Mạch tạo dao động là gì | Vuidulich.vn

Mạch tạo dao động chuyển đổi đầu vào DC (điện áp cung cấp) thành đầu ra AC (dạng sóng), có thể có nhiều dạng sóng và tần số khác nhau có thể phức tạp về bản chất hoặc sóng hình sin đơn giản tùy theo ứng dụng.

Bộ tạo dao động cũng được sử dụng trong nhiều phần của thiết bị thử nghiệm tạo ra sóng hình sin, dạng sóng hình vuông, răng cưa hoặc hình tam giác hoặc chỉ một nhóm các xung có độ rộng thay đổi hoặc không đổi. Mạch tạo dao động LC thường được sử dụng trong các mạch tần số vô tuyến vì đặc tính nhiễu pha tốt và dễ thực hiện.

Một Mạch tạo dao động cơ bản là một Amplifier với “Phần hồi dương”, hoặc phản hồi tái sinh (trong giai đoạn) và là một trong nhiều vấn đề trong thiết kế mạch điện tử được dừng khuếch đại từ dao động trong khi cố gắng để có được dao động dao động.

Bộ tạo dao động hoạt động vì chúng khắc phục được các tổn thất của mạch cộng hưởng phản hồi của chúng ở dạng tụ điện , cuộn cảm hoặc cả hai trong cùng một mạch bằng cách đưa năng lượng DC ở tần số cần thiết vào mạch cộng hưởng này. Nói cách khác, bộ tạo dao động là một bộ khuếch đại sử dụng phản hồi tích cực tạo ra tần số đầu ra mà không cần sử dụng tín hiệu đầu vào.

Do đó Bộ tạo dao động là các mạch tự duy trì tạo ra một dạng sóng đầu ra tuần hoàn ở một tần số chính xác và để bất kỳ mạch điện tử nào hoạt động như một bộ tạo dao động, nó phải có ba đặc điểm sau.

• Một số hình thức khuếch đại
• Phản hồi dương (tái tạo)
• Mạng phản hồi xác định tần số

Một Mạch tạo dao động có bộ khuếch đại phản hồi tín hiệu nhỏ với độ lợi vòng hở bằng hoặc lớn hơn một chút để bắt đầu dao động nhưng để tiếp tục dao động, độ lợi vòng trung bình phải trở lại thống nhất. Ngoài các thành phần phản kháng này, cần phải có thiết bị khuếch đại như Bộ khuếch đại thuật toán hoặc Bóng bán dẫn lưỡng cực.

Không giống như bộ khuếch đại, không cần có đầu vào AC bên ngoài để Bộ tạo dao động hoạt động vì năng lượng cung cấp DC được bộ dao động chuyển đổi thành năng lượng AC ở tần số cần thiết.

Mạch phản hồi Mạch tạo dao động cơ bản

Trong đó: β là một phần phản hồi.

Độ lợi dao động mà không có phản hồi

Độ lợi dao động có phản hồi

Mạch tạo dao động là mạch tạo ra dạng sóng đầu ra điện áp liên tục ở tần số cần thiết với các giá trị của cuộn cảm, tụ điện hoặc điện trở tạo thành mạch bể cộng hưởng LC chọn lọc tần số và mạng phản hồi. Mạng phản hồi này là một mạng suy giảm có hệ số khuếch đại nhỏ hơn một ( β <1 ) và bắt đầu dao động khi Aβ> 1 trở về trạng thái thống nhất ( Aβ = 1 ) sau khi bắt đầu dao động.

Tần số bộ dao động LC được điều khiển bằng cách sử dụng mạch điện dung / cảm ứng (LC) được điều chỉnh hoặc cộng hưởng với tần số đầu ra thu được được gọi là Tần số dao động . Bằng cách làm cho các bộ dao động phản hồi thành một mạng phản ứng, góc pha của phản hồi sẽ thay đổi như một hàm của tần số và điều này được gọi là Dịch pha .

Về cơ bản có các loại Dao động

• 1. Bộ tạo dao động hình sin   – chúng được gọi là Bộ tạo dao động điều hòa và thường là Bộ dao động loại “phản hồi điều chỉnh LC” hoặc “phản hồi điều chỉnh RC” tạo ra dạng sóng hoàn toàn hình sin có biên độ và tần số không đổi.
• 2. Bộ dao động không hình sin   – chúng được gọi là Bộ dao động thư giãn và tạo ra các dạng sóng phức tạp không hình sin thay đổi rất nhanh từ điều kiện ổn định này sang điều kiện ổn định khác, chẳng hạn như “Sóng vuông”, “Sóng tam giác” hoặc “Sóng răng cưa” gõ các dạng sóng.

Cộng hưởng Mạch tạo dao động

Khi đặt một điện áp không đổi nhưng có tần số thay đổi vào đoạn mạch gồm cuộn cảm, tụ điện và điện trở thì điện trở của cả tụ điện / điện trở và cuộn cảm / điện trở sẽ thay đổi cả biên độ và pha của tín hiệu đầu ra so với tín hiệu đầu vào do điện kháng của các thành phần được sử dụng.

Ở tần số cao, điện trở của tụ điện rất thấp đóng vai trò là đoản mạch trong khi điện trở của cuộn cảm rất cao đóng vai trò là mạch hở. Ở tần số thấp thì ngược lại, cảm kháng của tụ điện đóng vai trò là mạch hở và cảm kháng của cuộn cảm đóng vai trò ngắn mạch.

Giữa hai cực này, sự kết hợp của cuộn cảm và tụ điện tạo ra mạch “Điều chỉnh” hoặc “Cộng hưởng” có Tần số cộng hưởng , (  ƒr  ) trong đó điện dung và điện kháng cảm ứng bằng nhau và triệt tiêu lẫn nhau, chỉ để lại điện trở của mạch chống lại dòng điện. Điều này có nghĩa là không có sự lệch pha vì dòng điện cùng pha với điện áp. Hãy xem xét mạch dưới đây.

Mạch tạo dao động cộng hưởng LC cơ bản

Các mạch bao gồm một cuộn dây cảm ứng, L và một tụ điện, C . Tụ điện lưu trữ năng lượng dưới dạng trường tĩnh điện và tạo ra điện thế ( điện áp tĩnh ) trên các bản của nó, trong khi cuộn dây cảm ứng lưu trữ năng lượng của nó dưới dạng trường điện từ. Các tụ điện được sạc lên tới việc cung cấp điện áp DC, V bằng cách đặt công tắc ở vị trí A . Khi tụ điện được sạc đầy những thay đổi chuyển sang vị trí B .

Tụ tích điện bây giờ được nối song song qua cuộn dây cảm ứng để tụ điện bắt đầu phóng điện qua cuộn dây. Điện áp trên C bắt đầu giảm khi dòng điện qua cuộn dây bắt đầu tăng.

Dòng điện tăng này thiết lập một trường điện từ xung quanh cuộn dây chống lại dòng điện này. Khi tụ điện, C được phóng hết năng lượng ban đầu tích trữ trong tụ điện, C là trường tĩnh điện bây giờ được lưu trong cuộn dây cảm ứng, L là trường điện từ xung quanh cuộn dây.

Vì bây giờ không có điện áp bên ngoài trong mạch để duy trì dòng điện trong cuộn dây, nó bắt đầu giảm khi trường điện từ bắt đầu suy giảm. Một emf trở lại được cảm ứng trong cuộn dây ( e = -Ldi / dt ) giữ cho dòng điện chạy theo hướng ban đầu.

Dòng điện này nạp điện cho tụ điện, C có cực ngược với điện tích ban đầu của nó. C tiếp tục tích điện cho đến khi cường độ dòng điện giảm về 0 và điện từ trường của cuộn dây bị xẹp hẳn.

Năng lượng ban đầu được đưa vào mạch thông qua công tắc, đã được trả lại cho tụ điện, một lần nữa có hiệu điện thế tĩnh điện trên nó, mặc dù bây giờ nó có cực tính ngược lại. Tụ điện bây giờ bắt đầu phóng điện trở lại qua cuộn dây và toàn bộ quá trình được lặp lại. Cực của điện áp thay đổi khi năng lượng được truyền qua lại giữa tụ điện và cuộn cảm tạo ra điện áp xoay chiều hình sin và dạng sóng dòng điện.

Quá trình này sau đó tạo thành cơ sở của một mạch dao động LC và về mặt lý thuyết, chu trình quay đi quay lại này sẽ tiếp tục vô thời hạn. Tuy nhiên, mọi thứ không hoàn hảo và mỗi khi năng lượng được truyền từ tụ điện, C sang cuộn cảm, L và ngược lại từ L sang C, một số tổn thất năng lượng xảy ra làm phân rã dao động về 0 theo thời gian.

Hành động dao động truyền năng lượng qua lại giữa tụ điện, C sang cuộn cảm, L sẽ tiếp tục vô thời hạn nếu nó không xảy ra tổn thất năng lượng trong mạch. Năng lượng điện bị mất trong điện trở một chiều hoặc điện trở thực của cuộn dây thuần cảm, trong điện môi của tụ điện và trong bức xạ từ mạch nên dao động tắt dần đều cho đến khi chúng chết hẳn thì quá trình dừng lại.

Khi đó trong mạch LC thực tế , biên độ của điện áp dao động giảm dần ở mỗi nửa chu kỳ dao động và cuối cùng sẽ chết dần về không. Các dao động sau đó được cho là “giảm xóc” với mức độ tắt dần được xác định bởi chất lượng hoặc hệ số Q của mạch.

Dao động tắt dần

Tần số của điện áp dao động phụ thuộc vào giá trị của độ tự cảm và điện dung trong mạch bình LC . Bây giờ chúng ta biết rằng để xảy ra cộng hưởng trong mạch bình, phải có một điểm tần số là giá trị của X _C , cảm kháng điện dung bằng giá trị của X _L , cảm kháng (  X _L  = X _C  ) và do đó sẽ triệt tiêu lẫn nhau, chỉ để lại điện trở một chiều trong mạch để chống lại dòng điện.

Nếu bây giờ chúng ta đặt đường cong về điện kháng cảm ứng của cuộn cảm lên trên đường cong về điện kháng của tụ điện sao cho cả hai đường cong nằm trên cùng trục tần số, giao điểm sẽ cho chúng ta điểm tần số cộng hưởng, (  ƒ _r hoặc ωr  ) như hình bên dưới.

Tần số công hưởng

Trong đó: ƒ _r ở Hertz, L ở Henries và C ở Farads.

Sau đó, tần suất mà điều này sẽ xảy ra được cho là:

Sau đó, bằng cách đơn giản hóa phương trình trên, chúng ta nhận được phương trình cuối cùng cho Tần số cộng hưởng , ƒ _r trong mạch LC được điều chỉnh là:

Tần số cộng hưởng của bộ tạo dao động LC

• Ở đây:
• L là Điện cảm trong Henries
• C là điện dung trong Farads
• ƒ _r là Tần số đầu ra tính bằng Hertz

Phương trình này cho thấy rằng nếu giảm L hoặc C thì tần số sẽ tăng lên. Tần số đầu ra này thường được viết tắt là (  ƒ _r  ) để xác định nó là “tần số cộng hưởng”.

Để dao động tiếp tục trong mạch LC ta phải thay thế toàn bộ năng lượng bị mất đi trong mỗi dao động đồng thời duy trì biên độ của các dao động này ở mức không đổi. Do đó lượng năng lượng được thay thế phải bằng năng lượng bị mất đi trong mỗi chu kỳ.

Nếu năng lượng được thay thế quá lớn, biên độ sẽ tăng lên cho đến khi xảy ra hiện tượng cắt đường ray cung cấp. Ngoài ra, nếu lượng năng lượng được thay thế quá nhỏ thì biên độ cuối cùng sẽ giảm về 0 theo thời gian và dao động sẽ dừng lại.

Cách đơn giản nhất để thay thế năng lượng đã mất này là lấy một phần đầu ra từ mạch bình LC , khuếch đại nó và sau đó cấp lại vào mạch LC một lần nữa. Quá trình này có thể đạt được bằng cách sử dụng bộ khuếch đại điện áp sử dụng op-amp, FET hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực làm thiết bị hoạt động của nó. Tuy nhiên, nếu độ lợi vòng lặp của bộ khuếch đại hồi tiếp quá nhỏ, thì dao động mong muốn sẽ giảm xuống 0 và nếu quá lớn, dạng sóng sẽ bị méo.

Để tạo ra một dao động liên tục, mức năng lượng được cấp lại cho mạng LC phải được kiểm soát chính xác. Sau đó, phải có một số dạng điều khiển biên độ hoặc độ lợi tự động khi biên độ cố gắng thay đổi từ điện áp tham chiếu hoặc tăng hoặc giảm.

Để duy trì một dao động ổn định thì công suất tổng hợp của mạch phải bằng một hoặc đơn vị. Bất kỳ ít hơn và các dao động sẽ không bắt đầu hoặc chết đi về 0, bất kỳ dao động nào nữa sẽ xảy ra nhưng biên độ sẽ bị cắt bởi đường ray cung cấp gây ra biến dạng. Hãy xem xét mạch dưới đây.

Mạch dao động LC Transistor cơ bản

Một bóng bán dẫn lưỡng cực được sử dụng làm bộ khuếch đại dao động LC với mạch bình LC được điều chỉnh hoạt động như tải thu. Một cuộn dây L2 được kết nối giữa các cơ sở và emitter của transistor mà trường điện từ là “đôi bên cùng có” cùng với đó của cuộn dây L .

“Cảm ứng lẫn nhau” tồn tại giữa hai mạch và dòng điện thay đổi chạy trong một mạch cuộn dây tạo ra, bằng cảm ứng điện từ, một hiệu điện thế ở mạch kia (hiệu ứng máy biến áp) để khi dao động xảy ra trong mạch điều chỉnh, năng lượng điện từ được truyền từ cuộn dây L đến cuộn dây L2 và một điện áp có cùng tần số với tần số trong mạch đã điều chỉnh được đặt giữa đế và cực phát của bóng bán dẫn. Bằng cách này, điện áp phản hồi tự động cần thiết được áp dụng cho bóng bán dẫn khuếch đại.

Có thể tăng hoặc giảm lượng phản hồi bằng cách thay đổi khớp nối giữa hai cuộn dây L và L2 . Khi mạch đang dao động trở kháng của nó là điện trở và cực thu và điện áp gốc lệch pha nhau 180 ^o . Để duy trì dao động (gọi là ổn định tần số) điện áp đặt vào mạch điều chỉnh phải “cùng pha” với dao động xảy ra trong mạch điều chỉnh.

Do đó, chúng ta phải đưa thêm một dịch pha 180 ^o vào đường phản hồi giữa bộ thu và đế. Điều này đạt được bằng cách cuộn dây của L2 theo đúng hướng so với cuộn L cho ta mối quan hệ về biên độ và pha chính xác đối với mạch Dao động hoặc bằng cách kết nối mạng lệch pha giữa đầu ra và đầu vào của bộ khuếch đại.

Các LC Oscillator do đó là một “Sin Oscillator” hay một “Harmonic Oscillator” vì nó được phổ biến hơn gọi. Bộ tạo dao động LC có thể tạo ra sóng sin tần số cao để sử dụng trong các ứng dụng loại tần số vô tuyến (RF) với bộ khuếch đại bóng bán dẫn là Bóng bán dẫn lưỡng cực hoặc FET.

Bộ tạo dao động hài có nhiều dạng khác nhau vì có nhiều cách khác nhau để xây dựng mạng bộ lọc LC và bộ khuếch đại, trong đó phổ biến nhất là Bộ tạo dao động LC Hartley , Bộ dao động Colpitts LC , Bộ dao động Armstrong và Bộ tạo dao động Clapp .

Ví dụ về Mạch tạo dao động LC No1

Một cuộn cảm có độ tự cảm 200mH và tụ điện có cường độ 10pF mắc song song với nhau tạo thành mạch dao động LC. Tính tần số của dao động.

Từ ví dụ trên ta có thể thấy rằng khi giảm giá trị của điện dung, C hoặc độ tự cảm, L sẽ có tác dụng làm tăng tần số dao động của mạch bình LC.

Tóm tắt Mạch tạo dao động LC

Các điều kiện cơ bản cần thiết cho một mạch bể cộng hưởng dao động LC được đưa ra như sau.

• Để dao động tồn tại, một mạch dao động PHẢI chứa thành phần phản kháng (phụ thuộc vào tần số) hoặc là “Cuộn cảm”, ( L ) hoặc “Tụ điện”, ( C ) cũng như nguồn điện một chiều.
• Trong một mạch điện dẫn-tụ điện đơn giản, mạch LC, dao động bị giảm dần theo thời gian do tổn hao thành phần và mạch.
• Khuếch đại điện áp là cần thiết để khắc phục các tổn thất mạch này và cung cấp độ lợi tích cực.
• Độ lợi tổng thể của bộ khuếch đại phải lớn hơn một, thống nhất.
• Dao động có thể được duy trì bằng cách cung cấp lại một số điện áp đầu ra cho mạch đã điều chỉnh có biên độ chính xác và cùng pha, (0 ^o ).
• Dao động chỉ có thể xảy ra khi phản hồi là “Tích cực” (tự phục hồi).
• Độ lệch pha tổng thể của mạch phải bằng 0 hoặc 360 ^o để tín hiệu đầu ra từ mạng phản hồi sẽ “cùng pha” với tín hiệu đầu vào.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ tạo dao động, chúng ta sẽ xem xét hoạt động của một trong những mạch dao động LC phổ biến nhất sử dụng hai cuộn dây điện cảm để tạo thành điện cảm có nấc điều chỉnh tâm bên trong mạch bể cộng hưởng của nó. Loại mạch dao động LC này thường được gọi là Bộ tạo dao động Hartley.