Chương 6: KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (IF) VÀ CÁC BỘ LỌC IF pot

Chương 6 KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN IF VÀ CÁC BỘ LỌC IF Nằm ở sau bộ đổi tần có nhiệm vụ: khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau bộ đổi tần Rx đến mức cần thiết giải điều chế, có độ chọn lọc cao nhờ

Chương 6 KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (IF) VÀ CÁC BỘ LỌC IF

Nằm ở sau bộ đổi tần có nhiệm vụ: khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau bộ đổi tần (Rx) đến mức cần thiết giải điều chế, có độ chọn lọc cao (nhờ các bộ lọc IF) tín hiệu mong muốn và loại nhiễu ngoài băng thông, có AGC (Automatic gain Control) tránh quá tải cho giải điều chế, giảm méo giải điều chế trong hệ thống FM (Frequency Modulation) Mức tín hiệu sau đổi tần khoảng < lmV, trong khi hầu hết các bộ giải điều chế AM, FM, PM yêu cầu mức tín hiệu khoảng l V Độ lợi khuếch đại điện áp trung tần (60 ÷ 100)dB Hai hoặc 3 tầng khuếch đại IF dùng BJT, FET, MOSFET cho phép đạt giá trị này Công nghệ vi mạch hiện đại hầu như đã chuẩn hóa vi mạch sau đổi tần

1) Lựa chọn tần số trung tần:

Độ chọn lọc băng thông nhỏ có được tốt nhất ở tần số thấp nhờ các mạch điều hưởng

LC, Ceramic Filter (CF), Crystal Filter Sự chọn lựa fIF thấp làm cho thiết kế đơn giản, độ khuếch đại lớn, ổn định cao, dễ thực hiện Trong máy thu thanh AM có fIF = 455KHz; băng thông = 20KHz; hệ số phẩm chất bộ lọc IF Q = 50 ÷ 100 Đây cũng thường là tần số trung tần thứ 2 của thông tin thoại FM hoặc của một số loại máy thu khác như máy nhắn tin Khi tần số hoạt động lớn hơn vài chục MHz, yêu cầu fIF cao hơn để tăng độ chọn lọc tần số ảnh của mạch tiền chọn lọc ngõ vào Rx (fIM = fs + 2fIF), việc thiết kế trở nên phức tạp hơn để tránh tự kích

Việc lựa chọn tần số trung tần dung hòa đặc điểm khuếch đại IF có độ chọn lọc cao, độ khuếch đại lớn ổn định cao, mạch đơn giản dễ thực hiện ở tần số fIF thấp, với độ chọn lọc nhiễu tần số ảnh fIM tốt khi fIF cao Từ đó có được các tần số trung tần chuẩn Trong thông tin thoại AM-SSB (3 ÷ 30MHz), thực hiện đổi tần 2 lần loại tần số nhiễu ảnh

fIF1 = 2MHz, băng băng 10KHz,

fIF2 trong khoảng (100 ÷ 500) KHz ví dụ 456KHZ hay 200KHZ băng thông 3KHz Đối với phát thanh FM mono stereo (88 ÷ l08)MHz fIF là 10,7MHz băng thông 200KHz

Máy thu truyền hình có fIF khoảng (30 ÷ 50)MHz băng thông (6 ÷ 10)MHz tùy chuẩn hệ

Trong radar, viba mặt đất thông tin vệ tinh, điện thoại di động tế bào, các tần số trung tần thường gặp: 35; 45; 70; 140; 479MHz

Hiện nay vi mạch tính hợp cao xử lý tín hiệu sau đổi tần đã được chuẩn hóa cùng các bộ lọc có hệ số phẩm chất Q cao như SAW, Ceramic Filter, Crystal Filter Các vi mạch đa năng trở nên thông dụng trọng các loại máy thu

2) Các dạng mạch trung tần

7

AN7224

out 1K 1K

2 3 4 5 7 8

7

47p 0,01 10K

5,6K 220p

+10µ

0,1 0,01

1K

+Vce

2,2K

47p

CF 10.7 from Mix

Hình 6.1 Vi mạch AN7224 khuếch đại IF, giải điều chế FM AN7116 khuếch đại âm tần.

13

12 14

Hình 6.2 IC khuếch đại IF MFC4010 khuếch đại hạn biên 60dB, điện áp ra 200mv.

IC MC1357 khuếch đại hạn biên-giả điều chế FM.

CF 10.7 MFC

4010

15p

MC 1357

33p

56 180

0,01

470

390K

1 2

3 4

330

0,01

100 0,01

4,7p 5,1K

120

0,01

0,01 0,01

6 4

5 8 2

1 7 12 10 13

12V

Audio out 50ω

AGC

+Vcc

AGC

+Vcc

To Det

Hình 6.3 Khuếch đại IF có AGC dùng MOSFET, BJT.

Vi mạch phổ thông CA3028A có thể làm bộ trộn, khuếch đại RF tới 120MHz, khuếch đại IF có AGC

Hình 6.4 Vi mạch CA3028A làm khuếch đại IF có AGC (a) và Mixer (b).

CA 3028A

6 8

1

7

2

3

4

CB

CB

RL

IFout

AGC Reference

V 4

≥

+12V

5

IFin

f

AGC in

IF +Vcc

RFin

fo

Hình 6.5 Khuếch đại IF dải rộng nhiễu thấp trong viba và TVRO.

MC 10116

+Vcc

6.2 AGC (AUTOMATIC GAIN CONTROL)

Mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại AGC được thiết lập ở tầng khuếch đại IF cho phép tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu (đài xa) hay mạnh (đài gần) bằng cách thay đổi điện áp phân cực Như vậy AGC là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải động (Dynamic Range - DR) Dải rộng là khoảng điện áp ngỏ vào Rx nhỏ nhất đến lớn nhất mà tín hiệu ra không bị méo Nó biểu diễn dưới dạng:

) dB ( V

V lg 20 D

min

max

R =

Thông thường DR của máy thu có AGC từ 40 ÷ 100 dB

Tín hiệu AGC thường ở dạng điện áp một chiều sau tách sóng tỷ lệ với mức tín hiệu thu được đưa về làm thay đổi điện áp phân cực tầng RF hay IF kiểm soát độ khuếch đại của máy thu

Ví dụ độ khuếch đại Av của 1 tầng khuếch đại BJT có dạng:

IC mA

0 30

Av dB

Hình 6.6.

Nếu AGC làm giảm dòng Ic(Av) ta có -AGC (AGC ngược) dùng ở bộ phát đáp thông tin vệ tinh, ở máy thu dùng pin nơi nguồn cung cấp bị giới hạn, nếu AGC làm tăng dòng Ic(Av)

ta có +AGC (AGC thuận) được dùng nhiều trong tivi và máy thu bándẫn AM-FM

Mạch AGC đơn giản của máy thu AM như vẽ 6.7

+Vcc

- DC AGC

C3

1

R2

R1 +

-Hình 6.7.

Đảo chiều diode ta được +AGC Thời hằng τ = R2C3 đủ lớn để điện áp ra thuần DC biến thiên theo biên độ tín hiệu vào máy thu

Trong máy thu FM, điện đáp AGC có thể tách trực tiếp từ mạch giải điều chế FM Cả hai bộ tách sóng phân biệt Foster - Seeley và tách sóng tỷ lệ đều dễ dàng cho điểm lấy điện

áp DC tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào Ở một số máy thu chất lượng cao, một mạch AGC đáp ứng nhanh được thiết lập như hình sau:

C2

C1

-D2

D1

IF hoặc

RF hay IF Amp

Hình 6.8.

Diode Dl,2 nắn nhân hai điện áp; R1C2 có thời hằng đủ lớn tách lấy thành phần DC; khuếch đại Op có thể mắc kiểu đảo hoặc không đảo để tạo cực tính điện áp AGC cần thiết

6.3 AFC (AUTOMATIC FREQUENCY CONTROL)

Một kiểu mạch điều khiển hồi tiếp tương tự AGC dùng ở máy thu cao tần gọi là AFC (tự động điều chỉnh tần số), làm cho tần số dao động nôïi máy thu đổi tần được ổn định không

bị trôi (do nhiều nguyên nhân như nhiệt độ thay đổi, thông số ký sinh ảnh hưởng độ ổn định dao động nội, …

Trong các máy thu tần số cố định như điện thoại Cordless Telepbone, vấn đề trôi tần số được giải quyết bằng tần số dao dộng thạch anh ổn định

Hình 6.9 Mạch AFC trong máy thu FM.

RF

LO

R1

R3

R2

C1

+ DC

- DC

- V

fs

fo

Đồng chỉnh

Biên độ điện áp ngỏ ra bộ tách sóng FM thay đổi theo độ di tần Nếu tần số tăng, điện áp ra dương Nếu tần số giảm, điện áp ra âm Mạch lọc thông thấp R1C1 lấy tín hiệu DC biến đổi chậm đưa lại phân cực cho varicap điều chỉnh tần số dao động nội Khi tần số dao động nội trôi, bộ giải điều chế FM sẽ phát hiện như sự thay đổi tín hiệu Giả sử tần số dao động nội

tăng, làm cho fIF = fo - fs tăng tạo nên điện áp +DC đưa lại giảm phân cực ngược varicap, kéo tần số dao động nội xuống giá trị ban đầu và ngược lại

Có một số kiểu mạch AFC khác nhau trong TV, máy thu FM

Một số máy thu FM có chuyển mạch ON - OFF cho AFC Máy thu điều hưởng ban đầu tốt nhất khi tắt AFC cho phép chỉnh đúng tần số Sau đó mở AFC để giữ ổn định tần số dao động nội

Các máy thu hình, FM, máy thu phát hiện đại không cần mạch AFC vì bộ tổng hợp tần số có độ ổn định cao trong cả dải tần công tác

6.4 CÁC BỘ LỌC TRUNG TẦN (IF FILTER)

1) Mạch cộng hưởng song song:

Một dạng bộ lọc trung tần có băng hẹp, Q khoảng 50 ÷ 100

2) Bộ lọc ghép hổ cảm haimạch điều hưởng:

Hai mạch điều hưởng ghép hổ cảm tạo thành bộ lọc trung tần có độ dốc khá lớn với băng thông mong muốn để điều chỉnh bằng cánh thay đổi hệ số ghép

2

Lp Ls

M

ωo

K

ω

Mạch cộng hưởng đơn Mạch điều hưởng ghép hổ cảm

Hình 6.10 Đáp tuyến truyền đạt mạch điều hưởng ghép hổ cảm.

3) Bộ lọc ghép điện dung hai mạch điều hưởng:

C1 C2

Cghép

Hình 6.11 Bộ lọc IF dùng 2 mạch điều hưởng ghép điện dung.

Kiểu ghép này có cùng ưu điểm như ghép hổ cảm: đáp tuyến khá phẳng trong băng thông IF, độ dốc khá lớn, độ chọn lọc khá cao, dễ thay đổi băng thông nhờ C ghép

Phương pháp tính toán được đề cập trong tài liệu lý thuyết mạch - tín hiệu và kỹ thuật mạch điện tử thông tin

4) Bộ lọc thạch anh (Crystal Filter)

Bộ lọc thạch anh làm từ thạch anh SiO2 Thạch anh có hiệu ứng áp điện Piezoelectric, tức là khi đặt một điện áp vào thạch anh, nó sẽ dao động ở tần số cộng hưởng riêng ổn định và ngược lại Tần số này phụ thuộc kích thước, độ dày, hướng trục cắt thạch anh Phiến cắt càng mỏng, tần số dao động riêng càng tăng Tần số dao động thạch anh ổn định khoảng 20KHz đến 50 MHz

LT

Cp

ω

XL

XC 0

Hình 6.12 Ký hiệu thạch anh và mạch điện tương đương, điện kháng thạch anh.

rT, LT, CT - thông số thạch anh

Co điện đung áp mà phiến kim loại giữ thạch anh

Tần số cộng hưởng nối tiếp

T T

1

= ω

Tần số cộng hưởng song song s

o

o T

p

C G

GC L

1 ≈ω

+

= ω

vì Co >> CT

Tại cộng hưởng nối tiếp thạch anh coi như thuần trở rất nhỏ rT Hệ số phẩm chất

T

LT

X

Q = rất lớn khoảng 104 đến 106 do đó có độ chọn lọc rất cao ở ωs, băng thông hẹp

Ví dụ: Thạch anh 10,7MHz có độ mỏng 0,16mm; rT = 34Ω; LT = 23mH

G = 0.008p; Co = 2p; Q Xr 2 .10,7.1034.23.10 45,456

3 6

T

LT

Tại cộng hưởng song song ωs trở kháng thạch anh rất lớn Tần số ωs gần bằng ωp nên thạch anh là linh kiện lý tưởng cho bộ lọc IF có độ dốc rất cao Tổ hợp các thạch anh với sự lựa chọn hợp lý tần số ωs, ωp cấu tạo nên các bộ lọc với băng thông cần thiết, độ chọn lọc cao

TA1

Hình 6.13 Bộ lọc TA và đáp tuyến.

output input

TA2

TA3 TA4

t

dB

0 -6

-60

TA1 và 2 cộng hưởng nối tiếp ở một tần số, TA3 và 4 cộng hưởng ở tần số khác Sự khác biệt giữa hai tần số xác định băng thông bộ lọc khoảng 1,5 lần hiệu hai tần số trên

Ví dụ: TA 1 - 2 có fs1 = 9 MHz; TA 3 - 4 có fs3 = 9.002 MHz

Băng thông B = 4f = l,5(fs3 - fs1) = 1,5(9,002 - 9.000) = 3KHz

Tần số cộng hưởng nối tiếp TA 1 - 2 chọn sao cao bằng tần số cộng hưởng song song của TA 3 – 4, tín hiệu ngoài băng thông bị nén tới 50 ÷ 60 dB Chỉ số dạng bộ lọc SF (Shape Factor) xác định độ chọn lọc (độ dốc) của bộ lọc thông dải BPF Nó bằng băng thông suy hao 60dB chia cho băng thông suy hao 60dB

Bộ lọc BPF lý tưởng có SF = 1 Bộ lọc TA có SF gần bằng 1 ở khoảng tần số 100KHz

÷ 50MHz (giới hạn độ dày thạch anh) Bộ lọc này mắc tiền, khó chế tạo, chất lượng cao, dùng trong hệ thống thông tin chuyên dụng cao cấp

TA1

input

TA3

out

TA1

TA2 TA3

TA4 +Vcc

out

Hình 6.14 Các dạng mạch lọc TA.

5) Bộ lọc gốm sứ (Ceramic Filter - CF):

Bộ lọc gốm sứ cấu tạo từ Zirconate – Titanote, có hiệu ứng áp điện tương tự thạch anh, nhưng hệ số phẩm chất Q cở 2000, giá rẻ , kích thước nhỏ, ứng dụng phổ biến Khoảng tần số làm việc 100KHz đến 20MHz băng thông (2 ÷ 350)KHz Các tần số trung tần thường gặp 200KHz; 455KHz (2; 4,5; 5,5; 6,5; 10,7) MHz Tỷ số băng thông trên tần số trung tâm 15

÷ 0,8

fKHz

dB

0 -6

6,8KHz

455

Hình 6.15 Ký hiệu và đáp tuyến bộ lọc CF.

SF của bộ lọc CF trên: CF=68,8KHzKHz =1,18

6) Bộ lọc SAW (surface Acoustic Wave Filter)

Bộ lọc SAW chế tạo bằng công nghệ trên vật liệu áp điện tương tự thạch anh - Lithium Niobate Sóng âm học bề mặt (SAW) lan truyền trên bề mặt vật liệu rắn có tính áp điện với vận tốc 3000 m/s, nhỏ hơn nhiều vận tốc sóng vô tuyến Tức là bước sóng âm học của tín hiệu ngắn hơn nhiều bước sóng điện, làm cho kích thước bộ lọc SAW nhỏ Đặc tính lan truyền SAW phụ thuộc kích cở, khoảng cách các điện cực Khi có tín hiệu xoay chiều tới, sóng âm học bề mặt được tạo ra từ điện cực ngõ vào lan truyền đến điện cực ngỏ ra Khoảng cách giữa các điện cực xác định bước sóng lan truyền (tần số) Độ dài các điện cực xác định độ mạnh của tín hiệu Số điện cực tỷ lệ nghịch với băng thông Ví dụ: f = 100MHz; bước sóng lan truyền trong bộ lọc SAW là: 3.10 m

10 1

10

8

3

Điện cực Finger

Hình 6.16 Cấu trúc và ký hiệu bộ lọc SAW.

Bộ lọc SAW dùng ở khoảng tần số vài chục MHz tới 5 GHz (giới hạn độ dày Finger 0,6 µF),ứng dụng phố biến trong truyền hình (38MHz), viba (35; 70; 140MHz), thông tin vệ tinh (70; 140; 479MHz), điện thoại di động tế bào (45; 70;140; 900; 940 )MHz, trong truyền hình viba MMDS (0,8; 2,6)GHz

7) Bộ lọc cơ (Mechanical Filter)

Bộ lọc này dùng từ l950 trong thông tin sóng ngắn đơn biên SSB Nó có Q khoảng 104, dựa trên hiệu ứng cộng hưởng cơ của một số kim loại Năng lượng điện có được ngỏ vào bộ lọc biến đổi thành rung động cơ, năng lượng rung động cơ này lại biến đổi ngược thành năng lượng điện ở ngỏ ra Tần số trung tần khoảng 200 ÷ 500KHz, băng thông 5 ÷ 35KHz Bộ lọc kiểu này không còn thích hợp