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 MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 143 _ CHƯƠNG MÁY THU VƠ TUYẾN ĐIỆN 1.1 CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN - Độ nhạy đo điện áp tín hiệu vào nhỏ đảm bảo cho máy thu có cơng suất chuẩn đầu (≈ 50mW), với điều kiện tất núm điều chỉnh hệ số khuếch đại máy thu nằm vị trí cực đại trị số tín hiệu/tạp âm khơng nhỏ trị số định mức (≈ 20dB) - Cơng suất danh định cơng suất lớn lấy đầu máy thu điều kiện độ méo phi tuyến khơng lớn trị số định mức cho trước P= U2 Z (7.1) Trong đó: U: điện áp đầu máy thu; Z: trở kháng loa đo f=1KHz - Cơng suất tiêu thụ tồn lượng máy thu lấy từ nguồn điện - Dải tần làm việc dải tần số mà máy thu thu - Độ chọn lọc máy thu khả tách dải tần số tín hiệu cần thu từ tồn dải sóng radio Độ chọn lọc phụ thuộc vào đường cong cộng hưởng mạch lọc - Chế độ làm việc: tương tự máy phát 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI 1.2.1 Máy thu khuếch đại thẳng Mạch vào f ct ⊕ F Khuếch đại cao tần Tách sóng F Khuếch đại tín hiệu điện Bộ biến đổi Thơng tín hiệu tin Hình 7.1 Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 144 _ Sau thu anten thu, sóng điện từ biến đổi thành tín hiệu cao tần tương ứng f ct ⊕ F Cùng với tín hiệu cần thu, nhiễu tác động vào anten thu Nhờ mạch vào tầng khuếch đại cao tần, tín hiệu chọn lọc khỏi nhiễu khuếch đại lên đủ lớn Tại mạch tách sóng tín hiệu điện tách khỏi sóng mang Sau khuếch đại nhờ tầng khuếch đại tín hiệu điện, đưa qua biến đổi đầu để biến đổi thành thơng tin ban đầu Mạch thu khuếch đại thẳng có ưu điểm máy thu có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ nhiên độ nhạy thấp (hệ số khuếch đại nhỏ) độ chọn lọc 1.2.2 Máy thu đổi tần Ngày người ta sử dụng máy thu đổi tẩn để khắc phục hai nhược điểm kể máy thu khuếch đại thẳng f ct ⊕ F Mạch thu Khuếch đại cao tần Khối trung tần Tách F Khuếch đại sóng tín hiệu điện Bộ biến đổi Thơng tín hiệu tin Hình 7.2 Sồ đồ khối máy thu đổi tần Ngun nhân khiến máy thu khuếch đại thẳng có hai nhược điểm kể tầng khuếch đại phải làm việc dải tần rộng nên việc chế tạo khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn độ chọn lọc cao dải tần rộng khơng thể thực Trong máy thu đổi tần, khối trung tần thực việc biến tín hiệu cao tần thay đổi thành tín hiệu trung tần có giá trị ln cố định Các tầng khuếch đại trung tần làm việc tần số ln khơng đổi Ngun lý đổi tần Tầng trộn tần có hai ngõ vào: tín hiệu từ tầng khuếch đại cao tần dao động từ tầng dao động nội đưa tới Ở đầu ra, cách dùng lọc ta lấy được: ftt = f0 – fct Vì fct f0 thay đổi cách đồng (cùng điều chỉnh chung cấu “tune”) nên ftt = const GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 145 _ f Khuếch đại ct cao tần f tt Trộn tần Khuếch đại trung tần f0 Dao động nội Hình 7.3 Sơ đồ khối khối trung tần máy thu Tầng khuếch đại trung tần làm việc tần số cố định, người ta dễ dàng chế tạo tầng có hệ số khuếch đại lớn độ chọn lọc cao (mạch lọc thường dùng mạch cộng hưởng kép lọc tập trung) Ngày nay, máy thu vơ tuyến điện loại đổi tần Để nâng cao chất lượng, máy thu sử dụng nhiều lần đổi tần 1.3 CÁC LOẠI TẦNG KHUẾCH ĐẠI TRONG MÁY THU ĐỔI TẦN 1.3.1 Khuếch đại cao tần Đặc điểm tầng khuếch đại cao tần: +EC • Tần số làm việc cao R1 Tín hiệu từ mạch vào Đến tầng sau • Tải cộng hưởng • Dải tần làm việc rộng • Hệ số khuếch đại nhỏ, độ chọn lọc thấp Cp R2 CE RE • Tầng thường làm việc chế độ A AB +Ec Hình 7.4 Mạch khuếch đại cao tần R1 C1 L1 L2 C2 Đến tầng sau Tín hiệu từ tầng trộn tần Cp R2 1.3.2 Khuếch đại trung tần Đặc điểm tầng khuếch đại trung tần CE RE GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM Hình 7.5 Mạch khuếch đại trung tần CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 146 _ • Tải cộng hưởng (Bộ lọc tập trung mạch cộng hưởng kép) • Làm việc tần số cố định • Hệ số khuếch đại lớn, độ chọn lọc cao 1.3.3 Khuếch đại tín hiệu điện +Ec R5 RC + R1 C1 Tp R3 Cp2 Cp1 T2 T1 R2 CE1 RE1 R4 CE2 RE2 Hình 7.6 mơ tả mạch gồm hai tầng khuếch đại tín hiệu điện Tầng thứ cấu tạo transistor T1 có tải RC Tầng cấu tạo transistor T2 tải biến áp Tp Đặc điểm tầng khuếch đại tín hiệu điện: • Tần số làm việc thấp ( F ) • Tải khơng cộng hưởng Tải tầng khuếch đại tín hiệu điện thường điện trở biến áp cuộn dây Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng Hình 7.6 Mạch khuếch đại tín hiệu điện • Tải điện trở có ưu điểm rẻ tiền, khơng gây méo tần số Tuy nhiên loại tải làm tổn hao lượng dạng nhiệt • Tải biến áp cuộn dây có ưu điểm khơng gây tổn hao lượng, dễ dàng phối hợp trở kháng tầng, Tuy nhiên, loại tải lại gây méo tần số, linh kiện cơng kềnh, giá thành cao 1.4 MẠCH TÁCH SĨNG Tuỳ thuộc vào phương pháp điều chế máy phát mà máy thu người ta sử dụng mạch tách sóng tương ứng AM, FM, PM,… GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 147 _ 1.4.1 Mạch tách sóng AM a Sơ đồ khối Mạch lọc thứ cộng hưởng khuếch đại khuếch đại tần số fTT (trong máy thu để Mạch Phần tử Mạch tín hiệu điện trung tần lọc phi tuyến nâng cao hiệu chọn lọc, fTT lọc lọc nhiều lần) Tín hiệu trung tần sau lọc Hình 7.7 Sơ đồ khối mạch tách sóng AM đưa tới phần tử phi tuyến phần tử làm méo tín hiệu đầu vào Kết đầu ta thu vơ số dao động điều hồ, có dao động tần số F (tín hiệu điện) Dùng mạch lọc đầu ta tách dao động điện có tần số F Phần tử phi tuyến diod bán dẫn transistor lưỡng cực Thơng thường, người ta sử dụng mạch tách sóng diod bán dẫn mắc nối tiếp b Sơ đồ ngun lý Hình 7.8 mơ tả sơ đồ ngun lý mạch tách sóng AM Mạch lọc cộng hưởng f TT mạch ghép hổ cảm (C1L1, C2L2) Phần tử phi Cp D tuyến diod D mạch lọc tín hiệu điện C3, C1 L1 L2 C2 R C3 R, Cp Tín hiệu trung tần từ tầng khuếch đại trung tần chọn lọc lại lần nhờ mạch cộng hưởng (C1L1, C2L2) Sau đưa tới Hình 7.8 Mạch tách sóng AM phần tử phi tuyến (diode D), tín hiệu làm méo dạng Kết đầu diode D ta thu dao động với thành phần tần số khác Người ta phân tín hiệu thành nhóm: • Thành phần chiều khơng đổi (DC) • Thành phần dao động có tần số F • Thành phần dao động có tần số 2F • Thành phần dao động có tần số mfCT ± nF Trong thành phần kể trên, ta cần lấy dao động có tần số F triệt tiêu thành phần lại GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 148 _ Tại điểm A, tín hiệu theo hai đường (để đơn giản ta tạm ngắt tụ Cp khỏi mạch): qua tụ C3 qua điện trở R phụ thuộc vào mạch có trở kháng nhỏ Nếu chọn tụ C3 R cho thoả mãn điều kiện sau: dao động cao tần dao động lại Khi dao động cao tần qua C xuống điểm điện đất bị triệt tiêu, dao động lại qua R gây nên sụt áp đó, sụt áp đưa qua Cp đến tầng sau Khi qua Cp thành phần chiều khơng đổi tín hiệu bị giữ lại Cp C3 R1 C4 R2 Hình 7.9 Mắc nối tiếp nhiều lọc Ở đầu diode D, dao động có tần số F có biên độ lớn nhiều dao động có tần số 2F Sau qua lọc, dao động có tần số 2F lại bị làm yếu nhiều so với dao động tần số F (tỉ lệ qua tụ C3 nhiều hơn) Kết đầu dao động tần số 2F có biên độ khơng đáng kể Trong số trường hợp, để nâng cao hiệu qua lọc người ta thường mắc nối tiếp vài lọc RC với (Hình 7.9) 1.4.2 Mạch tách sóng FM Để loại trừ tượng điều biên ký sinh, trước đưc đưa tới mạch tách sóng FM, tín hiệu trung tần đưa tới mạch hạn biên Mạch tách sóng FM làm việc theo ngun lý: tần số tín hiệu đầu vào tăng giảm biên độ tín hiệu đầu tăng giảm tương ứng u u fTT - ∆f fTT fTT + ∆f f t GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM Hình 7.10 Ngun lý làm việc mạch tách sóng FM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 149 _ Cp D1 C L C1 L1 L2 C2 C3 D2 C4 R1 U01 R2 U U0 02 Hình 7.11 Mạch tách sóng lệch cộng hưởng số fTT - ∆f Trong thực tế, người ta sử dụng nhiều loại mạch tách sóng FM khác tách sóng trực pha, tách sóng đối xứng,… Ở đây, xét mạch tách sóng đơn giản gọi mạch tách sóng lệch cộng hưởng Mạch dao động LC ngõ vào cộng hưởng tần số fTT, mạch dao dộng L1C1 cộng hưởng tần số f TT + ∆f mạch dao dộng L2C2 cộng hưởng tần u u fTT - ∆f fTT fTT + ∆f f t Hình 7.12 Đáp ứng mạch cộng hưởng kép tách sóng FM Mạch tách sóng lệch cộng hưởng bao gồm hai mạch tách sóng biên độ mắc đối xứng với (D1 D2 loại, C1=C2 R1=R2) Do vậy, sụt áp R1 R2 ngược pha Trong trường hợp chưa có điều chế máy phát, hai mạch dao động L 1C1 L2C2 lệch cộng hưởng hai phía f TT lượng ∆f (Ở coi ∆f độ lệch tần lớn điều chế) Vì hai sụt áp u 01 u02 trị số ngược dấu Kết ta có điện áp ngõ ra: u = u01 + u02 = GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 150 _ Khi có điều chế, giả sử nửa chu kỳ (+) tín hiệu điện tần số sóng mang tăng lên lượng ∆f tương ứng với biên độ tín hiệu điện Khi mạch dao động L1C1 cộng hưởng L2C2 lệch cộng hưởng lớn (2∆f ): u = u01 + u02 > Tương tự, nửa chu kỳ (-) f TT giảm lượng ∆f mạch L2C2 cộng hưởng L1C1 lệch cộng hưởng lượng 2∆f u = u01 + u02 < Kết quả: biến thiên tần số tín hiệu vào mạch tách sóng tần số dẫn đến biến thiên tương ứng biên độ tín hiệu mạch 1.5 TẦNG KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT TÍN HIỆU ĐIỆN Tầng khuếch đại cơng suất tín hiệu điện tầng cuối máy thu vơ tuyến điện Tầng có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu điện có cơng suất theo u cầu với độ méo cho phép để cung cấp cho biến đổi tín hiệu đầu ra (loa, đèn hình …) +Ec Loa R1 Tín hiệu Cp điện T Dựa vào cơng suất ngõ theo u cầu máy thu vơ tuyến điện mà người ta sử dụng mạch khuếch đại đơn mạch khếch đại cơng suất kiểu đẩy kéo 1.5.1 Mạch khuếch đại cơng suất đơn Hình 7.13 mơ tả sơ đồ ngun lý mạch khuếch đại cơng suất đơn có tải cuộn dây loa Mạch điện sử RE R R2 E dụng kiểu trở kháng loa xấp xỉ trở kháng transistor T mắc theo kiểu cực E chung Hình 7.13 Mạch khuếch đại Điện trở RE điện trở hồi tiếp âm dòng điện dùng để nâng cao chất lượng tín hiệu Khi loa có trở cơng suất đơn kháng nhỏ (8 - 16 Ω ), người ta dùng biến áp loa để phối hợp trở kháng lớn transistor với trở kháng nhỏ loa Trong trường hợp giá thành máy thu tăng lên việc phối hợp trở kháng tốt dẫn đến hiệu làm việc tầng khuếch đại cao Đặc điểm tầng khuếch đại cơng suất đơn: • Thường làm việc chế độ A AB • Hệ số khuếch đại nhỏ GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 151 _ • Độ méo phi tuyến nhỏ • Hiệu suất làm việc nhỏ Mạch khuếch đại phù hợp với loại máy thu có cơng suất đầu nhỏ Để đạt cơng suất lớn hơn, người ta dùng mạch khuếch đại cơng suất kiểu đẩy kéo Mạch khuếch đại kiểu gồm hai loại: • Loại dùng hai bóng bán dẫn loại (hoặc đèn điện tử) • Loại dùng cặp bóng bán dẫn bù Đối với loại thứ nhất, người ta phải dùng thêm tầng khuếch đại trước gọi tầng khuếch đại đảo pha 1.5.2 Khuếch đại đảo pha: Nhiệm vụ tầng khuếch đại tạo hai tín hiệu có mức điện áp ngược pha để cung cấp cho tầng khuếch đại đẩy kéo Mạch khuếch đại đảo pha có hai loại: • Loại dùng tải biến áp • Loại phân tải GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 152 _ a Loại dùng tải biến áp +EC +EC Tp u1 R1 R1 u2 Cp C p T Rc Cp1 T Cp2 ui R2 RE CE ui R2 u1 RE u2 a) Dùng tải biến áp b) Loại phân tải Hình 7.14 Mạch khuếch đại đảo pha Tải tầng biến áp TP Cuộn thứ cấp biến áp bao gồm hai cuộn dây nhỏ có số vòng mắc nối tiếp Điểm chung nối điểm đất Do vậy, ta thu hai tín hiệu u1 u2 có biên độ ngược pha b Loại phân tải Ở mạch khuếch đại đảo pha kiểu này, tải phân mạch collector lẫn mạch emitter Khi dùng tải mạch emitter (RE), transistor T mắc theo mạch cực C chung: cho tín hiệu ngõ pha với tín hiệu ngõ vào Do vậy, u pha với uin Khi dùng tải mạch collector (R C), transistor T mắc theo mạch cực E chung nên tín hiệu ngõ ngược pha với tín hiệu ngõ vào Vì vậy, u ngược pha với uin Kết u1 u2 ngược pha Trong thiết kế, người ta chọn hai điện trở R E RC có trị số Sụt áp hai tải tính sau: u RE = RE i E ; u RC = RC iC Mặt khác ta có: iC ≈ i E Do vậy, hai sụt áp RC, RE có biên độ GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 153 _ u RE = u RC u1, u2 hai thành phần xoay chiều R E RC tương ứng Do vậy, chúng có biên độ ngược pha u1 = u 1.5.3 Tầng khuếch đại cơng suất kiểu đẩy kéo u1 t Vế khuếch đại Tải u2 t Hình 7.15 mơ tả sơ đồ khối tầng khuếch đại kiểu đẩy kéo Tầng bao gồm hai vế khuếch đại có cấu tạo mắc đối xứng với Các vế khuếch đại thường làm việc chế độ B AB (thơng thường chế độ B) Do làm việc chế độ B, mạch khuếch đại làm việc nửa chu kỳ tín hiệu vào nên độ méo phi tuyến lớn hệ số Hình 7.15 Sơ đồ khối tầng khuếch đại khuếch đại hiệu suất làm việc cao kiểu đẩy kéo Vì tín hiệu đầu vào hai vế ngược pha nên chúng thay phiên làm việc hai nửa chu kỳ tín hiệu Vế khuếch đại Hình 7.16 mơ tả sơ đồ ngun lý tầng khuếch đại cơng suất đẩy kéo Hai vế khuếch đại hai transistor P-N-P hồn tồn giống mắc theo t3 t1 t3 t1 t2 mạch cực E chung Điện trở hồi tiếp âm t2 ic1 dòng điện RE để nâng cao chất lượng tín T1 hiệu chống tượng tự kích Tải Tp vế ½ cuộn sơ cấp biến áp loa T P RE +E R1 C Hai vế khuếch đại làm việc chế độ B: tức làm việc nửa chu kỳ âm tín hiệu T2 t1 t3 t2 t1 ic2 t2 t3 Hình 7.16 Sơ đồ ngun lý mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo Trong khoảng thời gian từ t1 – t2, transistor T2 mở transistor T1 khố Trong mạch collector T2 xuất dòng iC2 khuếch đại Khi vào GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 154 _ nửa cuộn sơ cấp biến áp T P, dòng điện cảm ứng sang cuộn thứ cấp tạo dòng điện cảm ứng chạy qua loạ Trong khoảng thời gian từ t2 – t3, T1 mở T2 khố Trong mạch collector T1 xuất dòng iC1 Dòng điện qua nửa cuộn sơ cấp biến áp T1 làm xuất dòng điện cảm ứng qua cuộn dây loa Do dòng i C1 qua cuộn sơ cấp biến áp có chiều ngược với i C2 nên dòng cảm ứng ngược chiều lại so với nửa chu kỳ trước Vì hai vế khuếch đại đối xứng nên biên độ chúng Kết ta thu loa hình sin đầy đủ Kết luận: Mặc dù hai vế khuếch đại làm việc chế độ B tín hiệu có độ méo phi tuyến nhỏ mạch lại tận dụng ưu điểm chế độ làm việc Nhận xét: Mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo làm việc theo ngun lý phải dùng tầng khuếch đại đảo pha phía trước, vậy, mạch có cấu tạo phức tạp chi phí cao Trong thực tế, người ta thay hai transistor loại hai vế khuếch đại cặp transistor bù nhau: hai transistor khác loại: i N-P-N P-N-P, hai có tham số tương ứng ( chọn theo sách tra cứu) Khi sử dụng cặp transistor bù này, người ta khơng cần phải tạo hai điện áp tín hiệu có biên độ ngược pha đầu vào -Ec R1 R1 EC1 T1 T1 Cp RE Cp + - T2 EC2 T2 ui R2 R2 + +Ec Hình 7.17 Mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo dùng cặp transistor bù GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 155 _ Khi cần cơng suất phát lớn hơn, người ta thay transistor vế khuếch đại cặp transistor mắc theo kiểu Darlington Cách mắc cho phép nhận hệ số khuếch đại cao E C B B E a) Dạng sơ đồ Darlington thường C b) Dạng sơ đồ Darlington bù Hình 7.18 Các kiểu mắc Darlington GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM ... Tp HCM Hình 7. 10 Ngun lý làm việc mạch tách sóng FM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 149 _ Cp D1 C L C1 L1 L2 C2 C3 D2 C4 R1 U01 R2 U U0 02 Hình 7. 11 Mạch tách... Cp RE Cp + - T2 EC2 T2 ui R2 R2 + +Ec Hình 7. 17 Mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo dùng cặp transistor bù GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 155 ... tách sóng tương ứng AM, FM, PM,… GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 1 47 _ 1.4.1 Mạch tách sóng AM a Sơ đồ khối Mạch