ĐÒ ÁN TỐT NGHIỆP 2A-Chương 3-Thiết kế mạch microphone phát FM

Sơ đồ khối microphone không dây dùng phát FM Hình 3.1 trình bày sơ đồ khối của mạch microphone không dây dùng phát FM,trong đó tín hiệu âm thanh qua micro được chuyển thành tín hiệu điện

Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH MICROPHONE PHÁT

FM

Để thiết kế một mạch microphone hoàn chỉnh thì trước hết ta xét

sơ đồ khối tổng thể của microphone như sau

3.1.Sơ đồ khối :

antena

microphone

Hình 3.1 Sơ đồ khối microphone không dây dùng phát FM

Hình 3.1 trình bày sơ đồ khối của mạch microphone không dây dùng phát FM,trong đó tín hiệu âm thanh qua micro được chuyển thành tín hiệu điện được khuếch đại lên và qua bộ điều chế tần số để đưa tín hiệu lên tần số cao.Tín hiệu tần số cao này qua bộ lọc thông dải lọc lấy băng thông cần thiết,tần khuếch đại công suất cao tần vừa khuếch đại công suất vừa phối hợp trở kháng với Anten để truyền công suất cực đại cho anten bức xạ sóng điện từ vào không gian

Các tiêu chuẩn điều chế FM :

+Tần số sóng mang : 100MHZ

+ Độ di tần : 1MHZ

Chức năng chính của các khối :

*Khối nguồn (power source) : cung cấp nguồn cho cả mạch (trong mạch này chủ yếu là phân cực cho các phần tử khuếch đại.)

*Khối khuếch đại âm tần (amplifier) : khuếch đại tín hiệu nhận được từ microphone để đạt được biên độ đủ lớn trước khi đổi tần

*Khối điều chế tần số (frequency modulation - FM) : đưa tín hiệu lên tần số cao cần thiết để truyền đi thông qua sóng điện từ

*Khối lọc thông dải (band pass filter- BPF) : lọc lấy dải tần số cần thiết tại tần số trung tâm của tín hiệu sau khi được điều chế

*Khối khuếch đại công suất cao tần (rise frequency amplifier) : khuếch đại công suất tín hiệu đến mức cần thiết để bức xạ ra anten và có thể truyền đươc trong khoảng cách cần thiết

Power source

Amplifier

Frequency Modulation BFP RF Amplifier

3.2 Sơ đồ nguyên lý :

Hình 3.2.Sơ đồ nguyên lý microphone không dây phát FM

3.2.1 Khối nguồn :

Vì yêu cầu của microphone không dây là nhỏ gọn thuận tiện khi di chuyển nên ta chọn khối nguồn là nguồn pin 3VDC Do đó mạch nguồn đơn giản là nguồn và phần tử hạn dòng để giảm ảnh hưởng của nguồn khi mở nguồn cho thiết bị hoạt động cũng như khi tắt nguồn Sơ đồ mạch như sau :

Hình 3.3 Sơ đồ khối nguồn mạch microphone.

Trong đó nguồn 3VDC là 2 pin 1.5V,do nguồn điện nhỏ nên tụ lọc không cần giá trị lớn mà chỉ cần khoảng vài μF đến vài chục μF( ở đây ta chọn

tụ 0.001μF = 102pF), led dùng để báo tín hiệu nguồn điện và điện trở R10 dùng

để hạn dòng qua led ZL là tải đặc trưng cho mạch tiêu thụ của các phần tử trong mạch

Chọn dòng qua led là 1mA, điện áp giữa hai đầu led là 2V,khi đó điện trở R10 được tính như sau :

3.2.2 Microphone :

Microphone dùng để chuyển tín hiệu âm thanh sang tín hiệu điện.Hiện nay trên thị trường có khá nhiều loại microphone nhưng phổ biến thì có loại điện động và điện dung

Microphone điện động (dynamic microphone ) đơn giản có cấu tạo giống như loa :cuộn dây được giữ trên phần di động khi có tín hiệu âm thanh,cuộn dây này đặt giữa hai cực từ tính của nam châm nên khi có âm thanh cuộn dây sẽ di động tao nên sức điện động trong cuộn dây,nếu cuộn dây được nối kín hay nối với tải ngoài thì sẽ tạo ra dòng điên trong cuộn dây.Cấu tạo và chế tạo của loại micro này đơn giản,tuy nhiên do dòng điện tạo ra được rất nhỏ.  

    \

       \

 D      \

 I       \

 A        \       WIRE       <­­­ INSERT INTO TUBE

 P         \      COIL

 H      |­­­­­­­­­­­­­­­­­­+  _||

 R      |    ///////       | | PERMANENT MAGNET ||  BASE

 A      |   ///////        | |­­­­­­­­­­­­­­­­­­||

 G      |­­­|­­­­|­­­­­­­­­+      ||

 M         /    |    |    TUBE

      /     |    |

         /      |    |

        /      +|    |­

       /        OUTPUT

      /      WIRE

Hiện nay có loại micro thay đổi theo điện áp( condenser microphone) cho độ lợi lớn và chất lượng tốt được sử dụng trong các loại micro chất lượng cao.Micro dạng này có cấu tạo gồm màng rung có phủ lớp kim loại có chức năng giông như một bản cực của tụ điện, và một bản khác cũng được phủ kim

loại, hai bản cựcnày được phân cực bởi một điện áp DC Khi có tín hiệu âm thanh thì bản cực dao động làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực, tức thay đổi điện dung củ nó,hình thành giữa hai bản cực một sóng điện áp.Điện

áp này sẽ được khuếch đại thông qua phần tử khuếch đại Transistor có sẵn trong microphone.Chính vì vậy mà microphone loại này cho độ lợi khuếch đại lớn

frame :

M

-e

: m : |

b : |

r : D | metal electrode

a : |

n : -|

e | -|

O O connectors (D=dielectric)

3.2.3 Khối khuếch đại âm tần :

Để khuếch đại âm tần ta có thể dùng phần tử khuếch đại BJT, FET hay OP-AMP … nhưng đơn giản ta sẽ xét trường hợp khuếch đại dùng BJT và trong trường hợp này ta cần độ lợi lớn nên ta chọn cách ghép E chung và có thể ghép nhiều tầng để tăng độ khuếch đại Sơ đồ mạch được trình bày trong hình 3.4

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại âm tần

Trong đó R2,R6,R7, R3 dùng để phân cực DC Các tụ điện C8, điện trở R7 dùng để chọn tần số cắt thấp Tụ điện C8 (tụ bypass) ngoài tác dụng chọn tần

số thấp thì còn có tác dụng tăng độ lợi khuếch đại ở chế độ xoay chiều AC.Microphone được đặc trưng bởi nguồn sóng sin, có điện trở nội Ri.Điện trở này thường có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm Ohm Nguồn tín hiệu âm thanh không phải là dạng thuần sin nhưng có thể phân tích thành chuỗi Fourier với các thành phần sóng sin có tần số khác nhau nên không mất tính đặc trưng cho mạch Điện trở R1 phân cực cho micro Tụ C1 là tụ liên lạc

Khối nguồn đã được phân tích ở phần trước,trong phần này chúng ta phân tích các điều kiện về phân cực DC và các điều kiện làm việc của mạch khuếch đại ghép E chung

* Phân cực DC : trong điều kiện phân cực DC của mạch khuếch đại âm

tần thì dòng phân cực ta chọn khoảng 1mA, độ lợi khoảng vài chục lần là có thể chấp nhận được Transistor 2N3904 có các thông số:

hfe= 70 khi dòng ICQ=1mA VBE=0.7V

VCEsat rất nhỏ,khoảng vài chục mV

Sơ đồ mạch ở chế độ DC :

Hình 3.5.Sơ đồ tương đương mạch phân cực DC

Ta chọn các thông số ICQ=1mA,VC=1.52.5V để tín hiệu sau khuếch đại đạt khoảng 1V

Chọn RE=1.5kΩ

Vbb

Q1

R2

2

1

3V

0

R6

2 1

R3

2

1

0 0

R7

2

1

R7

2

1

Q1 2N3904

3V

0

0

0

R3

2 1

Chọn R b  h fe R E   70  1500  10500   10 5K

10

1 10

1

h

R R

fe

b E

70

5 10 5 1 ( )



Ta có:

6 2

6 2

R R

R R

R b





CC

BB V

R R

R V

6 2

6





Từ đó ta được :























k V

V

R R

k V

V R R

CC BB b BB

CC b

46 48 3

35 2 1

5 10 1

41 13 35 2

3 5 10 6

2

Chọn: R2=13kΩ, R3=51kΩ

Khi đó:

V V

R R

R V

k R

R

R R R

CC BB

b

4 2 3 51 13 51

4 10 51 13

51 13

6 2 6

3 2

3 2



























Dòng điện tĩnh ICQ và VCEQ :

V I

R R V

V

k I

V V R

mA h

R R

V V I

CQ E C CC CEQ

CQ

C CC C

fe

b E

BEQ BB

CQ

236 1 03 1 ) 5 1 2 1 ( 3 )

(

4 1 03 1

6 1 3

03 1 70

5 10 5 1

7 0 4 2











































Chọn RC=1.2 kΩ

Dòng điện iC cực đại :

mA R

V I i

C

CEQ CQ

2 1

236 1 03 1

Dòng điện iC cực đại không méo :

ICqmaxswing= min(ICQ ; ICmax-ICQ)

= min(1.03 ;(2.06-1.03)) = min(1.03 ;1.03)

= 1.03 mA Khi đó áp cực đại có thể đạt trên điện trở tải là :

VL≈ICqmaxswingRC=1.03×1.2=1.236 V Với điện áp ra như thế thì đủ để đáp ứng được yêu cầu của việc thiết kế mạch.Sau đay ta sẽ xét chế độ khuếch đại của mạch ở chế độ AC

* Chế độ AC :

Ở chế độ AC thì các nguồn DC được nối mass,mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp như sau :

Hình 3.6 Sơ đồ tương đương mạch khuếch đại

tín hiệu nhỏ tần số thấp

Tải đặc trưng ZL do tầng sau phản ánh về có giá trị rất lớn ở tần số thấp

I

mV h h

CQ

T fe

03 1

025 0 70

Độ lợi mạch khuếch đại :

ie b

ie b i ie b

b C fe i

L V

h R

h R R h R

R R h v

v A

















15 48

7 1 5 10

7 1 5 10 06 0

1 7

1 5 10

5 10 2

1 71



















Nếu bỏ qua Ri thì độ lợi sẽ là :

12 50 7

1

2 1 71 )

1 (

ie

C fe

V

h

R h

A

Nếu tăng Ri lên 300 Ω thì độ lợi sẽ là : AV2 ≈41.59

Như vậy với Ri rất nhỏ hơn so với Rb và hie thì độ lợi thay đổi không lớn lắm.Khi Ri tang thì độ lợi giảm Điều này cho thấy khi thiết kế nên chọn loại micro có điên trở càng nhỏ càng tốt.Và độ lợi cực đại có thể đạt được là 50.12 lần khi Ri =0 Khi đó biên độ điện áp vào cực đại không méo là :

mV V

A

V V

V

Lmacx

in 0 025 25

12 50

236 1

Với Ri= 60 Ω thì Av = 48.15 nên Vin max ≈ 27 mV

Với Ri=300 Ω thì AV = 41.59 nên Vin max ≈ 29 mV

Trong thực tế thì các BJT đều có méo phi tuyến nên biên độ sóng ra không có dạng thuần sin Tuy nhiên dạng sóng này có thể phân tích thành các thành phần sin ở tần số tín hiệu vào và các thành phần hài bậc cao

C3/(hfe+1)

R7.(hfe+1)

2

1

R3

2

1

hie

2 1

Ri

2

1

Rb

2 1

0

ib

Ở tần số cắt thấp ta chọn tần số cắt thấp phụ thuộc vào CE=C8 và bỏ qua ảnh hưởng qua lai giữa hai tụ C8 và C1 Tần số cắt thấp ta chọn là 20Hz và được tính như sau :

) 1

//

//(

(

1 7 8







fe

i b ie L

h

R R h R C



Nên giá trị tụ C3 là :

F h

f h

R R h R f

C

ib L fe

i b ie L

6 7

2 37 20 2

1

2

1 )

1

//

//(

( 2





















Chọn C8=100μF,khi đó tần số cắt thấp là :

Hz

7 23 10 100 2

1









Chọn tần số cắt do tụ C1 là :

ωc1 =10ωL=10×2π×42.8 = ( 1 // )

1 R i R b h ie

suy ra C1 = 0.24 μF

chọn C1 = 1 μF

*Xét mạch ở tần số cao,sơ đồ tương đương của mạch như sau :

Hình 3.7 Sơ đồ tương đương mạch khuếch đại

tín hiệu nhỏ tần số cao

Với các thông số như sau :

r g h I k mS

CQ m

ie e

2 41 03 1 40

40

7 1

'















) 1 ).(

( 25 8

9

' '

C m obo

ibo

ibo e

obo c

R g C

C C

C

pF C

C

pF C

C

















Tần số cắt cao của mạch là :

) //

.(

2

1

'e i b

f







Với tần số âm thanh ta chọn tần số cắt cao xấp xỉ 20 kHz (tần số cao nhất tai người có thể nghe được).Khi đó giá trị tụ C là :

Vin

gm.vb'e

ZL R3

2

1

Ri

2

1

b'e

C

+

Rb

2

1

b'e

2

1

b'e

1 2

0

r

V

_

) //

( 2

1

'e i b

f

C







nF

r R

f H b b e

5 5

10 ) 7 1 4 10

7 1 4 10 ( 10 20 2

1

) //

( 2

1

3 3

'























Giá trị tụ điện C4 là :

c C m

e C R g

C C

'

1







pF

5 100

2 1 2 41 1

25 5500





Chọn C9 =100 pF,khi đó tần số cắt cao là :

kHz f

pF C

52 5472





Như vậy với dãy tần từ 42.8Hz đến 19kHz thì chất lượng âm thanh phát

đi là tốt đối với việc phát FM cũng như với các loại âm thanh khá nhau

3.2.4 Khối điều tần :

L 1

1

2

R 8

2

1

R 7

2

1

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2 A

0

C 8

1 2

0 0

R 6

2

1

3 V

V T

0

0

C 7

1 2

0

D 2

M V 2 1 0 9

C 6

1

2

C 5

C 9

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều tần.

Dùng để điều chế tín hiệu âm tần để phát FM Trong đó Q2 , C6, C7 , C8 , L1,Cv0 dùng để tạo tần số dao động trung tâm, điện áp VT dùng để thay đổi điện dung của varicap từ đó làm thay đổi tần số của mạch dao động trong khoảng f0

± ∆f Thiết kế của mạch như hình 3.8..

*Xét phân cực DC :

Ở chế độ phân cực Dc ta chọn dòng điện tĩnh ICQ khoảng 10mA, VCEQ

từ 1.2V đến 1.5V

V b 2

L 1

1

2

R 8

2

1

0

R 7

2

1

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2 A

0 0

0

3 V L 1

1

2

R 6

2

1

3 V

0

R b

2 1

0

R 8

2

1

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2 A

Hình 3.9 Sơ đồ phân cực DC của mạch điều tần

Với dòng tĩnh trên thì BJT có thông số hfe=200,VBE=0.6 V

Chọn R8 =150Ω

Chọn Rb2=101 hfe.R8 =3 kΩ

fe

b BEQ

h

R R V

8 





V

25 2

10 ) 200

3 15 0 ( 6 0











Giá trị R6 và R7 tính như sau :

V

V

bb

25 2

3

6







V V

R R

CC BB

3

25 2 1

3

2 7

Để tính toán mạch điều tần trước tiên ta khảo sát mạch dao động :

L 1

1

2

C b ' e

1

2

C 7

1 2

C b ' c

1 2

C 6

1

2

Q 2

Q 2 N 2 2 2 2 A

Hình 3.10 Sơ đồ tương đương chế độ AC của mạch dao động

Tụ C8 có tác dụng làm tăng trở kháng đối với mạch khuếch đại âm tần

và nối tắt ở tần số cao.Trở kháng ở tần số thấp và tần số cao khi chọn tụ C8=0.001μF là :

ZC9,15kHz=  k

C

f. 10.61 2

1 9



2

1 9 102

, 9

C f

Z C MHz



Với giá trị như trên thì tụ C9 đáp ứng được yêu cầu của việc thiết kế Điện áp DC phân cực varicap là :

VTDC =VC1 =VCC – RC.ICQ1

= 3 – 1.2×1.055 = 1.734 V Dựa vào đặc tuyến của varicap thì tại điện áp trên thì varicap có giá trị điện dung CV ≈ 45 pF.Với các thông số của BJT như trước thì giá trị C’ là :

C’=C7 +Cb’e+CV Giá trị tương đương của điện dung là :

' 6

'

6

C C

C C

C tđ





Tần số cộng hưởng trung tâm của mạch điều tần là :

tđ

C L'.

1





hay

tđ

C

L

1 '

2 



Độ lợi của mạch khuếch đại :

6

6 '

'

1 '

1

'

1

| 1

C C C

C C

X

X X A

C

C C















Thông thường ta chọn AV ≥ 3 Ở đây ta chọn AV = 4 để bù trừ suy hao trong mạch khuếch đại Vì vậy :C’/C6 =3 hay C’ =3.C7

Chọn C6 = 47 pF, C’ = 3×47 = 141 pF

C7= C’- Cb’e-CV = 141-25-45 = 71 pF Chọn C7 = 82 pF ; khi đó : C’ = 152 pF

Ctđ = 36 pF

Điện cảm của cuộn dây :

C

L

tđ

34 43 10

36 10

102 2

1

1 '

12 2

6



















Với L’ là giá trị tương đương của cuộn dây và tụ ký sinh Cb’c của BJT

Ta có :

c b c

b

c b

C L

L j

C j L j

C j L j L j

' 2

'

'

1

1

.

1 '























C L

L L

c b

94 37 '.

1

' '







Xét độ di tần của mạch điều tần :

tđ

C

L

1 '

2 



Lấy vi phân hai vế ta được :

2

'.

2

tđ

tđ

C L

C









Mà :

2 2

6

' ' '

1 1 1

C

C C

C

C C C

tđ tđ

tđ













C’= C7 +Cb’e+CV  C'  C V

' '.

2

C L

C V









Để có độ di tần 1 MHz thì độ thay đổi của giá trị điện dung của varicap

là :

∆CV = 2ω.∆ω.L’.C’2 = 2×4π2×102×106×106×37.94×10-9×(152×10-12)2 = 7.06 pF

Theo đặc tuyến của varicap thì điện dung của varicap thay đổi từ 37.94pF đến 52.06pF thì điện áp AC thay đổi trong khoảng 0.732 V.Với giá trị của biên độ ngõ ra tầng khuếch đại thì có thể đáp ứng được yêu cầu của việc thiết kế

3.2.5 Khối khuếch đại công suất cao tần và phối hợp trở kháng với anten :

Khuếch đại cao tần có các chế độ khuếch đại lớp A, lớp B, lớp AB, lớp

C, lớp D, lớp S, lớp E Mạch khuếch đại lớp A cho hiệu suất nhỏ mạch khuếch đại lớp B cho hiệu suất cao nhưng bị méo mạch khuếch đại lớp AB cho hiệu suất cao và cho tín hiệu là một bán kì khuếch đại lớp C chỉ cho một phần của tín hiệu đi qua Hầu hết các chế độ khuếch đại đều có thành phần hài bậc cao.Mạch khuếch đại của microphone không dây chỉ cần công suất khoảng 500mW đến 1W nên không yêu cầu hiệu suất cao nên mạch khuếch đại công suất cao tần dùng ở chế độ lớp A và chỉ cần dùng một BJT Sơ đồ mạch như sau :

L 2 1

2

0

R 9 2

1

R 1 0 2

1

V i n

3 V

0

C 1 1

Q 3

Q 2 N 2 2 2 2 A

R a 2

1

0 0

C 9

C 1 0

0

R i n 2 1

Hình 3.11 Sơ đồ mạch khuếch đại cao tần

và phối hợp trở kháng với anten

Trong đó các R9 , R10 dùng để phân cực DC dòng Icq khoảng vài chục

mA Cuộn dây L2 , C10 dùng để làm khung cộng hưởng và phối hợp trở kháng với anten Để tính toán gia trị của linh kiện ta xét anten

*Anten :do yêu cầu mạch microphone là nhỏ gọn nên ta chọn anten là

một đoạn dây dẫn bằng đồng ;tuy nhiên anten phải đáp ứng được yêu cầu bức

xạ công suất lớn nhất và tổn hao thấp nhất.Ta khảo sát một anten đơn giản :

Zi

vin

L

Hình 3.12 Sơ đồ tương đương của anten

Theo lý thuyết siêu cao tần thì trở kháng tương đương quy về nguồn dược xác định theo công thức :

d tg jZ Z

d tg jZ Z Z Z

A

A









0

0 0

.

với Z0 là trở kháng đặc tính của dây dẫn

Theo công thức trên thì ta thấy tại những điểm cách tải một đoạn λ/4 thì dòng điện và điện áp đồng pha nên công suất bức xạ tại đây đạt giá trị cực đại

Theo biểu thức ta có :

4

2





d tg