đồ án kỹ thuật điện điện tử Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap

PHẦN ICƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ ĐIỀU TẦN I.Khái niệm về điều chế tín hiệu Các tín hiệu tin tức, đặc biệt là tín hiệu âm tần thường có tần số thấptrong khoảng từ 20Hz tới 20KHz do vậy không có k

PHẦN I

CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ ĐIỀU TẦN

I.Khái niệm về điều chế tín hiệu

Các tín hiệu tin tức, đặc biệt là tín hiệu âm tần thường có tần số thấp(trong khoảng từ 20Hz tới 20KHz) do vậy không có khả năng truyền được

đi xa do dễ bị suy giảm và méo dạng.Vì vậy muốn truyền tín hiệu thông tin đi xa người ta đã thực hiện quá trình điều chế là quá trình ghi tin tức có tần số thấp vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó của tín hiệu cao tần theo sự biến thiên của tin tức

Trong quá trình điều chế thì tin tức được gọi là tín hiệu điều chế (Us(t)=Usmcos(2*Π*fs*t)), dao động cao tần được gọi là tải tin (Ut(t)=Utm*cos(2*Π*ft*t)), còn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đã điều chế.Đối với tải tin điều hoà, người ta phân biệt hai loại điều chế là: điều biên và điều chế góc( bao gồm điều tần và điều pha)

Có ba loại điều chế cơ bản:

+ Điều chế biên độ (AM: Amplititude Modulation)

UAM(t) = (1+m*cos(2*Π*fs*t))*Ut(t) Với m=Usm/Utm được gọi là hệ số điều chế (m≤1 để tín hiệu không bị méo dạng)

+ Điều chế tần số (FM: Frequency Modulation)

) )

t

* w sin(

w

w t

* w cos(

* U

s

s t

tm

Trong đó ϕ0 là pha ban đầu, còn ∆wm = kđtUsm được gọi là lượng di tần cực đại

Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap Trang 1

-0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

UAM(t)= 5*(1+0.6cos(2*∏*100*t)cos(2*∏*1000*t)

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

UFM(t) = 5*cos(2*∏*1000*t+7*sin(2*∏*100*t))

+ Điều chế pha (PM: Phase Modulation)

) )

t

* w cos(

t

* w cos(

* U

Trong đó ϕ0 là pha ban đầu, còn ∆ϕm = kđpUsm được gọi là lượng di pha cực đại

Điều biên, điều tần, điều pha được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như: điều biên đựoc sử dụng trong phát thanh, truyền tín hiệu hình ảnh, điều tần đuợc

sử dụng trong phát thanh chất lượng cao.Ngoài ra kĩ thuật điều chế còn được áp dụng đối với tín hiệu số như ASK,QAM,FSK,PSK,QPSK… để nâng cao chất lượng các dịch vụ phát thanh, truyền hình,viễn thông…

Lĩnh vực sử dụng Dạng tín hiệu điều chế

Phát thanh quảng bá AM AM

Phát thanh quảng bá FM FM

Âm thanh trong truyền hình FM

Tín hiệu ảnh trong truyền hình AM

UPM(t) = 5*cos(2*∏*1000*t+7*cos(2*∏*100*t))

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Máy FAX FM,QAM(AM và PSK)

II.ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU TẦN(FM)

1.CÔNG THỨC CƠ BẢN VÀ QUAN HỆ GIỮA ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA

Ta biết rằng điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế.Giả sử tải tin là dao động điều hoà có dạng:

Mặt khác ta có w=dψ/dt, rót ra:

[w k U cos(w *t)]*dt (t) )

t ( dt ) t ( w )

t

(

t

0

s sm

dt t

t

0

ϕ

+

=

Thay vào biểu thức (1) ta được:

) )

t

* w sin(

w

w t

* w cos(

* U

s

m t

tm

Trong đó ∆wm = kđt*Usm là lượng di tần cực đại.Tương tự như vậy ta cũng tìm được biểu thức của quá trình điều pha là:

) )

t

* w cos(

t

* w cos(

* U

UPM = tm t + ∆ ϕm s + ϕ0

với ∆ϕm = kđp*Usm là lượng di pha cực đại

Ta nhận thấy rằng ∆wm = ws*∆ϕm = kđp*Usm =kđt*Usm do vậy giữa điều tần và điều pha có mối quan hệ với nhau là: lượng di tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế còn lượng di tần chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế mà thôi.Do vậy có thể thực hiện điều tần gián tiếp thông qua điều pha

và ngược lại theo sơ đồ dưới đây:

2.PHỔ CỦA TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN:

Ta giả sử góc pha ban đầu của tín hiệu điều tần ϕ0 = 0 và đặt

∆wm/ws=Mf ,∆ϕm=Mϕ(gọi Mf là hệ số điều tần,Mϕ là hệ số điều pha) thì biểu thức của tín hiệu điều tần và điều pha sẽ có dạng :

)) t

* w sin(

* M t

* w cos(

* U

)) t

* w cos(

* M t

* w cos(

* U

Trong trường hợp tín hiệu điều chế là tín hiệu phức tạp có ws ∈(wsmin÷wsmax) thì

hệ số điều tần được tính là Mf=∆wm/wsmax.Hệ số điều tần không chỉ phụ thuộc Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap Trang 3

-)) t ( cos(

* U ) t

* w cos(

* U ) t (

Us

Us

(2) (3)

vào biên độ điện áp điều chế mà còn phụ thuộc vào tần số điều chế.Biểu thức (2)

và (3) sẽ được viết dưới dạng chuỗi số mà các hệ số của nó là các hàm Bessel loại một có bậc là n như sau:







∞

−

+

f n 1 n tm

U









∞

−

n

n tm

Nếu không xét đến pha thì phổ của tín hiệu điều tần và tín hiệu điều pha là hoàn toàn như nhau gồm có thành phần tải tần wt(ứng với n=0),biên độ J0Utm và vô số các biên tần bậc n có dạng wt+n*ws(n = -∞ ÷ +∞), biên độ JnUtm trong đó Jn phụ thuộc Mf hoặc Mϕ.Ngoài ra trong trường hợp Mf>1 thì tất cả các biên tần có bậc n>Mf đều có biên độ <5% biên độ tải tần và đều có thể bỏ qua.Do vậy có thể coi

độ rộng dải tần của tín hiệu điều chế tần số và tín hiệu điều chế pha là hữu hạn

và được xác định theo công thức sau đây:

Dđt ≈ 2*Mf*ws=2*∆ϕm.

Dđf ≈ 2*Mϕ*ws=2*∆ϕm.*ws

Có thể thấy rằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc tần số điều chế ws còn độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha thì ngược lại.Trong trường hợp Mf, ϕ ≤ 1 thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ tải tần lúc này ta có điều tần dải hẹp, còn khi Mf, ϕ ≥ 1 thì ta có điều tần dải rộng

Trong trường hợp tổng quát khi cần phải xem xét tới góc pha thì phổ của tín hiệu điều tần có tất cả các thành phần tần số tổ hợp:

∑

=

1 v

sv v

w µ với µv là số nguyên hữu tỉ;-∞≤µv≤∞

3.ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA KĨ THUẬT ĐIỀU TẦN

Ưu điểm:

+ Khả năng chống nhiễu cao

+ Khả năng thu tín hiệu FM cao

+ Nâng cao hiệu quả truyền dẫn

Nhược điểm:

+ Chiếm giữ dải tần rộng nếu dải tần của tin tức lớn

+ Mạch điện điều tần rất phức tạp

III.Mạch điện điều tần và điều pha

Từ mối quan hệ giữa điều tần và điều pha đã được phân tich ở trên ta có thể đưa ra 2 loại mạch phân biệt là điều tần trực tiếp và điều tần gián tiếp( cũng như điều pha trực tiếp và điều pha gián tiếp).Chúng ta sẽ chỉ xem xét các mạch điều tần trực tiếp rồi thông qua sơ đồ chuyển đổi đã nêu ở trên để suy ra các mạch điều chế gián tiếp

Loại mạch điều tần trực tiếp thường sử dụng điođe biến dung hoặc tranzitor điện kháng.Ta sẽ khảo sát cụ thể từng dạng

1.Mạch điện điều tần sử dụng điođe biến dung(Varicap):

Xét một chuyển tiếp N được phân cực ngược thì tại bề mặt tiếp giáp

P-N sẽ tồn tại một vùng không gian nghèo điện tử có chức năng giống như một tụ điện C, việc thay đổi điện áp phân cực ngược cho chuyển tiếp P-N sẽ làm cho độ rộng d của vùng không gian nghèo điện tử thay đổi dẫn tới điện dung của tụ điện

C còng thay đổi theo (C=µµ0d/S với S là diện tích tiết diện của lớp bán dẫn).Như vậy một chuyển tiếp P-N được phân cực ngược có thể được coi như là một tụ biến dung.Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của điode Varicap

Sơ đồ tương đương của điođe biến dung Varicap như sau:

Giá trị của Rd và Cd phụ thuộc vào giá trị của điện áp phân cực.Khi phân cực ngược thì

k Cd

k

+

=

Trong đó k:là hệ số tỉ lệ; ϕk là hiệu điện thế của chuyển tiếp P-N( đối với

Si thì ϕk = 0.7); Ud là điện áp phân cực cho điođe; γ là hệ số phụ thuộc vật liệu (1/3…1/2)

Dưới đây là 2 mạch điện điều tần trực tiếp dùng Varicap:

Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap Trang 5

R

- +

+ + + +

-C↑↓

d↑↓

D V C 1

C d 1

R d 1

Us

+Uc

c

T

D R2

CB1

R3

Eo Lc

CB4

R4

C R1

Q

CB3

H×nh 1

L

Trong sơ đồ hình 1, ta thấy điođe Varicap được mắc song song với khâu dao động LC.Điện áp điều chế Us được đặt lên varicap sẽ làm thay đổi điện dung

Cd của nó, do vậy tần số cộng hưởng riêng của khâu dao động cũng thay đổi theo.Tần số dao động này được ghép biến áp sang tranzitor khuếch đại và có thể xác định như sau:

) (

*

* 2

1

D

dd

C C L

f

+

= π

Điện áp đặt lên điođe :

UD = Ut-Us-E0 = Utm*cos(wt*t)-Usm*cos(ws*t)-E0

Để cho điođe luôn đảm bảo điều kiện phân cực ngược ta phải có:

+ U c c

A F

O u t p u t

R 4

C

C D

R

R R

C

L

L C

U A

1 2

E o

Q

L

H×nh 2

UD = UDmax = Utm + Usm-E0≤ 0 Tuy nhiên điện áp phân cực ngược đặt lên điođe không được vượt quá giá trị cho phép nó phải thoả mãn điều kiện:

UD = UDmin = -Utm – Usm -E0 ≤ Ungcf

Do vậy khi điều tần trực tiếp dùng điođe biến dung phải lưu ý những điểm sau đây:

+ Chỉ phân cực ngược cho điođe để tránh ảnh hưởng của RD đến phẩm chất của bộ dao động nghĩa là tránh ảnh hưởng tới độ ổn định tần số của mạch

+ Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến

CD(UD) của điođe biến dung để giảm méo phi tuyến, lượng di tần tương đối khi thực hiện điều tần dùng điođe biến dung đạt được khoảng 1%

+ Sử dụng điôđe biến dung để điều tần nên thiết bị điều tần có kích thước nhỏ Có thể dùng điôde bán dẫn để điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz Tuy nhiên do độ tạp tán của tham số bán dẫn là khá lớn cho nên mạch kém ổn định

Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap Trang 7

-2.MẠCH ĐIỆN ĐIỀU TẦN DÙNG TRANZITOR ĐIỆN KHÁNG

Trong đó s được gọi là hỗ dẫn của tranzitor Ta thấy rằng khi điện áp đặt vào cực bazơ của tranzitor thay đổi thì hỗ dẫn s thay đổi làm cho Ltđ và Ctđ thay đổi dẫn tới tần số dao động thay đỏi theo Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối khoảng 2%, ngoài ra có thể dùng FET thay cho BJT trong các sơ đồ trên

U

Q

C

R

U

Q

R

L

M¹ch ph©n ¸p RC

§iÖn kh¸ng: Z=jw(RC/s)

Tham sè t ¬ng ® ¬ng

Lt® = RC/s

M¹ch ph©n ¸p RL

§iÖn kh¸ng: Z=-j(R/wLs) Tham sè t ¬ng ® ¬ng

Ct® = Ls/R

U

Q

R C

M¹ch ph©n ¸p CR

§iÖn kh¸ng: Z=-j(1/wRCs)

Tham sè t ¬ng ® ¬ng

Ct® = RCs

M¹ch ph©n ¸p LR

§iÖn kh¸ng: Z=jw(L/Rs) Tham sè t ¬ng ® ¬ng

Lt® = L/Rs

U

Q

R L

Dưới đây là một mạch điều tần cơ bản dùng tranzitor điện kháng

Trong sơ đồ trên thì T1 là tranzitor điện kháng dạng mạch phân áp RC,tranzitor T2 giữ vai trò mạch tạo dao động Tranzitor điện kháng được mắc một phần(trên L1) với mạch tạo dao động Để tăng lượng di tần ta sử dụng hai tranzitor điện kháng mắc đẩy kéo vói nhau theo sơ đồ dưới đây:

Trong sơ đồ này thì T1 là phần tử điện kháng cảm tính với Ltđ=CR/sT1, còn T2 là phần tử điện kháng dung tính có Ctđ=CRsT, trong trường hợp này thì lượng di tần sẽ tăng lên gấp đôi(nếu T1,T2 giống nhau) đồng thời độ ổn định tần

số ft của bộ tạo dao động T3 cũng được tăng lên

3.ĐIỀU TẦN TRONG CÁC MẠCH TẠO XUNG

Tần số lặp của mạch dao động đa hài được xác địng bởi quá trình phóng của tụ

C qua điện trở Rb sau khi có sụt áp trên Rc Khi Rb được đấu trực tiếp với Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap Trang 9

-+ U c c

L g h

L 1

C B 2 C C B 3

C B 4

C B 1

T 2

T 1

R 1

R

L k

L c T

R 2 R 3

U c c

U s

C 1

C B 1

T 1 R

T

C 2

R 2

C B 2

R E

C E

C B 3

R 4

R 3

L c

L 1

C 1

C B 4 R

U s

+ U c c

C

T 1

R c

T 2

C

R c

R b R b

T ?

nguồn Ucc thì quá trình phóng điện xảy ra giữa các mức bão hoà của T1,T2 gần như là tuyến tính.Tần số lặp được xác định như sau:

2 ln

*

*

* 2

1

RC

f

π

=

Khi đưa điện áp điều chế Us vào cực bazơ cùng với +Ucc thì tần số lặp sẽ biến thiên theo công thức sau:











=

Bbh

Bbh

I

I Rb Uc RC

f

) / ( ln 2

1

với

+ IBbh = (Ucc+Us-UBE0+IBMRB)/RB là dòng bazơ ở trạng thái bão hoà

+ UBE0 : Điện áp cắt bazơ-emiter

+ IBM : Dòng bazơ khi tranzitor mở

+ ∆UC = UC-ICMRC-UCebh là lượng sụt áp khi tranzitor chuyển từ tắt sang mở

Mạch điều tần như trên có thể đạt được lượng di tần tương đối khoảng vài % và

hệ số méo phi tuyến khoảng vài %.Mạch có tần số trung tâm f không cao và khó

ổn định

Phần II THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU TẦN

I.Thiết kế tổng quan

1.CHỈ TIấU KĨ THUẬT YấU CẦU

Trờn cơ sở lớ thuyết về kĩ thuật điều tần đó xột ở trờn chung ta sẽ tiến hành thiết kế chi tiết một mạch điều tần trực tiếp dựng điođe varicap với cỏc chỉ tiờu

kĩ thuật như sau:

- Tần số của tớn hiệu tải tin f0 = 130 MHz

- Cụng suất ra của mạch điều tần Pra = 200 mW

- Điện trở tải Rtải = 50Ω

- Dải tần của tớn hiệu vào 50 Hz ữ 15 KHz

2.SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ

II.Thiết kế cụ thể từng khối

1.KHỐI PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG VÀ TẦNG KHUYẾCH ĐẠI VÀO

Nhiệm vụ của mạch phối hợp trở khỏng là phối ghộp giữa nguồn và tải tớn hiệu sao cho cụng suất ra đưa ra là lớn nhất.Mạch vào phải cú điện trở vào đủ lớn để khụng ảnh hưởng tới nguồn tớn hiệu.Trong khi đú mạch ra phải cú điện trở phối hợp với tải để cho cụng suất cung cấp cho tải là lớn nhất

Thiết kế mạch điều tần dựng Varicap Trang 11

-Mạch vào

KĐ và PH

trở kháng

Điều tần bằng điođe Varicap

Khuếch đại công suất trở kháng Phối hợp

tải

Sau đây là một số sơ đồ phối hợp trở kháng:

Sơ đồ hình 1 thì trở kháng ra của tranzitor nhỏ hơn trở kháng tải, còn sơ

đồ hình 2,3 sử dụng mạch ghép LC

2.KHỐI ĐIỀU TẦN DÙNG ĐIOĐE VARICAP

Đây là dạng mạch điều tần trực tiếp có độ di tần cực đại đạt được khoảng 1% rất phù hợp với dải tần của tín hiệu âm tần (50Hz÷20KHz), đặc biệt có thể sử dụng thêm bộ tạo dao động thạch anh có tần số ổn định mắc nối tiếp hoặc song song với điođe Varicap để tăng độ ổn định tần số trung tâm Ta sẽ sử dụng sơ đồ sau

để thiết kế khối điều tần:

- Thạch anh có tần số dao động f0 = 130 MHz là tần số trung tâm của mạch dao động( có thể dung thạch anh có tần số thấp rồi đưa qua các mạch nhân tần để được tần số dao đong phù hợp hoặc sử dụng các mạch dao động 3 điểm điện cảm, mạch dao động 3 điểm điện dung…)

- Điện trở RB1,RB2 dùng để phân áp cho tranzitor Q làm việc ở chế độ phân cực thuận do vậy ta có

UBE = 0.7 V= Vcc*RB2/(RB1+RB2) với Vcc=+12V → RB1 = 16,2*RB2

V c c

T

C 1

C

L 2

C 2 R t

L 1

T

C 1

C

L 2

C 2

R t

L 1

V c c

T

C 1

C

L 2

C 2 R t

L 1

C 2

F M o u t p u t + V c c 1 2 V

U s

C d

C E = 1 0 0 p F

R B 1 = 1 6 , 2 K

Z C 8 1 2 A

R F C = 2 7 u H

Q

C 1 = 1 0 0 p F

R E = 1 0 0 O h m

R B 2 = 1 K

R 2 = 1 K

R 1 = 0 , 3 3 K

C 2 = 1 0 0 p F

1 3 0 M h z

C R Y S T A L

R F C = 2 7 u H

Do vậy ta chọn RB2=1 KΩ còn RB1= 16,2 KΩ.

Điođe biến dung Cd phải có tần số hoạt động khoảng 130 Mhz và điện áp phân cực ngược cho phép ≥ Vcc=+12V để cho mạch làm việc an toàn

Dưới đây là bảng tham số của một số loại varicap thông dụng:

Số hiệu Điện áp ngược

cho phép (V)

Cdmin (pF) Cdmax (pF) HS phẩm chất Q

Ta sẽ lựa chọn điođe varicap ZC821A để dùng cho thiết kế

- Cuộn cảm RFC chọn bằng 27 µΗ để chặn các tần số cao tần không cho đặt lên bazơ Q tránh nhiễu lẫn vào tín hiệu Tụ C1,CE ngăn không cho hồi tiếp âm dòng xoay chiÒu (C1=CE=100pF) Tô C2 ngăn không cho điện áp một chiều ảnh hưởng tói nguồn tín hiệu (C2=100pF)

- Điện trở R1, R2 phân áp tạo ra điện áp phân cực ngược cho điođe varicap

Ta chọn UCd = 9V = Vcc*R2/(R1+R2) → R1=0,33*R2

→ R2=1 KΩ; R1= 0,33 KΩ

3.KHỐI KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Để có thể tăng công suất, hiệu suất và giảm độ méo phi tuyến ta sẽ dùng

bộ khuyếch đại công suất dạng đẩy kéo có dùng tranzitor Darlington bù để thiết

kế khối khuyếch đại công suất phù hợp với chỉ tiêu kĩ thuật yêu cầu Pra = 200 mW

Thiết kế mạch điều tần dùng Varicap Trang 13

-Sơ đồ khối công suất như sau:

Trong sơ đồ trên thì 2 cặp tranzitor T1/T3 và T2/T4 tạo thành 2 mạch Darlington bù và được kích thích bởi T5 Bốn điođe D1÷D4 được dùng để tạo điện áp ban đầu bù cho UBE0 của 4 tranzitor đồng thời làm tăng trở kháng vào của mạch Ta có R1, R2 làm nhiệm vụ phân cực cho T5 do đó

UBET5= 0.7V = 2*Vcc*R2/(R1+R2) → R1=33,3*R2

→Chọn R2=1 KΩ, R1= 33,3 KΩ

Dựa vào chỉ tiêu Pra= 200mW và Vcc=+12V ta có

Pra = Vcc*ICmax/∏2→ ICmax = 200*∏2/12 = 164,5 mA

Nếu chọn điểm làm việc ở giữa đường tải tĩnh để tín hiệu ra không méo thì ta

có :

IC –T3,T4= 0.5(ICmax – ICmin) trong đó ICmin≈ 0 → IC-T3,T4 = 0.5*ICmax=83 mA

Nếu chọn tranzitor T1÷T4 là loại 2N2218A có tham số như sau

+ Công suất tối đa chịu được là 800mW

+ Điện áp cực đại chịu được là 40V

+ Hệ số khuyếch đại β=100

+ V c c = + 1 2 V

- V c c = - 1 2 V

C T 5 T 1 2 N 2 2 1 8 A

T 5 2 N 2 2 1 8 A

D 3

D 2

D 1

R o p t

R 1 = 3 3 , 3 K

R 2 = 1 K

R 3

C b = 2 0 p F

T 2 2 N 2 2 1 8 A

T 4 2 N 2 2 1 8 A

D 4

C 1

T 3 2 N 2 2 1 8 A