Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF Chương 6 KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (IF) VÀ CÁC BỘ LỌC IF 6.1. KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (INTERMEDIATE FREQUENCY AMP) Nằm ở sau bộ đổi tần có nhiệm vụ: khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau bộ đổi tần (R x ) 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 trò 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 f IF thấp làm cho thiết kế đơn giản, độ khuếch đại lớn, ổn đònh cao, dễ thực hiện. Trong máy thu thanh AM có f IF = 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 f IF cao hơn để tăng độ chọn lọc tần số ảnh của mạch tiền chọn lọc ngõ vào Rx (f IM = f s + 2f IF ), 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 đònh cao, mạch đơn giản dễ thực hiện ở tần số f IF thấp, với độ chọn lọc nhiễu tần số ảnh f IM tốt khi f IF 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. f IF1 = 2MHz, băng băng 10KHz, f IF2 trong khoảng (100 ÷ 500) KHz ví dụ 456KHZ hay 200KHZ băng thông 3KHz. Đối với phát thanh FM mono stereo (88 ÷ l08)MHz. f IF là 10,7MHz băng thông 200KHz. Máy thu truyền hình có f IF 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. Mạch điện tử 3 61 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF 2) Các dạng mạch trung tần 7 AN7224 5 AN7116 22µ Sp out 1K 1K 2 3 4 5 7 8 7 47p 0,01 10K 5,6K 220p +10µ 0,10,01 1K +V ce 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. 8 9 11 13 1214 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 3,3K 0,01 0,01 6 4 5 8 2 1 7 12 10 13 12V Audio out 50ω AGC +V cc AGC +V cc 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. Mạch điện tử 3 62 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF Hình 6.4. Vi mạch CA3028A làm khuếch đại IF có AGC (a) và Mixer (b). CA 3028A 68 1 7 2 3 4 C B C B R L IF out AGC Reference V4≥ +12V 5 IF in f AGC in (a) (b) IF +V cc RF in f o Hình 6.5. Khuếch đại IF dải rộng nhiễu thấp trong viba và TVRO. MC 10116 C 2026 C 2026 +V cc 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 bò méo. Nó biểu diễn dưới dạng: )dB( V V lg20D min max R = Thông thường DR của máy thu có AGC từ 40 ÷ 100 dB. Mạch điện tử 3 63 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF 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 A v của 1 tầng khuếch đại BJT có dạng: 1 6 12 18 I C mA -AGC +AGC 0 30 A v dB Hình 6.6. Nếu AGC làm giảm dòng I c (A v ) ta có -AGC (AGC ngược) dùng ở bộ phát đáp thông tin vệ tinh, ở máy thu dùng pin nơi nguồn cung cấp bò giới hạn, nếu AGC làm tăng dòng I c (A v ) 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. +V cc - DC AGC C 3 C 2 C 1 R 2 R 1 + - Hình 6.7. Đảo chiều diode ta được +AGC. Thời hằng τ = R 2 C 3 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 Mạch điện tử 3 64 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF 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: C 2 C 1 R 1 + - D 2 D 1 IF hoặc Audio Amp - DC AGC tới RF hay IF Amp Hình 6.8. Diode D l,2 nắn nhân hai điện áp; R 1 C 2 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 đònh không bò trôi (do nhiều nguyên nhân như nhiệt độ thay đổi, thông số ký sinh ảnh hưởng độ ổn đònh dao động nội, … Trong các máy thu tần số cố đònh như điện thoại Cordless Telepbone, vấn đề trôi tần số được giải quyết bằng tần số dao dộng thạch anh ổn đònh. Hình 6.9. Mạch AFC trong máy thu FM. RF Amp Mix IF Amp FM Dem Amp LO R 1 R 3 R 2 C 1 + DC - DC - V f s f o 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 R 1 C 1 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 Mạch điện tử 3 65 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF tăng, làm cho f IF = f o - f s tăng tạo nên điện áp +DC đưa lại giảm phân cực ngược varicap, kéo tần số dao động nội xuống giá trò 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 đònh 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 đònh 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. C 1 C 2 L p L s M ω o 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: Mạch điện tử 3 66 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF C 1 C 2 L 1 L 2 C ghép 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 SiO 2 . 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 đònh 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 đònh khoảng 20KHz đến 50 MHz. L T r T C T C p ω s ω p ω X L X C 0 Hình 6.12. Ký hiệu thạch anh và mạch điện tương đương, điện kháng thạch anh. r T , L T , C T - thông số thạch anh C o điện đung áp mà phiến kim loại giữ thạch anh. Tần số cộng hưởng nối tiếp TT s CL 1 =ω Tần số cộng hưởng song song s o o T p CG GC L 1 ω≈ + =ω vì C o >> C T Tại cộng hưởng nối tiếp thạch anh coi như thuần trở rất nhỏ r T . Hệ số phẩm chất T LT TA r X Q = rất lớn khoảng 10 4 đến 10 6 do đó có độ chọn lọc rất cao ở ω s , băng thông hẹp. Ví dụ: Thạch anh 10,7MHz có độ mỏng 0,16mm; r T = 34Ω; L T = 23mH. Mạch điện tử 3 67 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF G = 0.008p; C o = 2p; 456,45 34 10.23.10.7,10.2 r X Q 36 T LT TA = π == − Tại cộng hưởng song song ω s trở kháng thạch anh rất lớn. Tần số ω s gần bằng ω p 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 ω s , ω p 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. outputinput 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 đònh băng thông bộ lọc khoảng 1,5 lần hiệu hai tần số trên. Ví dụ: TA 1 - 2 có f s1 = 9 MHz; TA 3 - 4 có f s3 = 9.002 MHz. Băng thông B = 4f = l,5(f s3 - f s1 ) = 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 bò nén tới 50 ÷ 60 dB. Chỉ số dạng bộ lọc SF (Shape Factor) xác đònh 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 TA2TA3 TA4 +V cc out input output Hình 6.14. Các dạng mạch lọc TA. Mạch điện tử 3 68 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF 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. f KHz dB 0 -6 -60 8KHz 6,8KHz 455 Hình 6.15. Ký hiệu và đáp tuyến bộ lọc CF. SF của bộ lọc CF trên: 18,1 KHz8,6 KHz8 CF == 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 đònh bước sóng lan truyền (tần số). Độ dài các điện cực xác đònh độ mạnh của tín hiệu. Số điện cực tỷ lệ nghòch với băng thông. Ví dụ: f = 100MHz; bước sóng lan truyền trong bộ lọc SAW là: m10.3 10.1 10.3 5 8 3 SAW − ==λ . input output Điện cực Finger Hình 6.16. Cấu trúc và ký hiệu bộ lọc SAW. Mạch điện tử 3 69 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF 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 10 4 , 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. Mạch điện tử 3 70 . Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF Chương 6 KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (IF) VÀ CÁC BỘ LỌC IF 6.1. KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (INTERMEDIATE FREQUENCY AMP) Nằm ở sau bộ đổi tần có nhiệm vụ: khuếch. 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. Mạch điện tử 3 62 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các. cấp. TA1 input TA3 out TA1 TA2TA3 TA4 +V cc out input output Hình 6.14. Các dạng mạch lọc TA. Mạch điện tử 3 68 Chương 6 - Khuếch đại trung tần và các bộ lọc IF 5) Bộ lọc gốm sứ (Ceramic Filter - CF): Bộ lọc gốm sứ cấu tạo từ Zirconate