CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN

1.1.1 Giới thiệu kỹ thuật vô tuyến điện (VTĐ) Vô tuyến điện là một ngành kĩ thuật có chức năng đảm bảo thông tin liên lạc mà không cần có sự hỗ trợ của hệ thống dây dẫn giữa hai địa điểm thu và phát. Nói cách khác, quá trình thu phát thông tin sẽ được thực hiện thông qua khoảng không gian.

CHƯƠNG 5 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN

Trong thành phần của máy thu lẫn máy phát vô tuyến điện đều có mặt một sốmạch điện cơ bản như: mạch khuếch đại, mạch tạo dao động, bộ nguồn mộtchiều, Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các mạch nói trên và một sốmạch cơ bản khác

1.1.2 Các chỉ tiêu cơ bản của mạch khuếch đại

Yêu cầu quan trọng nhất đối với mạch khuếch đại là phải đảm bảo tín hiệu ởđầu ra có cùng dạng với tín hiệu ở đầu vào (cụ thể là tần số của tín hiệu)

Ngoài ra còn cần quan tâm đến một số các chỉ tiêu sau:

• Các mức tín hiệu ở đầu vào: ii, ui, pi

• Các mức tín hiệu ở đầu ra: io, uo, po

o i i

i

i

o u u

u

i

o p p

K K K K

1 2

Ngoài ra, hệ số khuếch đại còn có thể được tính bằng đơn vị Decibel:

) ( lg

i

i K

i

o

) ( lg

u

u K

i

o

) ( lg

p

p K

1 2

1 K K K dB K

j j

=

= + + +

Hình 5.2 Đặc tuyến tần số của mạch khuếch đại

Trong khoảng tần số từ f1 tới f2

hệ số khuếch đại của mạch tương

đối đồng đều Ngoài khoảng đó hệ

số này sẽ nhỏ hẳn đi

• Độ méo phi tuyến

(%)

2 1

2 2

2

m

jm jm

jm U

U U

1.1.3 Các chế độ làm việc cơ bản của mạch khuếch đại

Khi thiết kế một mạch khuếch đại, ta cầnđảm bảo hai điều kiện làm việc cơ bản sau:

• Phân cực tĩnh cho phần tử khuếch đại: cónghĩa là xác lập cho các cực B-C-E củatransistor những điện áp một chiều xácđịnh

• Ổn định chế độ làm việc tĩnh: đảmbảo sao cho trong qúa trình làm việc điện áp ởcác cực của phần tử khuếch đại chỉ phụ thuộcvào điện áp điều khiển đưa tới

Trong mạch khuếch đại ở hình vẽ, phần tửkhuếch đại là transistor lưỡng cực loại N-P-

N Bộ phân áp (R1, R2) dùng để phân cựctĩnh cho phần tử khuếch đại cũng là xác địnhchế độ làm việc của mạch khuếch đại Nguồnmột chiều +EC dùng để nuôi mạch Điện trở

RC là tải của tầng khuếch đại Các tụ nối tầng

Cp1 và Cp2 ngăn ảnh hưởng của các tầng trước

và sau tới tầng này, giúp cho việc ổn địnhchế độ làm việc tĩnh của tầng

Hình 5.4 Phân cực tĩnh cho mạch khuếch

đại dùng transistor

R 1

Các chế độ làm việc cơ bản của mạch khuếch đại được xác định trên họ đặctuyến ra của phần tử khuếch đại (mắc theo mạch cực E chung).

Theo sơ đồ mạch điện ta có:

C

CE C C

R

U E

I = −

(5.11)

Trong đó: EC và RC là các đại lượng không đổi đối với một mạch khuếch đạixác định Vì vậy, ta có thể coi (5.11) như một hàm số IC theo đối số UCE phù hợpvới họ đặc tuyến ra của phần tử khuếch đại

) ( CE

Đường thẳng này được gọi là đường tải tĩnh của mạch khuếch đại

Khi phân cực tĩnh cho phần tử khuếch đại, ta sẽ được một số giá trị xác địnhban đầu là UCE0, IC0, IB0, UB0 Những giá trị ban đầu này giúp ta xác định được điểm

Q trên đường tải tĩnh Điểm Q này được gọi là điểm làm việc (điểm công tác) tĩnh(ban đầu) của mạch khuếch đại Khi thay đổi phân cực tĩnh cho phần tử khuếchđại, điểm Q cũng thay đổi vị trí dọc theo đường tải tĩnh Phụ thuộc vào vị trí củađiểm Q mà người ta phân ra những chế độ làm việc cơ bản sau:

• Chế độ A: Khi điểm Q nằm ở lân cận điểm giữa của đoạn MN

• Chế độ B: khi điểm Q nằm ở điểm N

• Chế độ AB: khi điểm Q nằm ở khoảng giữa trung điểm của đoạn MN vàđiểm N

• Chế độ C: khi điểm Q nằm ở dưới điểm N

Ngoài ra khi làm việc với chế độ xung số, người ta thường sử dụng hai chế độ:

• Chế độ bão hoà: khi điểm Q nằm trên điểm M Khi đó IC = const và đạt giátrị bão hoà

• Chế độ khố: khi Q nằm dưới điểm N, khi đĩ IC = 0.

a. Chế độ A (lớp A)

Khi chọn điện áp phân

cực sao cho điểm tĩnh Q nằm

ở khoảng giữa đoạn MN

trên đường tải tĩnh (trong

đó M và N là giao điểm

của đường tải xoay chiều

với đặc tuyến ra ứng với

dòng cực đại IBmax và dòng

cực tiểu IBmin, Hình 5.5) thì ta

nói phần tử khuếch đại

làm việc ở chế độ A

Đặc điểm của chế độ A:

Khuếch đại trung thực, méo phi tuyến nhỏ

Dòng tĩnh (ICQ) luôn luôn khác không, nghĩa là ngaycả trạng thái tĩnh, tầng khuếch đại đã tiêu hao mộtnăng lượng đáng kể Biên độ dòng và áp xoay chiềulấy ra (Icm, VCEm) tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh Vì vậychế độ A có hiệu suất thấp (theo định nghĩa, hiệu suất

η đo bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa

ra trên tải và tổng công suất tầng khuếch đại tiêu thụcủa nguồn cấp điện) Thông thường ηAmax = 25%

Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tínhiệu nhỏ

b. Chế độ B (lớp B)

Nếu chọn điện áp phân cực sao cho vị trí điểm tĩnh Qtrùng với điểm D (hoặc điểm N) thì phần tử khuếch đạilàm việc ở chế độ B lý tưởng (hoặc chế độ B thựctế), xem Hình 5.6

Các đặc điểm của chế độ này:

Khi dòng điện vào (hoặc điện áp vào) là hình sin, thìdòng điện ra và điện áp ra chỉ còn nửa (hoặc giànửa) hình sin, nói cách khác : méo phi tuyến trầm trọng.

Ở trạng thái tĩnh, dòng ICQ ≈ 0, do đó năng lượng tiêuthụ bởi tầng khuếch đại rất nhỏ Chỉ có trạng tháiđộng, dòng điện trung bình IC mới tăng dần theo biênđộ tín hiệu vào Do đó, năng lượng tiêu thụ cũng tỷ lệvới biên độ tín hiệu xoay chiều lấy ra Như vậy chế độ

B có hiệu suất cao (ηBmax = 78,5%)

Chế độ B thường dùng trong các tầng khuếch đạicông suất (các tầng cuối của thiết bị khuếch đại) Đểkhắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có 2vế đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chukỳ (mạch “đẩy kéo”)

iC

VCE0

Trên thực tế, người ta còn dùng chế độ AB (trung giangiữa chế độ A và chế độ B) Lúc đó, phát huy được ưuđiểm của mỗi chế độ, giảm bớt méo phi tuyến nhưnghiệu suất kém hơn chế độ B) Ngoài ra còn có chế độC: điểm Q nằm ở phía dưới điểm N và ở trạng thái tĩnh,chuyển tiếp JE phân cực nghịch Chỉ khi tín hiệu vào đủlớn, mới có dòng điện IC khác không Dạng sóng ra chỉlà một phần của nửa hình sin

c. Chế độ khoá (còn gọi chế độ đóng mở hay chế độ D)

Ngoài chế độ khuếch đại, BJT (hoặc FET) còn có thểlàm việc như cái đóng ngắt điện (chế độ khoá) Lúcnày, tuỳ theo xung đột điện vào (hoặc điện áp vào)mà BJT làm việc ở một trong hai trạng thái đối lập:trạng thái khoá (hoặc trạng thái tắt ) khi Q nằm ở dướiđiểm N, trạng thái dẫn bão hoà (hoặc trạng thái mở)khi Q nằm ở phía trên điểm M (gần điểm C) trên Hình5.6 Đây là chế độ làm việc của transistor khi hoạtđộng với tín hiệu

1.1.4 So sánh các chế độ làm việc của mạch khuếch đại

• Chế độ A: hệ số khuếch đại, độ méo phi tuyến và hiệu suất làm việc nhỏ

• Chế độ B: Hệ số khuếch đại, hiệu suất làm việc và độ méo phi tuyến lớn(Mạch hầu như chỉ khuếch đại một nửa chu kỳ của tín hiệu)

• Chế độ AB: các chỉ số nằm trong khoảng giữa chế độ A và B

• Chế độ C: hiệu suất làm việc rất cao, hệ số khuếch đại rất lớn tuy nhiên độméo phi tuyến cũng rất lớn (Chế độ này thường được dùng trong các mạchkhuếch đại cơng suất ở máy phát vơ tuyến)

1.1.5 Nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại

Giả sử tín hiệu vào ngõ vào của mạch khuếch đại là vin Khi đĩ, ta cĩ:

in BE

Giả sử ở nửa chu kỳ dương của vin, IB thay đổi tới giá trị '

B

I khi đó Q sẽ dịch tớiđiểm Q’ Tương tự ở nữa chu kỳ âm ta có được ''

Hình 5.7 Nguyên lý làm việc của mạch khuếch đại

iR u

dt

du C

Suy ra:

dt

du RC u u u

i o i

du RC

Đặt RC = a biểu thức uo được viết lại như sau:

dt

du a

Kết luận: Với điều kiện tích τ =RC<<t i thì mạch điện trên sẽ làm việc như một

mạch vi phân

Trong đó: τ: được gọi là hằng số thời gian của mạch

ti: độ rộng xung ở ngõ vào của mạch

Khi cho một xung vuông tác động ở đầuvào một mạch vi phân thì ở đầu ra ta thu đượchai xung nhọn có biên độ bằng biên độ củaxung vuông và ngược chiều nhau.

Giải thích:

Ở thời điểm t1 khi xung vuông bắt đầu tácđộng, tụ C nạp và xuất hiện dòng i đi qua tụ(cũng là dòng qua R) lớn nhất Vì hằng số thờigian của mạch τ =RC<<t i nên tụ C nhanh

chóng được nạp đầy và dòng i nhanh chónggiảm vể giá trị 0 nên uR = uo = 0

Ở thời điểm t2 xung vuông mất, tụ C bắt đầu phóng qua điện trở R Lúc banđầu dòng điện có giá trị lớn nhất nên uR ( cũng chính là uo )có giá trị lớn nhất Vì

i

t

RC<<

=

τ nên tụ C nhanh chóng phóng hết điện và i = 0 và uo = 0.

Vì dòng điện phóng và nạp có chiều ngược nhau nên uo ở các thời điểm t1 và t2

cũng ngược chiều nhau

Dễ thấy xung ở đầu ra tỉ lệ với đạo hàm bậc nhất của xung đầu vào

1.2.2 Mạch tích phân

a. Định nghĩa

Mạch tích phân là mạch điện có điện áp đầu ra tỷ

lệ với tích phân một lớp bất định của điện áp đầu vào

u i 1 hay = + ∫idt

RC

i R

Từ đó, biểu thức ngõ ra được viết lại như sau:

Kết luận: Với điều kiện hằng số thời gian của mạch lớn hơn rất nhiều so với độ

rộng của xung đặt ở ngõ vào thì mạch điện trên sẽ làm việc như một mạch tíchphân

i

t

RC>>

= τ

Khi cho một xung vuông tác động ở ngõ vào của mạch tích phân thì ở ngõ ra tathu được một xung tam giác

Hình 5.11.Tích phân hàm xung vuông

Ở thời điểm t1 khi xung vuông bắt đầu tácđộng, tụ C được nạp điện Vì hằng sốthời gian τ =RC>>t i nên tụ nạp rất chậm,

đến thời điểm t2 tụ vẫn chưa nạp tới đỉnh.Đến thời điểm t2 tụ bắt đầu phóngđiện Do thời hằng τ =RC >>t i nên tụ

cũng phóng rất chậm Dạng điện áp trên

tụ cũng chính là dạng điện áp ngõ ra củamạch

1.3.2 Mạch xén dưới

Diod D được phân cực nhờ hai nguồn E và ui Trong đó nguồn E luôn phân cựcthuận cho D

Xét nguồn ui như hình vẽ, u i =U icos( ω +t ϕ ), giả thiết U i > |E|

+ Từ 0→t1: Cả hai nguồn E và ui đều phân cực thuận cho D Do vậy, D đượcphân cực thuận và ở trạng thái mở Suy ra: uo = ui

+ Từ t1→t2: ui phân cực ngược cho D, E phân cực thuận cho D, nhưng vì |ui| <

|E| nên D được phân cực thuận, D vẫn còn ở trạng thái mở Do vậy: uo = ui

+ Từ t2→t3: ui phân cực ngược cho D, E phân cực thuận cho D, và |ui| > |E| nên D

bị phân cực ngược và chuyển qua trạng thái khoá Lúc này: uo = E ( do mạch hởnên không có sụt áp trên R )

+ Từ t3→t4: Giống như trong khoảng thời gian từ t1→t2

Lưu ý : Điện trở R trong mạch được dùng để hạn chế dòng qua D khi D ở trạng

Hình 5.13 Đáp ứng mạch xén dưới

R E+

Lý luận tương tự như trường hợp mạch xén dưới ta thu được điện áp ngõ ranhư hình vẽ 6.13.

E E

R E

1.4.2 Phân loại

a. Dựa vào pha của điện áp hồi tiếp

+ Nếu điện áp hồi tiếp cùng pha với điện áp ở đầu vào của mạch ta gọi là mạchhồi tiếp dương

+ Nếu điện áp hồi tiếp ngược pha với điện áp ở đầu vào của mạch ta gọi làmạch hồi tiếp âm

b. Dựa vào sự phụ thuộc của điện áp hồi tiếp vào điện áp ra hoặc dòng điện ra

+ Nếu điện áp hồi tiếp phụ thuộc vào điện áp ngõ ra ta có mạch hồi tiếp điệnáp

+ Nếu điện áp hồi tiếp phụ thuộc vào dòng điện ngõ ra ta có mạch hồi tiếpdòng điện

c. Dựa vào thành phần điện áp hồi tiếp.

+ Nếu điện áp hồi tiếp được lấy từ thành phần một chiều của điện áp ra ta cómạch hồi tiếp dòng một chiều

+ Nếu điện áp hồi tiếp được lấy từ thành phần xoay chiều của điện áp ra ta cómạch hồi tiếp dòng xoay chiều

b) Tín hiệu xung tam giác a) Tín hiệu xung vuông

1.5.1 Mạch tạo dao động hình sin kiểu tái sinh

Hình 5.18 mô tả một mạch tạo dao động hình sinkiểu tái sinh Mạch được cấu tạo trên nền một mạchkhuếch đại Phần tử khuếch đại là transistor T và điệntrở Rb được dùng để phân cực cho phần tử khuếchđại, bộ cộng hưởng RCL và cuộn dây Lf hồi tiếpdương, V là nguồn một chiều cấp cho mạch

Nguyên lý làm việc :

Sau khi cấp nguồn cho mạch điện, ở cực B của transistor xuất hiện một xungnhọn đơn lẻ bao gồm một chuỗi các dao động hình sin có tần số biến thiên trongkhoảng từ giá trị 0 đến ∞ Các dao động hình sin này được transistor T khuếch đại

Ở tải của tầng khuếch đại (cuộn Lf) các dao động vừa được khuếch đại sẽ đượccảm ứng sang cuộn L (cũng có nghĩa là được đưa vào khung dao động RCL nhưnhững dao động cưỡng bức Trong các dao động này chỉ có duy nhất một daođộng có tần số trùng với tần số dao động riêng của khung dao động LC (

0 = ) Dao động này gây nên hiện tượng cộng hưởng trong mạch, các dao

động khác sẽ bị làm yếu hoặc bị triệt tiêu đi Qúa trình khuếch đại các dao động ởcực B của transistor sẽ được lặp lại,… Sau một số chu trình nhất định thì dao động

có tần số là f0 sẽ còn lại, còn các dao động với những tần số khác sẽ bị mất đi

Lưu ý: Để duy trì dao động thì năng lượng hồi tiếp phải bù đắp cho năng

lượng hao hụt ở đầu vào một cách đồng bộ, nghĩa là điện áp hồi tiếp phải cùng phavới điện áp ở đầu vào, mạch hồi tiếp được dùng là mạch hồi tiếp dương Ngoài ra,biên độ của điện áp hồi tíếp cũng phải đủ lớn để có thể bù đắp những tổn haotrong mạch Năng lượng cần thiết để bù đắp tổn hao được lấy từ nguồn V

Kết luận: Mạch tạo dao động có khả năng biến đổi năng lượng điện một chiều

không đổi thành năng lượng biến đổi của dao động điện từ duy trì

T C

-Hình 5.18 Sơ đồ mạch tạo dao

động hình sin kiểu tái sinh

1.5.2 Hai điều kiện cân bằng để duy trì dao động

Như đã xét ở trên, để bù đắp được nănglượng điện bị mất mát ở đầu vào thì điện áp hồitiếp phải thoả mãn hai điều kiện: độ lớn và pha

Giả sử: + Khi qua thành phần khuếchđại điện áp vào bị lệch pha một góc ϕ α

+ Khi qua thành phần hồi tiếpđiện áp này bị lệch thêm một góc ϕ β.

Khi đó tổng độ lệch pha của tín hiệu hồi tiếp là:

β

α ϕ ϕ

Để có được hồi tiếp dương giá trị của ϕ phải thoả mãn điều kiện:

π

ϕ = 2k

b. Điều kiện cân bằng biên độ

Khi qua thành phần khuếch đại, dao động được khuếch đại lên |K• | lần Khiqua mạch hồi tiếp dao động này bị suy giảm đi |β• |lần Để có thể bù đắp đượcnăng lượng tổn hao thì các hệ số này phải thoả điều kiện sau:

1.5.3 Vấn đề ổn định tần số của mạch tạo dao động

Trong quá trình làm việc, tần số của mạch tạo dao động có thể bị thay đổi donhiều nguyên nhân Trong phần này giới thiệu một số nguyên nhân và cách khắcphục

a. Sự tác động của nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng khá lớn đến dự ổn định tần số dao động Đểkhắc phục ảnh hưởng này người ta thường sử dụng các biện pháp như: dùngnhững mạch ổn nhiệt; đặt mạch tạo động trong không gian ổn định nhiệt

Khi các thiết bị liên lạc vô tuyến được đặt trên các phương tiện di động nhưtrên ô tô, tàu thủy,… thì sự rung có thể làm sai lệch tần số dao động Vì vậy, ta cầnphải có các biện pháp cố định các máy móc thiết bị cũng như sử dụng các cơ cấu

Một miếng thạch anh, tùy theo kích thước dàymỏng mà nó có thể có tính chất cộng hưởng ởnhững tần số khác nhau tương tự như khung cộnghưởng LC

Tại f0s thạch anh làm việc tương tự như mạch cộng hưởng LC nối tiếp, còn tại

f0p thạch anh làm việc như mạch cộng hưởng LC song song Ngoài ra, các giá trị

f0s và f0p ổn định hơn rất nhiều so với tần số cộng hưởng của khung LC

1.6 BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU

Để có thể làm việc, các thiết bị vô tuyến điện cần được cung cấp năng lượngđiện một chiều không đổi từ nguồn pin, acquy hoặc từ lưới điện xoay chiều Khicung cấp bằng lưới điện xoay chiềy, ta cần phải sử dụng bộ nguồn một chiều

khung dao động thach anh

Hình 5.21 Sơ đồ khối bộ nguồn một chiều

 Biến áp vào: Dùng để biến đổi điện áp vào thành điện áp có độ lớn theo yêucầu.

 Mạch chỉnh lưu: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều nhấpnháy

 Mạch lọc: Giảm độ nhấp nháy của điện áp sau chỉnh lưu

 Mạch ổn áp: Tạo ra điện áp không đổi cung cấp cho các thiết bị

Trong bốn thành phần nói trên ta đã nghiên cứu hai thành phần là biến áp vào

Do hiện tượng tự cảm xảy ra bên trong, cuộn dây luôn có xu hướng chống lại

sự biến thiên của dòng điện qua nó nên độ nhấp nháy của điện áp sau chỉnh lưugiảm Mạch lọc này thường dùng với điện trở tải nhỏ, thiết bị yêu cầu công suấtvừa và lớn