Bài giảng Điện tử thông tin Chương 1

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 1.2 Hiệu ứng da Trong khi dòng một chiều hoặc dòng có tần số thấp chảy qua toàn bộ mặt cắt của dây dẫn thì dòng cao tần chỉ chảy ở lớp vỏ ngoài của dây dẫ

Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐIỆN

TỬ VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CAO TẦN

(10 tiết)

PHẦN 1: LÝ THUYẾT (8 tiết)

1.1 Các thành phần hệ thống thơng tin điện tử

Phổ tần số:

VHF (30 – 300 MHz)

UHF (300 – 3000MHz)

C band (4 – 8GHz)

truyền

Máy thu

Voice, Data,

Pictures v.v…

Nhiễu

Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản hệ thống TTĐT

Input

Điều chế Đổi tần Khuyếch đại công suất cao tần

Tổng hợp tần

Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát hiện đại

)

(t

m

TX

A f c



RF Amp

(LNA)

Đổi tần 1

Đổi tần 2

Giải điều chế

Khuyếch đại Ouput

1

IF

2

IF



Rx

A

c

f

)

(t

m

Tổng hợp tần

AGC

Đồng chỉnh

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu hiện đại

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

1.2 Hiệu ứng da

Trong khi dòng một chiều hoặc dòng có tần số thấp chảy qua toàn bộ mặt cắt của dây dẫn thì dòng cao tần chỉ chảy ở lớp vỏ ngoài của dây dẫn Tần số càng tăng thì độ sâu lớp dẫn điện càng giảm, điện trở về mặt xoay chiều của dây dẫn càng tăng

Độ sâu lớp dẫn điện được xác định theo công thức:

f

4

.

66



trong đó:

f – là tần số của dòng chảy qua dây dẫn (Hz)

δ – là độ sâu của lớp dẫn điện (mm)

Điện trở xoay chiều (AC) của dây dẫn tại tần số nào đó được tính theo công thức:

AC

DC

DC

AC

S

S

R

trong đó:

RDC – điện trở của dây dẫn đối với dòng một chiều

SDC – diện tích mặt cắt của dây dẫn đối với dòng DC

SAC – diện tích mặt cắt của dây dẫn đối với dòng AC

1.3 Truyền công suất lớn nhất và phối hợp trở kháng

Xét mạch điện gồm nguồn E có trở kháng nội là ZS = RS + jXS cung cấp cho tải ZL =

RL + jXL như sau:

Hình 1.4 Công suất trên tải:

S L S

R

S L

S L L

S L

S

L L

R

R R khi R

E

P

R

E R

R

R E X

X R

R

R E R

I

P

L

L





















4

4 ) (

) (

) (

2

max

2 2 2 2

2

2 2

Vậy mạch sẽ truyền đạt công suất lớn nhất khi RS + jXS = RL - jXL ( ZS = ZL* ) Ta nói mạch có phối hợp trở kháng

Một trong những vấn đề quan trọng của máy phát, máy thu là phối hợp trở kháng có chọn lọc tần số giữa các tầng, đặc biệt giữa tầng công suất ra cao tần với anten phát,

X S

X L

R S

RL I

E

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

Hình 1.5

Ở cao tần (RF) ít khi Zi và ZL là thuần trở mà bao giờ cũng có phần kháng nào đó (khi

đó mạch có phối hợp trở kháng khi ZL = Z*i ) Ở trường hợp tổng quát ZL  Z*i , cần có mạch phối hợp trở kháng để truyền công suất tín hiệu lớn nhất ra tải

Dạng phối hợp trở kháng đơn giản nhất hình  gồm có cuộn cảm L và tụ điện C với các cấu hình khác nhau

Hình 1.6 Bốn kiểu mạch phối hợp trở kháng đơn giản hình 

Ví dụ: Tính L, C của mạch phối hợp trở kháng sau ở f0 100MHz

L

R1 10

Hình 1.7

Z i

a)

Z L

Nguồn RF

C

i

b)

Z L

Nguồn RF

C

L

Z i

c)

Z L

Nguồn RF

C

L

Z i

d)

Z L

Nguồn RF

C

L

Zi

a)

E

Z L = Z i*

Nguồn RF

Zi

b)

E

ZLZi*

Nguồn RF

Mạch phối hợp trở kháng

ZL

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

Giải: Trở kháng tương đương nhìn vào mạch phối hợp































2 2 0

2 2 0 0

2 2 2 2 0 2 2

0

2 0

2

1 1

1

//

C R

C R L

j C R

R C

R j

R L

j R Z

Z

Z td L C













Để có phối hợp trở kháng thì *

R  , tức là:























0 1

1

2 2 2 2

0

2 2 0

0

1 2 2

2

2

0

2

C R

C R

L

R C

R

R





































nH C

R

C R L

pF R

R R R C

5 40 1

54 1

2 2 2 2 0

2 2 1

1 2 2 0





1.4 Mạch lọc và cộng hưởng

1.4.1 Mạch lọc thụ động

a Mạch lọc thông thấp RC bậc 1

Hình 1.8

sRC sC

R

sC s

V

s

V

s

H











1

1 1

1

)

(

)

(

)

(

1

2

Để tìm đáp ứng tần số của mạch ta thay s = jω:

) ( ) ( 1

1

)



jRC





Trong đó: H() là đáp ứng biên độ

 

 là đáp ứng pha

2 2

1

1 )

(

1

1 )

(





















C

RC H







RC

C

1





2

1 lg 20

)

















C dB

H























C

arctg







( )

R

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

Hình 1.9

b Mạch lọc thông cao RC bậc 1:

Hình 1.10

sRC sRC sC

R

R s

V

s

V

s

H











1 1 )

(

)

(

)

(

1

2

Để tìm đáp ứng tần số của mạch ta thay s = jω:

) (

) ( 1

)





jRC

jRC





Trong đó: H() là đáp ứng biên độ

 

 là đáp ứng pha

2 2

1 ) ( 1 )

(





















C

C

RC

RC H















2

1 lg 20 lg

20 )





























C C

dB

H



























C

arctg







( ) 90 0

C

R

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

Hình 1.11

1.4.2 Mạch lọc tích cực

a Mạch lọc thông thấp bậc 1:

Hình 1.12 Hàm truyền của bộ lọc:

1 2 1

2 1

2 1

1 2

1 2 1

2

1 1

1 1

//

) ( )

(

)

(

)

(

C sR

A C

sR R

R R

sC R

R

s Z s

V

s

V

s





















Thay s = jω :

C

Vo Vo

j

A C

jR

A

H

















1 1

)

(

1 2

Trong đó:

1

2

R

R

A Vo  

1 2

1

C R

C 



0

C1

R1

-+

R2

V 2 (s)

V 1 (s)

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

b Mạch lọc thông cao bậc 1:

Hình 1.13 Hàm truyền của bộ lọc:

1 1

1 1 1

1

1 1 1 2

1 1

2 1

2 1

2

1 1

1 )

( )

(

)

(

)

(

C sR

C sR A C sR

C sR R R sC

R

R s

Z

R s

V

s

V

s























Thay s = jω :

C

C Vo Vo

j

j A C jR

C jR A

H























1 1

)

(

1 1

1 1

Trong đó:

1

2

R

R

A Vo   ;

1 1

1

C R

C 



1.4.3 Mạch cộng hưởng LC song song

Cho mach L,C song song, trong đó r là điện trở tổn hao của cuộn dây Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng:

Hình 1.14

V 2 (s)

V 1 (s)

0

-+

R2 C1

R1









C

L

r

0

 20 30



) (0 eq

R

Z eq

Z eq



 0

R eq

Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy

) (

) )(

(

C L

C L

eq

X X

j

r

jX jX

r

Z











XL= L : cảm kháng cuộn dây

C

X C



1

 : dung kháng của tụ điện

Thơng thường r << XL nên:

) (

C L

C L eq

X X j r

X X Z







Mạch cộng hưởng khi:

LC C

L C L X

0







 là trở kháng đặc tính Thay thế vào biểu thức tính trở kháng :

eq

2 C

L

r

ρ r

X

X

C eq L

eq

X R X

R

r

Q   (0) /

gọi là hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng song song

Băng thông 3dB:

Q

f

B 0

Tại cộng hưởng  = 0, trở kháng mạch cộng hưởng song song coi như thuần trở có

Req(0) lớn Lệch cộng hưởng  = n0 (n=2,3,4…), trở kháng Zeq ( = n0 ) coi như thuần kháng rất nhỏ

1.4.4 Mạch cộng hưởngLC nối tiếp

Hình 1.15

Trở kháng tương đương của mạch cộng hưởng: 

















C L j r

Z eq



Mạch cộng hưởng khi:

r R Z

LC C

l C L

eq









0





Hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng:

r

Q 



Băng thông 3dB:

Q

f

B 0

Đối với mạch cộng hưởng nối tiếp, tại tần số cộng hưởng dịng qua mạch là cực đại Nếu tần số khác tần số cộng hưởng thì dịng qua mạch giảm dần

Mạch cộng hưởng nối tiếp cĩ thể được dùng làm bẩy lọc để loại bỏ thành phần tần số khơng mong muốn nào đĩ

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

1.4.5 Mạch cộng hưởng RC

Hình 1.16

Để đơn giản trong phân tích, ta chọn Ra = Rb = R và Ca = Cb = C Khi đó ta có:

j C

j R C j R

C j R v

v

B

i

o

f











1 3

1 1

1 //

1 //

*















Mạch sẽ cộng hưởng với tần số:  o RC 1 o RC f o  1 2 RC

Ra

Rb

Ca

Cb

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy PHẦN 2: BÀI TẬP (2 tiết)

1 Tính mạch phối hợp trở kháng ở f0 = 100MHz

a

b

2 Tính mạch phối hợp trở kháng ở f0 = 90MHz

a

b

L

75Ω

R i

20Ω

L

50Ω

R i

10Ω

L

C

R A

50Ω

R i

60Ω

L

C

R A

50Ω

R i

10Ω

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

a

b

4 Chứng minh băng thông 3dB của một mạch cộng hưởng song song là:

Q

f

B dB 0

Trong đó, f 0 là tần số cộng hưởng, Q là hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng

5 Cho trở kháng anten TV là 300Ω, trở kháng vào TV là 75Ω Giữa chúng có dây truyền sóng sau:

a Dây song hành b Cáp đồng trục 75Ω

c Cáp đồng trục 50Ω d Ruột cập dây đồng bất kì

R 2

R 1

R

C

V o

V i

R 1 10K

R 2 10k

C 2

0.016µ

V o

V i

C 1

0.032µ

Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

6 The low-pass active filter of the figure is designed with f c = 100kHz Rf = 5kΩ and

R1 = 10kΩ, find the gain v 0 /v i of the circuit at 200kHz

7 The high-pass active filter of the figure is designed with Rf = 5kΩ and R1 = 2kΩ, R

= 50kΩ and C = 1nF If v 1 = 0.1V, find f c and v 0 at f = 0.5 f c.

R f

R 1

R

C

v o

v i

R f

R 1

R C

v o

v i