Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số Thay đổi: Thực chất quá trình điều biên này là quá trình nhân tín hiệu.. Tuy nhiên, khi u biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến
Trang 12 Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số Thay đổi:
Thực chất quá trình điều biên này là quá trình nhân tín hiệu Ví dụ về mạch điện loại này là điều biên dùng bộ nhân tương tự (hình 1-7) Trong mạch điện này, quan hệ giữa điện áp ra u db và điện áp vào u 0 là quan hệ tuyến tính Tuy nhiên, khi
u biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác làm cho biên độ tín hiệu ra thay đổi để có điều biên
Căn cứ vào tính chất của mạch nhân, ta viết được biểu thức của điện áp ra sau đây:
U đb = (E + U cos t)U 0 cos 0 t
2
U
U
t cos
2
U
U
t cos
EU
0 0
0
đb
t
Hình 1.6: Điều biên ở chế độ lớp C (tín hiệu vào lớn) b) Đặc tuyến của Diode, đồ thị thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra
b) Mạch điện
U D
U D
0
U (t)
a)
U
U 0
b)
- E 0 + D
C B
Trang 2Theo (1-28) phổ của tín hiệu ra có tải tin và hai biên tần mong muốn
V Các mạch điều biên cụ thể:
Để thực hiện theo nguyên tắc thứ nhất, có thể dùng mọi phần tử phi tuyến, nhưng nếu dùng bán dẫn, đèn điện tử thì đồng thời với điều biên, còn có thể khuyếch đại tín hiệu Về mạch điện, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau: mạch điều đơn biên, mạch điều biên cân bằng và mạch điều biên vòng
1 Mạch điều biên đơn:
Mạch điều biên đơn là mạch chỉ dùng một phần tử tích cực để điều chế Các mạch điện trên hình 1-5 và 1-6 là các mạch điều biên đơn dùng diode Như đã xét trong hai mạch điều biên, dòng điện ra tải ngoài các thành phần hữu ích (các biên tần) còn có đủ mọi thành phần không mong muốn khác (tải tần và các hài bậc cao) Đó là đặc điểm cơ bản của các mạch điều biên đơn
Đặt tuyến Volt-ampe của diode, Transistor hay đèn điện tử chỉ được coi là gần đúng là thẳng khi tín hiệu vào đủ lớn Chính vì vậy đối với máy phát AM quá trình điều chế thường được tiến hành ở đầu cuối, hay trước cuối Nếu chỉ dùng Diode ta chỉ thực hiện được điều biên Còn nếu dùng Transistor, FET hay đèn điện tử ta thực hiện được điều biên, lại vừa khuyếch đại được tín hiệu
U đb
U
E
U 0
K
U đb
U 3
U 2
U 1
U 0
b) a)
Hình 1-7: Điều biên dùng mạch nhân tương tự a) Mạch điện; b) Đặc tuyến truyền đạt
Trang 3 Khi tín hiệu vào nhỏ, đặc tuyến Volt-ampe của diode, transistor, đèn điện tử được gọi gần đúng là một đường cong:
i = f(V) = a0 + a1V + a2V2 + a3V3 +… (1.30)
Sự biểu diễn càng chính xác nếu ta lấy lũy thừa càng cao Thực tế ta chỉ xét đặc tuyến đến bậc 3, vì các bậc n > 3 có biên độ rất nhỏ
Gọi V1 = Vo và V2 = V, cho chúng tác dụng vào phần tử phi tuyến ta có:
i=f(V1+V2)=a0+a1V1+a1V2+a2V12+
a2V22+2a2V1V2+a3V13+3a3V12V2+3a3V1V22+a3V23+… (1.31)
Để có tín hiệu điều biên ở ngõ ra, chúng ta cần lấy ra:
a1V1 là thành phần tần số sóng mang (tải tin): 0
2a2V1V2 là thành phần hai dải biên trên (0 + ) và biên dưới (0 - )
Nếu ta dùng mạch
lọc có tần số cộng
hưởng: CH = 0
như ở hình 1-9 và dải
thông có bề rộng D
= 2, ta sẽ lọc được
hai thành phần trên
và có tín hiệu điều
biên thông thường
Nhưng các số hạng 3a3V1V22 sẽ gồm hai thành phần tần số 0 và 0 2 vì cos2x = ½(1 + cos2x) Do <<0 nên các thành phần này cũng đi qua mạch cộng hưởng và gây ra sự méo điều chế không tuyến tính Còn các thành phần khác không đi qua được mạch lọc vì , 2 << 0 , còn 20, 30 >> 0
Để khử méo không tuyến tính ta có hai phương pháp:
- Đặc tuyến volt-ampe của phần tử không tuyến tính phải có dạng bậc 2 để không có các số hạng bậc 3 (hoặc a3 rất nhỏ) Muốn vậy ta phải dùng FET
D
V o
V o
Hình 1-8 Điều biên một vế
Trang 4- Khử méo bằng cách cải tiến mạch, thực hiện điều chế cân bằng như sau: Trong hình 1-9a, điện áp đặt trên D1 và D2 lần lược là:
u1 = Ucost + U0cos0t
u2 = - Ucost + U0cos0t
Dòng điện qua các diode được biểu diễn thành chuỗi Taylor:
i1 = a0 + a1u1 + a2u12 + a3u13 +…
i2 = a0 + a1u2 + a2u22 + a3u23 +…
Dòng điện ra: i = i1-i2 (1.34)
Thay (2-32), (2-33) vào (2-34) ta có:
i = Acost+ Bcos3t+ C[cos(0+)t+ cos(0-)t]+ D[cos(20+)+ cos(20-)t] (1.35) Trong đó:
A = U2a1+3a3U02+½(a3U2)
B = ½(a3U3)
C =2a2UU0
D=3/2(a3UU0)
Tương tự như vậy cũng chứng minh kết quả đó trên mạch điện hình 1-9b, Trong trường hợp cần có tải tin ở đầu ra, sau khi điều chế có thể đưa thêm tải tin vào phổ của tín hiệu ra của mạch điều biên đã cân bằng được biểu diễn trên hình 1-9c
(1.32)
(1.33)
1.36
Trang 5Một dạng khác của mạch điều chế cân bằng là mạch điều chế vòng, thực chất đây là hai mạch điều chế cân bằng có chung tải Sơ đồ mạch điều biên biểu diễn trên hình 1-10
Gọi phần điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D1, D2 là i1 và dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D3, D4 là iII Theo 1.35:
II= Acost+ Bcos3t+ C[cos(0+)t+ cos(0-)t]+ D[cos(20+)+ cos(20-)t] (1.37a)
III = iD3- iD4 (1.37b)
Trong đó:
iD3= a0 +a1u3+a2u32+a3u33+…
iD4= a0 +a1u4+a2u42+a3u43+…
Với u3và u4 là điện áp đặt lên D3và D4, được xác định như sau:
1.38
C
C
D 1
D 2
i 1
i 2
U đb
U
U 0
a)
b)
0 3 t -3 0 t +3 2 0
Hình 1.9: Mạch điều biên cân bằng
a) Dùng diode; b) Dùng Transistor; phổ tín hiệu ra;
0
0
0
0
Trang 6u3=-U0cos0t-Ucost
u4=-U0cos0t-Ucost
Thay (1.38), (1.39) vào (1-37b) ta được:
i II =- Acos t - Bcos3 t+ C[cos( 0 + )t+ cos( 0 - )t]- D[cos(2 0 + )+ cos(2 0 - )t] (1.40)
A, B, C, D trong các biểu thức (1.37a), (1.40) được xác định theo biểu thức (1.36) Từ (2.37a) và (1.40) xác định được dòng điện ra:
i đb = i I +i II = 2 C[cos( 0 + )t+ cos( 0 - )t] (1.41)
Vậy dùng mạch điều chế vòng còn có thể khử được các hài bậc lẻ của
và các biên tần của 2 0 , do đó méo phi tuyến rất nhỏ Phổ tín hiệu ra của mạch điều chế vòng được biểu diễn trên hình 1-10b
1.39
D
D
D D
U đb
U
C B
C B
U 0
0
0
0 Hình 1.10: Mạch điều biên vòng
a) Mạch điện; b) Phổ tín hiệu
0
Trang 7Mạch điều chế
vòng cũng có thể coi là
một mạch nhân Nguyên
tắc nhân được minh họa
trên hình 1-11 Giả thiết
tải tin là dãy xung hình
chữ nhật Tùy thuộc vào
sự thay đổi của tải tin,
lúc thì D 1 , D 2 mở , lúc thì
D 3 và D 4 mở, cặp diode
còn lại ngắt làm cho tín
hiệu vào u thay đổi cực
tính theo nhịp của u 0
Tác dụng của mạch điều
chế vòng đúng như một
mạch nhân
3 Mạch điều chế bằng Transistor:
Về nguyên lý điều biên bằng Transistor cũng gồm các loại :
Trong trường hợp Tranzistor lưỡng cực, FET, đèn điện tử để điều biên, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau đây: điều biên base, điều biên collector, điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anot, điều biên lưới,… Các loại mạch điều biên có tên gọi tương ứng với cực mà điện áp điều chế được đặt vào
Các Transistor cũng hoạt động ở chế độ kém áp (= 0,85 0,95th) và được chọn sao cho có thể duy trì độ tuyến tính của đặc tính điều chế
Người ta thường sử dụng việc tạo thiên áp hỗn hợp cho base để duy trì điều chế tuyến tính và giữa góc cắt = 900 Trên hình 1-13 là một mạch điều biên collector biến đổi theo điện áp âm tần:
V*CC =VCC + Vcost (1.42)
VCC: điện áp nguồn cung cấp trong trường hợp sóng mang không điều chế
V:Biên độ điện áp âm tần từ bộ khuếch đại công suất âm tần
U
U 0
U đb
t
t t
Hình 1-11: Minh họa tác dụng của mạch điều chế vòng như một mạch
nhân 0
0 0
Trang 8Đối với Transistor, điện áp của Collector không được tăng quá giá trị
an toàn cực đại dù trong thời gian ngắn Bởi vậy cần phải thỏa mãn điều kiện:
Vo + V < VCemax= BVCEO (1.43)
Trong đó :
- Vo: điện áp cao tần cực đại ở collector khi m=1;
- BVCEO: điện áp đánh thủng cho phép cực đại;
Khác với đèn điện tử, điều biên Collector có công suất đánh giá bằng công suất đỉnh:
PTB = Po(1+m)2/CH (1.44)
CH: hiệu suất của mạch cộng hưởng
Trong trường hợp tổng quát, đặt tuyến điều chế IC1(VCC) là phi tuyến như hình 2-14 Khi đó:
IC1 = IC1max(VCC/VCcmax)1- (1.45)
: hệ số biến thiên 0 0,25
V o
V CC
Tới tầng trước
Tới bộ KĐCS âm tần
V
Ra L
C
C
L ch
Hình 1-12: Điều biên Collector
Trang 9Đặc tuyến điều chế Collector có thể được tuyến tính hóa nhờ điều chế phụ base
Khi điện áp Collector thấp mối nối Collector được phân cực thuận bởi điện áp đầu vào Do vậy dao động cao tần trực tiếp đi qua mối nối Collector phân cực thuận Sự thay đổi của dòng Collector trong vùng 0-a xuất hiện bởi điều chế quá mức khi tín hiệu lớn Để tránh méo phi tuyến gây ra người ta áp dụng điều chế Collector phụ được thực hiện ở Collector của tầng trước đó
Ta có thể thực hiện điều chế cân bằng không có mạch lọc đầu ra dùng Transistor (hình 1-14) Ưu điểm của nó là méo phi tuyến nhỏ, biên độ điều biên ở đầu ra lớn
VI VÍ DỤ MINH HỌA:
1 Cho tín hiệu điều biên với hệ số điều chế m=2, tần số điều chế
=10Khz Tín hiệu tải tin có biên độ V0=5mV và tần số 0=1Mhz
a) Viết phương trình tín hiệu điều chế và tín hiệu đã điều chế
b) Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế
Giải:
a) Ta có: V0(t) = 0.005 cos (2*106) t
Ta lại có:
0 V
V
m V = mV0 = 2*0.005 =0.01
0
I C1
V CC
V
V AM
V R
V o - V AM +
Hình 1-13: Đặc tuyến
điều chế Collevtor
Hình 1-14:ĐBCB Transistor
Trang 10 Tín hiệu điều chế:
V = 0.01 cos (2*104) t
Tín hiệu đã điều chế:
VAM (t) = 0.005 [cos (2*106) *t]*[ 1+ 2 cos(2*104) *t]
b) Mô phỏng dạng tín hiệu đã điều chế:
fc=10^6;fm=10^4;
T=1/fc;
t=0:T/200:100*T;
V AM (t)=0.005*cos(2*pi*fc*t).*[1+2*cos(2*pi*fm*t)]; plot(t,V AM (t))
Title( 'DC-AM,m>1' )
2 Cho mạch điều biên collector như hình vẽ
+V +12v
TF 2
TF 1
T 1
2N39C
LF
HF
AM
Hình 1-15: Bộ điều biên sử dụng Transistor
Trang 11Có tín hiệu tải tin: V 0 (t) = 10 cos (2 *106) t
Và tín hiệu điều chế: V (t) =7 cos (*104) t
Hãy tìm giá trị của hệ số điều chế m và biểu thức của tín hiệu đã điều chế.Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế
Giải:
- Hệ số điều chế m: m = 0.7
10
7 V
V 0
- Biểu thức của tín hiệu đã điều chế:
V AM (t) = 10 cos (2*106) t *[ 1+ 0.7* cos (2*104) t]
- Mô phỏng dạng tín hiệu đã điều chế:
fc=10^6;fm=10^4;
T=2/fc;
t=0:T/50:100*T;
V AM (t)=10*cos(pi*fc*t).*[1+.7*cos(2*pi*fm*t)];
plot(t,V AM (t))
title( 'DC-AM,m<1' )
3 Hãy tìm biểu thức của tín hiệu điều biên và vẽ dạng tín hiệu điều biên đó với
tín hiệu tải tin: V 0 (t) = 5 cos (2*1.7*106) t
Và tín hiệu điều chế: V (t) = 5 cos (2*5*104) t
Giải:
- Biểu thức của tín hiệu điều chế:
5
5 V
V
0
Do đó: V AM (t) = 5 cos(2*1.7*106) t*[ 1+ 1cos(2*5*104) t]
- Mô phỏng dạng tín hiệu điều chế:
