Thiết kế và ứng dụng thành công mạch analog

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 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 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.eiφk và (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht= Kht ejφht . Nếu đặt vào đầu vào tín hiệuXv và giả thiết KKht= 1 thì X`r = KKht xv Sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại Xv và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp Xr 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 . 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 Kht đều là những số phức, nên(1) có thể viết lại như sau: KKht = KKht ej(φk+φht) =1 (2) trong đó. K – modun hệ số khuyếch đại; Kht –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): KKht = 1 (3a) φ= φk + φht 2πn với n = 0, … (3b) - 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 Xv. 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 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: 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: (4) M- hệ số hỗ cảm của các cuộn dây; L - điện cảm của khung dao động. Điện áp ra bộ khuyếch đại: Ur = K* uht (5) Để xác định điện áp ra, viết phương trình dòng điện nút 1: (6) Thay (4) và (5) vào (6) và biến đổi ta được (7). (7) Để đơn giản, đặt: ; Do đó(7) được viết lại như sau: (8) Nghiệm của phương trình vi phân(8) là cos (9) Ta phân biệt ba trường hợp: 1) > 0, nghĩa là K*Kht <1, biên độ điện áp ra suy giảm dần theo hàm số mũ. Dao động tắt dần. 2) = 0, nghĩa là K*Kht = 1, điện áp ra là điện áp hình sin có tần số và biên độ không đổi. 3) 0 , biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ. Từ các trường hợp trên đây, có thể rút ra kết luận; để có dao động thì khi mới đóng mạch KKht 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 KKht =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 KKht = 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 (KKht = 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 KKht >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 KKht =1. Để đảm bảo ổn định biên đọ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện cấc biện pháp sau: Hạn chế biên độ điện áp bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp. Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuyếch đại luôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiều cho phần tử khuyếch đại đó. Dịch chuyển điểm làm việc trên đắc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuyếch đại . Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh, ví dụ điện trở nhiệt, điện trở thông của diot. - Tuỳ thuộc vào mạch liên cụ thể có thể áp dụng một trong những biện pháp trên. Khi xét đến mạch cụ thể, ta sẽ quan sát kỹ hơn vấn đề này. 2.2 Ổn định tần số dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha. Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số dao động. Trong điều kiện (3.b), cho n=0, ta có: = (10) Nói chung góc pha và phụ thuộc vào tham số các phần tử của mạch và phụ thuộc tần số. Do đó có thể viết lại điều kiện(10) một cách tổng quát như sau: (11) trong đó, m và n là đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch khuyếch đại và trong mạch hồi tiếp. Vi phân toàn phần (11) và biến đổi, ta nhận được biểu thức (12) (12) Từ (12) suy ra các biện pháp nhằm nâng cao độ ổn định tần số của mạch tạo dao động: Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số dm của mạch khuyếch đại đều ra tầng tạo dao động: Dùng nguồn ổn áp; Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ; Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động bằng cách mắc thêm tầng đệm ở đầu ra tầng dao động; Dùng các linh kiện có sai số nhỏ; Dùng các phần tử ổn nhiệt. Thực hiện các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số của mạch, nghĩa là giảm vàbằng cách chọn mạch tạo dao động thích hợp ( ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, hoặc ghép biến áp,…) Thực hiện các biện pháp làm tăng tần số dao động. Cụ thể là sử dụng các phần tử có phẩm chất cao (ví dụ dùng mạch cộng hưởng thạch anh), vì | và dùng phần tử tích cực có hệ số khuyếch đại lớn. Thông thường, nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt thì độ ổn định tần sốcủa các bộ tạo dao động điều hoà có thể đạt được trong khoảng 10-2 …10-3. Khi dùng các biện pháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10-4 hoặc cao hơn, trong trường hợp thạch anh có thể đạt được 10-6 …10-8. 3. Phương pháp tính toán mạch dao động Có nhiều phương pháp để tính toán mạch tạo dao động. Ở đây ta chỉ xét phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phương pháp bộ khuyếch đại có hồi tiếp. Nội dùng của phương pháp này xuất phát từ điều kiện cân bằng biên độ (3.a). Điều kiện cân bằng pha (3.b) không cần quan tâm đến, vì điều kiện này đã được kết cấu của mạch đảm nhiệm. Khi tính toán phảo căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuyếch đại và hệ số hồi tiếp rồi buộc tích của chúng bằng 1, từ đó suy ra các thông số cần thiết của mạch. Để minh hoạ, ta tính thử ví dụ sau: Ví dụ: Tính điều kiện tự dao động của mạch ba điểm điện dùng (mạch Colpitts) dùng transistor trên hình sau : Giải. Trước hết chấp nhận mạch ba điểm điện dung đã thoả mãn điều kiện cân bằng pha , ta tính điều kiện cân bằng biên độ của mạch: Bước1. Tính hệ số khuyếch đại : Hệ số khuyếch đại của mạch emito chung (13) Trong mạch điện trên, trở kháng giữa colecto và đất Zc là một phần trở kháng của khung cộng hưởng, nó được xác định như sau: Zc=P2Rtđ // Zvpa (14) trong đó, - P là hệ số ghép của transistor với khung cộng hưởng (15) Rtđ là trở kháng của khung cộng hưởng tại tần số cộng hưởng. Rtđ = (16) L – điện cảm của khung cộng hưởng; C - điện dung của khung cộng hưởng; r - điện trở tổn hao của khung cộng hưởng. - Zvpa là trở kháng vào phản ánh sang nhánh colectơ-emito, nếu giả thiết R1//R2 >>h11 ta có: Zvpa= (17) n- hệ số phản ánh (18) Thay (14), (15) và (17) vào (13) xác định được K= (19) Bước 2. Xác định hệ số hồi tiếp: Kht= (20) Bước 3: Tính tích KKht: KKht = (21) Bước 4. Xác định điều kiện dao động của mạch: (22) Thay (21) vào (22) và biến đổi, tìm được: n0 (23) Trong biểu thức (23) dấu “=”ứng với trường hợp dao động xác lập,còn dấu “<”ứng với trường hợp quá độ lúc mới đóng mạch. Bằng cách đó có thể tính điều kiện tự dao động cho các mạch khác nhau. Bước 5. Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tự dao động được: Thường n<<1 nên (23) được viết gần đúng: n2 (24) Giải(24)theo n, ta nhận được (25) Dạo hàm (24) và xét dấu, ta thấy (24) 0 khi n2 nn1 (26) Vậy nếu hệ số hồi tiếp n thoả mãn (26) thì trong mạch có dao động. Mạch có dao động hình sin (ở trạng thái xác lập) tại n1 hoặc n2. Bước 6. Xác định trị số các linh kiện mắc trong mạch qua hệ số hồi tiếp n theo (18) và qua tần số dao động của mạch: (27) III-Tính toán cụ thể: Theo đề bài chúng ta thiết kế mạch dao động 3 điểm điện dung với các thông số Pra=30mW; f0=70MHz; tỷ số =10-3. Đây là dạng bài thiết kế trong đó ta quan tâm đến tỷ số , tỷ số này chỉ là 10-3,với độ ổn định tần số như thêếnày chúng ta chỉ cần chọn mạch 3 điểm điện dùng thông thường colpitts mà không cần dùng đến mạch dao động thạch anh.Thông thường các mạch Colpitts có độ ổn định tần số nhỏ hơn 10-3. Với tần số cộng hởng f0=70MHz, mạch thiết kế để làm việc ở tần số cao , do vậy ta dùng transistor npn và cụ thể ở đây là transistor C828. Đối vơớimạch dao động thực tế khi không cung cấp nguồn1 chiều thì nó không dao động. Khi cấp nguồn 1 chiều thì dao động sẽ tăng dần lên và khi đến lúc nào đó thì dao động có biên độ không đổi. Chế độ công tác của bộ khuyếch đại phải chọn ở chế độ A, khi đóng điện sẽ đảm bảo >1, thì có dao động và biên độ tăng dần. Chế độ công tác chuyển từ chế độ A sang chế độ AB, chế độ B, chế độ C(khi đó UBE<0) và đạt được =1. Lúc này biên độ dao động không đổi. Ở đây ta sẽ chọn mạch Colpitts mắc B chung, tải bộ khuyếch đại là mạch cộng hưởng. Mạch cộng hưởng này vừa tham gia vào việc tạo tần số cộng hưởng f0, vừa tạo Dựa vào công thức tính tần số cộng hưởng f0= (1) Để có thể tính được các thông số của mạch ta chọn 1 giá trị linh kiện bằng hắng số, chọn C1=470pF. Với tần số cộng hưởng cần đạt được là 70MHz , ta thay vào (1) thì được: (2) Khi ta chọn phần tử khuyếch đại là C828 ta cũng biết được dòng ic=50mA ở trên cực collector.Ta có thể tính Pra=. Vậy ta có : (3) Mạch cộng hưởng vừa đóng vai trò tạo ra fo còn là tải bộ khuyếch đại: Zt=ZL//(ZC1+ZC2) (4) Giải các phương trình trên ta nhận được các giá trị sau: C1=470pF C2=119.91pF L=54nH Các phần tử dùng trong mạch là L,C,R, transistor. Trong đó L,C,R là các phần tử tuyến tính, còn transistor là phần tử phi tuyến.Muốn có dao động thì transistor phải làm việc ở chế độ phi tuyến. Đặc tính V-A của transistor: Các giá trị trên sẽ cho ta mạch dao động có công suất Pra=30mW, fo=70MHz III-Kiểm tra bản thiết kế Khi thực hiện ta thấy dao động có dạng sin nhưng chưa được chuẩn hơi méo, ta điều chỉnh các giá trị điện trở RB=RE=10k. Lúc này dạng sin nhận được đã chuẩn. Tụ C1=470pF đã quy chuẩn . Tụ C2=119.91pF chưa quy chuẩn nên ta sẽ dùng 4 tụ 470pF mắc nối tiếp với nhau rồi mắc song song với 1 tụ 1,8pF và đạt được 119.3pF. Ct= () pF Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung Colpitts B chung Dạng sóng đo được tại đầu ra tầng tạo dao động: IV- Phương án thi công Mạch in thiết kế: