Mạch dao động là gì?

Khái niệm cơ bản về dao động LC, mạch dao động là gì? Hướng dẫn thiết kế và cách sử dụng mạch dao động LC như thế nào? Mời các bạn đọc tiếp.

Mạch dao động là gì?

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

Dao động cũng được sử dụng trong nhiều thiết bị thử nghiệm tạo ra sóng hình sin, hình vuông, răng cưa hoặc hình tam giác hoặc chỉ là một chuỗi xung có chiều rộng thay đổi hoặc không đổi. Bộ 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 Oscillator cơ bản là một Amplifier với “Phản hồi tích cực”, 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 tổn thất của mạch cộng hưởng phản hồi dưới dạng tụ điện , cuộn cảm hoặc cả hai trong cùng một mạch bằng cách áp dụng năng lượng DC ở tần số cần thiết vào mạch cộng hưởng này. Nói cách khác, bộ tạo dao động là bộ khuếch đại sử dụng phản hồi tích cực tạo ra tần số đầu ra mà không sử dụng tín hiệu đầu vào.

Do đó, Dao động là các mạch tự duy trì tạo ra dạng sóng đầu ra định kỳ ở 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 tích cực (tái sinh)
• Tần số xác định mạng phản hồi

Một máy đo dao động (máy hiện sóng) có bộ khuếch đại phản hồi tín hiệu nhỏ với mức tăng vòng hở bằng hoặc lớn hơn một chút để dao động bắt đầu nhưng để tiếp tục dao động, mức tăng vòng lặp trung bình phải trở về thống nhất. Ngoài các thành phần phản ứng này, cần có một thiết bị khuếch đại như Bộ khuếch đại hoạt động hoặc Transitor lưỡng cực.

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

Mạch phản hồi dao động cơ bản

Trong đó: β là một phần phản hồi.

Dao động là các mạch tạo ra dạng sóng đầu ra điện áp liên tục ở tần số yêu cầu 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 mạng suy giảm có mức tăng nhỏ hơn một ( β <1 ) và bắt đầu dao động khi Aβ> 1 trở về trạng thái thống nhất ( Aβ = 1 ) khi dao động bắt đầu.

Tần số dao động LC được điều khiển bằng cách sử dụng mạch điện cảm / điện dung (LC) được điều chỉnh hoặc cộng hưởng với tần số đầu ra kết quả 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 theo chức năng của tần số và đây 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 (máy hiện sóng) và nói chung là Bộ tạo dao động phản hồi điều chỉnh LC hoặc Bộ điều chỉnh phản hồi RC điều chỉnh tạo ra dạng sóng hình sin hoàn toàn có biên độ và tần số không đổi.
• 2. Bộ tạo dao động không hình sin   – chúng được gọi là Bộ tạo dao động thư giãn và tạo ra các dạng sóng không hình sin phức tạp, thay đổi rất nhanh từ một điều kiện ổn định sang một điều kiện khác như sóng sóng vuông, sóng hình tam giác hay sóng Sawtoothed sóng loại dạng sóng.

Cộng hưởng dao động

Khi một điện áp không đổi nhưng có tần số thay đổi được áp dụng cho một mạch điện gồm một cuộn cảm, tụ điện và điện trở, thì điện trở của cả hai mạch Tụ / Điện trở và Điện trở / Điện trở là để thay đổi cả biên độ và pha của tín hiệu đầu ra so với tín hiệu đầu vào do phản ứng của các thành phần được sử dụng.

Ở tần số cao, điện kháng của tụ điện rất thấp đóng vai trò là ngắn mạch trong khi điện kháng của cuộn cảm hoạt động cao như một mạch hở. Ở tần số thấp, điều ngược lại là đúng, phản ứng của tụ điện đóng vai trò là mạch hở và phản ứng của cuộn cảm đóng vai trò là ngắn mạch.

Giữa hai thái cực này, sự kết hợp giữa cuộn cảm và tụ điện tạo ra một mạch điều chỉnh cộng hưởng và điều chỉnh cộng hưởng có tần số cộng hưởng , (  ƒr  ) trong đó các phản ứng điện dung và cảm ứng bằng nhau và triệt tiêu lẫn nhau, chỉ để lại điện trở của nhau mạch để chống lại dòng chảy. Điều này có nghĩa là không có sự dịch pha vì dòng điện cùng pha với điện áp. Hãy xem xét các mạch dưới đây.

Mạch xe tăng 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 thế 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 .

Các tụ điện tích điện bây giờ được kết nối song song trên cuộn dây cảm ứng để tụ điện bắt đầu tự xả 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 xả hoàn toàn năng lượng ban đầu được lưu trữ trong tụ điện, Cnhư một trường tĩnh điện hiện được lưu trữ trong cuộn dây cảm ứng, L như một trường điện từ quanh cuộn dây.

Vì hiện tại 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 sụp đổ. 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 tích điện lên tụ, C có cực ngược với điện tích ban đầu của nó. C tiếp tục tích điện cho đến khi dòng điện giảm về 0 và trường điện từ của cuộn dây đã sụp đổ hoàn toàn.

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

Quá trình này sau đó hình thành cơ sở của mạch bể dao động LC và về mặt lý thuyết, việc quay vòng qua lại này sẽ tiếp diễn vô tận. Tuy nhiên, mọi thứ không hoàn hảo và mỗi khi năng lượng được truyền từ tụ điện, C sang cuộn cảm, L và trở lại từ L đến C, một số tổn thất năng lượng xảy ra làm phân rã các dao động về 0 theo thời gian.

Hành động dao động này của việc truyền năng lượng qua lại giữa các tụ điện, C đến cuộn cảm, L sẽ tiếp tục vô thời hạn nếu không phải do tổn thất năng lượng trong mạch. Năng lượng điện bị mất trong điện trở DC hoặc điện trở thực của cuộn cảm, trong điện môi của tụ điện và trong bức xạ từ mạch nên dao động giảm dần cho đến khi chúng chết hoàn toàn và quá trình dừng lại.

Sau đó, trong một 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 đã làm giảm tốc độ với mức độ giảm xóc được xác định bởi chất lượng hoặc hệ số Q của mạch.

Dao động ẩm

Tần số của điện áp dao động phụ thuộc vào giá trị của điện cảm và điện dung trong mạch bể LC . Bây giờ chúng ta biết rằng để cộng hưởng xảy ra trong mạch bể, phải có một điểm tần số là giá trị của X _C , phản ứng điện dung giống như giá trị của X _L , phản ứng cảm ứng (  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 cho phản ứng cảm ứng của cuộn cảm lên trên đường cong cho phản ứng điện dung của tụ điện để cả hai đường cong nằm trên cùng một trục tần số, điểm giao nhau sẽ cho chúng ta điểm tần số cộng hưởng, (  ƒ _r hoặc ωr  ) như hình dưới đây.

Tần số cộng 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 đưa ra là:

Sau đó, bằng cách đơn giản hóa phương trình trên chúng tôi nhận được phương trình cuối cùng cho tần số cộng hưởng , ƒ _r trong một chỉnh LC mạch như:

Tần số cộng hưởng của dao động LC

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

Để giữ cho các dao động diễn ra trong mạch tank LC , chúng ta phải thay thế tất cả năng lượng đã mất trong mỗi dao động và cũng duy trì biên độ của các dao động này ở mức không đổi. Do đó, lượng năng lượng thay thế phải bằng với năng lượng bị mất trong mỗi chu kỳ.

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

Cách đơn giản nhất để thay thế năng lượng bị mất này là lấy một phần đầu ra từ mạch bể LC , khuếch đại nó và sau đó đưa nó trở 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 bóng bán dẫn op-amp, FET hoặc lưỡng cực làm thiết bị hoạt động. Tuy nhiên, nếu mức tăng vòng lặp của bộ khuếch đại phản hồi quá nhỏ, dao động mong muốn sẽ giảm xuống 0 và nếu nó quá lớn, dạng sóng sẽ bị biến dạng.

Để tạo ra một dao động không đổi, mức năng lượng được cung cấp trở lại mạng LC phải được kiểm soát chính xác. Sau đó, phải có một số dạng biên độ tự động hoặc điều khiển khuếch đại khi biên độ cố gắng thay đổi từ điện áp tham chiếu lên hoặc xuống.

Để duy trì dao động ổn định, mức tăng chung của mạch phải bằng một hoặc đơn vị. Ít hơn và các dao động sẽ không bắt đầu hoặc chết dần về 0, bất kỳ dao động nào sẽ xảy ra nhưng biên độ sẽ bị cắt bởi các đường ray cung cấp gây ra biến dạng. Hãy xem xét các mạch dưới đây.

Mạch dao động LC Transitor cơ bản

Transitor lưỡng cực được sử dụng làm bộ khuếch đại dao động LC với mạch bể LC được điều chỉnh đóng vai trò là 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 .

Điện cảm lẫn nhau giữa hai dòng điện tồn tại giữa hai mạch và dòng điện thay đổi chạy trong một mạch cuộn cảm, bởi cảm ứng điện từ, một điện áp tiềm năng khác (hiệu ứng biến áp) để các dao động xảy ra trong mạch điều chỉnh, năng lượng điện từ được truyền từ cuộn dây L đến cuộn L2 và điện áp có cùng tần số như trong mạch điều chỉnh được đặt giữa đế và bộ phát của tranzito. Theo cách này, điện áp phản hồi tự động cần thiết được áp dụng cho bóng bán dẫn khuếch đại.

Lượng phản hồi có thể tăng hoặc giảm bằng cách thay đổi khớp nối giữa hai cuộn L và L2 . Khi mạch dao động trở kháng của nó là điện trở và điện áp collector và cơ sở là 180 ^o lệch pha. Để duy trì dao động (được gọi là ổn định tần số), điện áp đặt vào mạch điều chỉnh phải là loại dao động trong pha với các dao động xảy ra trong mạch điều chỉnh.

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

Các LC Oscillator do đó là một “Sin Oscillator” hay một “dao động điều hòa” như nó được phổ biến hơn gọi. Bộ tạo dao động LC có thể tạo ra sóng hình 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 Transitor lưỡng cực hoặc FET.

Bộ tạo dao động điều hòa có nhiều dạng khác nhau bởi vì có nhiều cách khác nhau để xây dựng mạng lưới lọc và bộ khuếch đại LC với phổ biến nhất là Bộ tạo dao động Hartley LC, Bộ tạo dao động LC , Bộ tạo dao động Armstrong và Bộ tạo dao động Clapp .

LC Dao động Ví dụ số 1

Một cuộn cảm 200mH và tụ 10pF được mắc song song với nhau để tạo ra mạch bể dao động LC. Tính tần số dao động.

Sau đó, chúng ta có thể thấy từ ví dụ trên rằng bằng cách giảm giá trị của điện dung, Choặc độ tự cảm, L sẽ có tác dụng tăng tần số dao động của mạch bể LC.

Tóm tắt LC Dao động

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

• Để các dao động tồn tại một mạch dao động PHẢI chứa một thành phần phản kháng (phụ thuộc tần số) hoặc là một cuộn cảm cảm ứng ( L ) hoặc một tụ điện điều chỉnh, ( C ) cũng như một nguồn điện DC.
• Trong một tụ điện đơn giản, mạch LC, các dao động trở nên ẩm theo thời gian do tổn thất thành phần và mạch.
• Khuếch đại điện áp là cần thiết để khắc phục những tổn thất mạch này và cung cấp mức tăng 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 một số điện áp đầu ra cho mạch được điều chỉnh có biên độ và pha chính xác, (0 ^o ).
• Dao động chỉ có thể xảy ra khi phản hồi là Hồi giáo Hồi giáo (tự tái tạo).
• Độ lệch pha tổng thể của mạch phải bằng 0 hoặc 360 ^o để tín hiệu đầu ra từ mạng phản hồi sẽ là tín hiệu đầu vào pha pha với tín hiệu đầu vào.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Dao động, chúng ta sẽ kiểm tra hoạt động của một trong những mạch dao động LC phổ biến nhất sử dụng hai cuộn dây điện cảm để tạo thành cuộn cảm trung tâm trong mạch bể cộng hưởng của nó. Loại mạch dao động LC này được biết đến như là một bộ dao động Hartley.