chuong5 trộn tần

CHƯƠNG 5 TRỘN TẦN 5.1 Định nghĩa 5.1.1 Định nghĩa Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra của bộ trộn nhận được tín hiệu tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó.

CHƯƠNG 5 TRỘN TẦN 5.1 Định nghĩa

5.1.1 Định nghĩa

Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra của bộ trộn nhận được tín hiệu tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó

Gọi : f ns : là tần số của tín hiệu ngoại sai

f th : là tần số của tín hiệu cần trộn với f ns

ftg : là tần số trung gian lấy ở đầu ra của bộ trộn tần

5.1.2 Nguyên tắc

Khi tín hiệu ngoại sai và tín hiệu hữu ích đưa vào phần tử phi tuyến thì dòng điện tổng hợp được khai triển theo chuỗi Taylo

i = a o + a 1 v + a 2 v 2 + a n v n +

Trong đó : v = v ns + v th

Giả sử : v ns = V ns cosωns t

v th = V th cosωth t

⇒ i = a o + a 1 (V ns cos ωns t + V th cos ωth t) + ( )

2

2 2 2

th

ns V V a

+

2

2

a

( 2 cos 2ω

ns

V ns t + ( 2 cos2ω

th

V th t) + a 2 V ns V th [cos(ωns + ωth )t+cos (ωns - ωth )t]+

Tín hiệu ra gồm có thành phần một chiều, thành phần cơ bản : (ωns, ωth ,ωns± ωth, 2ωns, 2ωth Ngoài ra còn có các thành phần bậc cao

ω = | nωns± mωth | Khi m, n = 1 ⇒ ω=ωns±ωth : bộ trộn tần đơn giản

m, n > 1 ⇒ bộ trộn tần tổ hợp

Thông thường ta chọn bộ trộn tần đơn giản

5.2 Mạch trộn tần

5.2.1 Mạch trộn tần dùng Diode

Ưu điểm : được ứng dụng rộng rãi ở mọi tần số, đặc biệt ở phạm vi tần số cao (trên 1GHz) Nhược điểm : làm suy giảm tín hiệu

C1 C2 C3

L1

L2

L3

b)

vns

vns

vtg

vth

c)

vns

vtg

vth

Hình 5.1 Mạch trộn tần dùng diode

a Mạch trộn tần đơn b Mạch trộn cân bằng

c Mạch trộn tần vòng

5.2.1.1 Sơ đồ trộn tần đơn :

π/2 ωnst

S

ωns

CV2ns

v

Hình 5.2 Đặc tuyến của diode và dạng sóng tín hiệu

Theo đặc tuyến lý tưởng hóa của diode ta viết được quan hệ :

i =

⎩

⎨

⎧

<

≥ 0 0

0

v khi

v khi v s

Trong đó : i

i u

i

G R d

d

s= = 1 =

Vì điện áp ngoại sai là hàm tuần hoàn theo thời gian, nên hỗ dẫn là một dãy xung vuông góc với độ rộng phụ thuộc vào góc cắt θ Với điểm đỉnh chọn tại gốc tọa độ

2

π

θ =

Theo chuỗi Fourier ta tính được biên độ hai bậc n của S :

n

n t

d t n

o

ns ( ) 2sin cos

2

π

θ ω

ω π

θ

=

∫

Thay

2

π

θ = và giả thiết n = 1 ta tính được hỗ dẫn trộn tần :

S tt =

π

S

S n = 2 1

Tương tự điện dẫn trộn tần được xác định :

π

θ ω

π

θ

S t d G G

G itt = io = ∫ i ns =

0

) (

1

Với

2

π

θ = thì G itt =

2

S

Chú ý : để chống tạp âm ngoại sai, thường dùng sơ đồ trộn tần cân bằng

5.2.1.2 Sơ đồ trộn tần cân bằng (hình 5.1)

Điện áp tín hiệu đặt lên hai diode ngược pha

Điện áp ngoại sai đặt lên hai diode đồng pha

V thD2 = V th cos (ωth t + π)

V nsD1 = V ns D2 = v ns

Dòng điện trung tần tạo ra đi qua các diode :

itg1 = Itg1 cos (ωns - ωth) t

i tg2 =I tg2 cos [(ωns - ωth ) t - π] = I tg2 cos [π - (ωns - ωth )]

= -Itg2 cos [ωns - ωth]t

Trên mạch cộng hưởng ra ta được :

itg = itg1 - itg2 = 2Itg.cosωtgt

5.2.1.3 Mạch trộn tần vòng

Gồm 2 mạch trộn tần cân bằng mắc nối tiếp Trên đầu ra sơ đồ này chỉ có các thành phần tần số ωns± ωth còn các thành phần khác đều bị khử do đó dễ tách được thành phần tần số trung gian mong muốn

5.2.2 Mạch trộn tần dùng phần tử khuếch đại

5.2.2.1 Mạch trộn tần dùng BJT

vth ~

~

vns

vth vns

Hình 5.3 Mạch trộn tần dùng BJT

Mắc BC với Vns đặt vào base

Hình 5.5 Mạch trộn tần dùng BJT

Mắc EC với Vns đặt vào base

~

~

vth

Hình 5.6 Mạch trộn tần dùng BJT Mắc EC với Vns đặt vào emiter

• Đặc điểm của sơ đồ BC

- Phạm vi tần số cao và siêu cao vì tần số giới hạn của nó cao

- Hệ số truyền đạt của bộ phận trộn tần thấp hơn so với sơ đồ EC

• Các sơ đồ khác nhau ở cách đặt điện áp ngoại sai vào BJT:

Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý, người ta đã thiết kế nhiều loại sơ đồ thực tế khác nhau như dưới đây :

A Trộn tần dùng BJT mắc theo BC

A) Mạch trộn tần dùng BJT đơn mắc theo BC với điện áp ngoại sai vns đặt vào bazơ

C 1 , C 3 : tụ liên lạc; C 2 L 2 : cộng hưởng V th; C 4 : nối masse V th

Điện áp vns ghép lỏng với bazơ để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa mạch tín hiệu

và mạch ngoại sai

B Trộn tần dùng BJT đơn mắc theo EC

-VCC

vns

vtg

vth

R4

R3

R2

L1 L2

C4

C3

C2

Hình 5.7 Mạch trộn tần dùng BJT đơn mắc BC với Vns đặt vào base

- VCC

C6

L4

C5

C2

C3

C4

R2

R3

R4

vns Hình 5.8 Mạch trộn tần dùng BJT đơn mắc EC với Vns đặt vào base

vtg

vth

B) Mạch điện trộn tần dùng BJT đơn mắc EC với vns ở bazơ

Điện áp vns được đặt vào bazơ qua điện trở nhỏ R3 (10 - 50)Ω, điện trở này có tác dụng nâng cao điện trở mặt ghép rbb’ của BJT, do đó nâng cao được độ tuyến tính của đặc tuyến BJT

C Tầng trộn tần tự động

VCC Hình 5.9 Mạch trộn tần tự động

‘

C3

L4

C4

L2

L3

C5

L1

C1

L5

C3

R3

vtg

vth

BJT vừa làm nhiệm vụ trộn tần vừa tạo dao động ngoại sai

Vns được tạo nhờ quá trình hồi tiếp dương về E qua L2 và L3

Vth được đặt vào bazơ của BJT qua biến áp vào

C1, L5 tạo thành khung cộng hưởng nối tiếp đối với tần số trung gian Nhờ đó vtg

bị ngắn mạch ở đầu vào, tránh được hiện tượng trộn tần ngược

B .

A

E

Ce

R

Để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa vth và vns, người ta kết cấu mạch dưới dạng sơ đồ cầu, trong đó :

Re,Ce là phần tử ký sinh của mạch vào BJT Khi cầu cân bằng thì VA=VE, không còn tồn tại sự liên hệ giữa vth và vns Lúc đó, nếu vth

xuất hiện trên L3 thì sẽ không cảm ứng sang

L2 gây ảnh hưởng đến vns

D Trộn tần đẩy kéo

a)

C

T2

T1

Vtg

R2

C3

vns

R4

R3

R1

R5

vth

vns

VCC

vth

Hình 5.10 Mạch trộn tần đẩy kéo

a Sơ đò nguyên lý b Mạch trộn tần đẩy kéo EC

Ưu điểm của mạch trộn tần đẩy kéo so với sơ đồ đơn :

- Méo phi tuyến nhỏ (hai bậc chắn bị triệt tiêu) - Phổ tín hiệu ra hẹp

- Liên hệ giữa tín hiệu và mạch ngoại sai ít - Khả năng điều chế giao thoa thấp

Vì những ưu điểm đó, nên loại mạch này hay được dùng trong bộ trộn tần máy phát Trong sơ đồ đẩy kéo (A), do cách mắc mạch nên điện áp vào T1, T2 lần lượt là :

Dòng điện ra : i

⎩

⎨

⎧

−

=

+

=

th ns

th ns v v v

v v v

2

1

c = i c1 - i c2

Với : i c1 = a o + a 1 (v ns + v th ) + a 2 (v ns + v th )2 +

i c2 = a o + a 1 (v ns - v th ) + a 2 (v ns - v th ) 2 +

⇒ ic = 2a2vth + 4a2vth.vns + 2a3v3th + 6a3vth.vns +

Thay vns = Vnscosωnst, Vth = Vth.cosωtht và biến đổi ta thấy trong dòng điện ra có các thành phần tần số : ωth , 3ωth, ωns±ωth và 2ωns±ωth

5.2.2.2 Mạch trộn tần dùng Transistor trường FET

Ưu điểm của trộn tần dùng FET so với BJT:

tượng điều chế giao thoa, giảm được tạp âm và tăng được dải rộng của tín hiệu vào

A Trộn tần dùng FET: Nguyên lý của việc trộn tần dùng FET cũng giống như BJT

C2

C1 R1

Vns

C4

C5

R3

R2 C3

vth

Hình 5.11 Mạch trộn tần dùng FET

B Trộn tần dùng FET mắc đẩy kéo

vtg

Vcc

vth

Hình 5.12 Mạch trộn tần dung FET đẩy kéo