Thiết bị bán dẫn - Máy tạo dao động
Máy tạo dao động là một mạch điện tử tạo ra các dao động hình sin được gọi là sinusoidal oscillator. Nó chuyển đổi năng lượng đầu vào từ nguồn một chiều thành năng lượng đầu ra xoay chiều của dạng sóng tuần hoàn, ở một tần số cụ thể và đã biết biên độ. Tính năng đặc trưng của bộ dao động là nó duy trì đầu ra AC của nó.
Hình dưới đây cho thấy một bộ khuếch đại có tín hiệu phản hồi ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào được áp dụng bên ngoài. Bộ dao động hình sin về bản chất là một dạng bộ khuếch đại hồi tiếp, trong đó các yêu cầu đặc biệt được đặt ra về độ lợi điện ápAv và các mạng phản hồi β.
Xét bộ khuếch đại hồi tiếp của hình trên, trong đó điện áp phản hồi V f = βV O cung cấp toàn bộ điện áp đầu vào
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Hoặc $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Nếu một điện áp đầu ra được tạo ra, thì điện áp đầu vào không thể bằng không. Do đó, để V i tồn tại, Phương trình (2) yêu cầu
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Hoặc $ A_V \ beta = 1 $ (3)
Phương trình (3) được gọi là “Barkhausen criterion”, trong đó nêu hai yêu cầu cơ bản đối với dao động -
Độ lợi điện áp xung quanh bộ khuếch đại và vòng phản hồi, được gọi là độ lợi vòng lặp, phải là thống nhất, hoặc $ A_V \ beta = 1 $.
Độ lệch pha giữa $ V_i $ và $ V_f $, được gọi là độ lệch pha của vòng lặp, phải bằng không.
Nếu thỏa mãn hai điều kiện này, bộ khuếch đại hồi tiếp của hình trên sẽ tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin một cách nhất quán.
Bây giờ chúng ta hãy thảo luận chi tiết về một số mạch dao động điển hình.
Bộ dao động dịch pha
Một mạch dao động tuân theo tiến trình cơ bản của mạch hồi tiếp là mạch dao động lệch pha. Một dao động lệch pha được biểu diễn trong hình sau. Yêu cầu đối với dao động là độ lợi vòng lặp (βA) phải lớn hơn sự thống nhất và độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra phải là 360 o .
Phản hồi được cung cấp từ đầu ra của mạng RC trở lại đầu vào bộ khuếch đại. Giai đoạn khuếch đại op-amp cung cấp dịch chuyển 180 độ ban đầu và mạng RC giới thiệu thêm một lượng dịch pha. Ở một tần số cụ thể, độ lệch pha được giới thiệu bởi mạng chính xác là 180 độ, do đó, vòng lặp sẽ là 360 độ và điện áp phản hồi là điện áp đầu vào pha.
Số giai đoạn RC tối thiểu trong mạng phản hồi là ba, vì mỗi phần cung cấp 60 độ dịch pha. Bộ dao động RC phù hợp lý tưởng với dải tần số âm thanh, từ vài chu kỳ đến khoảng 100 KHz. Ở các tần số cao hơn, trở kháng mạng trở nên thấp đến mức nó có thể tải nghiêm trọng bộ khuếch đại, do đó làm giảm mức tăng điện áp của nó xuống dưới giá trị tối thiểu cần thiết và dao động sẽ ngừng.
Ở tần số thấp, hiệu ứng tải thường không phải là vấn đề và có sẵn các giá trị điện trở và điện dung lớn cần thiết. Sử dụng phân tích mạng cơ bản, dao động tần số có thể được biểu thị bằng
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Wien Bridge Oscillator
Một mạch dao động thực tế sử dụng một mạch op-amp và mạch cầu RC, với tần số dao động được đặt bởi R và Ccác thành phần. Hình sau đây mô tả phiên bản cơ bản của mạch dao động cầu Wien.
Lưu ý kết nối cầu cơ bản. Điện trở R 1 và R 2 và tụ điện C 1 và C 2 tạo thành phần tử điều chỉnh tần số, trong khi điện trở R 3 và R 4 tạo thành một phần của đường phản hồi.
Trong ứng dụng này, điện áp đầu vào (V i ) tới cầu là điện áp đầu ra của bộ khuếch đại, và điện áp đầu ra (V o ) của cầu là phản hồi tới đầu vào của bộ khuếch đại. Bỏ qua các tác động tải của trở kháng đầu vào và đầu ra op-amp, kết quả phân tích mạch cầu
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
và
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Nếu R 1 = R 2 = R và C 1 = C 2 = C thì tần số dao động thu được là
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Bộ dao động Hartley
Hình dưới đây mô tả bộ dao động Hartley. Nó là một trong những mạch RF phổ biến nhất. Nó thường được sử dụng làm bộ dao động cục bộ trong bộ thu phát sóng truyền thông. Các bjt trong kết nối phát điểm chung là bộ khuếch đại điện áp và được thiên vị bởi một mạch thiên vị phổ quát bao gồm R 1 , R 2 , R E . Tụ điện bỏ qua máy phát (C E ) làm tăng điện áp của tầng bán dẫn đơn này.
Cuộn cảm tần số vô tuyến (RFC) trong mạch thu hoạt động như một mạch hở ở tần số RF và ngăn năng lượng RF đi vào nguồn điện. Mạch bình gồm L 1 , L 2 , C. Tần số dao động được xác định bởi giá trị của L 1 , L 2 , C và được xác định bởi dao động ở tần số cộng hưởng của mạch bình LC. Tần số cộng hưởng này được biểu thị bằng
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Tín hiệu đầu ra có thể được lấy từ bộ thu bằng cách ghép điện dung, với điều kiện tải lớn và tần số dao động không bị ảnh hưởng.
Áp điện
Tính chất áp điện được thể hiện bởi một số chất tinh thể tự nhiên, trong đó quan trọng nhất là thạch anh, muối Rochelle và tourmaline. Khi một điện áp hình sin được đặt trên các vật liệu này, chúng sẽ dao động ở tần số điện áp đặt vào.
Mặt khác, khi các vật liệu này bị nén và đặt dưới sức căng cơ học để dao động, chúng tạo ra một điện áp hình sin tương đương. Do đó, những vật liệu này được gọi là tinh thể áp điện. Thạch anh là tinh thể áp điện phổ biến nhất.
Dao động tinh thể
Sơ đồ mạch của bộ dao động tinh thể được hiển thị trong hình sau.
Tinh thể ở đây hoạt động như một mạch điều chỉnh. Mạch tương đương của một tinh thể được cho dưới đây.
Một bộ dao động tinh thể có hai tần số cộng hưởng: Tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song.
Tần số cộng hưởng chuỗi
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Tần số cộng hưởng song song
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Hai tần số cộng hưởng gần như giống nhau, vì C / Cm rất nhỏ. Trong hình trên, tinh thể được kết nối để hoạt động ở chế độ cộng hưởng song song.
Các điện trở R 1 , R 2 , R E và bóng bán dẫn kết hợp với nhau tạo thành một mạch khuếch đại. Điện trở R 1 và R 2 cung cấp phân cực DC ổn định điện áp. Tụ điện (C E ) cung cấp đường qua AC của điện trở phát (R E ) và RFC cung cấp trở kháng cao đối với tần số do bộ dao động tạo ra, để chúng không đi vào đường dây điện.
Tinh thể mắc song song với tụ điện C 1 và C 2 và cho phép phản hồi điện áp cực đại từ bộ thu đến bộ phát, khi trở kháng của nó là cực đại. Ở các tần số khác, trở kháng tinh thể thấp và do đó phản hồi kết quả là quá nhỏ để duy trì dao động. Tần số dao động được ổn định ở tần số cộng hưởng song song của tinh thể.