Chương 5: ĐỔI TẦN ppt

Khi trộn hai tín hiệu ở ngõ vào bộ đổi tần, tại ngõ ra của nó có nhiều thành phần tần số fs, fo, ±mfo, ±nfs.. Bộ lọc trung tần IF hoặc BPF chọn lọc thành phần tần số cần thiết.. Tín hiệu

Trang 1

Chương 5

ĐỔI TẦN

5.1 NGUYÊN LÝ ĐỔI TẦN

Đổi tần là quá trình dịch chuyển tín hiệu đã điều chế lên cao (ở Tx) hoặc xuống thấp (ở Rx) mà vẫn giữ nguyên cấu trúc phổ của nó (dạng tín hiệu ban đầu) Nó cho một số ưu điểm quan trọng như dễ dàng dịch chuyển tín hiệu đến tần số cần thiết, tăng độ chọn lọc, thuận tiện xử lý tín hiệu Đổi tần còn gọi là trộn tần, có ký hiệu dấu nhân

fo

Hình 5.1 Đổi tần lên ở T x - Đổi tần xuống ở R x

Đổi tần dựa trên phi tuyến của phần tử tích cực Giả sử đáp tuyến i(v) có dạng:

i = i0 + av + bv2 + cv3 + dv4 + … Trong đó v là điện áp đặt vào phần tử phi tuyến Khi trộn hai tín hiệu ở ngõ vào bộ đổi tần, tại ngõ ra của nó có nhiều thành phần tần số fs, fo, ±mfo, ±nfs Bộ lọc trung tần IF hoặc BPF chọn lọc thành phần tần số cần thiết Thông thường m = n = 1 để mức tín hiệu ra là lớn nhất Tín hiệu ra có phổ giống như tín hiệu ngỏ vào đổi tần, nhưng được dịch chuyển đến vùng tần số cần thiết thuận tiện trên xử lý tín hiệu

Ví dụ: Ở máy thu, đổi tần xuống trung tần tăng độ chọn lọc, để thực hiện bộ khuếch đại IF có

độ lợi cao ổn định Trong máy phát truyền hình, tín hiệu hình đã điều chế ở trung tần 38 MHz được đổi tần lên băng tần cần thiết, lọc và khuếch đại công suất đưa tới anten phát

Máy thu đổi tần gọi là máy thu heterodyning Các máy thu quảng bá (thu thanh, truyền hình) đổi tần 1 lần Trong các máy thu thông tin đổi tần 2 lần để loại tần số nhiễu của ảnh fIM (fIM = Fs + 2fIF) Hệ số nhiễu NF của bộ đổi tần lớn hơn NF của bộ khuếch đại cùng phần tử tích cực khoảng (1,5 ÷ 2) lần do hoạt động ở chế độ phi tuyến Ở tần số cao, đổi tần dùng FET, MOSFET tốt hơn BJT, diode

Trang 2

Thông số cơ bản bộ đổi tần:

- Độ hỗ dẫn đổi tần

s

IF

I

g = .

- Độ lợi đổi tần

s

IF

V

- Điện dẫn đổi tần

IF

IF V

I

g= .

- Độ lợi công suất đổi tần

s

IF

P

Vcc

220

0,022

15K

C2829

fIF = 10,7MHz

fs

fo

fs

L2

L1

L3

fIF

fo (a)

(b)

fIF

2SK241

fs

fo

i

Hình 5.2 Mạch đổi tần dùng Diode, BJT, FET và đáp tuyến i(v).

Tín hiệu vào vs = Vs.cos ωst Tín hiệu dao động nội vo = Vo.cos ω0t Điều kiện Vo >> Vs và ω0 >> ωs Hai tín hiệu trên cộng lại thành v = vo + vs = Vocos ωot + Vs cos ωst Điện áp tổng cọng đặt vào phần tử tích cực có đặc tính phi tuyến sau:

i = i0 + av + bv2 + cv3 + dv4 + …

I = i0 + a(V0 cosω0t + Vs cosωst) + b(V0 cosω0t + Vs cosωst) 2 + c(V0 cosω0t + Vs cosωst) 3 + …

io - thành phần một chiều; a, b, c, d - các hệ số Giả sử đáp tuyến có dạng hàm bậc hai để đơn giản phân tích:

bv2 = b(V0 cos2ω0t + 2V0Vs cosω0t.cosωst + Vs cos 2ωst) trong đó: cos2ω0t = 21[l + cos2ω0t] ; cos 2ωst = 21 [l + cos2ωst];

Trang 3

cosω0t.cosωst = 21[cos(ω0 - ωs)t + cos(ω0 + ωs)t Qua bộ lọc trung tần IF chỉ còn thành phần:

IIF = bV0Vs cos(ω0 - ωs)t = bV0Vs cosωIFt.

Biên độ dòng trung tần i = bV0Vs = gc.Vs.IF

gc = bVo độ hổ dẫn đổi tần

Biên độ dao động nội Vo cần lớn để độ hổ dẫn đổi tần lớn Tín hiệu ra của bôï đổi tần có biên độ tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào Vs ở tần số trung tần ωIF = ωo - ωs tức là phổ tín hiệu cao tần đã được dịch chuyển xuống vùng tần số trung tần mà vẫn giữ nguyên dạng tín hiệu ban đầu trước khi đổi tần

5.2 ĐỔI TẦN CÂN BẰNG (BALANCED MIX)

v s = vscosωst

T1

s v 2

1

+

s v 2

1

−

DSB

D1

i 1

D2 i

2

v o = Vocosωot

fs

CF

ωIF = ωo - ωs

ωo > ωs

Vo >>Vs

v s = vscosωst

T1

s v 2

1

+

s v 2

1

−

DSB

v o = Vocosωot

T2

CF

ωIF = ωo - ωs

+VDD

Hình 5.3 Đổi tần cân bằng dùng Diode, FET.

Hai vế của bộ đổi tần cân bằng phải giống nhau Giả sử đáp tuyến V - A của diode và ID(VGS) của FET có dạng:

i = io + av + bv2

Trang 4

Khi vs = 0, nguồn dao động vo tác động đến 2 ngỏ vào như nhau, dòng i1 = i2 nhưng ngược chiều nhau ở cuộn sơ cấp T2, điện áp ra bằng không

Khi có điện áp vào vs ≠ 0, ở cuộn thứ cấp biến áp T1 có hai điện áp cùng biên độ ngược pha ±21vs cộng với điện áp cao tần vo đưa đến 2 ngỏ của phần tử tích cực

Nếu VGS1 = vo + 21vs thì VGS2 = vo - 21 vs Dòng ra cuộn sơ cấp T2 là

ip2 =(i1 - i2) = (io + aVGS1 + bV2 GS1) – (io + aVGS2 + bV 2 GS2) ip2 = a(VGS1 - VGS2) + b(V2 GS1 – V 2 GS2 ) = avs + 2bvs.vo.

ip2 = aVs cos ωst + 2bVo.Vs cos ωot + cos ωst.

Trong đó cos ωot + cos ωst = 21[cos(ωo + ωs)t + cos(ωo - ωs)t].

Sau bộ lọc trung tần, có thành phần tần số cần thiết ωIF = ωo - ωs Ưu điểm đổi tần cân bằng là dễ lọc tín hiệu mong muốn, tsưng độ chọn lọc so với đổi tần đơn vì không có thành phần ωo, các thành phần tổ hợp ωo ± 2ωs bị triệt tiêu Tuy nhiên yêu cầu mạch phải đối xứng. Mạch đổi tần cân bằng vòng là một dạng đổi tẩn cân bằng gồm 2 bộ đổi tần cân bằng dùng chung tải, cho phép triệt tiêu các thành phần tổ hợp phách lẻ ωo ± 3ωs; 2ωo ± 3ωs; 2ωo ±ωs; khử tạp âm của nguồn dao động nội: Ngỏ ra chỉ còn thành phần tần số ωo ±ωs dễ lọc Chất lượng tín hiệu đổi tần tốt hơn so với các trường hợp khác nên thường được sử dụng, đặc biệt ở siêu cao tần, thông tin vệ tinh, LNB

v s = vscosωst T1

v o = Vocosωot

Hình 5.4 Đổi tần cân bằng vòng.

To BPF 1

2

3 4

Một dạng riêng của đổi tần cân bằng là điều chế cân bằng Sự khác biệt ở chỗ ngỏ ra dùng bộ lọc BPF lấy thành phần ωc = ωo + ωs Các dạng mạch đổi tần cân bằng (điều chế cân bằng)

Trang 5

v s T1

s v 2

1

+

s v 2

1

−

D1

D2

v o

RFC

To selective filter circuit

(a)

v s

To selective filter circuit

(b)

Hình 5.5 Các dạng đổi tần khác.

Nếu tín hiệu nhỏ, dùng diode Ge có điện áp on - off nhỏ Diode Si dùng tốt ở tần số cao Diode shotky làm trộn tần rất tốt ở VHF, UHF, viba BJT làm trộn tần cho giá rẻ, chất lượng không cao Dòng phân cực Ic khoảng 1 mA; Vs = (5 ÷ 10) mV; Vo = (100 ÷ 200) mV

FET cải thiện chất lượng hơn BJT ở chỗ nhiễu ít, dễ phối hợp trở kháng, hoạt động tốt

ở các tần số cao, độ khuếch đại lớn

MOSFET thường được dùng ở VHF, UHF cho độ cách ly cao giữa 2 nguồn tín hiệu

v s

v o VDD

Hình 5.6 Đổi tần dùng MOSFET hai cực cổng.

Các máy thu thông tin đổi tần 2 lần để loại tần số nhiễu ảnh

fs

Hình 5.7 Đổi tần 2 lần loại tần số ảnh (nhiễu fIM = 2fIF1 + fs.

Trang 6

Ví dụ: trong điện thoại cordless Telephone có fIF1 = 10,7MHz; fIF2 = 455MHz; ở thông tin sóng ngắn SSB fIF1 = 2MHz; fIF2 = 200MHz

Trong điện thoại di động tế bào fIF1 = 225MHz; fIF2 = 45MHz

5.3 ĐỔI TẦN DÙNG IC NHÂN 602

NE 602 có hai bộ trộn cân bằng, dùng nguồn (4,5 ÷ 8)V Tần số hoạt động tới 500MHz, trong khi IC nhân LM l496 hay CA 3028 chỉ dưới 120MHz Mạch dao động nội tới 200MHz Hệ số nhiễu NF < 5 dB NE 602 dùng nhiều trong điện thoại vô tuyến, máy thu AM

49MHz

C3

Hình 5.8 Đổi tần dùng IC nhân NE 602.

fo 59,7MHz

x

Local osc

Volt Reg

NE 602

1

2

3

6 7