Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 2: Các mạch tạo dao động

ung nếu thay h21e, h11e bởi h21b và h11b. 
 n = 
L
M
LIj
MIj
V
V
CB
EB =ω
ω=&
&
; 0 < n < 1 
 1==
td
CB
V
V
p 
Vcc 
Zt
R2 R1 
M
Ce 
C 
Re 
* *
L 
Hình 2.10. Sơ đồ mạch tạo dao động ghép biến áp mắc B chung
2.5.4 Mạch Clapp 
E
C2
C1
L
CCv 
Cr
Re
R1
R2 Ce
Vcc 
C3 
Rc
Hình 2.13. Sơ đồ mạch tạo dao động Clapp 
 35
Đây là biến dạng của mạch ba điểm điện dung. Nhánh điện cảm cần được thay bởi 
một mạch cộng hưởng gồm L, C nối tiếp mà trị số của chúng được chọn sao cho mạch có 
trở kháng tương đương với một điện cảm tại f = fdđ, nghĩa là 
C
L
dd
dd ωω
1> 
Hệ số ghép giữa transister và khung cộng hưởng: 
2
1
12 C
C
Cj
I:
Cj
I
V
Vn
CE
BE =ωω=−= 
n
V
VK
CE
BE
ht −== 
11 C
C
Cj
I:
Cj
I
V
V
p td
tdtd
CE =ωω== 
Trong đó : 
CCCCtd
1111
21
++= 
Thường chọn C C ≈ Ctd 
 => 1
11
<<==
C
C
C
Cp td 
Nghĩa là khung cộng hưởng ghép rất lỏng với BJT nhằm giảm ảnh hưởng của các điện 
dung phân bố của phân tử tích cực (BJT) (điện dung ra, điện dung vào) đến tần số dao 
động của mạch. 
 Tần số dao động của mạch : 
LCLC
ff
td
chdd ππ 2
1
2
1 ≈== 
Vì vậy C1, C2 và các điện dung vào ra của transistor hầu như không tham gia 
quyết định tần số dao động của mạch . Do đó sơ đồ Clapp cho phép tạo dao động có tần 
số ổn định hơn các loại sơ đồ ba điểm khác. 
Theo điều kiện cân bằng biên độ ta xác định được phương trình: 
 .1
.
.
.
).).(( 2
111
22
2
21
2
11
2
1
2
2
11
2
1
2
11
21 ≥+=+
−−
ChnRC
CRnh
n
h
C
RC
n
h
C
RC
h
hn
etd
tde
etd
etd
e
e 
Suy ra: 
 0211121
2 ≤+− )
C
C(hRnhRn etdetd 
 36
 ⇔ 0
2
2 2111212 ≤+− )
C
C(
R
h
n
h
n
td
ee 
Từ đó tính được : 
2
111
2
2121
2,1 22
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛±=
C
C
R
hhhn
tâ
eee 
2.5.5 Các mạch tạo dao động dùng thạch anh 
 Tinh thể thạch anh (quartz crystal) là loai đá trong mờ trong thiên nhiên có cấu tạo sáu 
mặt và hai tháp ở hai đầu (hình 2.14) có nhiều ở nước ta. Thạch anh chính là dioxid 
silicium SiO2 cùng chất làm lớp cách điện ở transitor MOSFET. Ở tinh thể thạch anh có 
các trục mang tên Z, X, Y. Trục Z xuyên qua hai đỉnh tháp, trục X qua hai cạch đối và 
thẳng góc với trục Z (có 3 trục X), trục Y thẳng góc với hai mặt đối (có 3 trục Y). 
 Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng đựơc cắt ra từ tinh thể. 
Tùy theo mặt cắt thẳng góc với trục nào mà lát thạch anh có dặc tính khác nhau. Thường 
trục cắt là AT (thẳng góc với trục Y, song song với trục X và tạo với trục Z một góc 
35o15’). Lát thạch anh có diện tích mặt khoảng một đến vài cm2 được mài mỏng đến vài 
mm sao cho hai mặt thật phẳng và thật song song. Hai mặt này được mạ kim loại (vàng 
hay bạc) và hàn với hai điện cực làm chân ra. Kế đến lớp thạch anh được bọc trong một 
lớp bột cách điện và được đóng trong hộp thiết kín có hai chân ló ra, bên trong có thể 
được hút hết không khí. 
thạch anh
bạc
điện cực 
(chân ra) 
(trục điện) 
X 
(trục cơ) 
Y 
Z (trục quang) 
 Đặc tính của tinh thể thạch anh là hiêu ứng áp điện (piezoelectric) theo đó khi ta áp hai 
mặt của lát thạch anh thì một hiệu điện thế xuất hiện giữa hai mặt, còn khi ta kéo dãn hai 
mặt thì hiệu điện thế có chiều ngược lại. Ngược lại, dưới tác dung của hiệu thế xoay chiều 
lát thạch anh sẽ rung ở tần số không đổi và như vậy tạo tín hiệu xoay chiều ở tần số không 
đổi. Tần số dao động của thạch anh tuỳ thuộc vào kích thước của nó (đặc biệt là chiều 
dày) và mặt cắt. Tần số dao động thay đổi theo thời gian và nhiệt độ môi trường nhưng 
nói chung rất ổn định. Ảnh hưởng quan trọng nhất lên thạch anh là nhiệt độ. Khi nhiệt độ 
Hình 2.14. Tinh thể, cấu tạo và hình dạng linh kiện thạch anh 
 37
thay đổi, kích thước của lát thạch anh thay đổi dẫn đến tần số dao động thay đổi theo, 
nhưng dù sao cũng tram ngàn lần ổn định hơn các mạch không dùng thạch anh. Do đó 
trong những ứng dung cần ổn định tần số rất cao người ta phải ổn định nhiệt độ thạch anh. 
Các đồng hồ chỉ giờ (đeo tay, treo tường) đều dùng dao động thạch anh. 
2.5.4.1. Tính chất và mạch tương đương của thạch anh 
Lq, Cq, rq : phụ thuộc kích thước 
khối thạch anh và cách cắt khối 
thạch anh. 
Cq: Điện dung tạo bởi 2 má ghép 
với đầu ra. 
Thông thường rq rất nhỏ có thể bỏ 
qua. 
+ Thạch anh được cấu tạo từ SiO2, được sử dụng khi yêu cầu mạch dao động có 
tần số ổn định cao vì hệ số phẩm chất Q của nó rất lớn. 
B 
A 
A
Lq
Cq
rq
B
Hình 2.15. Ký hiệu và mạch tương 
đương của thạch anh 
Cp
+ Thạch anh có tính chất áp điện : Điện trường - sinh dao động cơ học và dao động 
cơ học - sinh ra điện tích. 
Do đó có thểdùng thạch anh như một khung cộng hưởng. 
Bỏ qua rq (rq = 0) thì trở kháng tương đương của thạch anh được xác định : 
)..(
1
11
1.1
2
2
qpqqp
qq
pq
q
pq
q
qq CCLCC
CL
j
CjCj
Lj
CjCj
Lj
XZ ωω
ω
ωωω
ωωω
−+
−=
++
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +
== (*) 
Gọi fdđ là tần số dao động của 1 mạch 
Từ (*) thạch anh có 2 tần số cộng hưởng: 
- Tần số cộng hưởng nối tiếp fq ứng với Zq = 0 
qq
q CL
f
.2
1
π= 
- Tần số cộng hưởng song song : fp ứng với Zq = ∞ 
pqq
qq
p CCL
CC
f
+
π= 2
1
p
q
q
td C
C
f
LC
+== 1
2
1
π 
 38
Trong đó : 
pq
pq
td CC
CC
C += Cq nối tiếp Cp 
Khi Cp >> Cq => fp ≈ fq . Dựa vào đặc tính điện kháng ta thấy 
ƒ Nếu fdđ < fq - Thạch anh ⇔ C 
ƒ Nếu fq < fdđ < fp -T.anh ⇔ L 
ƒ Nếu fdđ >fp - Thạch anh ⇔ C 
™ Các thông số đặc trưng của T.A: 
ƒ fq : 1KHz ÷ 100MHz. Các 
thạch anh có tần số thấp hơn ít 
được sản xuất, vì loại này kích 
thước lớn hơn và đắt tiền. 
Thực tế, người ta thường sản 
xuất thạch anh có tần số fq : 
50KHz ÷ 1MHz vì chọn được 
mặt cắt có tính ổn định nhất 
cho thạch anh. 
jXq 
fq f
Hình 2.16. Đặc tính điện kháng của thạch anh 
fp 
Nối tiếp Song song 
rq =0 
qq
q
td rC
L
R =⇒ rất lớn 54 1010 ÷===
q
q
q
q
q
td r
C
L
L
C
RQ rất lớn 
Độ ổn định tần số : 
 106
0
1010 −− ÷≈∆
f
f 
Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong một phạm vi hẹp, người ta mắc 
nối tiếp thạch anh với một tụ biến đổi Cs như hình vẽ. 
qCS 
Tần số cộng hưởng nối tiếp của nó : 
Hình 2.17
sq
q
qq CC
C
ff ++= 1
/ 
Lượng thay đổi tần số do mắc thêm Cs vào: 
 39
sq
q
sp
q
q
qq
q CC
C
CC
C
f
ff
f
f
+=−++=
−=∆
2
111
/
2.5.4.2. Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song 
Rb2 
Rc
Re C2
C1
Ce
Rb1
q
CS 
Vcc
Hình 2.18. Mạch bộ dao động dùng thạch anh 
với tần số cộng hưởng song song 
Nhánh thạch anh mắc nối tiếp với tụ Cs tương đương với 1 điện cảm để mạch có 
thể dao động dưới dạng 3 điểm điện dung. 
Lúc đó phải chọn thạch anh sao cho: 
 fq< fdd < fp và tddd
sdd
L
c
ωω <
1 
2.5.4.3. Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp 
Vcc
R2R1
Re 
C3
q C1
C2
L3
R1R2
Cs 
Ce Re 
H i 
tần số cộng hưởng nố p biến áp, EC
ình 2.19. Mạch dao động dùng thạch anh vớ
i tiếp, ghé
q 
Vcc
Hình 2.20. Mạch d.động thạch anh với tần số 
cộng hưởng nối tiếp, ba điểm điện dung, BC 
 40
q
Re R1 R2
T1C1 
ReR3 R4Rc
T2
Lk Ck 
Vcc
 Hình 2.21. Mạch bộ dao động dùng thạch anh với tần số 
cộng hưởng nối tiếp hồi tiếp qua hai tầng khuếch đại 
Trong 3 sơ đồ trên, thạch anh được mắc hồi tiếp và đóng vai trò như 1 phân tử 
ghép có tính chọn lọc đối với tần số. 
Khi fdđ ~ fq (nối tiếp) thì trở kháng Xq = 0 - hạ áp trên thạch anh nhỏ làm điện áp 
hồi tiếp về tăng lên và mạch tạo ra dao động với tần số fdd = fq
2.5.5. Mạch điện các bộ tạo dao động RC 
™ Đặc điểm chung của các bộ tạo dao động RC: 
1. Thường dùng ở phạm vi tần số thấp thay cho các bộ LC vì kích thước của bộ tạo 
dao động LC ở tần số thấp quá lớn. 
2. Không có cuộn cảm, do đó có thể chế tạo nó dưới dạng vi mạch 
3. Trong bộ dao động RC - fdd tỉ lệ với 1/C, còn trong bộ dao động LC thì fdd tỉ lệ 
với 
C
1 trong bộ dao động RC dễ dàng thay đổi fdd với bộ dao động LC 
4. Yêu cầu bộ dao động RC làm việc ở chế độ A để giảm méo 
5. Vì khâu hồi tiếp (gồm các phân tử R,C) phụ thuộc tần số, nên mạch sẽ tạo được 
dao động tại tần số mà điều kiện pha được thỏa mãn 
™ Bộ dao động RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp: 
R1
R2C
R
C
RR 
C 
V2 
I3 I2 I1 
V1 
Vr 
Hình 2.22. Mạch dao động RC 
 41
Hệ phương trình : 
23
32
321
121
021
021
1
VRI
IR
Cj
RI
RIIR
Cj
RI
VRIIR
Cj
&
&
=
=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++−
=−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++−
=−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +
ω
ω
ω
Hệ số truyền đạt của mạch : 
 ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
ω−ω+ω−== RC)RC(j)RC(V
VK 6151 32
2
1
&
&& 
* Phần ảo = 0 
RC.6
1=ω⇒ 
Thay 
RC.6
1=⇒ω vào phần thực ta tính được điều kiện cân bằng biên độ : 
21
2
1
2
2929
29301
).(
51
RR
R
RK
CR
K
=⇒==⇒
=−=−= ω 
™ Mạch dao động dùng mạch lọc T và T - kép trong mạch hồi tiếp : 
1 
2 3 
C 
R R 
2R C/2 
C
V2 R 
C C 
1 2 
R 
V1 V2
V1
Hình 2.23. Mạch bộ dao động dùng mạch lọc 
T và T kép trong hồi tiếp 
• Với mạch lọc T, viết phương trình dòng điện cho nút 1 và 2, từ đó xác định được hệ số 
truyền đạt: 
 42
aja
aja
V
VK
v
r
ht
31
21
2
2
+−
+−== −
−
−
 trong đó 
RC
a ω
1= 
222
2
222
222
6)1(
)1(
9)1(
4)1(
aa
aaarctg
aa
aaK
ht
ht
+−
−=
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+−
+−=
ϕ
ϕht = 0 khi a = 1 tức RCdd
1=ω 
Thay a = 1 vào kht ta tìm được : 
3
2== htmunht KK 
• Với mạch lọc T kép: 
aja
a
V
VKht 4)1(
1
2
2
1
2
+−
−== với 
RC
a ω
1= 
 Từ đó ta suy ra : 2 phương trình Module và pha: 
22
222
2
1
4
1
4
16)1(
1
a
aarctg
a
aarctg
aa
aK
ht
ht
−=−
−=
+−
−=
ϕ
Khi a = 1 
RCdd
1=⇒ω và 
2
πϕ ±=ht 
Và Kht = Khtmun = 0 
• Mạch tạo dao động vùng KĐTT có mạch T trong mạch nối tiếp: 
C C 
R 
R 
R1
R2
Vr 
Hình 2.24. Mạch bộ dao động dùng KĐTT có 
mạch lọc T trong mạch hồi tiếp 
 43
R1, R2 : Mạch hồi tiếp dương; T : Hồi tiếp âm 
Tại 
3
2)(: =−htdd Kω 
Vì Ko của KĐTT rất lớn => 
 và )(
)(
−=+ htht KK
12
21
2 2
3
2
)(
RR
RR
RKht =⇒=+=+ 
Chính là điều kiện cân bằng biên độ của mạch.