Oscillators: Chúng là gì? (Định nghĩa, Các loại, & Ứng dụng)

Điều gì là bộ dao động?

Một bộ dao động là mạch tạo ra một dạng sóng dao động liên tục, lặp đi lặp lại mà không cần bất kỳ đầu vào nào. Bộ dao động cơ bản chuyển dòng điện một chiều từ nguồn DC thành dạng sóng dao động có tần số mong muốn, do các thành phần của mạch quyết định.

Nguyên lý cơ bản đằng sau cách hoạt động của bộ dao động có thể được hiểu bằng cách phân tích hành vi của mạch LC như được hiển thị trong Hình 1 dưới đây, sử dụng cuộn cảm L và tụ điện C đã được sạc hoàn toàn làm thành phần. Ban đầu, tụ điện bắt đầu xả qua cuộn cảm, dẫn đến việc chuyển đổi năng lượng điện thành trường điện từ, có thể được lưu trữ trong cuộn cảm. Khi tụ điện xả hoàn toàn, sẽ không có dòng điện chảy trong mạch.

Tuy nhiên, đến lúc đó, trường điện từ đã lưu trữ sẽ tạo ra một điện áp ngược, dẫn đến dòng điện chảy trong mạch theo cùng hướng như trước. Dòng điện chảy trong mạch tiếp tục cho đến khi trường điện từ sụp đổ, dẫn đến việc chuyển đổi ngược lại năng lượng điện từ thành dạng điện, gây ra chu kỳ lặp lại. Tuy nhiên, bây giờ tụ điện sẽ được sạc với cực tính ngược, do đó ta nhận được dạng sóng dao động làm đầu ra.

Tuy nhiên, các dao động xuất phát từ sự chuyển đổi giữa hai dạng năng lượng này không thể kéo dài mãi vì chúng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng mất năng lượng do điện trở của mạch. Kết quả là, biên độ của các dao động giảm dần về không, khiến chúng bị dập tắt.

Điều này cho thấy để có được các dao động liên tục và có biên độ không đổi, cần phải bù đắp cho sự mất năng lượng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng năng lượng cung cấp phải được kiểm soát chính xác và phải bằng với năng lượng mất để có được các dao động với biên độ không đổi.

Điều này là vì, nếu năng lượng cung cấp nhiều hơn năng lượng mất, thì biên độ của các dao động sẽ tăng (Hình 2a), dẫn đến đầu ra bị biến dạng; trong khi nếu năng lượng cung cấp ít hơn năng lượng mất, thì biên độ của các dao động sẽ giảm (Hình 2b), dẫn đến các dao động không bền vững.

Thực tế, bộ dao động chỉ là mạch khuếch đại được cung cấp phản hồi dương hoặc tái tạo, trong đó một phần của tín hiệu đầu ra được phản hồi lại đầu vào (Hình 3). Ở đây, mạch khuếch đại bao gồm một phần tử khuếch đại hoạt động có thể là transistor hoặc Op-Amp và tín hiệu phản hồi đồng pha được giữ trách nhiệm duy trì (giữ) các dao động bằng cách bù đắp cho các tổn thất trong mạch.

Khi nguồn điện được bật, các dao động sẽ được khởi động trong hệ thống do nhiễu điện tử hiện diện trong nó. Tín hiệu nhiễu này di chuyển quanh vòng, được khuếch đại và nhanh chóng hội tụ thành một sóng sin tần số đơn. Phương trình cho lợi ích vòng kín của bộ dao động được hiển thị trong Hình 3 được đưa ra như sau:

Trong đó A là lợi ích điện áp của mạch khuếch đại và β là lợi ích của mạng phản hồi. Ở đây, nếu Aβ > 1, thì các dao động sẽ tăng biên độ (Hình 2a); trong khi nếu Aβ < 1, thì các dao động sẽ bị dập tắt (Hình 2b). Mặt khác, Aβ = 1 dẫn đến các dao động có biên độ không đổi (Hình 2c). Nói cách khác, điều này cho thấy nếu lợi ích vòng phản hồi nhỏ, thì dao động sẽ tắt, trong khi nếu lợi ích vòng phản hồi lớn, thì đầu ra sẽ bị biến dạng; và chỉ khi lợi ích phản hồi là một, thì các dao động sẽ có biên độ không đổi, dẫn đến mạch dao động tự duy trì.

Loại bộ dao động

Có nhiều loại bộ dao động, nhưng có thể được phân loại rộng rãi thành hai danh mục chính – Bộ dao động điều hòa (còn được gọi là Bộ dao động tuyến tính) và Bộ dao động thư giãn.

Trong bộ dao động điều hòa, luồng năng lượng luôn từ các thành phần hoạt động sang các thành phần thụ động và tần số của các dao động được quyết định bởi đường dẫn phản hồi.

Trong khi đó, trong bộ dao động thư giãn, năng lượng được trao đổi giữa các thành phần hoạt động và thụ động và tần số của các dao động được xác định bởi các hằng số thời gian sạc và xả liên quan. Hơn nữa, bộ dao động điều hòa tạo ra đầu ra dạng sóng sin ít biến dạng, trong khi bộ dao động thư giãn tạo ra dạng sóng không phải là sóng sin (dạng răng cưa, tam giác hoặc vuông).

Các loại bộ dao động chính bao gồm:

• Bộ dao động cầu Wien

• Bộ dao động dịch pha RC

• Bộ dao động Hartley

• Bộ dao động điều khiển điện áp

• Bộ dao động Colpitts

• Bộ dao động Clapp

• Bộ dao động thạch anh

• Bộ dao động Armstrong

• Bộ dao động thuần hóa bộ thu

• Bộ dao động Gunn

• Bộ dao động ghép chéo

• Bộ dao động vòng

• Bộ dao động Dynatron

• Bộ dao động Meissner

• Bộ dao động quang điện

• Bộ dao động Pierce

• Bộ dao động Robinson

• Bộ dao động Tri-tet

• Bộ dao động Pearson-Anson

• Bộ dao động đường truyền chậm

• Bộ dao động Royer

• Bộ dao động ghép electron

• Bộ dao động đa sóng

Bộ dao động cũng có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào tham số được xem xét, ví dụ: dựa trên cơ chế phản hồi, hình dạng của dạng sóng đầu ra, v.v. Các loại phân loại này được liệt kê dưới đây:

1. Phân loại dựa trên cơ chế phản hồi: Bộ dao động phản hồi dương và Bộ dao động phản hồi âm.

2. Phân loại dựa trên hình dạng của dạng sóng đầu ra: Bộ dao động sóng sin, Bộ dao động sóng vuông hoặc hình chữ nhật, Bộ dao động quét (tạo ra dạng sóng đầu ra dạng răng cưa), v.v.

3. Phân loại dựa trên tần số của tín hiệu đầu ra: Bộ dao động tần số thấp, Bộ dao động âm thanh (có tần số đầu ra trong dải âm thanh), Bộ dao động tần số vô tuyến, Bộ dao động tần số cao, Bộ dao động tần số rất cao, Bộ dao động tần số siêu cao, v.v.

4. Phân loại dựa trên loại điều khiển tần số sử dụng: Bộ dao động RC, Bộ dao động LC, Bộ dao động thạch anh (sử dụng tinh thể thạch anh để tạo ra dạng sóng đầu ra ổn định tần số), v.v.

5. Phân loại dựa trên tính chất của tần số của dạng sóng đầu ra: Bộ dao động tần số cố định và Bộ dao động tần số biến đổi hoặc có thể điều chỉnh.

Ứng dụng của bộ dao động

Bộ dao động là cách rẻ và dễ dàng để tạo ra tần số cụ thể của tín hiệu. Ví dụ, bộ dao động RC được sử dụng để tạo ra tín hiệu tần số thấp, bộ dao động LC được sử dụng để tạo ra tín hiệu tần số cao, và bộ dao động dựa trên Op-Amp được sử dụng để tạo ra tần số ổn định.

Tần số dao động có thể được thay đổi bằng cách thay đổi giá trị của các thành phần với các bố trí potentiometer.

Một số ứng dụng phổ biến của bộ dao động bao gồm:

• Đồng hồ quartz (sử dụng bộ dao động thạch anh)

• Sử dụng trong các hệ thống âm thanh và video

• Sử dụng trong các thiết bị truyền thông như radio, TV, và các thiết bị khác

• Sử dụng trong máy tính, máy dò kim loại, súng điện, inverter, ứng dụng siêu âm và tần số vô tuyến.

• Sử dụng để tạo xung đồng hồ cho vi xử lý và vi điều khiển

• Sử dụng trong các thiết bị báo động và tiếng kêu

• Sử dụng trong máy dò kim loại, súng điện, inverter, và siêu âm

• Sử dụng để vận hành đèn trang trí (ví dụ: đèn nhảy múa)

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.