
`
- và tín hiệu vào ban đầu X
v
.
Quan hệ (3a) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy:
mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại có thể
bù được sự tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng
4
Thiết kế mạch analog
_____________________________________________________________
pha(3b) cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng
pha với tín hiệu vào.
Để minh hoạ ta xét mạch tạo dao động trên hình sau

Bộ khuyếch đại dùng khuyếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ thuận có
hệ số khuyếch đại:
*
1
1
*
1
2
)1(
11 K

R
RK
R
R
K
=
−
+=+=
Vì trở kháng ra của bộ khuyếch đại nhỏ, nên trong mạch mắc thêm
điện trở R để giảm ảnh hưởng của trở kháng ra đến trở kháng của khung
cộng hưởng LC.
Điện áp hồi tiếp về bộ khuyếch đại:
11
. uKu
L
M
u
htht
==
(4)
M- hệ số hỗ cảm của các cuộn dây;
L - điện cảm của khung dao động.
Điện áp ra bộ khuyếch đại:
U
r
= K
*
u
ht
(5)

Để xác định điện áp ra, viết phương trình dòng điện nút 1:
5
Thiết kế mạch analog
_____________________________________________________________
0
1
1
11
=−−
−
∫
dtu
Ldt
du
c
R
uu
r
(6)
Thay (4) và (5) vào (6) và biến đổi ta được (7).
0
1
1
*
2
2
=+
−
+
r

r
ht
r
u
LCdt
du
RC
KK
dt
ud
(7)
Để đơn giản, đặt:
RC
KK
ht
2
1
*
−
=
α
;
LC
1
2
0
=
ω
Do đó(7) được viết lại như sau:
02

2
0
2
2
=++
r
rr
u
dt
du
dt
ud
ωα
(8)
Nghiệm của phương trình vi phân(8) là
t
ror
euu
α
−
=
cos
t
o
2
2
αω
−
(9)
Ta phân biệt ba trường hợp:

1)
α
> 0, nghĩa là K
*
K
ht
<1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theo hàm
số mũ. Dao động tắt dần.
2)
α
= 0, nghĩa là K
*
K
ht
= 1, điện áp ra là điện áp hình sin có tần số
LC
o
1
=
ω
và biên độ không đổi.
3)
α
<0, nghĩa là K
*
K
ht
>0 , biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ.
6
Thiết kế mạch analog

_____________________________________________________________
Từ các trường hợp trên đây, có thể rút ra kết luận; để có dao động thì
khi mới đóng mạch KK
ht
phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần
cho đến khi bộ khuyếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà, hệ
số khyếch đại giảm dần sao cho KK
ht
=1. Lúc này có dao động ra, nhưng
không phải hình sin. Để có dao động điều hoà hình sin cần phải điều chỉnh
hệ số khuyếch đai sao cho KK
ht
= 1 và xác lập tại đó trước khi bộ khuyếch
đaạichuyển sang làm việc ở trạng thái bão hoà.
Từ sự phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đây của một
mạch tạo dao động:
- Mạch tạo dao động cũng là một mạch khuyếch đại, nhưng là mạch
khuyếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra và đầu vào. Năng
lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều.
- Muốn có dao động, mạch phải có kết cấu thoả mãn điều kiện cân
bằng biên độ (3a) và cân bằng pha(3b).
- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi
năng lượng một chiều thành xoay chiều.
- Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để
đảm bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập (KK
ht
= 1)
2. Ổn định biên độ dao động và tần số dao động
2.1 Ổn định biên độ dao động
Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha (3b) được thoả mãn

tại một tần số nào đó, đồng thời KK
ht
>1 thì trong mạch phát sinh dao động
ở tần số đó. Ta nói mạch ở trạng thái quá độ. Ở trạng thái xác lập, biên độ
không đối ứng với KK
ht
=1.
Để đảm bảo ổn định biên đọ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện cấc
biện pháp sau:
7