Dao động điện tử

Dao động tử điện tử hay mạch dao động điện tử là loại mạch tạo ra tín hiệu điện tử dao động tuần hoàn với dạng sóng cố định. Thông thường, các mạch đơn giản sản xuất sóng vuông, trong khi các mạch phức tạp hơn tạo ra sóng sin, sóng răng cưa hoặc dạng sóng đặc biệt khác, đảm bảo hình dạng và độ ổn định của tín hiệu phát ra.

Bộ dao động (dao động tử) chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ nguồn cung cấp thành tín hiệu xoay chiều (AC). Chúng được sử dụng phổ biến để tạo xung nhịp (Clock signal) hoặc tín hiệu định dạng trong nhiều thiết bị điện tử, từ máy phát đồng hồ đến thiết bị kỹ thuật số như máy tính và các thiết bị công nghiệp. Ví dụ về tín hiệu do bộ dao động tạo ra bao gồm tín hiệu phát thanh và truyền hình, tín hiệu đồng hồ điều chỉnh máy tính và đồng hồ thạch anh, cũng như âm thanh từ tiếng bíp điện tử và trò chơi video.

Phân loại

Các mạch điện được phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau, dẫn đến các nhóm phân loại riêng biệt.

Dải tần số hoạt động

Mạch dao động thường được nhận diện qua tần số của tín hiệu đầu ra.

• Mạch dao động tần số thấp (LFO, low-frequency oscillator) tạo ra tần số dưới 20 Hz, thường dùng trong tổng hợp âm thanh để phân biệt với mạch tạo dao động tần số âm thanh.
• Mạch dao động âm thanh phát ra tần số trong phạm vi âm thanh, từ khoảng 16 Hz đến 20 kHz.
• Mạch dao động RF (radio frequency) sản xuất tín hiệu trong dải tần số vô tuyến (RF), từ 100 kHz đến 100 GHz, được sử dụng trong truyền thông và điện toán.

Dạng tín hiệu đầu ra

• Thường gặp nhất là các mạch tạo xung vuông hoặc gần vuông, dùng làm xung nhịp (clock) hoặc định thời (timer) trong thiết bị số. Đầu ra của chúng thường được tăng cường bằng cổng logic để đảm bảo tín hiệu xung vuông chính xác.
• Các mạch phát sóng sin hoặc gần sin, thường dùng làm sóng mang trong truyền thông viễn thông hoặc ứng dụng âm tần.
• Các mạch phát sóng dạng đặc biệt như sóng răng cưa một sườn hoặc hai sườn. Sóng răng cưa một sườn dùng trong mạch quét TV analog, radar cũ,... Sóng răng cưa hai sườn thường thấy trong mạch ADC. Hiện nay, nhiều mạch này đã được thay thế bằng mạch kỹ thuật số.

Công suất hoạt động

• Đa số các mạch dao động trong kỹ thuật điện tử có công suất nhỏ, từ micro đến miliwatt. Tín hiệu sau đó được khuếch đại và phát sóng với công suất lớn hơn, lên đến vài chục KW.
• Các đèn phát sóng RF với công suất từ vài trăm đến ngàn VA, được sử dụng trong lò vi sóng.
• Các bộ biến tần (inverter) là mạch dao động được thiết kế để chuyển đổi năng lượng từ nguồn DC thành AC công suất cao. Chúng có thể đồng bộ với lưới điện và là thành phần quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, gió, sóng, thủy triều,...

Các loại mạch điện

• Mạch sử dụng linh kiện với đặc tuyến V-A có đoạn với 'điện trở vi phân âm', tức là đoạn đường V-A đi xuống hoặc . Ví dụ như đèn neon với đoạn b-d trong đặc tuyến V-A, dùng làm 'dao động tích thoát' tần thấp. Các diode tunnel, đèn Magnetron,... thường dùng cho tạo sóng RF tần cao và siêu cao.

• Mạch có khuếch đại $A$ và phản hồi dương với bộ lọc β(jω). Tín hiệu đầu ra được lọc và đưa trở lại đầu vào. Khi hệ số phản hồi ở một tần số nào đó phù hợp với mức khuếch đại, tín hiệu này được khuếch đại và duy trì dao động.
  • Nếu hệ số khuếch đại lớn, tín hiệu đầu ra sẽ đạt đến mức bão hòa với các mức cao V_dd và thấp V_GND hoặc _Vss xen kẽ, tạo ra xung hình thang hoặc gần vuông.
  • Nếu hệ số khuếch đại vừa phải và bộ lọc phản hồi β(jω) có dải thông hẹp, hệ thống sẽ tạo sóng đơn hài gần dạng sin.
  • Nếu hệ số khuếch đại vừa phải và bộ lọc phản hồi β(jω) có dải thông rộng, hệ thống sẽ tạo sóng dạng phức tạp tùy thuộc vào mạch cụ thể.

Có hai loại dao động điện tử chính - dao động tuyến tính (hài) và dao động phi tuyến (thăng giáng).

Bộ tạo dao động tinh thể xuất hiện phổ biến trong thiết bị điện tử hiện đại, tạo ra tần số từ 32 kHz đến hơn 150 MHz, với các tinh thể 32 kHz thường dùng để giữ thời gian và tần số cao hơn thường dùng trong các ứng dụng xung nhịp và sóng RF.

Dao động RC

Mạch Dao động RC là loại mạch dao động điện tử sử dụng mạng RC để chọn lọc tần số, tạo ra tín hiệu với tần số và hình dạng mong muốn.

Chúng thường là phần của dao động thăng giáng, kết hợp điện trở và tụ điện cùng với mạch khuếch đại để tạo ra các dạng tín hiệu khác nhau. Ví dụ, mạch RC có thể tạo tín hiệu dạng sin hoặc xung vuông liên tục hoặc đơn lẻ với yêu cầu cao về độ dốc sườn xung trong kỹ thuật số.

Do mạng RC phản ứng chậm với các thay đổi điện, dao động RC thường tạo ra tần số dưới 100 KHz, nằm trong dải tần âm và siêu âm.

Dao động LC

Các mạch Dao động LC là mạch điện tử sử dụng mạng LC để chọn lọc tần số và tạo ra tín hiệu với tần số và hình dạng mong muốn.

Với khả năng phản ứng nhanh và chọn lọc tần số cao, Dao động LC thường được dùng để phát tần số radio từ khoảng 0,1 MHz đến vài trăm MHz. Các mạch phát tần số siêu cao sử dụng nguyên lý khác.

Dao động tinh thể là một loại của Dao động LC, trong đó phần tử tinh thể được coi là một mạng LC tương đương.

Dao động tinh thể

Các mạch Dao động tinh thể sử dụng tinh thể để duy trì tần số ổn định. Tinh thể hoạt động như một mạng LC nối tiếp, và toàn bộ mạch được phân tích như một Dao động LC.

Các Dao động tinh thể có tần số dưới 10 MHz thường sử dụng sơ đồ mạch Dao động Pierce, trong đó một cổng CMOS NOT được cấu hình để khuếch đại với phản hồi qua tinh thể nối tiếp. Những mạch này thường được sản xuất sẵn với các tần số chuẩn hóa, cung cấp xung nhịp cho thiết bị kỹ thuật số như máy tính.

Tài liệu tham khảo

• Morse, A. H. (1925). Radio: Beam and Broadcast: Its story and patents. London: Ernest Benn.. Lịch sử phát thanh năm 1925. Đề cập đến các bằng sáng chế năm 1912; vụ kiện De Forest và Armstrong tham khảo trang 45. Máy phát điện thoại/mạch dao động của A. S. Hibbard năm 1890 (microphone carbon có khuếch đại công suất); Larsen 'sử dụng nguyên lý tương tự để sản xuất dòng điện xoay chiều từ nguồn một chiều'; sự phát triển tình cờ của mạch dao động chân không; tất cả ở trang 86. Von Arco và Meissner đầu tiên nhận ra ứng dụng cho máy phát; Round cho máy phát đầu tiên; không ai sáng chế máy phát triode ở trang 87.
• Ulrich Rohde, Ajay Poddar và Georg Bock, Thiết kế các Mạch Dao động Vi sóng Hiện đại cho Ứng dụng Không dây: Lý thuyết và Tối ưu hóa, (543 trang) John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0-471-72342-8.
• E. Rubiola, Noise Phase và Độ ổn định Tần số trong các Mạch Dao động Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88677-2.

Các liên kết ngoài

• Howstuffworks: mạch dao động.
• Sự kỳ lạ của mạch dao động.
• Hướng dẫn về Tạo tần số chính xác.