Chương 5 - Đổi tần Chương 5 ĐỔI TẦN 5.1. NGUYÊN LÝ ĐỔI TẦN Đổi tần là quá trình dòch chuyển tín hiệu đã điều chế lên cao (ở T x ) hoặc xuống thấp (ở R x ) 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 dòch 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. X BPF f o f i f s = f o + f i nfmf o ±± X IF f o f s f IF = f o - f s nfmf o ±± 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 = i 0 + av + bv 2 + cv 3 + dv 4 + … 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 f s , f o , ±mf o , ±nf s . 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 dòch 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 đònh. 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 f IM (f IM = F s + 2f IF ). 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. Mạch điện tử 3 54 Chương 5 - Đổi tần Thông số cơ bản bộ đổi tần: - Độ hỗ dẫn đổi tần s IF c V I g = . - Độ lợi đổi tần s IF v V V A = . - Điện dẫn đổi tần IF IF V I g = . - Độ lợi công suất đổi tần s IF G P P P = . V cc 220 0,022 15K 5,6K 1K 0,022 C2829 f IF = 10,7MHz f s f o f s L 2 L 1 C 1 C 2 L 3 f IF f o (a) (b) (c) V cc f IF 2SK241 f s f o (d) V i Hình 5.2. Mạch đổi tần dùng Diode, BJT, FET và đáp tuyến i(v). Tín hiệu vào v s = V s .cos ω s t. Tín hiệu dao động nội v o = V o .cos ω 0 t. Điều kiện V o >> V s và ω 0 >> ω s . Hai tín hiệu trên cộng lại thành v = v o + v s = V o cos ω o t + V s cos ω s t. Điện áp tổng cọng đặt vào phần tử tích cực có đặc tính phi tuyến sau: i = i 0 + av + bv 2 + cv 3 + dv 4 + … I = i 0 + a(V 0 cosω 0 t + V s cosω s t) + b(V 0 cosω 0 t + V s cosω s t) 2 + c(V 0 cosω 0 t + V s cosω s t) 3 + … i o - 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: bv 2 = b(V 0 cos 2 ω 0 t + 2V 0 V s cosω 0 t.cosω s t + V s cos 2 ω s t) trong đó: cos 2 ω 0 t = 2 1 [l + cos2ω 0 t] ; cos 2 ω s t = 2 1 [l + cos2ω s t]; Mạch điện tử 3 55 Chương 5 - Đổi tần cosω 0 t.cosω s t = 2 1 [cos(ω 0 - ω s )t + cos(ω 0 + ω s )t Qua bộ lọc trung tần IF chỉ còn thành phần: I IF = bV 0 V s cos(ω 0 - ω s )t = bV 0 V s cosω IF t. Biên độ dòng trung tần IF i = bV 0 V s = g c .V s . g c = bV o độ hổ dẫn đổi tần. Biên độ dao động nội V o 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 V s ở tần số trung tần ω IF = ω o - ω s tức là phổ tín hiệu cao tần đã được dòch 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 = v s cosω s t T 1 s v 2 1 + s v 2 1 − DSB D 1 i 1 D 2 i 2 v o = V o cosω o t f s CF ω IF = ω o - ω s ω o > ω s V o >>V s v s = v s cosω s t T 1 s v 2 1 + s v 2 1 − DSB Q 1 i 1 Q 2 i 2 v o = V o cosω o t T 2 CF ω IF = ω o - ω s +V DD 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 I D (V GS ) của FET có dạng: i = i o + av + bv 2 Mạch điện tử 3 56 Chương 5 - Đổi tần Khi v s = 0, nguồn dao động v o tác động đến 2 ngỏ vào như nhau, dòng i 1 = i 2 nhưng ngược chiều nhau ở cuộn sơ cấp T 2 , điện áp ra bằng không. Khi có điện áp vào v s ≠ 0, ở cuộn thứ cấp biến áp T 1 có hai điện áp cùng biên độ ngược pha ± 2 1 v s cộng với điện áp cao tần v o đưa đến 2 ngỏ của phần tử tích cực. Nếu V GS1 = v o + 2 1 v s thì V GS2 = v o - 2 1 v s . Dòng ra cuộn sơ cấp T 2 là i p2 =(i 1 - i 2 ) = (i o + aV GS1 + bV 2 GS1 ) – (i o + aV GS2 + bV 2 GS2 ) i p2 = a(V GS1 - V GS2 ) + b(V 2 GS1 – V 2 GS2 ) = av s + 2bv s .v o . i p2 = aV s cos ω s t + 2bV o .Vs cos ω o t + cos ω s t. Trong đó cos ω o t + cos ω s t = 2 1 [cos(ω o + ω s )t + cos(ω o - ω s )t]. Sau bộ lọc trung tần, có thành phần tần số cần thiết ω IF = ω o - ω s . 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 ω o , các thành phần tổ hợp ω o ± 2ω s bò 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 ω o ± 3ω s ; 2ω o ± 3ω s ; 2ω o ± ω s ; khử tạp âm của nguồn dao động nội: Ngỏ ra chỉ còn thành phần tần số ω o ± ω s 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 = v s cosω s t T 1 v o = V o cosω o t 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 ω c = ω o + ω s . Các dạng mạch đổi tần cân bằng (điều chế cân bằng). Mạch điện tử 3 57 Chương 5 - Đổi tần v s T 1 s v 2 1 + s v 2 1 − D 1 D 2 v o RFC RFC To selective filter circuit (a) v s 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 I c khoảng 1 mA; V s = (5 ÷ 10) mV; V o = (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 V DD 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. Mix1 IF 1 Mix2 IF 2 Dem f s f 01 f 02 Hình 5.7. Đổi tần 2 lần loại tần số ảnh (nhiễu f IM = 2f IF1 + f s . Mạch điện tử 3 58 Chương 5 - Đổi tần Ví dụ: trong điện thoại cordless Telephone có f IF1 = 10,7MHz; f IF2 = 455MHz; ở thông tin sóng ngắn SSB f IF1 = 2MHz; f IF2 = 200MHz. Trong điện thoại di động tế bào f IF1 = 225MHz; f IF2 = 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 C 3 Hình 5.8. Đổi tần dùng IC nhân NE 602. f o 59,7MHz x Local osc Volt Reg NE 602 1 2 3 4 5 6 7 8 C 2 C 7 C 1 C 5 C 6 C 4 R 1 L 1 +6V R 2 f IF 10,7MHz CF 100 +6V 200 µ 0,1 µ NE 602 1 2 3 4 5 6 7 8 A 100 100 0,01 C V 100K V T 0,01 f IF = 455KHz Hình 5.9. Máy thu AM đổi tần trực tiếp dùng IC NE 602. Mạch điện tử 3 59 Chương 5 - Đổi tần 3SK60 Tổng hợp tầng số RFC V DD V TVN Hình 5.10. Đổi tần ở máy phát VHF dùng MOSFET. v s v o f c = f o + f s To RF power Amp x BPF f IFTV 38MHz f C f s = f c + f IFTV x BPF SAW f s f o f IFTV 38MHz Hình 5.11. Đổi tần lên ở máy phát truyền hình và đổi tần xuống ở TV. Mạch điện tử 3 60 . tuyến. Ở tần số cao, đổi tần dùng FET, MOSFET tốt hơn BJT, diode. Mạch điện tử 3 54 Chương 5 - Đổi tần Thông số cơ bản bộ đổi tần: - Độ hỗ dẫn đổi tần s IF c V I g = . - Độ lợi đổi tần s IF v V V A. Chương 5 - Đổi tần Chương 5 ĐỔI TẦN 5.1. NGUYÊN LÝ ĐỔI TẦN Đổi tần là quá trình dòch chuyển tín hiệu đã điều chế lên cao (ở T x ). V s ở tần số trung tần ω IF = ω o - ω s tức là phổ tín hiệu cao tần đã được dòch 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