Nếu chọn các linh kiện sao cho R Cj 1 thì trở kháng Z có thể xác đònh theo biểu thức: Cách mắc Sơ đồ nguyên lý Đồ thò vector Trò số điện kháng Tham số tương đương Mạch phân áp RC S RCj Z S RC L tđ Mạch phân áp RL LS jR Z R LS C tđ Mạch phân áp RC RCS j Z RCSC tđ Mạch phân áp LC RS j Z RS L L tđ Z = jX L = jL tđ (3.24) j CR S Trong đó: L td = SC S I V V R V L I V V C V R I V V L V R Bảng 3 - 1 I V V C V R R C I V I L R V R I C V I R L V Tương tự như vậy, có thể chứng minh cho các sơ đồ phân áp còn lại trong bảng 3-1. Các tham số tương đương của thành phần điện kháng điều phụ thuộc vào hổ dẫn S. Rõ ràng, khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số L tđ hoặc C tđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo V . Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối f/f t khoảng 2%. Trên hình 3.7 là sơ đồ bộ dao động ghép biến áp được điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC. Trong đó T 1 là transistor điện kháng, T 2 là transistor tạo dao động. Transistor điện kháng được mắc một phần (trên L 1 ) với hệ dao động. Cũng có thể mắc hai transistor điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần trên hình 3.8. Trên sơ đồ này (hình 3-8), T 1 là phần tử điện kháng cảm tính, với L tđ = 1T S CR và T 2 là phần tử điện kháng dung tính với C tđ = CRS T2 . Hình3 - 7: Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC. C B1 C B4 : Tụ điện ngắn mạch cao tần L C : Cuộn chặn cao tần L K C B2 C B3 C B4 C K L C L 1 C B1 Theo sơ đồ, khi U SSB tăng thì S T1 tăng, còn S T2 giảm, làm cho L tđ và C tđ đều giảm, do đó tần số giảm nhanh hơn theo điện áp điều chế và lượng di tần tăng lên gấp đôi (nếu T 1 , T 2 có tham số giống nhau). Mạch còn có ưu tiên, tăng được độ ổn đònh tần số trung tâm f t của bộ tạo dao động (T 3 ). Thật vậy, giả thiết điện áp nguồn cung cấp tăng thì hỗ dẫn của cả T 1 và T 2 đều tăng một lượng S. Lúc đó L tđ giảm, C tđ tăng. Nếu mạch điện T 1, T 2 hoàn toàn đối xứng thì lượng tăng của C tđ sẽ bù được lượng giảm của L tđ , do đó có thể coi tần số trung tâm không đổi. b) Điều tần dùng diode Tunel: Người ta có thể đưa điện áp ngược vào hai đầu diode để thay đổi điện dung gián tiếp của diode theo tín hiệu điều chế âm tần. Khi đó: C Đ Đ V k (3.25) k = const V Đ 0,8 V Đ đánh thủng Hình 3-8: Sơ đồ tạo dao động điều tần bằng mạch điện kháng đẩy kéo. C B1 C B4 : tụ điện ngắn mạch cao tần: C B5 : tụ điện ngắn mạch âm tần (u ) U S U B R R 1 R 2 R 3 R 4 C B1 C 2 C 1 C B5 C B3 C B2 C E C B4 C K L K T 3 T 2 T 1 R 4 L C Nhưng do C Đ biến đổi trong một phạm vi rất nhỏ và không tuyến tính, nên nó chỉ được sử dụng trong các mạch tự động điều chỉnh tần số, mà không dùng để tạo nên tín hiệu điều tần. Để tạo tín hiệu FM ta có thể dùng diode tunel như hình 3-9 R 1 , R 2 : tạo phân cực cho diode Tunel nằm ở đoạn có điện trở âm. C 1 : cho điện áp âm tần đi qua, ngăn điện áp một chiều. C 2 : ngắn mạch điện áp cao tần không cho vào nguồn cung cấp V CC . Đối với diode Tunel tần số dao động của mạch biến thiên theo điện áp phân cực. Từ hình 3-9b ta nhận thấy chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của điện áp phân cực cũng gây nên sự biến thiên lớn của điện trở âm và làm cho tần số dao động thay đổi theo biểu thức: Khi V tăng thì V Đ tăng và I Đ giảm nên R = V Đ /I Đ tăng làm f 0 tăng lên. Khi V giảm thì V Đ giảm và I Đ tăng nên R = V Đ /I Đ giảm làm f 0 giảm xuống. Mạch điều tần bằng diode Tunel khá đơn giản và tuyến tính hơn dùng diode thường song độ di tần khá hẹp ( nhỏ). f 0 = - (3.26) 1 2 1 L K (C K + C 2 ) 1 C 2 (C K + C 1 )R 2 V V CC R+ 0 0 I V V b) a) V Hình 3-9: Điều tần bằng Diode Tunel. a) Sơ đồ điều tần; b) Đặc tuyến Volt-ampe và R R 2 C 1 C 1 C K L K Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng, bằng diode và diode Tunel có độ di tần hẹp do chúng không trực tiếp tác động lên tần số dao động f 0 . Từ khi Varicap ra đời người ta chủ yếu sử dụng nó làm phần tử điều tần vì điện dung của nó thay đổi theo điện áp phân cực và trực tiếp làm thay đổi tần số dao động. Ở phạm vi tần số cao khi C V thay đổi làm f 0 thay đổi rất nhiều tạo nên độ di tần lớn và đặc tuyến của Varicap tuyến tính, tính chống nhiễu cao, không tiêu thụ năng lượng nên nó dùng để điều tần rất tốt. c) Điều tần dùng Varicap: Diode biến dung (Varicap) có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào. Nó có sơ đồ tương đương ở hình 3-10a. Trò số R V và C V phụ thuộc vào điện áp đặt trên diode. Trường hợp diode phân cực ngược R V = và còn C V được xác đònh theo công thức: Trong đó: C D C D C D 0 0 t V c) Hình 3-10: Sơ đồ tương đương (a); Sơ đồ mắc mạch của Varicap (b); và đặc tuyến điều chế C V theo V (c) L K C K V PC V R PC C D R D b) a) C V = (3.27) (V Đ + T ) k k: Hệ số tỷ lệ; k = C V0 . T ; C V0 :C V ban đầu khi V Đ = 0. : hiệu điện thế tiếp xúc của mặt ghép; với diode Silic T 0,7V. : hệ số phụ thuộc vật liệu; = 1/3 1/2 V Đ = V PC + V (3.28) V PC : điện áp cung cấp một chiều đònh điểm làm việc ban đầu cho Varicap. Đối với transistor Silic ½. Nếu R >>1/ CV thì ta có tần số dao động của hình 3-10b gần đúng như sau: Nếu ta chọn C V >> C K ta có biểu thức gần đúng: Ta thấy tần số tỷ lệ với điện áp điều chế V qua căn bậc 4 nên V phải đủ lớn để tần số dao động thay đổi theo V . Trên hình 3-10b ta thấy điện áp cao tần trên L K , C K sẽ phân cực thuận Varicap tăng lên. Dẫn tới làm hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng giảm và tạo nên sóng hài khi Varicap được phân cực liên tiếp âm, dương. Để khắc phục hiện tượng này ta có một số biện pháp sau: - Tính toán để sao cho diode luôn luôn phân cực ngược khi trên nó có cả điện áp cao tần. Điện áp đặt trên diode: V D =V 0 cos 0 t + V cost – V PC (3.21) V Dmax = V 0 + V - V PC 0 (3.22) Nhưng điện áp ngược đặt lên diode cũng không được vượt quá trò số cho phép, nó đồng thời thỏa mãn công thức: V Dmin = - V 0 - V - V PC V ng cho phép (3.23) (3.29) 1 L K (C K + C V ) 1 K V PC + V +0,7 L K C K + K.L 7,0+V+V K 4 Ω PC (3.20) Mắc thêm tụ ghép C gh nó sẽ ngăn không cho điện áp cao tần xuất hiện trên Varicap. Nhưng như vậy khi V thay đổi C V thay đổi nhưng ghV ghV CC C.C C sẽ thay đổi rất ít, nên độ di tần sẽ hẹp. - Để khắc phục cả hai nhược điểm trên, người ta không mắc C gh , mà mắc hai Varicap ngược nhau như hình 3-11. Cách mắc này gọi là mắc đẩy kéo Varicap. Hai Varicap được phân cực cùng một lúc. Khi tín hiệu cao tần áp vào 2 varicap giống nhau, nó sẽ lái chúng đến những giá trò điện dung cao và thấp luân phiên nhau: Do đó điện dung đúng trong mạch gần như không thay đổi theo điện áp cao tần, mà chỉ thay đổi điện áp âm tần. Khi đó để Varicap phân cực ngược ta chỉ cần thỏa mãn đều kiện: V Dmax = V - V pc 0 và V Dmin = - V -V pc V ng cho phép Như vậy phạm vi thay đổi của điện áp điều chế V sẽ lớn hơn, dẫn tới phạm vi biến đổi của C V cũng lớn hơn, nghóa là độ di tần sẽ lớn hơn. Tuy nhiên mắc 2 Varicap đẩy kéo sẽ làm giảm điện dung tương đương C tđ = C V /2 (nếu 2 Varicap giống nhau). Để bù lại người ta chọn những Varicap có giá trò bằng 2 lần C tổng mà ta mong muốn. (Ví dụ C V = 15pF thì ta phải chọn C V1 = C V2 =30pF). Vì dòng phân cực I cp =0 nên biến trở VR 1 và R có thể có giá trò rất lớn. Tuy nhiên để Varicap đáp ứng nhanh với V thì R và V R1 không nên chọn lớn lắm vì hằng số thời gian = (R + VR 1 ) C V Khi điều tần dùng Varicap cần chú ý những đặc điểm sau: - Luôn luôn phân cực ngược cho Varicap để tránh ảnh hưởng của RV đến phẩm chất của hệ dao động , nghóa là đến độ ổn đònh tần số của mạch. Vcc +Vpc R pc C gh C K L L Vpc V V C K L ch R VR 1 Hình 3 - 11: Mắc đẩy kéo Varicap - Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặt tuyến C V = f(V D ) để giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng Varicap đạt khoảng 1%. - Dùng Varicap để điều tần thì kích thước bộ điều tần nhỏ và có thể điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz. Tuy nhiên độ tạp tán của bán dẫn lớn hơn nên kém ổn đònh. Ta có sơ đồ điều tần dùng Varicap đẩy kéo (3-12) - R 1 , R 2 , R e tạo thiên áp tự cấp để lúc đầu mạch dao động ở chế độ lớp A (dễ dao động) sau chuyển về dao động ở lớp B,C (để có hiệu suất cao). Đây là mạch ba điểm điện dung. Trong đó L K cùng Varicap tạo thành mạch cộng hưởng song song, nhưng ở tần số dao động f 0 thì nó phải tương đương như một điện cảm V0 0 C 1 L . Các tụ thoát C ngắn mạch đối với tín hiệu cao H ình 3 - 12: Điều tần dùng Varicap đẩy kéo C C C 2 C 1 C R R 2 R 1 R E L K C +V CC V FM V R E B L chK V Phần tử dao động tần. L ch cho tín hiệu âm tần đi qua, ngăn tín hiệu cao tần lại. R và VR điều chỉnh cho điểm phân cực ban đầu của Varicap ở điểm giữa của đoạn thẳng đặc tuyến C V = f(V Đ ) là phi tuyến nên thực chất tín hiệu FM vẫn bò méo. Để khắc phục, đối với những bộ điều chế yêu cầu độ méo phi tuyến nhỏ người ta mắc bộ điều tần theo sơ đồ đẩy kéo (hình 3-13) Sơ đồ hình 3.13 gồm hai bộ đổi tần đẩy kéo làm việc ở hai tần số khác nhau: f 01 và f 02 và đầu ra bộ đổi tần ta có tần số trung gian: f 0 = f 01 – f 02 . Điện áp điều chế âm tần V được đưa đồng pha tới hai bộ điều chế, nhưng do Varicap 2 (V 2 ) mắc ngược pha với Varicap 1 (V 1 ) nên khi f 01 tăng thì f 02 giảm và ngược lại như hình 3-14. Độ lợi của hai bộ điều tần có thể viết như sau: + a 1 , a 2 , b 1 , số phụ thuộc độ dốc và dạng của đặc tuyến điều chế. + V pc1 , V pc2 : điện áp phân cực ngược đònh điểm làm việc ban đầu cho Varicap. f 1 = f 01 a 1 +a 2 +… (3.24) f 2 = f 02 b 1 - +b 2 +… (3.25) V V V V V pc1 V pc1 V pc2 V pc2 2 2 Hình 3 - 13: Sơ đồ điều chế đẩy kéo dùng varicap đơn L’ 3 L’ 2 L’ 1 L’ 4 L’ 5 L 5 L 4 L 3 L 2 L 1 R’ 1 R’ 2 Re 2 Re 1 R 2 R 1 C’ 1 C’ 2 C’ 3 C’ 4 C ’ 6 C’ 5 C 5 C 6 C 4 C 3 C 2 C 1 f = f 01 – f 02 V - V pc1 +V pc2 - V EE + V : điện áp điều chế. Dấu (-) trong biểu thức biểu hiện sự mắc ngược pha của Varicap. Để bù méo bậc hai ta phải thực hiện điều kiện: Trong thực tế ta thường thiết kế V pc1 = V pc2 Khi đó (3.26) trở thành: f 01 . a 2 = f 02 .b 2 (3.27) Nếu ta chọn Varicap trước (biết trước a 2 , b 2 ) thì ta chỉ việc chọn f 01 , f 02 thỏa mãn (3.27) ta sẽ triệt được méo bậc 2. Khi chưa điều chế, sau bộ đổi tần ta thu được: f tg = f 01 – f 02 . f tg + f = (f 01 +f 1 ) – (f 02 +f 2 ). Nghóa là : f = f 1 - f 2 mà f 1 , f 2 lại ngược dấu nên độ di tần chung tăng lên (f tăng). Như vậy dùng điều chế tần số đẩy kéo ngoài việc bù được méo hài bậc 2, còn làm tăng độ di tần. Để bù méo bậc 3 người ta dùng mạng 4 cực hiệu chỉnh C 4 , L 4 , R 2 , C 5 , L 5 và C’ 4 , L’ 4 , R’ 2 , C’ 5 , L’ 5 . Nếu ta chọn f 01 , f 02 cao thì độ di tần tương đối sẽ thấp (f 1 /f 01 và f 2 /f 02 ) làm giảm tất cả các thành phần hài. Méo do hài bậc 2 gây ra được bù phần như hoàn toàn. Để tăng độ di tần, tăng độ ổn đònh tần số và giảm méo phi tuyến, ở dải sóng cực ngắn người ta sử dụng sơ đồ điều tần đẩy kéo dùng Varicap đẩy kéo như hình 3-15. )26.3( V b f V a f 2pc 2 0 1pc 2 0 C V2 C’ V2 C V20 C’ V1 C V10 C V1 0 0 V V V PC2 V PC1 - + Hình 3 - 14: Đặc tuyến C V = f(V D ) . không tuyến tính, nên nó chỉ được sử dụng trong các mạch tự động điều chỉnh tần số, mà không dùng để tạo nên tín hiệu điều tần. Để tạo tín hiệu FM ta có thể dùng diode tunel như hình 3-9 . đổi điện dung gián tiếp của diode theo tín hiệu điều chế âm tần. Khi đó: C Đ Đ V k (3.25) k = const V Đ 0,8 V Đ đánh thủng Hình 3-8: Sơ đồ tạo dao động điều tần bằng mạch. V V b) a) V Hình 3-9: Điều tần bằng Diode Tunel. a) Sơ đồ điều tần; b) Đặc tuyến Volt-ampe và R R 2 C 1 C 1 C K L K Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng,