Bài giảng điện tử thông tin

Đối với điện áp đầu vào Vin và đầu ra Vout, độ lợi điện áp, ký hiệu AV được biểu thị như sau: outVinVAVHình 1.1 Bộ khuếch đại Vì hầu hết các bộ khuếch đại cũng là bộ khuếch đại công suấ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

-  -

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ THÔNG TIN

TS Đào Minh Hưng

Tài liệu lưu hành nội bộ

Chương I NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ĐIỆN TỬ THÔNG TIN CAO TẦN

Để hiểu về điện tử thông tin, chúng ta cần có kiến thức về các nguyên tắc

cơ bản của điện tử, bao gồm các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết mạch điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC); hoạt động và đặc điểm của chất bán dẫn cũng như hoạt động của mạch điện tử cơ bản (bộ khuếch đại, bộ dao động, bộ nguồn và mạch logic kỹ thuật số), các kiến thức nền về hệ thống thông tin (Lý thuyết thông tin, Thông tin số) Điện tử thông tin quan tâm đến các vấn đề cơ bản quan trọng để hiểu hệ thống thông tin cao tần, bao gồm hệ số khuếch đại (độ lợi) và suy hao tính theo đơn vị decibel, mạch điều hưởng LC, cộng hưởng

và bộ lọc, Mục đích của chương này là tóm tắt lại tất cả kiến thức cơ sở cho môn học này

1.1 Độ lợi (hệ số khuếch đại), suy hao và Decibel

Hầu hết các mạch điện tử thông tin được sử dụng để xử lý tín hiệu, tức là điều khiển tín hiệu để tạo ra kết quả mong muốn Tất cả các mạch xử lý tín hiệu đều liên quan đến độ lợi hoặc độ suy hao

1.1.1 Độ lợi (Gain)

Độ lợi hiểu theo nghĩa khuếch đại Xét bộ khuếch đại trong hình 1.1 và đầu ra của mạch có biên độ tín hiệu đầu ra lớn hơn tín hiệu đầu vào, mạch có độ lợi Độ lợi (hệ số khuếch đại) đơn giản là tỷ số giữa đầu ra và đầu vào Đối với

điện áp đầu vào (V in ) và đầu ra (V out ), độ lợi điện áp, ký hiệu A V được biểu thị như sau:

out V in

V A V



Hình 1.1 Bộ khuếch đại

Vì hầu hết các bộ khuếch đại cũng là bộ khuếch đại công suất, tương tự

có thể được sử dụng để tính độ lợi công suất A P:

out p in

P A P



trong đó, P in là công suất vào và P out là công suất đầu ra

Khi hai hoặc nhiều tầng khuếch đại hoặc các hình thức xử lý tín hiệu khác được nối tầng, độ lợi tổng thể của sự kết hợp là tích của độ lợi mạch riêng lẻ Hình 1-2 biểu diễn ba bộ khuếch đại được kết nối lần lượt sao cho đầu ra của một bộ là đầu vào của bộ khuếch đại tiếp theo Độ lợi điện áp của các mạch riêng lẻ A1, A2, A3

Hình 1.2 Độ lợi của các mạch nối tầng Nếu một tín hiệu đầu vào cho bộ khuếch đại thứ nhất bằng 1mV, thì đầu ra của bộ khuếch đại thứ ba sẽ là 60 mV Đầu ra của các bộ khuếch đại riêng lẻ phụ thuộc vào độ lợi riêng của từng mạch

đó logarit của nó được nhân với 10

dBm Khi tính toán các tỷ số, các đơn vị điện áp hoặc công suất không thể

hiện, nên tỷ số là một số không thứ nguyên Khi độ lợi hoặc độ suy giảm của một mạch được biểu thị bằng Decibel, ngầm định là sự so sánh giữa hai giá trị, đầu ra và đầu vào Đối với giá trị Decibel, chúng ta thực sự không biết các giá trị điện áp hoặc công suất thực tế Trong một số trường hợp, việc biết các giá trị

thực tế có liên quan là hữu ích hoặc cần thiết Khi cần giá trị tuyệt đối, bạn có thể sử dụng giá trị tham chiếu để so sánh bất kỳ giá trị nào khác

Mức tham chiếu thường được sử dụng trong thông tin là 1mW Khi một giá trị Decibel được tính bằng cách so sánh giá trị công suất với 1mW, kết quả

là một giá trị được gọi là dBm, được tính theo công thức Decibel công suất tiêu chuẩn với 1mW là mẫu số:

Nếu công suất ra của bộ khuếch đại bằng 1W, thì:

Ngược lại, đôi khi đầu ra của mạch hoặc thiết bị được cho bằng dBm, ví

dụ, đầu ra của microphone bằng -50dBm, công suất đầu ra thực được tính bằng:

dBc Đây là hệ số suy giảm độ lợi Decibel theo tham chiếu sóng mang

Sóng mang là tín hiệu thông tin cơ sở, đó là sóng sin để điều chế Thường thì các dải biên của biên độ, tín hiệu giả hoặc nhiễu, được tham chiếu đến sóng mang Ví dụ, nếu tín hiệu giả là 1 mW so với sóng mang 10W, dBc là:

1.2 Mạch điều hưởng (Tuner)

Hầu như tất cả các thiết bị thông tin đều chứa các mạch điều hưởng, các mạch điều hưởng được tạo thành từ các cuộn cảm và tụ điện có thể cộng hưởng

ở các tần số cụ thể Trong phần này, sẽ xem lại cách tính điện kháng, tần số

cộng hưởng, trở kháng, hệ số phẩm chất Q và băng thông của mạch cộng hưởng

nối tiếp và song song

1.2.1 Các phần tử trong mạch điều hưởng

Tất cả các mạch điều hưởng và nhiều bộ lọc được tạo thành từ các phần

tử điện cảm và điện dung, bao gồm các thành phần rời rạc như cuộn dây và tụ điện Điện cảm và điện dung phân tán được phân bố trong tất cả các mạch điện

tử Cả cuộn dây và tụ điện đều cản trở sự lưu thông dòng điện xoay chiều gọi là điện kháng, được biểu thị bằng Ohms (viết tắt là Ω) Giống như điện trở, điện kháng cản trở trực tiếp đến lưu lượng dòng điện trong mạch Ngoài ra, hiệu ứng phản kháng tạo ra sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch Điện dung làm cho dòng điện phụ thuộc điện áp, trong khi điện cảm làm cho dòng điện trễ hơn điện áp Các cuộn dây và tụ điện được sử dụng cùng nhau tạo thành mạch điều hưởng hoặc cộng hưởng

Đối với tụ điện: đặc trưng của tụ là giá trị điện dung, điện dung tích lũy

năng lượng điện ở dạng điện trường Ở tần số cao các dây dẫn của tụ điện có điện trở và độ tự cảm Ngoài ra, còn xuất hiện chất điện môi bị rò tương đương điện trở song song với tụ điện được gọi là phần dư hoặc ký sinh Thành phần ký sinh thể bỏ qua ở tần số thấp Tuy nhiên, ở tần số vô tuyến cao tần, những phần

dư này trở nên đáng chú ý và tụ điện hoạt động như một mạch RLC Hầu hết các hiệu ứng này có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách giữ cho các dây dẫn

tụ điện rất ngắn Vấn đề này chủ yếu được loại bỏ bằng cách sử dụng các tụ điện chip mới, không có dây dẫn Điện dung của tụ điện có giá trị cụ thể trên mạch, nhưng điện dung có thể xuất hiện giữa hai vật dẫn bất kỳ được ngăn cách bằng chất cách điện Ví dụ, điện dung xuất hiện giữa các dây song song trong cáp, giữa dây dẫn và khung kim loại và giữa các mẫu đồng liền kề song song trên bảng mạch in Chúng được gọi là điện dung ký sinh, hoặc phân tán Điện dung ký sinh thường nhỏ, nhưng chúng không thể bỏ qua, đặc biệt là ở các tần

số cao trong thông tin Các điện dung ký sinh và phân tán có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch

Cuộn cảm Cuộn cảm, còn được gọi là cuộn dây, chỉ đơn giản là một

cuộn dây dẫn gồm nhiều vòng Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, tạo ra từ trường xung quanh cuộn dây Nếu hiệu điện thế và cường độ dòng điện thay đổi, thì từ trường lần lượt mở rộng và khép kín Điều này làm xuất hiện điện áp

tự cảm vào cuộn dây, có tác dụng làm đổi chiều dòng điện trong cuộn dây

Đơn vị cơ bản của độ tự cảm là Henry (H) Độ tự cảm bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các đặc tính vật lý của cuộn dây, bao gồm số vòng dây trong cuộn cảm,

khoảng cách của các vòng dây, chiều dài của cuộn dây, đường kính của cuộn dây và loại vật liệu lõi từ Các giá trị điện cảm thực tế nằm trong vùng mili Henry (mH = 10-3 H), microHenry (µH = 10-6 H) và nanoHenry (nH = 10-9 H)

Ngoài điện trở của dây dẫn trong cuộn cảm, giữa các vòng của cuộn dây còn có điện dung sai lệch Xem hình 1.3 (a) Hiệu ứng tổng thể giống như một

tụ điện nhỏ được nối song song với cuộn dây, như trong Hình 1.3 (b) Đây là mạch tương đương của cuộn cảm ở tần số cao Ở tần số thấp, điện dung có thể được bỏ qua, nhưng ở tần số cao tần, nó rất lớn để ảnh hưởng đến hoạt động của mạch Khi đó cuộn dây không hoạt động như một cuộn cảm thuần mà như một mạch RLC có tần số tự cộng hưởng Bất kỳ dây dẫn hoặc vật dẫn nào cũng có

độ tự cảm đặc trưng Dây càng dài thì độ tự cảm càng lớn Mặc dù độ tự cảm của một dây dẫn thẳng chỉ bằng một phần nhỏ của microHenry, nhưng ở tần số rất cao, điện trở có thể là đáng kể Vì lý do này, điều quan trọng là giữ cho tất cả các độ dài dây dẫn ngắn trong việc kết nối các thành phần trong mạch cao tần

RF (Radio Frequency) Điều này đặc biệt đúng đối với các dây dẫn của tụ điện

và linh kiện bán dẫn, vì điện cảm phân tán (ký sinh) có thể ảnh hưởng đáng kể

đến hiệu suất và đặc tính của mạch

Hình 1.3 Sơ đồ tương của cuộn cảm ở tần số cao Một đặc tính quan trọng khác của cuộn cảm là hệ số phẩm chất, ký hiệu

Q, xác định bằng tỷ số giữa công suất cảm ứng và công suất điện trở:

đây là tỷ số giữa công suất trả về mạch so với công suất thực tế bị tiêu hao bởi điện trở của cuộn dây

Ví dụ, hệ số phẩm chất Q của cuộn cảm có L = 3µH, có tổng trở bằng

45Ω ở tần số 90 MHz được tính như sau:

Điện trở Ở tần số thấp, điện trở cản trở sự lưu thông dòng điện gần như

thuần túy Ở tần số cao, dây dẫn của nó có độ tự cảm đáng kể và điện dung giữa các dây dẫn làm cho điện trở hoạt động như một mạch RLC, như thể hiện trong hình 1.4 Để giảm thiểu các hiệu ứng cảm ứng và điện dung, các dây dẫn được giữ rất ngắn trong các ứng dụng vô tuyến

Hình 1.4 Mạch tương đương của điện trở ở tần số cao Các chip điện trở nhỏ được sử dụng trong cấu trúc gắn trên bề mặt của các mạch điện tử được sử dụng cho thiết bị vô tuyến thực tế không có dây dẫn ngoại trừ các miếng đầu kim loại được hàn vào bảng mạch in Chúng hầu như không có điện cảm chì và điện dung nhỏ

1.2.2 Mạch điều hưởng và cộng hưởng (Tuned Circuits and Resonance)

Một mạch điều hưởng (tuner)) được tạo thành từ cuộn cảm và tụ điện và cộng hưởng với một tần số riêng là tần số cộng hưởng Nói chung, các thuật ngữ mạch điều hưởng và mạch cộng hưởng được sử dụng thay thế cho nhau Các mạch điều chỉnh có tính chọn lọc tần số, chúng đáp ứng tốt nhất ở tần số cộng hưởng của chúng và ở một phạm vi tần số hẹp xung quanh tần số cộng hưởng

Hình 1.5 Mạch cộng hưởng nối tiếp

a Mạch cộng hưởng nối tiếp Một mạch cộng hưởng nối tiếp được tạo thành

từ độ tự cảm, điện dung và điện trở, như hình 1.5 Các mạch như vậy thường được gọi là mạch RLC Điện kháng và dung kháng phụ thuộc vào tần số của

điện áp đặt vào Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi điện kháng và dung kháng bằng nhau Biểu đồ của điện kháng so với tần số được thể hiện trong hình 1.5,

trong đó f r là tần số cộng hưởng

Tổng trở của mạch được tính bằng biểu thức:

Khi X L = X C, tính chất cảm kháng và dung kháng trong mạch triệt tiêu lẫn nhau, chỉ còn lại điện trở của đoạn mạch để cản trở dòng điện Khi cộng hưởng, tổng trở của mạch đơn giản là tổng tất cả các điện trở nối tiếp trong mạch Điều này bao gồm điện trở của cuộn dây và điện trở của các dây dẫn thành phần, cũng như bất kỳ điện trở vật lý nào trong mạch

Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào điện cảm và điện dung Có thể dễ dàng suy ra công thức xác định tần số cộng hưởng

trong đó, tần số cộng hưởng f r tính bằng Hertz, độ tự cảm tính bằng Henrys và điện dung tính bằng Farads

Hình 1.6 Đáp ứng tần số của mạch cộng hưởng nối tiếp Tương tự như cộng hưởng, trong mạch điều hưởng nối tiếp là điểm tại đó

X L bằng X C Với điều kiện này, chỉ có điện trở của đoạn mạch cản trở dòng điện

Tổng trở của mạch lúc cộng hưởng là Z = R Vì lý do này, cộng hưởng trong

mạch điều hưởng nối tiếp cũng có thể được coi là điểm mà tại đó tổng trở của mạch nhỏ nhất và cường độ dòng điện trong mạch là cao nhất Vì mạch có điện trở khi xảy ra cộng hưởng nên dòng điện cùng pha với điện áp đặt vào Phía trên tần số cộng hưởng, điện kháng của cuộn cảm cao hơn dung kháng của tụ điện,

và điện áp cuộn cảm lớn hơn điện áp tụ điện Do đó, mạch là cảm kháng, và dòng điện chậm pha hơn điện áp đặt vào Phía dưới cộng hưởng, dung kháng của tụ điện cao hơn điện kháng cuộn cảm; điện trở thuần là điện dung, do đó trong mạch tạo ra dòng điện nhanh pha Độ giảm điện áp của tụ điện cao hơn độ giảm điện áp của cuộn cảm

Đáp ứng của mạch cộng hưởng nối tiếp được minh họa trong hình 1.6

Ở tần số rất thấp, dung kháng của tụ điện lớn hơn nhiều so với điện kháng cuộn cảm; do đó, dòng điện trong mạch rất nhỏ vì trở kháng tụ điện Ngoài ra,

vì mạch chủ yếu là dung kháng, dòng điện nhanh pha hơn điện áp gần 90° Khi

tần số tăng lên, XC giảm xuống và XL tăng lên Lượng nhanh pha của dòng điện giảm dần Khi các giá trị của điện kháng xấp xỉ nhau, dòng điện bắt đầu tăng

lên Khi X L bằng X C, hiệu ứng của chúng triệt tiêu và điện kháng trong mạch chỉ

là của điện trở Điều này tạo ra một đỉnh dòng, trong đó dòng điện cùng pha với

điện áp (0°) Khi tần số tiếp tục tăng, X L trở nên lớn hơn X C Tổng trở của mạch tăng và cường độ dòng điện giảm Với mạch chủ yếu là cảm kháng của cuộn cảm, dòng điện trễ pha hơn điện áp đặt vào Như hình 1.6 cho thấy, dòng điện cao nhất trong vùng tập trung vào tần số cộng hưởng Dải tần số hẹp mà dòng điện cao nhất được gọi là băng thông của bộ cộng hưởng Dải hẹp này được minh họa trong hình 1-7

Hình 1.7 Băng thông của mạch cộng hưởng

Băng thông của mạch cộng hưởng được xác định bởi hệ số phẩm chất Q

của mạch Nhớ lại rằng Q của cuộn cảm là tỉ số giữa cảm kháng và điện trở của

mạch Điều này đúng đối với mạch cộng hưởng nối tiếp, trong đó Q là tỷ số

giữa điện kháng cuộn cảm với tổng điện trở của mạch, bao gồm điện trở của cuộn cảm cộng với các điện trở nối tiếp ký sinh khác:

Băng thông sau đó được tính bằng:

Nếu Q của mạch cộng hưởng ở tần số 18 MHz bằng 50 thì băng thông là

BW = 18/50 = 0,36 MHz = 360 kHz

b Tính chất chọn lọc của mạch cộng hưởng

Băng thông của mạch cộng hưởng xác định tính chọn lọc của nó, tức là

cách mạch phản ứng với các tần số khác nhau Nếu đáp ứng tạo ra một dòng điện cao trên một dải tần hẹp (dải thông hẹp), mạch được cho là có tính chọn lọc cao Nếu dòng điện cao trên một dải tần số rộng hơn, tức là dải thông rộng hơn, mạch ít chọn lọc hơn Nói chung, trong mạch cao tần các mạch có độ chọn

lọc cao và băng thông hẹp là điều mong muốn hơn Tuy nhiên, độ chọn lọc thực

tế và băng thông của mạch phải được tối ưu cho từng ứng dụng

Mối quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và băng thông là vô cùng quan trọng Băng thông của mạch tỷ lệ nghịch với Q Q càng cao thì băng thông càng nhỏ Q thấp tạo ra băng thông rộng hoặc độ chọn lọc kém hơn Ngược lại, Q là một hàm của điện trở mạch Điện trở thấp tạo ra Q cao, băng thông hẹp và mạch

có tính chọn lọc cao Điện trở mạch cao tạo ra Q thấp, băng thông rộng và độ chọn lọc kém Trong hầu hết các mạch thông tin, Q của mạch nhỏ nhất bằng 10

và thường cao hơn Trong hầu hết các trường hợp, Q được điều khiển trực tiếp bởi điện trở của cuộn cảm Hình 1.8 cho thấy ảnh hưởng của các giá trị khác

nhau của Q trên băng thông

Hình 1.8 Ảnh hưởng của hệ số Q đến băng thông và độ chọn lọc tần số

c Mạch cộng hưởng song song (Parallel Resonant Circuits)

Mạch cộng hưởng song song được hình thành khi cuộn cảm và tụ điện được nối song song với điện áp đặt vào, như hình 1.9 (a) Nói chung, sự cộng hưởng trong một mạch điều hưởng song song cũng có thể được coi là điểm mà tại đó điện kháng cảm ứng và dung kháng bằng nhau Tần số cộng hưởng do đó được tính giống như công thức tần số cộng hưởng mạch nối tiếp Giả sử trong mạch không có thành phần suy hao (không có điện trở), thì dòng điện trong cuộn cảm bằng dòng điện trong tụ điện:

IL = IC

Mặc dù các dòng điện bằng nhau, chúng lệch pha nhau 180°, như giản biểu đồ pha trong hình 1.9(b) Dòng điện trong cuộn cảm chậm hơn điện áp đặt một góc 90° và dòng điện trong tụ điện nhanh điện áp đặt một góc 90° Do đó, dòng điện trên cuộn cảm và tụ điện lệch nhau tổng cộng là 180°

Hình 1.9 Mạch cộng hưởng song song Trong một mạch cộng hưởng thực tế, có thành phần tổn hao (điện trở), mạch vẫn hoạt động như mô tả ở trên Thực tế, tụ điện có tổn hao bằng không

và cuộn cảm chứa điện trở, như được minh họa trong hình 1.10 (a)

Hình 1.10 Mạch cộng hưởng song song thực tế và giản đồ pha

Khi xảy ra cộng hưởng, trong đó X L = X C, tổng trở của nhánh điện cảm lớn hơn trở kháng của nhánh điện dung Dòng điện dung cao hơn dòng điện cảm một chút Ngay cả khi các điện kháng bằng nhau, các dòng nhánh sẽ không bằng nhau Dòng điện cảm và điện dung trong hầu hết các trường hợp sẽ triệt tiêu nhau vì chúng xấp xỉ bằng nhau và ngược pha, và do đó dòng điện nguồn hoặc dòng điện sẽ thấp hơn đáng kể so với dòng điện nhánh riêng lẻ Kết quả là trở kháng rất cao, xấp xỉ bằng:

Mạch trong hình 1.10 không dễ phân tích Để đơn giản tính toán, mạch điện chuyển thành mạch tương đương, trong đó điện trở cuộn dây được chuyển thành điện trở song song, như trong hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ tương đương của mạch cộng hưởng song song

Điện cảm tương đương L eq và điện trở R eq được tính theo công thức:

với Q là hệ số phẩm chất của cuộn cảm được xác định bằng:

và R W là điện trở của cuộn cảm

Nếu hệ số phẩm chất của cuộn cảm Q lớn, thường lớn hơn 10, thì L eq xấp

xỉ bằng giá trị điện cảm thực L Tổng trở của mạch lúc cộng hưởng song song

bằng điện trở tương đương:

Nếu hệ số phẩm chất Q của mạch cộng hưởng song song lớn hơn 10,

công thức đơn giản sau có thể được sử dụng để tính trở kháng khi cộng hưởng:

Đường cong đáp ứng tần số và pha của mạch cộng hưởng song song được

thể hiện trong hình 1.12 Dưới tần số cộng hưởng, X L nhỏ hơn X C; do đó dòng điện cảm lớn hơn dòng điện dung và trong mạch xuất hiện hiện tượng điện cảm

Dòng điện trễ hơn điện áp đặt vào Trên tần số cộng hưởng, X C nhỏ hơn X L; do

đó dòng điện dung lớn hơn dòng điện cảm và mạch xuất hiện điện dung

Hình 1.12 Đáp ứng mạch cộng hưởng song song

Ở tần số cộng hưởng, tổng trở của mạch đạt cực đại Điều này có nghĩa là

dòng điện tại thời điểm đó là nhỏ nhất Lúc cộng hưởng, điện trở trong mạch rất cao, và dòng điện nhỏ cùng pha với điện áp đặt vào

Lưu ý rằng, hệ số phẩm chất Q của mạch song song, cũng được tính bằng

Q = X L /R W, ngoài ra còn được tính bằng biểu thức:

trong đó, R P ( R P R Q W( 21)) là điện trở song song tương đương R eq và X L là

điện cảm của cuộn cảm tương đương L eq

Ví dụ: Tìm giá trị điện trở song song cần thiết để mạch điều hưởng song song có

độ rộng băng thông bằng 1MHz Biết rằng, X L = 300Ω, R W = 10Ω, và f r = 10MHz

(R P là điện trở tương đương của mạch song song tại điểm cộng hưởng)

Băng thông cộng hưởng quan với hệ số phẩm chất Q quan hệ và tần số

cộng hưởng tại điểm cộng hưởng:

với băng thông cộng hưởng BW = 1MHz tại tần số cộng hưởng f r = 10MHz, cần

hệ số phẩm chất:

Tổng trở của mạch R Pnew được tạo thành từ R P ban đầu và điện trở được

kết nối bên ngoài R ext bằng:

Ngoài mạch điều hưởng (tuner) đã đề cập trên, trong hệ thống thông tin

bộ lọc cũng là thành phần cơ bản, các tính chất và cấu trúc các bộ lọc đã được nghiên cứu giáo trình Xử lý số tín hiệu và Kỹ thuật mạch điện tử

1.3 Hiệu ứng da (Skin Effect)

Trong vật dẫn, các hạt dẫn điện có xu hướng chuyển động đến gần bề mặt ngoài khi tần số tăng Hiện tượng này gọi là hiệu ứng da Do hiệu ứng da, dòng điện cao tần chỉ chảy ở lớp vỏ ngoài của dây dẫn và tần số càng cao thì bề dày lớp dẫn càng mỏng, điện trở xoay chiều tăng vì từ trường tập trung mạnh ở lõi

Hiệu ứng da có tác dụng làm giảm đáng kể tổng diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn, do đó làm thay đổi điện trở và ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch mà dây dẫn được sử dụng Ví dụ, hiệu ứng da làm giảm hệ số phẩm chất Q của một cuộn cảm ở tần số cao hơn, gây ra các hiệu ứng không mong muốn và không mong muốn

Hình 1.13 Sừ dẫn điện của dây dẫn do hiệu ứng da

+ Độ sâu bề dày lớp dẫn δ do hiệu ứng da phụ thuộc vào tần số f, được xác

được:

66, 4 [ ] [ z] mm

với, R DC là điện trở một chiều của dây dẫn, S DC là diện tích mặt cắt dây dẫn dòng

DC, S AC là diện tích mặt cắt dây dẫn dòng AC, và:

10MHz 0,021 6GHz 0,00086

1GHz 0,0021

1.4 Tập âm (Noise) và khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amp)

1.4.1 Khái quát chung

Tạp âm là tín hiệu không có ích, xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau (dưới dạng điện áp hoặc dòng điện) Tạp âm chèn vào tín hiệu có ích làm giảm chất lượng tín hiệu thông tin

Chất lượng hệ thống thu trong hệ thống thông tin được đánh giá theo tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm SNR (Signal power to Noise power Ratio):

S N

P SNR

P



Nguồn phát sinh tạp âm bao gồm:

- Tạp âm nhân tạo: tia lửa điện của động cơ điện, đèn huỳnh quang,

- Tạp âm khí quyển: do bầu khí quyển tạo ra như: sấm sét, mưa, bão,

- Tạp âm vũ trụ: bức xạ mặt trời, thiên hà,

- Tạp âm bên trong hệ thống tạo ra như: sự chuyển động nhiễu loạn của các hạt mang điện trong vật dẫn, tạp âm do điều chế,

1.4.2 Tạp âm nhiệt

Tạp âm nhiệt tạo ra từ sự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử và ion trong các vật dẫn Tập âm nhiệt là tín hiệu ngẫu nhiên, tồn tại dưới dạng điện áp hoặc dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ, chúng có phổ vô hạn nên còn gọi là tạp

âm trắng (White Noise)

Công suất tạp âm được xác định bởi: P N = k T B

k: hằng số Boltzman, 1,38.10-23(J/0K)

T: nhiệt độ tuyệt đối của điện trở (0K)

B: băng thông của hệ thống, tính bằng Hz

Xét nguồn tạp âm gây ra bởi điện trở R, điện áp hiệu dụng tạp âm xác định bằng:

1.4.3 Mật độ phổ công suất của tạp âm

Mật độ phổ công suất tạp âm (N 0) chính là công suất tạp âm trên băng thông đơn vị (1Hz), tức là:

4 .

z

H

B  B R  R

1.4.4 Hệ số tạp âm (Noise Factor and Noise Figure)

Hệ số tạp âm NR (Noise Factor) là tỷ số giữa công suất tạp âm đầu vào SNRin trên công suất tạp âm đầu ra SNRout:

in

out

SNR NR

1.4.5 Khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amp)

Bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng tại ngõ vào hệ thống thu, có nhiệm vụ:

- Phối hợp trở kháng với anten thu

- Tiền khuếch đại chọn lọc cao tần

- Loại bỏ tạp âm tần số ảnh (ảnh bóng): f IMage = f C + 2f IF

- Tăng độ nhạy máy thu

Bộ LNA thường có từ 1 đến 3 tầng khuếch đại tuyến tính có tính chọn lọc tần số, băng thông tín hiệu mong muốn và có mạch tự động điều chỉnh độ lợi AGC (Automatic Gain Control) Mỗi tầng thường có hệ số khuếch đại từ 10dB đến 30dB

Chương II KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ NHÂN TẦN 2.1 Khái quát chung

Khuếch đại công suất cao tần RFPA (Radio Frequency Power Amplifier)

có chức năng khuếch đại để có tín hiệu với công suất và tần số cao hơn đảm bảo cho các hoạt động tiếp theo trong hệ thống điện tử Thông thường, bộ khuếch đại công suất RF điều khiển anten của máy phát, sơ đồ khối chức năng khuếch đại công suất cao tần như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ bộ khuếch đại công suất cao tần RF Trong hình 2.1 có hai bộ khuếch đại công suất RF được sử dụng để cung cấp nguồn tín hiệu cho anten của máy phát Thứ nhất là bộ khuếch đại tăng cường RFPB (RF Power Booster) nâng mức công suất lên giá trị cần thiết để điều khiển bộ khuếch đại RFPA (RF Power Amp) RFPA là bộ khuếch đại công suất cuối cùng chịu trách nhiệm cấp các mức công suất đủ lớn kích thích vào anten thông qua bộ phối hợp trở kháng anten Lưu ý rằng các tầng phối hợp dùng để phối hợp trở kháng đầu ra của tầng trước với trở kháng đầu vào của tầng tiếp theo sao cho công suất truyền cực đại

Trong các bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ thường được thiết kế sao cho tín hiệu

ra không bị méo dạng và khuếch đại một lượng nhỏ công suất để đáp ứng tải

tầng kế tiếp Đối với khuếch đại công suất cần phải khuếch đại tín hiệu tạo ra sự thay đổi lớn của dòng điện và điện áp để có công suất lớn ở đầu ra Bộ khuếch như vậy cần có trở kháng trong thấp (cho phép tạo ra dòng điện lớn), có khả năng duy trì các thông số kỹ thuật định mức của nó như độ méo phải đảm bảo ở mức thấp nhất và hiệu suất của bộ khuếch đại phải càng cao càng tốt Nói

chung, bộ khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT) thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Hiệu suất cao

- Khuếch đại không bị méo dạng (khuếch đại trong vùng tuyến tính)

- Tính chọn lọc tần số Để đảm bảo tính chọn lọc tần số, trong các bộ KĐCSCT điện trở tải được thay thế bằng mạch cộng hưởng (tuner) hoặc mạch lọc

2.2 Mạng phối hợp trở kháng (Impedance-Matching Network)

Như đã nhắc đến trong mục trên, việc phối hợp trở kháng cao tần là rất quan trọng, chẳng hạn như:

- Trở kháng ra của tầng KĐCSCT và trở kháng của anten phát

- Trở kháng của anten thu và trở kháng vào của KĐCSCT máy thu

Mô hình phối hợp trở kháng như minh họa hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình mạng phối hợp trở kháng

- Khi Z L = Z i thì công suất đưa ra tải cực đại Đây là trường hợp lý tưởng

khi Z L và Z i đều thuần trở (hình 2.2a)

- Thực tế Z L ≠Z i thì cần có mạng phối hợp trở kháng để công suất truyền từ nguồn RF ra tải lớn nhất đồng trừ loại trừ được nhiễu (hình 2.2b)

Trong các hệ thống xử lý tín hiệu cao tần, thường sử dụng mạng phối hợp

trở kháng LC bao bồm: mạng L, mạng T và mạng π

2.2.1 Mạng L

Cấu trúc mạng phối hợp trở kháng RF mạng L như biểu diễn trong hình

2.3 Trong đó, hình 2.3 (a) và (b) là các bộ lọc thông thấp, hình 2.3 (c) và (d) là những bộ lọc thông cao Thông thường, các mạng thông thấp được ưu tiên sử dụng bởi vì các tần số hài bậc cao sẽ được lọc sau khi qua bộ phối hợp

Hình 2.3 (a), là cấu trúc khi trở kháng tải Z L < Z i , và (b) là Z L > Z i với cấu mạng thông thấp Tương tự trên hình (c), (d) là mạng phối hợp thông cao

Hình 2.4 (a), (b) xét trường hợp đơn giản khi trở kháng trong Z i và trở

kháng tải Z L là điện trở thuần Trong đó có các công thức cơ bản để tính toán giá

trị điện cảm L và điện dung C tương ứng

Hình 2.4 Mạng phối hợp trở kháng L và các công thức tính toán với trở kháng

trong và tải thuần trở

Ví dụ, hãy thiết kế mạng phối hợp trở kháng của bộ khuếch đại transistor có trở kháng bằng 6Ω với tải của anten có trở kháng 50Ω tại tần số 155 MHz Trong

trường hợp này, Z i = R i < Z L = R L, sử dụng các công thức trong hình 2.4(b)

Từ đó tính giá trị của L và C tại tần số 155 MHz:

Thực tế, hầu hết các trở kháng trong của nguồn và trở kháng tải phức tạp hơn, chứ không phải là giá trị thực của điện trở thuần Hình 2.5 là một ví dụ Ở

đây điện trở trong là 6Ω, nhưng nó bao gồm độ tự cảm trong Li = 8 nH và có

một điện dung ký sinh (stray capacitance) C L = 8,65 pF mắc song song trên tải

Hình 2.5 Tính toán mạng phối hợp trở kháng khi có cuộn cảm và điện dung ký

sinh Lúc này ta tính toán lại như sau:

- Khi không có điện cảm ký sinh của nguồn L i, đã tính được cuộn cảm

của mạng phối hợp trở kháng L = 16,7 nH

- Khi có điện cảm ký sinh (stray inductance) L i = 8nH mắc nối tiếp với điện cảm mạng phối hợp trong hình 2.5 Do đó, điện cảm của mạng phối hợp trở

kháng lúc này sẽ bằng L = 16,7 - 8 = 8,7 nH

Tương tự đối với điện dung Trường hợp không có điện dung ký sinh C L, điện dung của tụ điện trong mạch phối hợp trở kháng tính toán được bằng 55,65

pF Khi xét đến điện dung ký sinh C L, vì chúng mắc song song với điện dung

của mạng nên điện dung mạng phối hợp lúc này bằng C = 55,65 - 8,65 = 47 pF

loại sóng hài tối đa Mạng có thể sử dụng để nâng hoặc giảm trở kháng theo yêu cầu của mạch Các tụ điện thường chọn có thể biến đổi được giá trị điện dung

(tụ biến dung) để mạch có thể điều chỉnh được đến mức cộng hưởng và đạt công suất đầu ra lớn nhất

Mạng phối hợp trở kháng hình T, 2.6 (c) sử dụng rộng rãi nhất trong số

đó, được gọi là mạng LCC, được sử dụng để kết hợp bộ khuếch đại công suất transistor có trở kháng đầu ra thấp với anten có trở kháng cao hơn Quy trình thiết kế và công thức được đưa ra trong hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ và quá trình tính toán mạng phối hợp hình T

Trước tiên, xét trở kháng trong của nguồn thuần trở Z i = R i = 6Ω cần

được phối hợp với tải có điện trở thuần Z L = R L = 50Ω tại tần số 155 MHz Giả

sử Q được chọn bằng 10 (Đối với bộ khuếch đại RF lớp C, có nhiều sóng hài cần phải loại bỏ, và hệ số phẩm chất Q được chọn bằng 10 là mức tối thiểu cần

thiết để triệt tiêu sóng hài theo yêu cầu) Điện cảm được tính trước:

2.2.3 Biến áp và Baluns

Một trong những thành phần phối hợp trở kháng tốt nhất là máy biến áp Chú ý, máy biến áp lõi sắt ở tần số thấp hơn được lựa chọn để dễ dàng thực hiện phối hợp trở kháng với mạch khác Trở kháng tải dễ dàng phối hợp bằng cách chọn hệ số biến áp (turns ratio) hợp lý

Ngoài ra, các máy biến áp có thể được đấu nối với nhau tạo thành tổ hợp độc đáo được gọi là baluns để thực hiện phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng dùng biến áp lõi sắt có sơ đồ như hình 3.8

Hình 2.8 Phối hợp trở kháng dùng biến áp

Hệ số biến áp và các trở kháng trong của nguồn và tải có quan hệ:

N P , N S là số vòng của cuộn sơ và thứ của biến áp

Giả sử trở kháng trong của nguồn bằng 6Ω cần phối hợp với tải có trở kháng bằng 50Ω, chúng ta có hệ số biến áp bằng:

Mối quan hệ nêu trên chỉ đúng với máy biến áp lõi sắt Khi sử dụng máy biến áp lõi không khí, việc ghép nối giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp không hoàn chỉnh và do đó tỷ lệ trở kháng không được xác định Máy biến áp lõi không khí có thể được sử dụng để phối hợp trở kháng, nhưng chúng kém hiệu quả hơn máy biến áp lõi sắt

Ở tần số cao, máy biến áp lõi Ferit (từ tính) và sắt bột có thể được sử dụng

Loại lõi được sử dụng rộng rãi nhất cho máy biến áp cao tần RF là hình xuyến Hình xuyến là một lõi hình tròn, hình bánh rán, thường được làm bằng một loại bột sắt đặc biệt Dây đồng được quấn trên hình xuyến để tạo ra cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Một cách sắp xếp điển hình được thể hiện trong hình 2.9

Hình 2.9 Máy biến áp dây quấn hình xuyến Cuộn dây có nấc điều chỉnh một chiều được gọi là máy biến áp tự ngẫu cũng được sử dụng để phối hợp trở kháng giữa các tầng trong mạch RF Hình 2.10 cho sơ đồ máy biến áp giảm trở kháng và tăng trở kháng Biến áp hình xuyến thường được sử dụng trong máy biến áp tự ngẫu

Trong hầu hết các thiết kế cao tần RF mới, máy biến áp hình xuyến (toroid transformers) được sử dụng để phối hợp trở kháng RF giữa các tầng Hơn nữa, các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp đôi khi được sử dụng làm cuộn cảm trong các mạch điều hưởng (tuner) Ngoài ra, cuộn cảm hình xuyến dễ chế tạo Cuộn cảm hình xuyến lõi sắt dạng bột có lợi thế hơn cuộn cảm lõi không khí cho các ứng dụng RF vì tính độ thẩm thấu cao của lõi gây ra điện cảm cao Chú

ý rằng mỗi khi luồng một lõi sắt vào cuộn dây thì độ tự cảm tăng lên đột ngột Đối với các ứng dụng RF, điều này có nghĩa là các giá trị mong muốn của điện cảm có thể được tạo ra bằng cách sử dụng ít vòng dây hơn, và do đó bản thân cuộn cảm có thể nhỏ hơn Hơn nữa, số vòng dây ít hơn có điện trở ít hơn, cho cuộn dây có hệ số phẩm chất Q cao hơn giá trị có thể đạt được so với cuộn dây lõi không khí

Hình 2.10 Phối hợp trở kháng với biến áp tự ngẫu; (a) chuyển xuống, (b)

chuyển lên Các lõi hình xuyến (toroid) dạng bột có hiệu quả đến mức chúng hầu như

đã thay thế các cuộn dây lõi không khí trong hầu hết các thiết kế máy phát hiện đại Trong hầu hết các ứng dụng, cần có số vòng dây tối thiểu để tạo ra điện cảm mong muốn với các kích thước đường kính một phần inch đến vài inch

2.2.4 Biến áp đường truyền và baluns

Biến áp đường truyền hay băng thông rộng (transmission line or broadband transformer) được sử dụng rộng rãi trong các bộ khuếch đại công suất cao tần để ghép nối giữa các tầng và phối hợp trở kháng Một máy biến áp như vậy thường được cấu tạo bằng cách quấn hai dây song song (hoặc một cặp

xoắn) trên một hình xuyến, như trong hình 2.11 Chiều dài của cuộn dây thường nhỏ hơn 1/8 bước sóng tín hiệu Loại máy biến áp này có hệ số biến áp hay hệ

số biến đổi trở kháng 1: 1 giống như thiết bị đường dây truyền tải ở tần số hoạt động cao

Hình 2.11 Máy biến áp sử dụng trong truyền tín hiệu băng rộng Máy biến áp có thể được đấu nối đặc biệt để có đặc tính phối hợp trở kháng cố định trên một dải tần số rộng Một trong những cấu hình được sử dụng rộng rãi nhất được thể hiện trong hình 2.12 Với cấu hình này, một máy biến áp thường được quấn trên một hình xuyến, và số vòng dây sơ cấp và thứ cấp bằng nhau, tạo cho máy biến áp có hệ số biến áp 1: 1 và hệ số phối hợp trở kháng 1:

1 Các dấu chấm tròn đen đặc trưng cho pha của các cuộn dây Lưu ý các cuộn dây được đấu nối theo cách khác thường Máy biến áp được kết nối theo cách

này thường được gọi là balun (balanced-unbalanced) vì máy biến áp như vậy

thường được sử dụng để kết nối nguồn cân bằng với tải không cân bằng hoặc ngược lại Trong mạch hình 2.12 (a), máy phát cân bằng được nối với tải không cân bằng (nối đất) (Balanced to unbalanced) Hình 3.12 (b), máy phát không cân bằng (nối đất) được kết nối với tải cân bằng (Unbalanced to balanced)

Hình 2.12 Máy biến áp balun, (a) Balanced to unbalanced;

(b) Unbalanced to balanced Hình 2.13 trình bày hai cách, trong đó hệ số balun 1:1 được sử dụng để phối hợp trở kháng Sơ đồ đấu nối như trong hình 2.13 (a), tăng trở kháng để

phối hợp với tải Trở kháng nguồn Z i nhờ biến áp Balun tăng 4 lần để bằng trở kháng tải Trong hình 2.13 (b), là sơ đồ đấu nối giảm trở kháng tải, Balun làm

cho trở kháng tải giảm Z L = Z i/4

Hình 2.13 Sử dụng balun để phối hợp trở kháng, (a) trở kháng tăng, (b) trở

kháng giảm

Có thể có nhiều cấu hình balun khác nhau để cung cấp tỷ lệ trở kháng khác nhau Các baluns có hệ số 1: 1 sử dụng phổ biến có thể được kết nối với nhau để phối hợp trở kháng theo tỷ lệ 9: 1 và 16: 1 Ngoài ra, baluns có thể được nối tầng để đầu ra của mạch này nối với đầu vào mạch kia, v.v Bộ cân bằng xếp tầng cho phép trở kháng được nâng lên hoặc giảm xuống theo tỷ lệ rộng hơn

Lưu ý rằng các cuộn dây trong balun không được cộng hưởng với tụ điện

ở một tần số cụ thể Các điện cảm của cuộn dây được tạo ra sao cho điện trở của cuộn dây gấp bốn lần trở lên so với trở kháng cao nhất được phối hợp Thiết kế này cho phép máy biến áp cung cấp sự phối hợp trở kháng trên một dải tần số

Đặc tính băng rộng này của máy biến áp balun cho phép thiết kế bộ khuếch đại công suất RF băng thông rộng Các bộ khuếch đại như vậy cung cấp hệ số khuếch đại đáng kể trên một băng thông rộng và do đó đặc biệt hữu ích trong các thiết bị truyền thông phải hoạt động ở nhiều hơn một dải tần số Thay vì có một bộ phát riêng cho từng băng tần mong muốn, có thể sử dụng một bộ phát đơn không có mạch điều hưởng

Khi sử dụng bộ khuếch đại điều hưởng thông thường, phải cung cấp một

số phương pháp chuyển mạch điều hưởng chính xác trong mạch Các mạng chuyển mạch như vậy rất phức tạp và đắt tiền Hơn nữa, sẽ xuất hiện nhiều vấn

đề, đặc biệt là ở tần số cao Để chúng hoạt động hiệu quả, các chuyển mạch phải được đặt rất gần với các mạch điều hưởng để các điện cảm và điện dung ký sinh không được đưa vào các chuyển mạch và các dây dẫn kết nối Một cách để khắc phục vấn đề chuyển mạch là sử dụng bộ khuếch đại băng thông rộng, không cần đến các chuyển mạch cho điều hưởng Bộ khuếch đại băng thông rộng cung cấp khả năng khuếch đại cần thiết cũng như kết hợp trở kháng Tuy nhiên, các bộ khuếch đại băng thông rộng không cung cấp bộ lọc cần thiết để loại bỏ các sóng

hài Một cách để khắc phục vấn đề này là tạo ra tần số mong muốn ở mức công suất thấp hơn, cho phép các mạch được điều hưởng loại bỏ các sóng hài, và sau

đó cung cấp khả năng khuếch đại công suất cuối cùng với mạch băng thông rộng Bộ khuếch đại công suất băng thông rộng hoạt động như một mạch đẩy kéo lớp A hoặc lớp B tuyến tính để lượng hài vốn có của đầu ra là rất thấp

Hình 2.14 là sơ đồ bộ khuếch đại tuyến tính băng thông rộng điển hình Lưu ý rằng hai biến áp balun 4:1 được nối tầng giảm trở kháng 16 lần để phối hợp trở kháng đầu vào cực gốc (base) của BJT Trở kháng đầu ra của BJT thấp được nâng lên bốn lần để bằng trở kháng tải của anten nhờ balun 1:4 Trong một

số máy phát, các bộ khuếch đại băng thông rộng được theo sau bởi các bộ lọc thông thấp, sử dụng để loại bỏ các sóng hài không mong muốn ở đầu ra

Hình 2.14 Mạch khuếch đại cao tần tuyến tính lớp A băng rộng

2.3 Góc cắt trong khuếch đại cao tần

Một bộ khuếch đại có thể được thiết kế hoạt động ở lớp A, B, AB, C Tuy nhiên, để đảm bảo yêu cầu như đã nêu ở mục 2.1, khuếch đại cao tần thường được thiết kế ở lớp C (class C) hay còn gọi là khuếch đại dao động loại

2

Bộ khuếch đại class-C, linh kiện chuyển mạch hoạt động giữa các chế độ được điều hưởng (tuner) và không được điều hưởng, hoạt động với góc dẫn thấp thường nhỏ hơn 90°, khuếch đại lớp C có hiệu suất cao hơn so với các bộ khuếch đại class-A, B hoặc AB, thường lớn hơn 80% Bộ khuếch đại lớp C có khả năng tạo ra công suất đầu ra cao, với độ lợi cao nhưng giữa các chế độ hoạt động của thiết bị chuyển mạch có xu hướng hoạt động phi tuyến nhiều hơn so

với bộ khuếch đại class-A, B hoặc AB, làm cho lớp khuếch đại này không phù hợp với tín hiệu điều chế

Hình 2.15 Các dạng sóng và hiệu suất với các lớp khuếch đại khác nhau Khuếch đại lớp C, có xu hướng hoạt động trong vùng phi tuyến nên làm méo dạng tín hiệu, thường được sử dụng trong bộ dao động sóng sin tần số cao

và một số loại bộ khuếch đại tần số RF, trong đó các ở đầu ra của bộ khuếch đại

có thể được chuyển đổi thành sóng sin hoàn chỉnh ở tần số cụ thể bằng cách sử dụng mạch cộng hưởng LC trên tải của nó

Hình 2.16 Sơ đồ mạch và đặc tuyến hoạt động lớp C

Dòng điện ra i0 (hay i C BJT) của bộ khuếch đại lớp C không phải là hàm liên tục và đơn điệu, trong khoảng thời gian nhất định dòng điện ra bằng 0, tức

dòng bị gián đoạn và bị cắt Đặc trưng cho chế độ dòng cắt bằng góc cắt θ, góc cắt θ được xác định bằng:

Vậy, góc cắt θ có giá trị trong khoảng 0 ÷ 180o:

+ Góc cắt bằng 0 khi dòng điện ra i 0 bằng 0 trong cả chu kỳ,

+ Góc cắt cực đại bằng 1800 khi dòng điện ra i 0 khác 0 trong cả chu kỳ Tóm lại, góc cắt được xác định bằng 1/2 khoảng thời gian dòng điện ra i 0 trong một chu kỳ

2.4 Phân tích mạch khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT)

2.4.1 Mạch KĐCSCT lớp C sử dụng transistor mắc EC

Trong hầu hết các bộ KĐCSCT được thiết kế hoạt động lớp C Các bộ khuếch đại này được sử dụng để khuếch đại công suất dưới dạng điều khiển, bộ nhân tần số và bộ khuếch đại cuối cùng Bộ khuếch đại lớp C có điểm làm việc

tĩnh Q như trên hình vẽ 2.16, do đó, góc cắt nhỏ hơn 180° (thường góc cắt từ 60 đến 90°) Dòng điện chạy ra trên cực C (i C) là các xung ngắn và một mạch điều hưởng cộng hưởng được sử dụng để tín hiệu xoay chiều được khuếch đại hoàn chỉnh

Hình 2.17 Sơ đồ mạch KĐCSCT lớp C và mô tả hoạt động

Hình 2.17 (a) sơ đồ mạch phân cực bộ khuếch đại lớp C Cực gốc (B) của transistor được kết nối đơn giản với đất thông qua một điện trở và cuộn chặn cao tần RFC Cuộn chặn cao tần RFC trên cực B thực hiện phân cực âm cho BJT trong thời gian không dẫn Tín hiệu cao tần RF đưa đến đầu vào mạch có dạng v i V cos i 0t (Hình 2.17 (b)) được đưa trực tiếp vào cực B Transistor dẫn

khi tín hiệu vào có biên độ điện áp lớn hơn 0,7V (điện áp mở của BJT V BE ≈

0,7V) Hay nói cách khác, dòng điện trên cực C (iC) bằng không cho đến khi V BE

= 0,7 V Kết quả dòng điện đầu ra của mạch là dòng điện trên cực C (i C) là xung dương xoay chiều có góc cắt nhỏ hơn 180°

Phân tích chuỗi Fourier dưới dạng lượng giác thành phần dòng điện cực C

i C trên hình 2.17 (b), ta có:

Vin

+ Công suất nguồn cung cấp: P 0 = I C0 V CC

+ Công suất ra đối với hài cơ bản (bậc 1):

 là trở kháng ra của BJT ứng với hài bậc 1, còn V C m1 I C m1 R eq là

biên độ điện áp hài bậc 1

Các thành phần hài bậc cao (n = 2, 3, ) có biên độ nhỏ hơn rất nhiều so

với hài cơ bản nên có thể bỏ qua, nên biên độ điện áp trên cực C bằng thành phần hài cơ bản có thể tính bằng:

1

C m cc CEsat

V V V + Công suất tiêu tán trên BJT: P P P

+ Hiệu suất của mạch KĐCSCT là: 1 1 1 1

V V

   Vậy, điện áp nguồn cung cấp thường được chọn V cc  (0,5 0,8)  V CEm xa

Nhận xét:

a Hiệu suất của mạch tỷ lệ với tỷ số 1

0

( ) ( )

 

  nên:

- Để hiệu suất đạt bằng 1 thì góc cắt θ = 0 và trị tuyệt đối điện áp phân cực, biên độ tín hiệu vào V i rất lớn Điều này không xảy ra thực tế Do đó, để hiệu suất của mạch đủ lớn góc cắt của mạch θ được chọn trong khoảng (60o ÷

90o), khi đó hiệu suất η = 0,7 ÷ 0,75

- Tần số tăng thì hiệu suất mạch giảm, nên tùy theo trường hợp cụ thể mà chọn lớp khuếch đại A, B, AB, C phù hợp

Chẳng hạn, trong truyền hình, vi ba số cần có khuếch đại tuyến tính cao, chọn lớp A Trong các máy phát thanh FM, trạm gốc BTS hệ thống thông tin di động dùng lớp B Trong các thiết bị di động dùng lớp C

b Vì tín hiệu ở tần số cao, mạch cao tần sẽ xuất hiện điện dung liên cực (giữa cực C và cực B của BJT, tương tự đối với FET là giữa cực máng D và cực cống G), điều này làm giảm hệ số khuếch đại và mạch kém ổn định Do đó, để

giảm ảnh hưởng của điện dung liên cực thì dùng biện pháp trung hòa bằng cách mắc tụ C th hồi tiếp từ đầu ra đến đầu vào mạch điện

Đối với mạch KĐCSCT dùng FET, vì điện dung liên cực nhỏ hơn nhiều

so với BJT, nên không cần thiết dùng tụ trung hòa C th

Hình 2.18 Mạch KĐCSCT dùng BJT mắc BC

2.4.3 Mạch KĐCSCT ghép song song

Hình 2.19 Sơ đồ mạch KĐCSCT ghép song song BC (a), EC (b)

Các sơ đồ mạch ghép song song có đặc điểm:

- Công suất tăng gấp 2 lần so với mạch đơn

- Tăng điện dung vào và ra

- Nhược điểm: khó phối hợp trở kháng, không tuyệt đối giống nhau giữa

2 mạch

2.4.4 Mạch KĐCSCT ghép đẩy kéo

Bộ khuếch đại công suất tuyến tính lớp B đẩy kéo có sơ đồ hình 2.20 Tín hiệu cao tần RF được đến Q1 và Q2 thông qua biến áp đầu vào T1 Biến áp T1 vừa phối hợp trở kháng và điều khiển để cho cực gốc B của Q1 và Q2 lệch pha 180° R1 và D1 thực hiện phân cực cho cực một chiều cho cực B 2 transistor Q1

và Q2 thông qua cuộn thứ cấp T1 Biến áp đầu ra T2 ghép công suất với anten hoặc tải

Hình 2.20 Mạch KĐCSCT đẩy kéo dùng BJT

Để có công suất tối ưu, trở kháng ra của mỗi vế phải gấp 2 lần so với mạch đơn, dòng điện hài cơ bản không đổi nên công suất ra gấp 2 lần so với mạch đơn

Mạch mắc đẩy kéo có ưu điểm:

+ Công suất tăng gấp 2 lần so với mạch đơn

+ Khuếch đại tuyến tính

+ Không cần mạch lọc phối hợp phức tạp

+ Tụ lọc nguồn nhỏ dễ tìm

Nhưng nhược điểm là khó thực hiện đồng nhất hai vế

Dòng điện ra trên 2 BJT Q1 và Q2 chảy qua cuộn sơ cấp T2 ngược chiều nhau và lệch pha nhau 1800, do đó dòng điện trên cuộn thứ cấp T2 tỷ lệ với hiệu

số IB1 - IB2

1 2 1 0 3 3 0 5 5 0

I I I I costI cos tI cos t

Khi góc cắt θ = 900, các hài bậc lẻ 3, 5, 7, bằng không, nên dòng ra chỉ còn thành phần cơ bản I I B1I B2 I cos C1 0t, vì vậy mạch lọc ra phối hợp đơn giản

Hình 2.21 là sơ đồ bộ khuếch đại công suất RF đẩy kéo sử dụng hai MOSFET công suất (có thể là MRF154), có thể tạo ra công suất lên tới 1 kW trong dải tần 10 đến 90 MHz và có độ lợi công suất 12 dB Để để đảm bảo công suất ra đạt đến 1kW, công suất đầu vào RF phải là 63W Máy biến áp hình xuyến T1 và T2 được sử dụng ở đầu vào và đầu ra để phối hợp trở kháng Chúng cung cấp hoạt động băng thông rộng trên dải tần 10 đến 90MHz mà không cần

có mạch điều hưởng Các cuộn cảm 20nH và điện trở 20Ω tạo thành các mạch trung hòa phản hồi lệch từ đầu ra về đầu vào để ngăn hiện tượng tự dao động

Hình 2.21 Mạch KĐCS RF đẩy kéo công suất 1kW sử dụng MOSFETs

Hình 2.22 Mạch ứng dụng của IC HMC465LP5

Bổ sung thêm: Linear Broadband Power Amplifiers, Feedforward Amplifier, Digital Predistortion Amplification, Envelope Tracking

2.5 Bộ nhân tần (Frequency Multipliers)

Bộ nhân tần sử dụng rộng rãi ở tần số cao để nâng tần số sóng mang, mở rộng vùng tần số làm việc và đặc biệt nâng cao chỉ số điều chế trong các phát

FM Ngoài ra, trong các bộ KĐCSCT, bộ nhân tần còn cho phép nâng cao độ ổn định của chúng vì sự khuếch đại trong các tầng được thực hiện ở tần số khác nhau

- Lc và Cc tạo thành mạch cộng hưởng đầu ra với hài bậc k của tần số cộng hưởng kω0 Ngoài ra còn có tác dụng chọn lọc tần số (chọn lấy thành phần cần thiết, loại bỏ thành phần còn lại)

Hình 2.24 Bộ nhân tần bằng varactor (a) Sơ đồ khối tổng quát, (b) Mạch nhân

tần varicap song song, (c) Mạch nhân tần varicap nối tiếp

KĐCSCT Bộ lọc vào Bộ phận

nhân tần

Bộ lọc ra Tải

Mạch phân cực

RF

Input

(a)