Mạch phát FM dùng varicap

Mạch phat FM dùng varicap

Đề tài:

MẠCH ĐiỀU TẦN TRỰC TiẾP DÙNG VARICAP

Lời mở đầu

• Trong truyền dẫn vô tuyến ,để đưa tín hiệu có

tần số thấp như âm thanh tiếng nói đi xa cần có những kỹ thuật điều chế để đưa lên tần số cao,ở nơi thu sẽ giải điều chế để thu được tín hiệu âm tần mong muốn,gồm điều chế tương tự và điều chế số.Phương pháp điều chế tương tự gồm

điều biên (AM) và điều chế góc (PM và FM).Mỗi phương pháp có ưu , nhược điểm riêng và được dùng tùy vào ứng dụng cụ thể.

Hệ thống thu phát đổi tần được dùng rộng rãi trong

phát thanh radio FM dãy tần 88-108Mhz , truyền

hình audio, ứng dụng quảng bá … do ưu điểm về

khả năng chống nhiễu cao ,hiệu quả sử dụng công

suất và chất lượng thu tốt hơn AM.Tuy nhiên mạch

phát , thu FM cũng phức tạp hơn AM và do đó giá

thành cũng cao hơn

Ứng dụng FM dân dụng được dùng phổ biến trong

các Micro không dây

• Đề tài mạch FM này ,mạch phát ở một tần

số trong dãy tần radio FM để tận dụng

máy thu radio sẵn có.

• Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô để bài báo cáo được

hoàn chỉnh hơn.

I.1.SO SÁNH AM VÀ FM:

Điều chế biên độ AM:

• Công suất sóng mang không tải tin lớn ,vô ích.

• Công suất cao tần tải tin nhỏ của hai biên như nhau và phụ thuộc

hệ số điều chế mA

• Hiệu suất kém (P1 biên/Ptotal)

• Tính chống nhiễu kém do thông tin nằm ở biên độ và nhiễu trắng tác động lên biên độ

• Dễ thực hiện AM và máy thu giải điều chế đơn giản ,rẻ tiền

• AM dùng trong phát thanh quảng bá MW-SW.Phát ở tần số tương đối thấp (vài trăm KHz) do ở tần số cao nhiễu cao tần xuất hiện nhiều.

• BW nhỏ do chỉ có 2 thành phần sideband fc –fm và fc + fm

• Dạng đặc biệt của đổi tần.

I.2.ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ:

Sơ đồ khối hệ thống thu phát:

• Điều chế tần số tạo ra số lượng lớn sideband ở 2 phía của sóng mang cao tần

• Tín hiệu FM , hệ số điều chế và băng thông đều phụ

thuộc vào biên độ và tần số của tín hiệu điều chế m(t)

• So sánh với AM , FM có hệ số điều chế lớn hơn , BW lớn hơn và khả năng loại nhiễu tốt hơn

• Pha đầy đủ :

• Tần số tức thời :

• Sóng mang dạng sine được điều chế bởi tín hiệu điều

chế m(t) dạng sine , biên độ m(t) tại mỗi thời điểm đã

làm thay đổi tần số tín hiệu ngõ ra so với sóng mang ban

đầu , trong khi biên độ không đổi

• Tín hiệu FM được phân tích hàm Bessel:

• Các hệ số Bessel Jn trong khoảng 0,0 đến +1,0/-1,0 tại mỗi

tần Hai dải bên lẻ ngược pha nhau , hai dải bên chẵn đồng pha.

13

Băng thông FM:

• Công suất tín hiệu FM giới hạn ở các hệ số Bessel

chiếm xấp xỉ 98% công suất FM.Các vạch phổ bậc cao hơn có biên độ rất nhỏ có thể bỏ qua

I.3.DÃY TẦN SỐ FM THƯỜNG DÙNG:

• Ứng dụng FM :

• Phát thanh quảng bá phi thương mại 88-90Mhz

• Phát thanh thương mại 90-108Mhz

• Truyền hình audio(WFM)

• Các dịch vụ thông tin công cộng (cảnh sát , cứu hỏa ,…) 30-50Mhz,450-470Mhz , 800Mhz(NBFM)

• Các ứng dụng khác

II.1.ĐẶC TÍNH MẠCH DAO ĐỘNG:

• Mạch dao động thường dùng ở tần số cao, không dùng

ở tần số thấp Hầu hết đều sử dụng cuộn dây , do đó nếu dùng ở tần số thấp kích thước cuộn dây rất lớn

không có tính kinh tế

II.2.CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA BỘ

DAO ĐỘNG:

• Để có tín hiệu hồi tiếp đến ngõ vào cùng pha với tín hiệu vào ban đầu.Mạng L-C phải tạo ra một độ lệch pha 180

độ Bản thân transistor nếu lấy ngõ ra từ cực C tạo ra

độ lệch pha 180 độ so với tín hiệu vào , cần phải tạo

lệch pha 180 độ từ cực C Mạng L-C sẽ làm điều này và kết quả là tạo thành hồi tiếp dương

II.3.SỰ TRÔI TẦN SỐ BỘ DAO ĐỘNG :

• Sự trôi tần số do bản thân Transistor

• Sự trôi do mạng L-C :

Để hạn chế sự dịch tần này ( dù rất nhỏ ):

• Cẩn thận trong thiết kế mạch L-C.

• Bao bọc phần mạch dao động để ổn định nhiệt độ.

• Điều chỉnh nhiệt độ của phần dao động.

• Bổ chính nhiệt ( có thể dùng diod, bán dẫn,… ).

• Gắn chặt các kinh kiện để ngăn sự di chuyển của

linh kiện do va chạm hay rung động

II.4.CÁC DẠNG MẠCH DAO ĐỘNG:

• II.4.1.Dao động ghép biến áp :

II.4.1.Dao động ghép biến áp :

• Transistor tạo một độ dịch pha 180 độ ở ngõ ra ,

do đó yêu cầu mạch hồi tiếp phải tạo được độ

dịch pha 180 độ Trong dạng mạch này mạch hồi tiếp được dùng là biến áp Cuộn dây sơ cấp của biến áp và tụ C sẽ quyết định tần số dao động

II.4.2.Mạch dao động Colpitts:

II.4.2.Mạch dao động Colpitts:

• Tín hiệu hồi tiếp về cực B điều khiển bởi tỉ số 2

tụ C1 và C2

• Đỉnh biên độ dao động đạt được tại điểm mà

mạng tạo ra độ dịch pha 1800 , tại đó dao động xảy ra.

• Cuộn cảm hay tụ điện có thể thay đổi.Tụ C2

thường có giá trị nhỏ hơn C1,và thường là tụ có thể thay đổi trị số được.

1 2

II.4.3 Mạch dao động Hartley:

II.4.3 Mạch dao động Hartley:

• Tín hiệu hồi tiếp về cực B của transistor điều khiển bởi

tỉ sồ L1:L2 Tỉ số này ,cùng với trở kháng vào của

transistor sẽ xác định trở kháng vào của mạch cộng

hưởng Bên cạnh đó ,tỉ số trở kháng này và tải quyết

định độ lợi tối thiểu cần thiết cho dao động.Thông

II.4.4.Dao động thạch anh:

• Tần số cao ,độ ổn định cao

• Mạch điện tương đương thạch anh gồm nhiều

nhánh.Tương đương tụ điện hay cuộn dây.Có tần số cộng

hưởng nối tiếp gần bằng tần số cộng hưởng song song.

• QTA=XLT/rT rất lớn cỡ Giá trị LT,CT phụ thuộc kích

cỡ,chiều cắt thạch anh 10 ,105 6

• Thời gian dài : thay đổi tần số từ từ do bất ổn nhiệt độ , áp suất , độ

ẩm , rung cơ học , nguồn ….

• Thời gian ngắn : thay đổi tần số trong thời gian ngắn - một hay vài

chu kỳ tín hiệu do nhiễu nhiệt , nhiễu shot.

• Độ bất ổn thời gian ngắn giảm khi hệ số phẩm chất Q mạch cộng

hưởng tăng (Q lớn –băng thông hẹp ,độ chọn lọc tần số cao hơn).

• Tần số dao động mạch cộng hưởng f0 Dưới tác động các yếu tố gây

sái dạng thông số L,C một lượng

ω

V A

V B

V

=

Độ lợi khuếch đại điện áp không hồi tiếp:

Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp :

Xét hồi tiếp dương:

1 2

+

C LC

III.2.CÁC MẠCH DAO ĐỘNG L-C:

• So sánh giữa các loại mạch dao động thì

Clapp cho độ ổn định cao.Do mạch dao động Clapp chỉ phụ thuộc vào 2 phần tử ,giảm

được ảnh hưởng tụ ký sinh tần số cao Thứ đến Colpitt rồi Harley.

• Mạch dao động L-C đòi hỏi các linh kiện cần

có chất lượng tốt, sai số nhỏ ,nhiễu thấp.

III.3.MẠCH VCO (voltage-controlled

oscillator):

IV.1.SƠ ĐỒ KHỐI:

• Phương pháp điều chế tần số trực tiếp đơn giản nhất là làm thay đổi tần số dao động.Có thể dùng một micro điện dung thay đổi theo điện áp đưa

vào ,dùng diode biến dung , sử dụng vi mạch

VCO,hoặc điều tần dựa trên tụ điện ký sinh ở tiếp xúc transistor thay đổi theo điện áp phân cực…

• Phương pháp điều chế FM ở đây được thực hiên dựa trên nguyên tắc điều chế FM trực tiếp dùng varicap làm thay đổi tần số dao động (tương tự VCO) , và tần số ngõ ra nằm trong dãy tần FM

radio.

Phân tích sơ đồ khối:

Một số dạng mạch điều chế FM

trực tiếp:

• Mạch phát FM sử dụng 2 Transistor

• Mạch dùng Op-amp để khuếch đại âm tần

• Mạch trên điều chế FM bằng Varicap

• Mạch kết hợp L-C thạch anh cho độ ổn

định cao

• Điều chế điện kháng trên cơ sở khuếch

đại CE lớp A

• Cho điện áp phân cực ngược của varicap là 5V nên

Cv = 8pF

• Tụ C4 đóng vai trò tụ liên lạc nối với tần sau có điện dung lớn.

bb

bb CQ

Sơ đồ tương đương:

25

CQ

hfe hie

Độ lợi khuếch đại điện áp

không hồi tiếp:

=2244.15 (từ công thức tính trở kháng khung cộng hưởng)

2

1 2 1

Vậy: để mạch có thể dao động được cần chọn giá

trị trở kháng tải đủ lớn để thỏa mãn điều kiện dao

IV.4.TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH DAO

ĐỘNG:

• Phân tích mạch dao động Colpitts VCO with

varicap

Sơ đồ tương đương:

Giả sử : C v = Cmin ÷ Cmax

Điện dung tương đương C a , C b :

ω

Các tụ C1 = 68pF ,C2 = 2nF ,C3 = 47pF

Điện áp phân cực ngược của varicap là 5V nên Cv = 8pF

Yêu cầu thiết kế tại tần số 90MHz

Tính toán cuộn dây ứng với tần số dao động mong muốn :

= 65.76pF

= 6.84pF

= 72.6pF

6 2

1

0.043 10 43 (2 )

v b

IV.5.TẦN KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN:

IV.5.1.Phân tích:

M K 1

M I C R O P H O N E

1 2

1.09 ( )

bb b

b CQ

Chế độ AC:

13

1 107.46

• Do chỉ cần mạch thu trong dãy tần nghe được của tai người từ 20Hz-20KHz.Phân tích ở trên đúng cho trường hợp tổng quát cho

• Để có được tần số cắt như mong muốn cần

thêm tụ C mắc vào BC , tụ bypass C11 có giá trị giới hạn.

Sơ đồ nguyên lý trở thành

Transistor C1815 có Cb’c = 2pF , hfe=100

hie = rb’e = 2.3k

Rbb = 8.25k , Ri = 2k

210.31uF

Sơ đồ tương đương tần số cao:

IV.5.2 Độ di tần:

• Ứng với điện áp phân cực ngược VR=5V CV=8pF

• Khi có áp xoay chiều biên độ ~2V điện dung biến thiên trong khoảng 6pF < CV < 10pF

IV.5.3.Một số loại micro:

• Trong sơ đồ mạch ở trên ,nguồn áp Vi đưa vào mạch khuếch đại.Nguồn áp đó là micro chuyển đổi tín hiệu âm thanh dao động cơ học sang tín hiệu điện áp có biên độ nhỏ (khoảng vài chục

mV) và trở kháng ra khác nhau tùy mỗi loại

micro.

Micro điện dung (Condensor, capacitor,

electrostatic microphones):

75

• MIC điện dung hoạt động như một cái bàn trượt tụ điện, dạng tụ điện có khoảng cách 2 bản tụ thay đổi được.Dao động cơ làm thay đổi khoảng cách giữa 2 bản tụ.

• Để lấy tín hiệu audio từ loại MIC này, microphone phải được phân cực DC, tụ điện có Q (điện tích) thay đổi.U là điện áp phân cực DC

• Điện áp qua tụ sẽ thay đổi với độ dao động của không khí.Điện dung C tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực

• Điện áp lấy ra từ R ứng với mạch lọc thông cao Trong khoảng thời gian điện dung thay đổi thời hằng RC của mạch lọc cũng thay đổi Như vậy điện áp ngõ ra thay

đổi.Điện áp này có thể được đưa qua tầng khuếch đại đệm tăng biên độ

Micro điện động (Dynamic microphones):

• Mic hoạt động theo cuộn dây điện từ.Mic di chuyển cuộn dây đặt trong từ trường của nam châm khi có rung động lên màng.Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, một sự di chuyển nhỏ cuộn dây trong vùng từ trường sinh ra dòng thay đổi trong cuộn dây thông qua vòng dây đặt trong từ trường Mic điện động không cần phân cực ban đầu, có

độ nhạy cao ,trở kháng ra nhỏ nên không cần phối hợp trở kháng trước khi đưa vào tần khuếch đại âm tần

• Một màng chắn không đáp ứng tốt cho tất cả các thành phần tần số âm tần.Một vài micro dùng đa màng để lấy các thành phần audio khác nhau.Việc kết hợp tín hiệu đa màng trực tiếp rất khó làm cho giá thành trở nên đắt

hơn

Micro carbon:

• Micro cabon thường được dùng trong các điện thoại

cầm tay, là một khối gồm các tinh thể cacbon áp giữa 2 tấm kim loại Một điện áp được đặt giữa 2 tấm kim loại này gây ra một dòng trôi nhỏ qua lớp cacbon Một trong

2 màng chắn (miếng kim loại ),dao động với sóng âm

truyền tới, tạo một áp lực thay đổi lên lớp cacbon Áp

suất này làm biến dạng khối cacbon,gây tác dụng lên lớp tiếp xúc giữa khối cacbon với màng kim loại thay đổi và điều này làm cho điện trở của khối cacbon thay đổi.Sự thay đổi điện trở làm cho điện áp giữa 2 màng kim loại thay đổi, dòng trôi qua micro cũng bị thay đổi, sinh ra tín hiệu điện.Micro cacbon dùng trong điện thoại, chúng có chất lượng âm thanh thấp và rất hạn chế về tần số

• Dùng loa như là micro

• Micro ribbon (băng) ,thạch anh hay

gốm có biên độ điện áp ra nhỏ nhưng trở kháng rất lớn dùng trong thiệp

nhạc,…

IV.6.KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN:

2 1

c eq

c

P I R I V

V R

IV.6.3 Tính toán phân cực:

2.8( )/

Yêu cầu công suất P1=100mW

1

2 max 1

1

2

c eq

V R

eq C

eq

A

R X

R R

−

Sơ đồ tương đương

'

25 150

1.34 2.8

b e

' '

'

' '

R6 75k

Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh:

Nhiễu dòng shot do tiếp xúc p-n ngõ ra đưa về ngõ

vào qua điện áp

2

1 4

E = kTBR

Nhiễu tiếp xúc p-n ngõ vào

Nhiễu nhiệt trên trở Rb

Nhiễu do dòng tiếp xúc p-n gây ra trên điện trở Rb

2

I = q I B

Áp nhiễu do dòng shot ngõ ra gây ra trên tải RL

97

V.1.MÔ PHỎNG TẦNG KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN:

C11 100u

0

V1

FREQ = 2Khz VAMPL = 100mV VOFF = 0v

C10 1u

R13 5.22k

Q3 Q2SC1815

R9 8.2k

0

V2

12Vdc

-Tín hiệu vào là sóng sin ,biên độ 10mV ,tần số 2KHz -Quan sát dạng sóng ngõ ra tại cực C của transistor

103

Nhận xét:

-Phân cực DC gần giống với lý thuyết

-Tín hiệu ngõ ra ngược pha với ngõ vào

- Biên độ điện áp ra Vom = 2V

-Độ lợi điện áp lệch nhiều so với tính toán do trong

lý thuyết có cho trước trở kháng nguồn.

động cần phải tạo giá trị điện áp ban đầu cho 2 tụ C1 ,C2 Tụ sẽ nạp xả và hồi tiếp về ngõ vào và sau khoảng thời gian ngắn sẽ tạo được dao động ổn định.

• Cần chọn tỷ số điện dung 2 tụ C1 , C2 phù hợp Điện dung mỗi tụ phải lớn

để đảm bảo không làm mất dao động.

• Dạng điện áp ngõ ra ngược lại với lý thuyết Ban đầu rất lớn sau đó giám dần đến mức ổn định.Biên độ điện áp ngõ ra còn quyết định bởi tải RL Trở kháng tải nhỏ quá cũng không dao động được.

• Do điện dung tụ lớn nên để có tần số dao động cao thì cuộn dây có điện cảm rất nhỏ, khó thi công trên thực tế.Tần số dao động được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị điện cảm cuộn dây.

Sơ đồ nguyên lý:

Tính toán:

• Dùng varicap MV2109 có đặc tuyến điện dung theo điện áp

• -Tại điện áp 5V , điện dung varicap là Cv = 35pF

• -Nguồn tín hiệu vào có biên độ 10mV.Ngõ ra tầng

khuếch đại âm tần theo như mô phỏng có độ lợi Av =

Mô phỏng:

Miền thời gian

111

VI.THỰC HIỆN MẠCH IN LAYOUT:

• Transistor Q1 dùng các transistor cao tần có tần

số wT lớn để đảm bảo biên độ tín hiệu không bị giảm quá nhiều.Một số loại như là BC547C ,

BF199 , 2SC9018 , TSDF2020W , BFR95 ,

• Diode varicap 1sv101 , MV2109 , BBY31 ,

BB814 , …

Sơ đồ mạch in:

• Thi công cuộn dây:

Theo sơ đồ nguyên lý ở phần IV ( Hình IV.24 )

Cuộn dây L1 = 0.043uH ,và L2 = 0.033uH

• Công thức tính cuộn dây lõi không khí đơn lớp :

VII.BÁO CÁO KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ :

VII.1.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH:

– Tìm hiểu lý thuyết về điều chế tần số.

– Tìm linh kiện phù hợp với yêu cầu

– Thiết kế mạch phối hợp trở kháng đưa ra anten.

– Tìm hiểu một số loại micro thường dùng.

– Mô phỏng mạch dao động.

– Thực hiện mạch in và thực hiện cuộn dây theo tần số dao

động mong muốn.

– Đánh giá kết quả cũng như kinh nghiệm rút ra được trong

quá trình thực hiện đề tài.

VII.2.ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ:

• Quá trình thiết kế mạch nguyên lý theo các yêu cầu đề ra

• Tuy nhiên khi thực hiện mạch in không tìm được linh kiện có chất lượng như yêu cầu

• Cuộn dây không chính xác như yêu cầu thiết kế nên tần số ngõ ra của mạch dao động không

như tính toán

VII.3.HƯỚNG PHÁT TRIỂN:

• Đề tài mạch điều tần dùng varicap là một đề tài cổ

điển.Đánh giá lại lý thuyết điều chế FM Qua đó tìm hiểu cách thiết kế một bộ dao động _ phần quan trọng trong các mạch điều chế ,giải điều chế ,đổi tần ,cách ghép nối giữa các tần để thỏa mãn điều kiện dao động…

Tài liệu tham khảo

• Lê Tiến Thường, Mạch Điện Tử 1,2

• Hoàng Đình Chiến, Mạch Điện Tử Thông Tin

• Vũ Đình Thành , Nguyên lý thông tin tương tự - số

• James K Hardy, Electronic Communications Technology , Prentice/Hall