Bộ dao động cầu Wien

Bộ dao động cầu Wien

Dao động Cầu Wien là một trong những loại dao động phổ biến nhất, đặc biệt được sử dụng trong các ứng dụng âm thanh và dải tần số siêu âm (20 - 20 kHz). Đặc trưng của loại dao động này là thiết kế đơn giản, kích thước nhỏ gọn và ổn định đáng kể trong tần số đầu ra. Hơn nữa, đầu ra của nó có độ méo tương đối thấp và tần số có thể được điều chỉnh dễ dàng. Tuy nhiên, tần số đầu ra tối đa của một Dao động Cầu Wien điển hình chỉ khoảng 1 MHz. Đây cũng chính là một loại dao động dạng dịch pha. Nó sử dụng hai transistor, mỗi cái tạo ra một dịch pha 180°, do đó tạo ra tổng dịch pha là 360° hoặc 0°.

Sơ đồ mạch của bộ giao động cầu Wien

Dao động Cầu Wien về cơ bản là một bộ khuếch đại hai giai đoạn tích hợp với một mạch cầu R-C. Mạch cầu R-C, còn được biết đến với tên gọi là cầu Wien, hoạt động như một mạng dẫn-lag, thể hiện sự dịch pha kém theo tần số tăng và dẫn đầu theo tần số giảm. Việc thêm mạng phản hồi cầu Wien giúp dao động trở nên nhạy cảm với một tần số cụ thể - tần số mà cầu Wien đạt cân bằng, dẫn đến sự dịch pha 0°.

Nếu không có mạng phản hồi cầu Wien, nếu đầu ra của transistor Q2 được đưa lại transistor Q1 để cung cấp tái tạo cần thiết cho dao động, transistor Q1 sẽ khuếch đại tín hiệu trên một phạm vi rộng của tần số và điều này sẽ dẫn đến sự không ổn định về tần số do sự kết nối trực tiếp. Do đó, sự tích hợp của mạng phản hồi cầu Wien cải thiện sự ổn định về tần số.

Trong mạch cầu, sự kết hợp của R1 nối tiếp với C1, và R3, R4 và R2 song song với C2 tạo thành bốn cánh. Mạch cầu này phục vụ như một mạng phản hồi cho dao động, đảm bảo một dịch pha 0 qua bộ khuếch đại. Sắp xếp này bao gồm một bộ khuếch đại hai giai đoạn, trong đó đầu ra của giai đoạn thứ hai được đưa lại mạng phản hồi, và điện áp qua sự kết hợp song song của C2 và R2 được đưa vào đầu vào của giai đoạn đầu tiên. Transistor Q1 đóng vai trò là một bộ khuếch đại và dao động, trong khi transistor Q2 đóng vai trò là một inverter gây ra một dịch pha 180°. Mạch sử dụng phản hồi tích cực và phản hồi âm để đảm bảo dao động hiệu quả.

Để ổn định biên độ đầu ra, các trở R3 và R4 được tích hợp. Transistor Q1 và Q2 cùng tạo ra một tổng dịch pha 360°, đảm bảo phản hồi tích cực hiệu quả. Phản hồi âm được giới thiệu thông qua một bộ chia áp để duy trì một đầu ra nhất quán qua nhiều tần số khác nhau. Trở R4 được thiết kế dưới dạng một bóng đèn nhạy nhiệt độ, có trở kháng tăng khi dòng điện tăng. Trong trường hợp biên độ đầu ra có xu hướng tăng, dòng điện tăng qua bóng đèn sẽ cung cấp thêm phản hồi âm. Do đó, đầu ra sẽ khôi phục giá trị ban đầu của nó. Hành động ngược lại sẽ xảy ra nếu đầu ra có xu hướng giảm.

Đơn vị tăng áp của bộ khuếch đại, A R3 + R4 / R4 = R3 / R4 + 1 = 3, với R3 = 2R4. Điều này tương ứng với sự suy giảm mạng phản hồi 1/3. Để duy trì dao động, đơn vị tăng áp (A) phải bằng hoặc lớn hơn 3. Việc đạt được đơn vị tăng áp là 3 không khó. Ngược lại, việc duy trì một đơn vị tăng áp thấp như 3 có thể khó khăn. Vì lý do này, phản hồi âm là không thể thiếu.

Bộ dao động cầu Wien – Cách hoạt động

Mạch Dao động Cầu Wien được khởi động dao động thông qua sự thay đổi ngẫu nhiên trong dòng cơ sở của transistor Q1, có thể do tiếng ồn tích hợp trong transistor hoặc biến động trong điện áp nguồn DC. Sự biến đổi này trong dòng cơ sở được khuếch đại trong mạch colector của transistor Q1 với một dịch pha 180°. Tín hiệu đầu ra của transistor Q1 được đưa vào cổng cơ sở của transistor thứ hai, Q2, qua tụ C4. Tại đây, tín hiệu được khuếch đại thêm và có một lần đảo pha, kết quả là một tín hiệu đồng pha với tín hiệu đầu vào tại cổng cơ sở của transistor Q1 sau khi đã bị đảo ngược hai lần.

Một phần của tín hiệu đầu ra từ transistor Q2 được phản hồi vào điểm đầu vào của mạch cầu (điểm A-C). Tín hiệu phản hồi này được chia làm hai phần, một phần được áp dụng cho trở tụ emitor R4, tạo ra hiệu ứng giảm độ chệch (phản hồi âm). Đồng thời, một phần khác của tín hiệu phản hồi được áp dụng trên trở tụ cơ sở R2, tạo ra hiệu ứng tăng độ chệch (phản hồi tích cực). Ở tần số đặt trước, hiệu ứng tăng độ chệch được tăng nhẹ so với hiệu ứng giảm độ chệch, đảm bảo sự dao động liên tục.

Tần số của dao động có thể được biến đổi liên tục bằng cách điều chỉnh hai tụ C1 và C2 đồng thời. Những tụ này là tụ biến đổi không khí. Ngoài ra, việc thay đổi giá trị của các trở R1 và R2 bằng cách chuyển các giá trị trở khác nhau vào mạch cho phép điều chỉnh phạm vi tần số của dao động.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

Đầu ra ổn định và Ít Sự Méo Thấp: Tạo ra một đầu ra sóng sin ổn định và ít méo thấp trên một dải tần rộng.
Lựa Chọn Tần Số Dễ Dàng: Phạm vi tần số có thể được lựa chọn một cách thuận tiện bằng cách sử dụng hộp trở thập kỷ.
Điều Chỉnh Tần Số Dễ Dàng: Tần số dao động có thể dễ dàng điều chỉnh bằng cách biến đổi đồng thời các tụ C1 và C2.
Độ Khuếch Đại Tổng Quát Cao: Mạch có lợi từ độ khuếch đại tổng quát cao do sử dụng hai transistor.

Nhược Điểm:

Phức Tạp: Yêu cầu hai transistor và một số lượng lớn các thành phần khác, gây ra sự phức tạp trong mạch.
Tần Số Tối Đa Hạn Chế: Gặp hạn chế về tần số tối đa đầu ra do đặc tính biên độ và dịch pha của bộ khuếch đại.