Bộ dao động LC và các loại của nó

Bộ dao động LC và các loại của nó

Dao động LC là một loại dao động trong đó một mạch LC (cuộn tự và tụ điện) được sử dụng để cung cấp phản hồi tích cực cần thiết để duy trì các dao động. Mạch tank LC cũng được gọi là mạch tự cảm tụ điện hoặc mạch điều chỉnh LC. Theo tiêu chí Barkhausen để duy trì dao động ổn định, một mạch sẽ duy trì các dao động ổn định chỉ ở các tần số mà lợi tổ hợp của hệ thống bằng hoặc lớn hơn 1 và chênh lệch pha giữa đầu vào và đầu ra là 0 hoặc là một bội số nguyên của 2π. Dao động LC có thể được thực hiện bằng cách sử dụng BJT, FET, MOSFET, opamp, v.v. Các ứng dụng điển hình của dao động LC bao gồm máy tạo tín hiệu RF, mixer tần số, điều chỉnh, máy tạo sóng sine, modulator RF, v.v. Trước khi đi vào chi tiết về dao động LC, hãy xem xét mạch tank LC.

Mạch tank LC ban đầu chỉ đơn giản là một tụ điện và cuộn tự nối song song, tuy nhiên, để giải thích một cách dễ dàng, mạch bao gồm cả công tắc và nguồn điện. Ban đầu, giả sử công tắc S ở vị trí 1. Tụ điện sẽ được nạp một điện áp V là nguồn điện. Giả sử công tắc được chuyển đến vị trí 2 như được thể hiện trong hình dưới đây.

Tụ điện C sẽ bắt đầu xả qua cuộn tự L. Điện áp qua tụ điện sẽ bắt đầu giảm và dòng điện qua cuộn tự sẽ tăng lên. Dòng điện gia tăng tạo ra một trường từ quanh cuộn tự, và khi tụ điện hoàn toàn xả, năng lượng điện tĩnh lưu trữ trong tụ điện sẽ được chuyển hoàn toàn vào cuộn tự dưới dạng trường điện từ. Với không còn năng lượng trong tụ điện để duy trì dòng điện qua cuộn tự, trường xung quanh cuộn tự bắt đầu giảm và dòng điện qua cuộn tự có xu hướng giảm.

Do hiệu ứng tự từ, cuộn tự sẽ tạo ra một điện trở từ (back emf) bằng L(di/dt) để chống lại sự thay đổi trong dòng điện. Back emf này sẽ bắt đầu nạp lại tụ điện.

Khi tụ điện đã được nạp đầy, năng lượng từ trước đây lưu trữ trong cuộn tự dưới dạng trường điện từ sẽ được chuyển đến tụ điện dưới dạng trường điện tĩnh. Sau đó, tụ điện bắt đầu xả lại và chu kỳ được lặp lại. Sự chuyển giao chu kỳ của năng lượng giữa tụ điện và cuộn tự là nguyên nhân cơ bản đằng sau việc tạo ra dao động trong mạch tank.

Trong một dao động LC thực tế, ngoài tiêu chí Barkhausen, cần có các phương tiện để đền bù cho năng lượng mất trong mạch tank. Việc sử dụng các thành phần hoạt động như BJT, FET, opamp, v.v. trong dao động LC là một cách để đáp ứng tất cả những yêu cầu này. Thành phần hoạt động trong một mạch dao động LC có ba nhiệm vụ cơ bản.

Cung cấp độ khuếch đại cần thiết:

Thành phần hoạt động khuếch đại các tín hiệu trong mạch dao động, đảm bảo rằng có độ khuếch đại đủ để đền bù cho các mất mát năng lượng và duy trì các dao động ổn định.

Hỗ trợ đạt được các điều kiện phản hồi tích cực cần thit:

Các thành phần hoạt động đóng góp vào việc tạo ra các điều kiện phản hồi tích cực cần thiết để duy trì các dao động ổn định, phù hợp với tiêu chí Barkhausen.

Đền bù năng lượng mất trong mạch tank:Thành phần hoạt động giúp chống lại sự mất mát năng lượng xảy ra trong mạch tank LC. Điều này là quan trọng để duy trì các dao động theo thời gian.

Dao động LC và Các Loại: Dao động Chân không điều chỉnh (Tuned Collector Oscillator)

Dao động chân không điều chỉnh có thể được xem là loại cơ bản trong các dao động LC. Trong cấu hình này, một biến áp và một tụ được kết nối song song qua mạch thu thuật toán của dao động. Cuộn chính của biến áp cùng với tụ tạo thành mạch tank quan trọng. Cuộn phụ của biến áp hỗ trợ phản hồi bằng cách đưa một phần của các dao động tạo ra trong mạch tank trở lại cổng của transistor. Hình dưới đây minh họa sơ đồ mạch của một tuned collector oscillator điển hình.

Dao động Cơ bản Điều chỉnh (Tuned Base Oscillator):

Dao động Cơ bản Điều chỉnh là một loại dao động transistor LC trong đó mạch được điều chỉnh đặt giữa cổng cơ bản và đất của transistor. Cuộn chính của một biến áp và một tụ tạo thành mạch được điều chỉnh. Cuộn phụ của biến áp được sử dụng cho phản hồi. Sơ đồ mạch của một dao động cơ bản điều chỉnh được mô tả trong hình dưới đây.

Dao động Hartley:

Dao động Hartley là một loại dao động LC trong đó mạch tank bao gồm hai cuộn tự và một tụ điện. Các cuộn tự được kết nối nối tiếp và tụ điện được kết nối song song với tổ hợp nối tiếp này. Nó được phát minh bởi nhà khoa học người Mỹ Ralph Hartley vào năm 1915. Tần số hoạt động điển hình của dao động Hartley nằm trong khoảng từ 20KHz đến 20MHz và nó có thể được thực hiện bằng cách sử dụng BJT, FET hoặc opamp. Sơ đồ mạch của một dao động Hartley được hiển thị trong hình dưới đây.

Dao động Colpitts:

Dao động Colpitts là một loại dao động LC khác nơi mạch tank bao gồm hai tụ điện và một cuộn tự. Các tụ điện được kết nối nối tiếp và cuộn tự được kết nối song song với tổ hợp nối tiếp này. Nó được phát minh bởi nhà khoa học Edwin Colpitts vào năm 1918. Dải tần hoạt động điển hình của dao động Colpitts là từ 20KHz đến MHz. Dao động Colpitts có tính ổn định tần số tốt hơn so với dao động Hartley. Sơ đồ mạch của một dao động Colpitts điển hình được hiển thị trong hình dưới đây.

Dao động Clapp:

Dao động Clapp chỉ là một biến thể của dao động Colpitts. Trong dao động Clapp, một tụ điện bổ sung được thêm vào nối tiếp với cuộn tự trong mạch tank. Tụ điện bổ sung này có thể được làm biến đổi trong các ứng dụng có tần số biến đổi. Việc thêm tụ điện bổ sung này tách biệt các tụ điện còn lại khỏi ảnh hưởng của các thông số của transistor như tụ nối và cải thiện tính ổn định tần số. Sơ đồ mạch của một dao động Clapp được hiển thị trong hình dưới đây.