Điện tử cho công nghệ thông tin

C) Các bộ dao động điều khiển bằng tinh thể (XOs) có hệ số nhiệt chỉ 10 ppm/0C. Các sơ đồ bù nhiệt có thể cải thiện hệ số nhiệt của XOs chỉ còn nhỏ hơn 1 ppm/0C. Các sơ đồ như vậy gọi là TCXOs. Cuối cùng, các bộ dao động tinh thể có bộ giảm nhiệt có thể đạt được độ ổn định nhiệt 10-10, nhưng các bộ giảm nhiệt điển hình tiêu tốn khoảng 4W để hoạt động. Nhiễu pha là một nguy cơ khác cho sự ổn định pha/tần số của bộ dao động. Copyright (c) 8/2009 by KTMT61Thạch anhNhư đã phân tích, những Oscillator điều khiển tần số bằng tinh thể có độ ổn định tần số rất tốt. Tinh thể thường được chế tạo bằng cách cắt tinh thể thạch anh nguyên chất thành miếng rất mỏng sau đó được ép bề mặt vào một chất dẫn điện để tạo tiếp điểm đầu ra dẫn điện. Điều đó được minh hoạ trên hình bên. Tính chất nổi bật của quartz là hiệu ứng áp điện (piazoelectric).Copyright (c) 8/2009 by KTMT62Thạch anhHiệu ứng áp điện của quartz là hiện tượng lan truyền điện áp dọc trục hoặc bề mặt "cắt", đó là hiệu ứng biến dạng của vật liệu quartz. Hiệu ứng ngược cũng đúng vì nếu tinh thể bị biến dạng bởi lực ép thì một điện áp sinh ra dọc trục hoặc bề mặt cắt của tinh thể. Các tính chất đặc biệt của tinh thể dùng trong bộ dao động và các bộ lọc phẩm chất cao là tính đơn phiến, tính bền vững về cơ học và dạng mặt cắt đã tạo nên độ ổn đinh tần số rất cao của tinh thể. Tóm lại tính chất vật lý của quartz là ổn định cao với sự biến động của nhiệt độ.Copyright (c) 8/2009 by KTMT63Cắt thạch anhThạch anh có cấu trúc tinh thể hình lục lăng (6 mặt) và nếu cắt thẳng đứng song song với bất cứ mặt nào trong 6 mặt thì được gọi cắt kiểu Y. Nếu cắt kiểu Y không thẳng đứng mà nghiêng 350 20’ với trục thẳng đứng thì gọi là cắt kiểu AT. Đặc tính ổn định nhiệt của tinh thể thạch anh phụ thuộc kiểu cắt của thạch anhCopyright (c) 8/2009 by KTMT64Cắt thạch anhVí dụ, để tìm hiểu cách cắt tinh thể ta xem xét việc sử dụng mỗi kiểu cắt AT-cắt và BT- cắt trong một Oscillator có bù nhiệt độ (TCXO). Mạch bù nhiệt đơn giản là một mạch tuyến tính và có điểm uốn trên đồ thị hình dưới ở nhiệt độ khoảng 200 C. Rõ ràng, kiểu AT-cắt được ưa chuộng hơn BT-cắt trong các ứng dụngCopyright (c) 8/2009 by KTMT65Sơ đồ tương đươngMạch điện tương đương cho tinh thể thạch anh trên hình vẽ. Tụ điện Cp là điện dung vỏ vào khoảng 7-10pF với các vỏ cỡ nhỏ. Còn Cs cỡ khoảng 0.05pF. Mặt khác L của tinh thể thạch anh rất lớn cỡ khoảng hàng chục Henry và một điện trở r nhỏ, vì r đặc trưng cho tổn hao công suất bên trong và có ảnh hưởng đến Q. Copyright (c) 8/2009 by KTMT66Sơ đồ tương đươngHệ số phẩm chất Q của thạch anh rất lớn, khoảng 105 và điện trở r nhỏ hơn 1. Chú ý rằng trong mạch tương đương của thạch anh có cả tần số cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp vớí Cp=140Cs , tần số cộng hưởng song song fp và nối tiếp fs chênh lệch nhau cỡ khoảng 0,36%.Copyright (c) 8/2009 by KTMT67Sơ đồ tương đươngTần số cộng hưởng nối tiếp nhỏ hơn tần số cộng hưởng song song bởi vìDo đóCopyright (c) 8/2009 by KTMT68Sơ đồ tương đươngSự biến đổi trở kháng theo tần số của thạch anh được minh hoạ trên hình dưới trong đó khoảng cách giữa tần số cộng hưởng fs và fp được khuếch đại lên rất lớn để cho dễ nhìn. Copyright (c) 8/2009 by KTMT69Các bộ dao động thạch anhPhân tích và thiết kế sơ đồ này cũng giống như sơ đồ Colpitts dùng LC. Sơ đồ điều hưởng LC tạo một trở kháng băng hẹp (phẩm chất Q cao) trên mạch collector của bộ khuếch đại base chung. Phản hồi dương qua thạch anh hoạt động ở tần số gần tần số cộng hưởng nối tiếp fs của nó. Tất nhiên mạch điều hưởng LC có thể điều hưởng tại fs hoặc gần fsCopyright (c) 8/2009 by KTMT70Các bộ dao động thạch anhĐiện cảm Ln có trong mạch dao động hoạt động ở tần số khoảng 20 MHz. Tác dụng của Ln là kết hợp với điện dung vỏ Cp khoảng 7 đến 10 pF sao cho tại những tần số thấp nó không có tác dụng gì. Tuy nhiên trở kháng của tụ điện 10 pF tại tần số 20 MHz là nhỏ hơn 1000 cho nên phản hồi tín hiệu ở tần số cao có thể ngắn mạch và không còn tác dụng của thạch anh. Ta có thể nhận thấy điều này khi tần số dao động ra khác đi rất nhiều và không phái tần số thạch anh. Copyright (c) 8/2009 by KTMT71Các bộ dao động thạch anhĐể tránh nhược điểm trên, ta sử dung điện cảm Ln kết hợp với Cp thành cộng hưởng song song và giá trị điện cảm được tính xấp xỉ:Copyright (c) 8/2009 by KTMT72Các bộ dao động thạch anhMột sơ đồ dao động Colpitts dùng thạch anh khác như trên hìnhCopyright (c) 8/2009 by KTMT73Các bộ dao động thạch anhThạch anh hoạt động tại tần số gần với tần số cộng hưởng song song của mạch với C1, C2 tạo điện áp phản hồi và chuyển đổi trở kháng cực nguồn đến cực cửa. Một trở kháng cao tại RF có tác dụng làm nghẹt (RFC) và tạo đường dẫn phân cực một chiều. Tụ C1 được chọn với điện kháng khoảng 500 tạo một trở kháng trong mạch cực nguồn. Thực tế nếu trở kháng tải ở đầu ra thấp, C1 có thể được điều chỉnh giá trị giảm đi sao cho điện kháng mạch cực nguồn XC1 không bị mất tác dụng.Copyright (c) 8/2009 by KTMT74Các bộ dao động thạch anhDòng điện từ tổ hợp Rg và tinh thể thạch anh chảy qua C2 và C1 tạo thành điện áp vg được tính: trong đó gmvgs là dòng điện xoay chiều cực nguồn phụ thuộc vào vgs và gm hỗ dẫn của FET.Cho C3 = C2 + Cin  C2 + CgsCopyright (c) 8/2009 by KTMT75Các bộ dao động thạch anhHệ số khuếch đại vòng đủ lớn để dao động hình thành và duy trì ta chọn C3  10C1. Có một cách chọn khác C2  Cgs, xuất phát từ điều kiện tự kích thích dao động, đặc biệt với sơ đồ Colpitts thạch anh cực base sử dụng BJT.Copyright (c) 8/2009 by KTMT76Các bộ dao động thạch anhThay C2 với C3 vào ta cóChú ý rằng số hạng cuối cùng bên phải của biểu thức là số thực âm. Ký hiệu điện trở này là: Có thể xem nguồn tín hiệu nối tiếp với Ceq = C1C3/ (C1 + C3) và nối tiếp thành vòng với L và rCopyright (c) 8/2009 by KTMT77Các bộ dao động thạch anhKhi toàn bộ các thành phần tổn hao trong sơ đồ biểu thị tương đương bằng r thì điện trở tổn hao r phải nhỏ hơn -R. Với điều kiện trên thoả mãn, dao động sẽ duy trì và hệ số phẩm chất Q của sơ đồ là: Với 0 = (LCeq)-1/2, và L là điện cảm biểu thị cho thạch anh, có giá trị nhỏ hơn nhiều so với cộng hưởng song song.Copyright (c) 8/2009 by KTMT78 Mạch dao động Pierce dùng thạch anh. Các thông số của mạch được tính tại tần số 3,5789 MHz dùng cho bộ dao động tạo sóng mang mầu trong TV tiêu chuẩn.Copyright (c) 8/2009 by KTMT79Hình trên là sơ đồ mạch dao động thạch anh Pierce. Mạch dao động này phụ thuộc vào các thành phần điện cảm của sơ đồ tương đương thạch anh để cung cấp tín hiệu hồi tiếp đúng pha. Từ mô hình trở kháng của dao động Pierce ta thấy Z3 biểu thị cho thạch anh trong mạch Pierce phải có trở kháng đối lại Z1 và Z2 (mà trong trường hợp này chúng là các tụ điện). Thông thường nếu Rd đủ lớn để hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại cực nguồn chung đủ lớn thì mạch sẽ dao động ở tần số giữa tần số cộng hưởng fs và fp nơi mà tinh thể tương đương cuộn cảmCopyright (c) 8/2009 by KTMT80Điều này dẫn đến sự ổn định tối ưu. Điện áp phân cực được cung cấp cho FET từ nguồn VDD qua điện trở R­d . Điện trở Rd có thể được thay thế bằng mạch chặn. Điện trở Rg có giá trị khoảng 100k có nhiệm vụ nối giữa cực cổng của FET với đất. Còn Rs tạo một phân cực tự cấp (Vs = IdRs) từ cực nguồn của FET. Điện trở này bị ngắn mạch xoay chiều bằng tụ BP để nâng cao hệ số khuếch đại có nhiệm vụ làm cho khuếch đại cao lên bởi tụ BP. Rs và tụ ngắn mạch có thể không có nếu ta nối cực nguồn xuống đất.Copyright (c) 8/2009 by KTMT81Bài tập Bài 1: Một bộ khuếch đại 3 tầng được minh hoạ như trên hình vẽ. Điểm A và B là hai đầu vào có thể nối hồi tiếp tới đầu ra. Trong hai cực A hoặc B, cực nào dùng cho hồi tiếp thoả mãn điều kiện pha cho dao động? tại sao?Copyright (c) 8/2009 by KTMT82Bài tập Bài 2: Một mạch tích hợp có trở kháng đầu vào và đầu ra cao, có hệ số khuếch đại điện áp là +50 được vẽ trong hình a- Tên của sơ đồ mạch dao động là gì? b-Tính hệ số khuếch đại vòng của mạch. c- Dao động có duy trì được không? Phân tích điều kiện Barkhausen?Copyright (c) 8/2009 by KTMT83Bài tập Bài 3: Cho mạch điện như sơ đồ, giả sử n1=20 vòng (T) n2=10 T, n3 =2 T, n2 độc lập với n3 và k=1 ,L1=50 H và QN là vô cùng. Transistor có =20 và IE=1mAGiá trị của tụ điện C sẽ là bao nhiêu nếu mạch điều hưởng ở tần số 1MHz (bỏ qua điện kháng của cuộn thứ cấp biến áp)Tính hệ số khuếch đại điện áp collector - base.Tính hệ số khuếch đại vòng. Nếu n1:n3 là biến áp đảo pha có tạo thành bộ dao đọng được không? Tại sao?Hệ số khuếch đại vòng như trên có đủ cho dao động duy trì không? Copyright (c) 8/2009 by KTMT84Bài tậpCopyright (c) 8/2009 by KTMT85 Bài 4: Trong các mạch hình dưới thì mạch nào là phù hợp với mô hình của bộ dao động thạch anh nếu như tinh thể thạch anh tương đương với điện cảmCopyright (c) 8/2009 by KTMT86