Giáo trình Mạch điện tử - Chương 10: Mạch dao động - Trương Văn Tám

5 Dao động Hartley (hartley oscillators) 
 Cũng giống như dao động colpitts nhưng vị trí của cuộn dây và tụ hoán đổi 
nhau. 
 Z1 = L1; Z2 = L2; Z3 = C1
Trương Văn Tám X-19 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Hai cuộn cảm L1 và L2 mắc nối tiếp nên điện cảm của toàn mạch là L = L1 
+ L2 + 2M với M là hổ cảm. 
 Từ điều kiện: Z1 + Z2 + Z3 = 0 tại tần số cộng hưởng với 
 Z1+Z2=Zl=jω0L 
 Ta cũng có thể dùng mạch cực thu chung như hình 10.23 
Trương Văn Tám X-20 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
10.3 DAO ÐỘNG THẠCH ANH (crystal oscillators) 
 10.3.1 Thạch anh 
 Tinh thể thạch anh (quaRtz crytal) là loại đá trong mờ trong thiên nhiên, 
chính là dioxyt silicium (SiO2). 
 Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra 
từ tinh thể. Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác nhau. Lát thạch anh có 
diện tích từ nhỏ hơn 1cm2 đến vài cm2 được mài rất mỏng, phẳng (vài mm) và 2 mặt thật 
song song với nhau. Hai mặt này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài để dễ sử dụng. 
 Ðặc tính của tinh thể thạch anh là tính áp điện (piezoelectric effect) theo đó 
khi ta áp một lực vào 2 mặt của lát thạch anh (nén hoặc kéo dãn) thì sẽ xuất hiện một điện 
thế xoay chiều giữa 2 mặt. Ngược lại dưới tác dụng của một điện thế xoay chiều, lát 
thạch anh sẽ rung ở một tần số không đổi và như vậy tạo ra một điện thế xoay chiều có 
tần số không đổi. Tần số rung động của lát thạch anh tùy thuộc vào kích thước của nó đặc 
biệt là độ dày mặt cắt. Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung động của thạch anh cũng thay 
đổi theo nhưng vẫn có độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao động không dùng 
thạch anh (tần số dao động gần như chỉ tùy thuộc vào thạch anh mà không lệ thuộc mạch 
ngoài). 
 Mạch tương đương của thạch anh như hình 10.25 
 Tinh thể thạch anh cộng hưởng ở hai tần số khác nhau: 
Trương Văn Tám X-21 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Ta có thể dùng thạch anh để thay thế mạch nối tiếp LC, mạch sẽ dao động ở tần 
số fS. Còn nếu thay thế mạch song song LC, mạch sẽ dao động ở tần số fp (hoặc fop). Do 
thạch anh có điện cảm LS lớn, điện dung nối tiếp rất nhỏ nên thạch anh sẽ quyết định tần 
số dao động của mạch; linh kiện bên ngoài không làm thay đổi nhiều tần số dao động 
(dưới 1/1000). Thường người ta chế tạo các thạch anh có tần số dao động từ 100khz trở 
lên, tần số càng thấp càng khó chế tạo. 
Trương Văn Tám X-22 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 10.3.2 Dao động thạch anh: 
 Dao động dùng thạch anh như mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là mạch 
dao động Pierce (Pierce crystal oscillator). Dạng tổng quát như sau: 
 Ta thấy dạng mạch giống như mạch dao động clapp nhưng thay cuộn dây và tụ 
điện nối tiếp bằng thạch anh. Dao động Pierce là loại dao động thông dụng nhất của thạch 
anh. 
 Hình 10.29 là loại mạch dao động Pierce dùng rất ít linh kiện. Thạch anh nằm trên 
đường hồi tiếp từ cực thoát về cực cổng. 
 Trong đó C1 = CdS; C2 = CgS tụ liên cực của FET. 
 Do C1 và C2 rất nhỏ nên tần số dao động của mạch: 
 và thạch anh được dùng như mạch cộng hưởng song song. 
Trương Văn Tám X-23 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Thực tế người ta mắc thêm một tụ tinh chỉnh CM (Trimmer) như hình 10.29 
và có tác động giảm biến dạng của tín hiệu dao động. 
 Ta có thể dùng mạch hình 10.30 với C1 và C2 mắc bên ngoài. 
 Trường hợp này ta thấy thạch anh được dùng như một mạch cộng hưởng 
nối tiếp 
10.4 DAO ÐỘNG KHÔNG SIN 
 10.4.1 Dao động tích thoát dùng OP-AMP (op-amp relaxation oscillator) 
 Ðây là mạch tạo ra sóng vuông còn gọi là mạch dao động đa hài phi ổn 
(astable mutivibrator). Hình 10.31 mô tả dạng mạch căn bản dùng op-amp 
 Ta thấy dạng mạch giống như mạch so sánh đảo có hồi tiếp dương với điện thế 
so sánh vi được thay bằng tụ C. 
Trương Văn Tám X-24 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Ðiện thế thềm trên VUTP=β.(+VSAT)>0 
 Ðiện thế thềm dưới VLTP=β.(-VSAT)<0 
 Giả sử khi mở điện v0 = +VSAT, tụ C nạp điện, điện thế hai đầu tụ tăng dần, 
khi VC (điện thế ngõ vào -) lớn hơn vf = VUTP (điện thế ngõ vào +) ngõ ra đổi trạng thái 
thành -VSAT và vf bây giờ là: vf = VLTP = β.(-VSAT). Tụ C bắt đầu phóng điện qua R1, khi 
VC = 0 tụ C nạp điện thế âm đến trị số VLTP thì mạch lại đổi trạng thái (v0 thành +VSAT). 
Hiện tượng trên cứ tiếp tục tạo ra ở ngõ ra một dạng sóng vuông với đỉnh dương là +VSAT 
và đỉnh âm là -VSAT. Thời gian nạp điện và phóng điện của tụ C là chu kỳ của mạch dao 
động. 
 Do tụ C nạp điện và phóng điện đều qua điện trở R1 nên thời gian nạp điện 
bằng thời gian phóng điện. 
 Khi C nạp điện, điện thê 2 đầu tụ là: 
Trương Văn Tám X-25 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Thực tế |+VSAT| có thể khác |-VSAT| nên để được sóng vuông đối xứng, có thể sử 
dụng mạch như hình 10.33 
 Trong các mạch hình trên ở ngõ ra ta được sóng vuông đều (t1 = t2). Muốn 
t1 ≠ t2 ta có thể thế R2 bằng mạch 
Trương Văn Tám X-26 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
10.4.2 Tạo sóng vuông, tam giác và răng cưa với mạch dao động đa hài: 
 Dạng tín hiệu ra của mạch dao động tích thoát có thể thay đổi nếu ta thay 
đổi các thành phần của hệ thống hồi tiếp âm. 
 a. Tạo sóng tam giác: 
 Một cầu chỉnh lưu và JFET được đưa vào hệ thống hồi tiếp âm như hình 
10.35. Ðể ý là điện thế tại cực thoát D của JFET luôn dương hơn cực nguồn S (bất chấp 
trạng thái của ngỏ ra V0). JFET như vậy hoạt động như một nguồn dòng điện và trị số 
của nguồn này tùy thuộc JFET và R1 khi VDS lớn hơn 3v. Thí dụ với JFET 2N4221, ta 
có: 
 - Giả sử v0 = +VSAT thì D1, D2 dẫn. Dòng điện qua D1, JFET, D2 nạp vào tụ 
C từ trị 
số 
 - Khi vC = VUTP, v0 đổi trạng thái thành -VSAT; D3, D4 dẫn, tụ C phóng điện 
cho đến hết và nạp điện thế âm đến VLTP trong thời gian tn. Sau đó hiện tượng lại tiếp tục. 
Trương Văn Tám X-27 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Nếu 4 diode đồng nhất thì ta có thời gian nạp điện bằng thời gian phóng 
điện, tức tp = tn, và chu kỳ dao động T = tp + t= = 2tp
 Như vậy ở ngõ ra ta có sóng vuông và ở ngõ vào trừ ta có sóng tam giác. 
 b. Thay đổi độ dốc của sóng tam giác 
 Ðể thay đổi độ dốc của sóng tam giác ta phải thay đổi tp và tn (nếu tp ≠ tn ta 
có sóng tam giác không đều). Muốn vậy ta tạo dòng nạp và dòng phóng khác nhau. 
 Gọi dòng phóng là In và dòng nạp là Ip, ta có: 
 Mạch minh họa như hình 10.37 
 c. Tạo sóng răng cưa: 
 Ðể tạo sóng răng cưa ta tìm cách giảm thật nhỏ thời gian phóng điện. Có 
thể dùng mạch như hình 10.38 
Trương Văn Tám X-28 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 - Thời gian C phóng điện qua Dn rất nhỏ (vài chục micro giây). 
 - Chu kỳ dao động T = tp + tn ≠ tp
10.4.3 Tạo sóng tam giác từ mạch so sánh và tích phân: 
 Ta xem mạch tích phân sau đây: 
 Giả sử ở thời điểm t = 0, SW ở vị trí 1 (Ei = 15v) dòng điện qua R là: 
 . 
 Dòng điện này sẽ nạp vào tụ C để tạo ra v0 (giảm dần) 
Trương Văn Tám X-29 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Giả sử khi v0 = VLTP ta chuyển SW sang vị trí 2, tụ C sẽ phóng điện và nạp 
theo chiều ngược lại để tạo ra v0 (dương dần). 
 Khi v0 = VUTP ta chuyển SW sang vị trí 1. Mạch tiếp tục hoạt động như 
trước. 
 Ðể tự động bộ giao hoán và tạo dòng hằng cho tụ điện của mạch tích phân, 
người ta có thể dùng một mạch so sánh và mạch tích phân ghép với nhau; xong lấy ngõ ra 
của mạch tích phân làm điện thế điều khiển cho mạch so sánh. Toàn bộ mạch có dạng 
như hình 10.41 
 Ðể phân giải mạch ta chú ý là khi ngõ ra của mạch so sánh bảo hòa dương 
(+VSAT) thì v0 = VZ + 0.7v = V0 > 0. Còn khi bảo hòa âm v0= -(VZ+0.7v) = -V0 < 0. 
Trương Văn Tám X-30 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Ðiện thế đỉnh - đỉnh của tam giác: 
 Chú ý là nếu VR = 0 thì Vmax = -Vmin
 Xác định tần sô: 
+ Khi VS ≠ 0 
 Khi v0 = -V0 (đường tiến) thì ta có: 
Trương Văn Tám X-31 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 10.4.4 Tạo sóng tam giác đơn cực: 
 Ta xem lại mạch tạo sóng tam giác khi VR = 0 
 Và khi VS = 0 → tp = tn
 Ðể tạo sóng tam giác đơn cực (giả sử dương) ta mắc thêm một diode nối tiếp với 
R1 như hình 10.43a 
 Khi v0 = -V0: diode D dẫn 
 Khi v0 = +V0: diode D ngưng 
Trương Văn Tám X-32 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
 Muốn tạo sóng tam giác đơn cực âm ta chỉ cần đổi chiều của diode D. Tần 
số dao động không thay đổi. 
 10.4.5 Tạo sóng răng cưa: 
 Như phần trước, để tạo sóng răng cưa, ta giảm nhỏ T2. Muốn vậy, ta tạo 
điều kiện cho tụ C của mạch tích phân phóng điện nhanh. Ta có thể dùng mạch như hình 
10.44. Do Ei âm, khi mở điện tụ C nạp tạo v(t) dương (tích phân đảo) tăng dần từ 0v. Lúc 
này do Vref > 0 và lớn hơn v(t) nên v0 ở trạng thái -VSAT ( diode D và transistor Q ngưng 
không ảnh hưởng đến mạch tích phân. Tín hiệu răng cưa tăng dần, khi Vc = Vref mạch so 
sánh đổi trạng thái và v0 thành +VSAT làm cho D và Q dẫn bảo hòa. Tụ C phóng nhanh 
qua Q kéo v(t) xuống 0v. Mạch so sánh lại đổi trạng thái... 
Trương Văn Tám X-33 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
Trương Văn Tám X-34 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG X 
Bài 1: Cho mạch dao động dịch pha RC như sau: 
 1. Chứng minh rằng tần số dao dộng cho bởi 
 2.Tìm giá trị của R’ 
Bài 2: Cho mạch điện: 
Trương Văn Tám X-35 Mạch Điện Tử 
Chương 10: Mạch dao động 
Bài 3: Cho mạch điện: 
 D1, D2 cấu tạo bằng Si có điện thế Zener lần lượt là VZ1 và VZ2
 1. Chứng minh rằng độ rộng của xung dương của v0 cho bởi: 
 2. Chứng minh rằng độ rộng của xung âm của v0 cho bởi: 
 3. Nếu VZ1 > VZ2 thì T1 lớn hơn hay nhỏ hơn T2. Giải thích. 
 4. Tìm tần số f của mạch dao động khi VZ1 = VZ2 = VZ 
Bài 4: Trong mạch điện bài 3 thay R bởi mạch sau: 
 1. Giải thích hoạt động của mạch (JFET hoạt động ở vùng ID bảo hòa). 
 2. Nếu dùng JFET 2N4869 có đặc điểm khi ID bảo hòa: 
 VGS =-1V, ID = 3mA 
 VGS =-2V, ID = 1mA 
 Trong điều kiện khi op-amp bảo hòa |v0| =20v; R1 =R2. Ðể dòng nạp của tụ 
là 3mA, dòng phóng là 1mA và cho chu kỳ T=1ms thì RS1, RS2, C phải bằng bao nhiêu. 
Trương Văn Tám X-36 Mạch Điện Tử