Bài giảng kỹ thuật mạch điện tử

Trong m¹ch khuÕch ®¹i sö dông biÕn ¸p, thµnh phÇn tÝn hiÖu ac trong cuén s¬ cÊp sÏ phô thuéc vµo ®iÖn kh¸ng cña cuén d©y... GhÐp trùc tiÕp.[r]

Vro Vr

Hµ néi 5/ 2005 Đào Thanh Toản Phạm Thanh Huyền

Võ Quang Sơn -

-Bài giảng

Lời nói đầu:

Bi giảng Kỹ thuật Mạch Điện tử đợc biên soạn dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thơng tin, Tự động hố, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thơng

Trong q trình biên soạn, tác giả đợc đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến, cố gắng sửa chữa, bổ sung cho sách đợc hoàn chỉnh hơn, song chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Chúng tơi mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp bạn đọc!

Xin liªn hƯ: daothanhtoan@uct.edu.vn

Chơng I Những khái niệm chung sở phân tích mạch điện tử

I Mạch điện tử:

Mch in t l loại mạch có nhiệm vụ gia cơng tín hiệu theo thuật toán khác nhau, chúng đợc phân loại theo dạng tín hiệu đợc xử lý

Tín hiệu: số đo điện áp huặc dòng điện trình, thay đổi tín hiệu theo thời gian tạo tin tức hữu ích

Tín hiệu đợc chia làm loại tín hiệu tơng tự Anolog tín hiệu só Digital Tín hiệu tơng tự tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian nhận giá trị khoảng biến thiên

Tín hiệu số: tín hiệu đợc rời rạc hoá mặt thời gian lợng tử hố mặt biên độ, đợc biểu diễn tập hợp xung điểm đo rời rạc

Tín hiệu đợc khuếch đại; điều chế; tách sóng; chỉnh lu; nhớ; đo ; truyền đạt; điều khiển; biến dạng; tính tốn mạch điện tử

Để gia công loại tín hiệu số tơng tự dùng loại mạch bản: mạch t-ơng tự mạch số, khuôn khổ giáo trình xem xét mạch tt-ơng tự

Vi mch điện tử tơng tự, quan tâm tới thông số: biên độ tín hiệu độ khuếch đại tín hiệu

Biên độ tín hiệu: liên quan mật thiết đến độ xác q trình gia cơng tín hiệu xác định mức độ ảnh hởng nhiễu đến hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ mV, huặc àV, nhiễu lấn át tín hiệu, thiết kế hệ thống điện tử cần lu ý nâng cao biên độ tín hiệu tầng đầu hệ thống

Khuếch đại tín hiệu chức quan trọng mạch tơng tự, thực trực tiếp huặc gián tiếp phần tử chức hệ thống, thông thờng hệ thông lại chia thành tầng gia cơng tín hiệu, tầng khuếch đại cơng suất

Hiện mạch tổ hợp(IC) tơng tự đợc dùng phổ biến, đảm bảo tiêu kỹ thuật mà cịn có độ tin cậy cao chi phí thấp, nhiên chúng đợc dùng chủ yếu cho tín hiệu có phạm vi tần số thấp

Xu hớng phát triển kỹ thuật mạch điện tử tơng tự nâng cao độ tích hợp, khả ứng dng ca mch

II Các kiến thức transistor

Xem lại giáo trình Cấu kiện Điện tử, nội dung sau:

1- Cu tạo, nguyên lý hoạt động,

2- Cã c¸ch mắc BJT(FET) : EC(SC); CC(DC); BC(GC)

3- Các ứng dụng BJT FET, tuỳ theo việc phân cực mà T làm việc theo chế độ sau:

+ Chế độ khuếch đại tín hiệu: phân cực chế độ khuếch đại + Làm việc chế độ khố: miền bão hồ miền cắt

4- Các sơ đồ tơng đơng T 5- Đặc tính tần số T

6- Sơ đồ cách tính tốn cuả T khuếch đại tín hiệu nhỏ 7- So sánh BJT FET,

Gỵi ý :

Fet có u điểm kích thớc điện áp cung cấp(dẫn đến công suất tiêu thụ) nhỏ độ tin cậy cao BJT, nhng Fet lại có nhợc điểm điện dẫn g nhỏ nhạy cảm với điện tích tĩnh, Fet thờng đợc tích hợp mạch IC, BJT thờng dùng cho mạch rời

III Mạch cấp nguồn ổn định chế độ làm việc

1 Đặt vấn đề:

Trong tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, điểm làm việc nằm miền tích cực BJT, miền thắt FET, chế độ tĩnh, cực T có dịng điện tĩnh Ic(TD); IB(IG) điện áp chiều UCE(UDS); UBE(UGS) Điểm làm việc tơng

ứng với chế độ điểm làm việc tĩnh Q

Khi có tín hiệu vào điện áp dòng điện thay đổi xung quanh giá tri tĩnh, để đảm bảo cho tầng làm việc bình thờng điều kiện khác nhau, việc cung cấp điện áp thích hợp cho cực, cịn cần phải ổn định điểm làm việc tĩnh chọn, không chất lơng làm việc tầngbị giảm sút

2 Víi BJT.

a Sơ đồ ổn đinh tuyến tính:

Sơ đồ phổ biến sơ đồ hồi tiếp- chiều: nhằm biến đổi điện áp mạch vào T cho hạn chế di chuyển điểm tĩnh đặc tuyến ra, gây nên yếu tố ổn định Sơ đồ nh sau:

VÝ dơ h×nh a:

6

Vcc

Uv

R1

Rc

C5 R2

Vcc

Ur Uv

Q3

Ur C2 Q2

C1 R1

Re Uv

Ur

R2

R1

C2

C1

Q1 Rc Vcc

Ic I1

I1

h.a h.b

h.c

Nguyên tắc ổn định: có nguyên nhân ổn định làm cho dịng chiều ICEo colector tăng điện UCEo giảm, ú dũng nh thiờn

IBo= UCEo/R1 giảm theo, làm ICEo giảm xuống, nghĩa dòng tĩnh ban đầu giữ

nguyªn

Cũng dùng sơ đồ hồi tiếp dòng điện: Nguyên tắc ổn định nh sau:

Khi IC tăng, điện áp UEo=Ie Re, tăng điện áp Ue lấy phân áp

R1 R2 không đổi, nên UBEo=IBR2- UEo giảm làm cho IB gim, vy IC khụng

tăng Tụ Ce cã t¸c dơng tr¸nh håi tiÕp - xoay chiỊu

a Sơ đồ ổn đinh phi tuyến :

áp dụng phơng pháp bù nhiệt nhờ phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ nhứ T, D, Điện trở nhiệt, phơng pháp thích hợp cho mạch tổ hợp

- Nếu D T nh hình a đợc sản xuất từ loại bán dẫn nh nhau, nhiệt độ mặt ghép chúng nh nhau, đặc tính nhiệt điện áp B-E điện áp hạ D nh nhau; UBE; UD có chiều ngợc nhau, nên ảnh hởng

nhiệt độ đợc bù hoàn toàn

- Sơ đồ hình B làm việc theo nguyên tắc đó, mắc nối tiếp R2 với D phân cực thuận, R1, R2, D tạo thành mạch phân áp đa điện áp vào B, chọn R2<<R1 UB hầu nh không phụ thuộc nguồn Vcc

- Sơ đồ hình c: dùng điện trở có hệ số nhiệt - để bù, nhiệt độ tăng RT

giảm, điện áp UE tăng làm IC giảm cho bù lại tăng IC theo

nhiệt độ

Các mạch loại có u điểm có tổn hao phụ khơng đáng kể, khơng gây ảnh hởng đến áp

7

Rc

Re 1k

R2

Ce Re

R1

C 1uF R2

Vcc

Ur Uv

Q3

Ur C2 Vcc

Q2

C1 R1

Re Uv

Ur Uv

R2 R1 C2

C1

Q1 Rc Vcc

ha

hb

hc

c ổn định mạch tổ hợp tơng tự

Dùng nguồn điện để ổn định nguồn dịng dễ chế tạo dới dạng tổ hợp, sơ đồ dới đây, giả thiết IC khơng phụ thuộc UCE Q1, Q2 có tham số hoàn

toàn giống nhiệt độ, đó: IC1=IC2 IB1=IB2= IC1/BN

Theo sơ đồ hình a: I1=IC1+ 2IB2 = IC2+ 2IC2/BN

Từ suy ra: IC2= I1/(1+2/BN)≈ I1 BN>>2

Từ ta thấy dùng I1 để điều khiển trị số IC2 Để I1 ổn định, n

giản nối A với Vcc qua R

Trong mạch tổ hợp, tránh chế tạo điện trở có trị số lơn, khó có dịng I1 nhỏ, để đạt đợc I1 nhỏ thờng dùng sơ đồ bên phải

3 víi FET

Vấn đề ổn định nhiệt FET làm cho điểm làm việc không phụ thuộc vào độ tạp tán tham số FET, không phụ thuộc nhiệt độ, thời gian, biến đổi điện áp nguồn cung cấp, giống BJT biện pháp ổn định nhiệt FET dùng nguyên tắc hồi tiếp - dịng điện điện áp ví dụ:

Các loại sơ đồ hồi tiếp - dịng điện thơng qua RS có dạng nh hình sau:

Nếu coi IG=0, ta có U'G=IDRS + UGS; biểu thức cho biết dạng đờng

điện trở Rs với độ dốc:

8

Rt (-) Vcc

Rc

Q3 C2 C1 R1

R2 Uv

Ur

Re D2

Re1

Ur Uv

R2 R1 C3

C4 Q2 Rc1 Vcc

-Vcc R3 D1 Re

Ur Uv

R2 R1 C2

C1 Q1 Rc Vcc

ha Sơ đồ bù UBE hb Sơ đồ bù UBE nguồn cấp Hình c Sơ đồ bù điện trở nhiệt

R

Ucc Ucc

Q1 Q2

A

Ucc Ucc

Q1 Q2

Ur

+ - Vs1

RG

RS

UDD

RD

tgα=-(dID/dUGS)

U'G phải chọn cho dịng máng ID khơng đổi thay FET, chọn U'G

chínhlà chọn RG , điện trở ổn định

ch¬ng Håi tiếp I Khái niệm:

1 Định nghĩa:

Hi tiếp ghép phần tín hiệu ra(điện áp huặc dịng điện) mạng cực tích cực(phần tử khuếch đại- Transistor huặc KĐTT) đầu vào thông qua mạng cực, mạng cực gọi mạng hồi tiếp

Hồi tiếp đóng vai trị quan trọng kỹ thuật mạch điện tử tơng tự, cho phép cải thiện tính chất khuếch đại nh: trở kháng vào, trở kháng ra, băng thông,

2 Phân loại:

Theo tác dụng hồi tiếp có hai loại hồi tiếp bản: - Hồi tiÕp (-) : TÝn hiƯu håi tiÕp – ngỵc pha víi tÝn hiƯu vµo - Håi tiÕp (+): TÝn hiƯu håi tiÕp – cïng pha víi tÝn hiƯu vµo

Trong loại hồi tiếp ta lại quan tâm: tín hiệu hồi tiếp chiều hay xoay chiều, hồi tiếp âm chiều đợc dùng để ổn định chế độ cơng tác, cịn hồi tiếp âm xoay chiều đợc dùng để ổn định tham số khuếch đại Quan tâm đến cách ghép nối tiếp hay song song

Tổng hợp ta có loại nh sau:

+ Hồi tiếp nối tiếp điện áp: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với điện áp đầu

+ Hồi tiếp song song điện áp: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với điện áp đầu

+ Hồi tiếp nối tiếp dịng điện: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với dòng điện đầu

+ Hồi tiếp song song dịng điện: tín hiệu hồi tiếp đa đến đầu vào song song với nguồn tín hiệu ban đầu tỷ lệ với dòng điện đầu

10

K

Kht +(-)

XV XR

Xht Xh

XV: tÝn hiƯu vµo XR: tÝn hiƯu Xht: tÝn hiÖu håi tiÕp

K: Hệ số khuếch đại mạch Khuếch đại Kht: Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp

11 K

Kht

uV uR

uht

Hình Sơ đồ khối hồi tiếp nối tiếp điện áp

K

Kht

uV uR

uht

Hình Sơ đồ khối hồi tiếp nối tiếp dòng điện iht

K

Kht u

V

uR

uht

Hình Sơ đồ khối hồi tiếp song song điện áp

K

Kht u

V

uR

u

ht

3 Các phơng trình bản:

T s suy cỏc quan hệ: + XR = KXh

+ Xv = KnXn

+ Xh = Xv - Xht nÕu tÝn hiƯu vµo(Xh) vµ tÝn hiƯu håi tiÕp Xht

đồng pha (Xv = Xh + Xht)

+ Xh = Xv + Xht nÕu tÝn hiƯu vµo(Xh) vµ tÝn hiƯu håi tiÕp Xht

ngỵc pha (Xv = Xh - Xht)

+ Xht = KhtXr

n n

R tp ht V

R K K

X X K KK K X

X

K ; '

1

' = =

± = =

K’ : Hàm truyền đạt mạng cực tích cực có hồi tiếp Ktp: Hàm truyền đạt tồn phần

Kn: Hàm truyền đạt tồn phần khâu ghép

- Gọi Kv= KKht hệ số khuếch đại vòng

- Gọi g = ± Kv=1 ± KKht độ sâu hồi tiếp(dấu – hồi tiếp song song,

dÊu + håi tiÕp lµ nèi tiÕp)

Các tham số dùng để đánh giá mức độ thay đổi tham số khuếch đại Phân biệt trờng hợp sau:

• g >1, tức K’<K, tức mạch hồi tiếp mắc vào làm giảm hệ số khuếch đại, ta có hồi tiếp (-)

12

K

Kht +

XV

XR

Xht Xh

XV: tÝn hiƯu vµo XR: tÝn hiƯu Xht: tÝn hiƯu håi tiÕp

K: Hệ số khuếch đại mạch Khuếch đại Kht: Hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp X

n: tín hiệu từ tầng trước

Kn: Hệ số khuếch đại mạch ghép

Hình Sơ đồ khối tổng quát khuếch đại có hồi tiếp Kn

Xn

+

-• g <1, tức K’ >K, tức mạch hồi tiếp mắc vào làm tăng hệ số khuếch đại, ta có hồi tiếp (+)

• g=1, tức K’ = K, mạch trở thành mạch dao động(xem chơng mạch dao động)

III Ph¬ng pháp phân tích mạch có hồi tiếp:

Phõn tớch việc tìm thơng số bản: Zv, Zr, K, B Cơ giống nh mạch điện tử khác, chủ yếu dùng kiến thức lý thuyết mạch điện để phân tích, ngồi cịn kết hợp với lý thuyết khác nh lý thuyết điều khiển tự động

Hồi tiếp + xem xét chơng dao động, sau xét cho cỏc trng hp hi tip

-Sau ví dụ trờng hợp, phần tử tích cực Transistor: a, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép nối tiÕp

Chọn giá trị tụ điện cho trở kháng với tần số tín hiệu làm việc mạch nhỏ, để coi tín hiệu đợc nối tắt mà khơng qua Re sơ đồ không hồi tiếp

Với sơ đồ có hồi tiếp, khơng dùng Re, nên dịng ngõ ieic, i qua Re to

ra điện áp xoay chiều, điện áp hồi tiếp Vht=Ve=Re.ie(phải tính

điện áp tín hiệu Xh tÝn hiƯu ¸p-Vs)

Hệ số khuếch đại hồi tiếp:

Kht=Xht/Xr = Vht/Vc=(iB.β.Re) /(-iB.β.Rc)= - Re/Rc

Tõ kÕt ta tình tiếp thông số kh¸c

13

ur

Vs

Vcc

C2 C1

R2 R1

Re=Rht Rc

hình Mạch khuếch đại hồi tiếp

ie

b, Hồi tiếp âm điện áp, ghép nối tiếp

Cặp điện trở Rht Re1 tạo thành cặp phân áp lấy tín hiệu áp ur đầu vào,

điện áp hồi tiếp lấy điện trở Re1, có giá trị:

Rht u

Vht K u Rht

Vht r ñ

+ = =

= > +

=

1 Re

1 Re /

'

1 Re

1 Re

Từ công thức ta thấy hệ số khuếch đại hồi tiếp phụ thuộc vào điện trở Re1 Rht, nhng để đảm bảo chế độ thiên áp chiều cho Q1, Re1 thay đổi phạm vi lớn, hệ số khuếch đại hồi tiếp phụ thuộc chủ yếu vào Rht

14

Vcc

Q2 Rc2 R2

C3

ur C2

C1

R1 Rc1

Q1

Vs

Hình Mạch khuếch đại khơng hồi tiếp

Ce

ur Vs

Vcc

C2 C1

R2 R1

Re Rc

c, Håi tiÕp âm điện áp, ghép song song

in tr Rht thay Rb phân áp cho B Transistor, đồng thời Rht lấy điện áp hồi tiếp

Rht kết hợp với tổng trở ngõ vào tạo thành mạch phân áp, điện áp hồi tiếp đ-ợc xac ®inh:

Rht hie

hie u

Vht K u Rht hie

hie

Vht r ñ

+ = =

= > +

= ' /

15

Re1

Rht

Vcc

Q2 Rc2 R2

C3

ur C2

C1

R1 Rc1

Q1

Vs

Hình Mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp nối tiếp +

+

-+

Vht

Rht

Ur Vcc

Vs

C2 C1

Rc

Q1

Hình Hồi tiếp âm điện áp song song

hie

d, Håi tiÕp âm dòng điện, ghép song song

Mch hi tip dùng Rht lấy Ve2 để phân cực cho B1 đồng thời lấy tín hiệu ic2≈ ie2 qua Re2 tạo tớn hiu dũng iht

Dòng điện hồi tiếp iht phản ánh thành điện áp hồi tiếp Vht qua điện trë Rht ®a

đến đầu vào

HƯ sè hồi tiếp dòng điện: Ki=(Re2+Rht)/Re2

16

U r

Re2 Q2 Rc2

C3

Rb Rb1

Vc c

Vs

C2

C

Rc1

Q1

Rht

iht

M¹ch hồi tiếp âm dòng, ghép song song

hie

i

e2 Ur Vcc

Vs

C2 C1

Rb Rc

Q1

IV ảnh hởng hồi tiếp đến thống số mạch.

ảnh hởng hồi tiếp đợc tóm tắt theo bng sau:

Các thông số kỹ thuật

Hồi tiếp âm

dòng điện nối tiếp

Hồi tiếp âm điện áp nối tiếp

Hồi tiếp âm điện áp song song

Hồi tiếp âm dòng điện song song

Tổng trở ngõ vµo: Zv

Zi.g Zi.g Zi /g Zi /g

Tæng trë ngâ ra: Zr

Zo.g Zo /g Zi /g Zi.g

Độ khuếch đại điện áp: KU

Ku/g Ku/g Ku/g Ku/g

Độ rộng băng thông: B

B.g B.g B.g B.g

Trong g =1± K.Kht

Các mạch khuếch đại hồi tiếp âm làm tăng tổng trở ngõ vào thờng dùng cho tầng tiền khuếch đại, để khơng làm giảm biên độ tín hiệu hữu ích, mạch hồi tiếp âm làm giảm tổng trở ngõ thờng dùng cho tầng cuối(công suất), để tăng khả cấp dòng cho tải

Ngồi thơng số thống kê trên, mạch hồi tiếp cịn có tác dụng giảm biên độ nhiễu, giảm độ méo phi tuyến méo tần số

17

Ce2 Re2

Q2 Rc2

C3

Rb2

Rb1

Vcc

Vs

C2 C1

Rc1

Q1

Chơng Các sơ đồ tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor

- Với tín hiệu nhỏ thờng dùng sơ đồ tơng đơng để phân tích, biểu diễn phần tử tích cực sơ đồ tơng đơng Π, huặc sơ đồ tơng đơng mạng cực I Khái niệm

- Transisor linh kiện phi tuyến, nhng xét với tín hiệu phạm vi biến thiên nhỏ mức độ phi tuyến ảnh hớng khơng lớn, nên xem nh mạch tuyến tính, T đợc vẽ thành mạch tơng đơng gồm R, nguồn dịng, để tính tốn phân tích theo nguyên lý Lý thuyết mạch, biểu diễn sơ đồ tơng đơng Π, huặc sơ đồ tơng đơng mạng cực

- Việc tính tốn, phân tích mạch khuếch đại dùng T bao gồm phần sau:

+ Tính tốn chế độ chiều

+ Tính tốn tham số chế độ xoay chiều(chế độ động)

Phần tính tốn chế độ chiều ta xem xét phần Cấu kiện Điện tử, nghiên cứu chế độ động

II Phân tích mạch khuếch đại sơ đồ tơng đơng 1 Mạch tơng đơng Transistor

Điều kiện để T dẫn phân cực thuận với tiếp giám BE phân cực ng-ợc với tiếp giám BC, mạch tơng đơng T nh sau:

Trong đó:

+ Rb lµ điện trở đoạn từ cực B vùng bán dẫn cực B + Re điện trở thuận trạng thái xoay chiều mối nối BE:

Re=26mV/IE(mA)

+ Rc điện trở nghịch mối nèi BC

Mạch tơng đơng T dùng thông số ma trận H:

trong đó: 18

E Re B Rb

Rc C

ie ic

C

Ic=β.ib Re

Rb

Ib B

Ie

E

+ ib: dßng điện tín hiệu ngõ vào, giá trị phụ thuộc vào Rb, Re + ic : dòng điện tín hiệu ngõ ra, ic=βib

Phơng trình đặc trng theo ma trận H: Ube=h11.ib+h12.Uce

ic = h21.ib +h22.Uce + h11=Ube/Ib: điện trở ngõ vào + h21=Ic/Ib: hệ số khuếch đại dòng

+ h12=Ube/Uce: độ khuếch đại điện áp ngợc + h22=Ic/Uce: dẫn nạp ngõ

2 Mạch tơng đơng kiểu EC:

- Tỉng trë ngâ vµo: h11= hie=Ri= ib re ib rb ib ib re ie rb ib Ib

Vi = + = + β

- Tæng trë ngâ ra: ro=1/h22

- Độ khuếch đại dòng: Ki=h21=β

- Độ khuếch đại điện áp: Ku= Rbe Rc h Ube Uce 12 β − = =

3 Mạch tơng đơng kiểu BC: - Tổng trở ngõ vào:

h11= hie=Ri=

β β re re ie

rb ib re

ie + = +

=

- Tæng trë ngâ ra: ro=Vo/ic

4 Mạch tơng đơng kiểu CC: - Tổng trở ngõ vào:

h11= hie=Ri= rb re R1

ib

R ie re ie rb ib

β

β +

+ = +

+ =

- Tổng trở ngõ ra: ro=re+1/β(rs+rb) - Độ khuếch đại dòng: Ki=ie/ib=β+1

- Độ khuếch đại điện áp:

Ku=

1

1

≈ +

+ =

R ie re ie rb ib

R vb

ve β

5 Phân tích mạch khuếch đại mạch tơng đơng Minh họa:

20

Rs

R1 Re

Vs

C

Ic Rb

B

ie

Vcc

Zt C2

Ce Re Rc

Q1

R2 R1

C1

Rs

ta cã Zi=hie//R1//R2 -Ki=β

- Ku=

Zi Zt Vi

Vo

β − =

-Hệ số khuếch đại toàn mạch Ktp=Ku

Rs Zt

Zt Vs

Vi

+ − = β

III Tính tốn thông số chế độ động Minh hoạ qua ví dụ:

Tính tốn chế độ động cho mạch có tham số nh hình vẽ:

21

Zt Rc

Ic hie

R2 R1 Rs

Vs

E

B C

Zt Rc

Ic Zi

Rs

Vs

E

B C

Giải: Sơ đồ tơng đơng:

-Tổng trở vào T: Ri=hie=2,5K -Ki==100 lần

- Ku= 112

5 , , 100 // = − ≈ − − hie Zt Rc

lần(hệ số KĐ riêng T) - Zv chung mạch=Zi//hie= K

R R hie R R hie Zi hie Zi hie , ) // ( ) // ( ≈ + = + - Độ khuếch đại áp toàn mạch:

Ktp= 88 600 , 2 , 112 = − + − = + = Rs Zv Zv Ku Vs Vi Vi Vo

DÊu - chøng tá tÝn hiƯu ngỵc pha víi tÝn hiƯu vµo IV Transistor Trêng- FET

Mạch khuếch đại điển hình dùng FET, nh hình vẽ sau, dịng điện cực cửa IG, có giá trị nhỏ khơng đáng kể, nên sụt áp Rs không đáng kể, bỏ qua, , ta có:

+ VGS=-VGG

+Vgs=Vs

Điện áp tổng gồm chiều vµ xoay chiỊu lµ : VGS=vgs+VGS, 22 Vcc Zt C2 Ce Re Rc Q1 R2 R1 C1 Rs Vs

Điện áp cực tháo là: VDS= VDD- RD.iD= (1 )

PO s PO GS DSS

D DD

V v V

V I

R

V − + +

- Công suất tiêu tán FET: PD=VDS.ID

- Công suất tải: PT=RD+I2D+RD.Id2

Id: dòng trung bình cđa tÝn hiƯu lµm viƯc

Sau mạch khuếch đại thơng dụng:

- M¹ch SC(ngn chung):

Độ khuếch đại áp Ku tính gần đúng: Ku = D gs

R v

id Vgs

V

0 = −

- Mạch DC(tháo chung):

khuch i ỏp Ku tớnh gần đúng: Ku =

Rs g

Rs g Vgs

V

m m

+ =

1

Trong gm=id/vgs

V Các phơng pháp Ghép tầng khuếch đại

23

Ur

+ -VGG Vs

Rs VDD

RD

Q1

C2 C1

RG

Cs Rs

Ur

Vs

VDD

RD

Q1

Rs C1

RG Rs

Ur

Vs

VDD

Một khuếch đại thờng gồm nhiều tầng khuếch đại mắc liên tiếp thơng thờng tầng khuếch đại khơng đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết Trong trờng hợp tín hiệu tầng trớc tín hiệu vào tầng sau hệ số khuếch đại tổng ∑

=

= n

i

Ki dB

K

1

)

( với Ki hệ số khuếch đại tính theo dB tầng khuếch đại thứ i tổng số n tng khuch i

Chọn số tầng kiểu tÇng

Việc lựa chọn số tầng khuếch đại, kiểu tầng thứ tự chúng chủ yếu dựa vào trở kháng nguồn, trở kháng tải hệ số khuếch đại yêu cầu Hầu hết mạch khuếch đại cần:

Trở kháng vào cao so với trở kháng ngn

 Trë kh¸ng nhá so víi trë kháng tải

Vớ d: cn b khuch i có hệ số tăng ích trở kháng vào cao sử dụng BJT mắc kiểu CC làm tầng (trở kháng vào cao) BJT mắc kiểu CE làm tầng (hệ số khuếch đại lớn)

KiÓu ghép tầng

Có kiểu ghép tầng: ghép trực tiếp, ghép RC, ghép biến áp Phần tiếp sau giới thiệu cách ghép tÇng

1 GhÐp RC

Trong mạch khuếch đại nhiều tầng, mạch ghép RC thực ghép tầng với tầng khác nhờ tụ điện Tụ C2 nh hình dới biểu diễn kiểu ghép tầng CE

Ghép RC cho phép tín hiệu ac qua nhng lại ngăn cản tín hiệu dc Nh vậy, thành phần chiều không ảnh hởng lẫn tầng, đồng thời điểm làm việc tĩnh đợc cách ly

2 GhÐp biÕn ¸p

Trong trờng hợp này, việc liên kết tầng khuếch đại đợc thực biến áp Dới mạch ghép điển hình tầng dùng biến áp

Nh ta thấy hình trên, cuộn sơ cấp biến áp thay cho điện trở tải RL Vì biến áp hoạt động giống nh cuộn cảm (có trở kháng hay nhỏ so với dòng dc), nên dòng tĩnh ICQ qua tầng thứ không bị suy hao Còn với thành phần dòng ac, tải động (tải xoay chiều) tải thứ cấp nhìn từ cuộn sơ cấp, tức với (n2 R) với n: hệ số truyền đạt biến áp Việc sử dụng biến áp khiến tầng khuếch đại đợc cách ly với Điểm làm việc tĩnh Q đợc xác định tách biệt với tầng

Ưu điểm ghép biến áp là: dịng chiều tải đạt đợc hiệu suất cao

Nhợc điểm ghép biến áp là: kích cỡ trọng lợng lớn biến áp, giới hạn tần số biến áp không tuyến tính đờng cong đáp ứng tần số

Vì nhợc điểm nh vậy, biến áp khơng đợc sử dụng mạch tần số thấp, tín hiệu nhỏ Nó đợc dùng nhiều mạch khuếch đại tần số cao điều chỉnh kênh thu, biến áp sử dụng để tạo mạch cộng hởng

Trong mạch khuếch đại sử dụng biến áp, thành phần tín hiệu ac cuộn sơ cấp phụ thuộc vào điện kháng cuộn dây Hệ số khuếch đại tỷ lệ với điện kháng biến áp tín hiệu phụ thuộc vào tần số Để khắc phục vấn đề này, cần mắc song song mạch RC với cuộn sơ cấp.(hình bên)

3 GhÐp trùc tiÕp.

Ghép trực tiếp ph-ơng pháp đa trực tiếp tín hiệu từ tầng trớc tới tầng sau mà không thông qua linh kiện Hình bên ví dụ sơ đồ mạch ghép trực tiếp dùng tầng T : tải kép (tầng 1) CC (tầng 2)

Đáp ứng tần số sơ đồ mạch ghép trực tiếp đợc xác định tầng cấu thành mạch Ghép trực tiếp đợc viết tắt “d.c”

Nhợc điểm lớn kiểu ghép trực tiếp là: điện áp chiều tầng không độc lập với Sự dao động điểm Q tầng khiến điểm làm việc Q tầng thay đổi

4 C¸c kiĨu ghÐp transistor khác

a Mạch Darlington.

Hai Transistor c gọi kết nối Darlington (hoặc tạo thành cặp Darlington) dịng emitter tầng dịng base tầng thứ hai (hình dới đây)

Cặp Darlington có hệ số khuếch đại dịng cao trở kháng vào cao Nó thờng đợc dùng thay cho mạch lặp E

Thông thờng nhà chế tạo Transistor đặt cặp Darlington vào vỏ đơn làm cho Transistor có nhiệt độ làm việc

Các đặc điểm mạch lặp E sử dụng kết nối Darlington so với mạch lặp E dựng Transistor n l:

- Trở kháng vào cao h¬n

- Hệ số khuếch đại áp Av gần

- Hệ số khuếch đại dòng cao

b M¹ch Cascode.

Mạch khuếch đại Cascode mạch khuếch đại nhiều tầng ghép trực tiếp cấu hình gồm mạch Transistor kiểu CE Transistor CB nối với nh hình dới

Mạch có đặc điểm chính:

Trở kháng cao giống nh mạch CB

 Độ ổn định đáp ứng tần số cao Các đặc trng khiến mạch Cascode đặc biệt hữu dụng miền tần số cao

5 Mạch khuếch đại vi sai

* Cấu tạo: dạng mạch khuếch đại vi sai nh hình sau:

- Có phơng pháp lấy tín hiệu ra: LÊy ë c¶ cùc C cđa T huặc lấy từ cực điểm GND

- Phân biệt trờng hợp:

+ Khi hai tín hiệu vào biên độ pha v1=v2, mạch Va= K.v1

Vb=K.v2

là đối xứng nên có Va=Vb=> ngõ vi sai=0

+ Khi tín hiệu vào có dạng vi sai v1=-v2(cùng biên độ nhng ngợc pha): Khi Va-Vb=KVS(v1-v2) # 0, KVS hệ số khuếch đại vi

sai, giá trị thờng lớn

Nh vậy, mạch khuếch đại vi sai khuếch đại đại lợng sai số tín hiệu vào mà khơng khuếch đại tín hiệu thành phần

+ Khi tín hiệu vào bất kỳ, mạch khuếch đại khuếch đại thành phần vi sai khơng vi sai tín hiệu

* Mạch phân cực:

Khi mch hon ton i xng: IE= (VEE-VBE/)2RE=0

* Tín toán thông số:

Ta tÝn cho tÝn hiÖu vi sai:

v1=-v2 va=-vb

Nh dòng điện ngợc chiều T, không qua Re, nên bỏ Re tÝnh to¸n:

* C¸c nguyên nhân gây cân bằng

Cỏc linh kiện hình thành mạch: T, R, khơng hồn tồn giống đồng

Khi mạch khuếch đại vi sai bị cân bằng, thành phân tín hiệu xuất tín hiệu vi sai

Biện pháp khắc phục:

- La chn tht kỹ linh kiện, nên chế tạo theo dạng mạch tích hợp - Giữ dòng điện phân cực nhỏ, để sai số điện trở tạo điện áp vi sai nhỏ

- Thêm điện trở R’E để cân dòng điện phân cực

CHơng Khuếch đại công suất I Định nghĩa phân loại

Các mạch khuếch đại nói làm việc với tín hiệu nhỏ với cơng suất thấp Để tín hiệu đủ lớn đáp ứng cho phụ tải nh loa, cuộn lái tia … cần dùng đến khuếch đại công suất lớn Khuếch đại công suất tầng khuếch đại cuối khuếch đại Nó có nhiệm vụ cho tải cơng suất lớn với độ méo cho phép đảm bảo hiệu suất cao

Tầng khuếch đại cơng suất làm việc chế độ A, B, AB C, D tuỳ thuộc vào chế độ công tác transistor

 Chế độ A: chế độ khuếch đại chu kỳ tín hiệu vào Chế độ có hiệu suất thấp nhng méo phi tuyến nhỏ nên đợc dùng tầng khuếch đại đơn

 Chế độ B: chế độ khuếch đại nửa chu kỳ tín hiệu vào, chế độ có hiệu suất cao nhgn méo xuyên tâm lớn, khắc phục cách kết hợp với chế độ AB dùng hồi tiếp âm

 Chế độ AB: có tính chất chuyển tiếp chế độ A B Nó có dịng tĩnh nhỏ để tham gia váo việc giảm méo lúc tín hiệu vào có biên độ nhỏ

 Chế độ C: khuếch đại tín hiệu phần nửa chu kỳ, có hiệu suất cao nhng méo lớn Chế độ đợc ứng dụng mạch khuếch đại cao tần có tải khung cộng hởng để chọn lọc tần số mong muốn mạch khuếch đại đẩy kéo

 Chế độ D: chế độ transistor làm việc nh khoá điện tử

Dới xem xét chi tiết chế độ A, B, AB C chế độ hoạt động transistor tầng khuếch đại

II Mạch khuếch đại chế độ A

Trong mạch khuếch đại chế độ A, có dịng chảy mạch chu kỳ tín hiệu Kiểu mạch khuếch đại đòi hỏi hoạt động miền tuyến tính Khi tín hiệu vào thay đổi khiến dòng base thay đổi, thay đổi đủ nhỏ để giữ điểm làm việc miền tuyến tính tín hiệu có dạng nh tớn hiu vo

Dòng collector chảy chu kỳ tín hiệu giá trị trung bình với giá trị tĩnh

Hỡnh bên đờng đặc tuyến điển hình cho mạch khuếch đại sử dụng Transistor chế độ A: đờng cong đặc tuyến ra, đờng tải, dòng ic;điện áp vce

C«ng suÊt. 30

Để tìm giá trị cơng suất tiêu thụ chế độ A, giả thiết mạch khuếch đại nh hình dới có điện áp tĩnh VCEQ = Vcc/2 , tơng ứng với dịng ICQ = Vcc*RL/2

C«ng st hữu ích Pu :

với tín hiệu vào hình sin, điện áp tải RL là: VRL = Vs*sin(w.t)

Công suất tiêu hao tải RL với giá trị trung bình công suất tức thời vs(t)*is(t) :

L L

RL

R Vs R

Vcc P

* *

4

2

= =

ChØ xem xÐt thµnh phần công suất liên quan tới tín hiệu , ta cã: Pu = Vs2 / 2*R

L

C«ng suÊt Pcc cung cÊp bëi nguån dc

Đây giá trị cơng suất trung bình (Vcc*iS) đợc cung cấp nguồn dc với:

Pcc = Vcc2/2*R

L

Công suất tiêu hao T :

Đây giá trị công suất tiêu hao trung bình T [vce(t)*is(t)]: PD = Vcc2/4*RL VS2/2*RL

Nh ta thấy, PD nhỏ biên độ tín hiệu lớn Hiệu suất.

Hiệu suất đợc định nghĩa công suất hữu ích tải (Pu) công suất cung cấp nguồn (Pcc)

ηC = Pu/Pcc = VS2 / Vcc2

Từ đây, nhận thấy hiệu suất lớn Vs đạt giá trị max Theo lý thuyết, Vsmax = Vcc/2 ; điều kiện lý tởng hiệu suất lớn đạt 25% Thực tế, hiệu suất mạch khuếch đại chế độ A đạt khoảng 20%

Mạch khuếch đại chế độ A đạt hiệu suất cao (max=50%) tải đợc ghép biến áp

III Mạch khuếch đại chế độ B.

dòng nửa chu kỳ dơng tín hiệu vào Mỗi nửa chu kỳ âm tín hiệu vào mà thấp giá trị ngắt cut-off , ngăn dịng collector Hình ví dụ khuếch đại tín hiệu ac chế độ B

Với tín hiệu ac, dịng collector chảy nửa chu kỳ tín hiệu có nghĩa 1800 Góc đợc gọi góc dẫn Để có đợc tín hiệu lặp lại dạng tín hiệu vào, cần đến linh kiện tích cực hoạt động chế độ B Mỗi linh kiện khuếch đại tín hiệu 1/2 chu kỳ Có kiểu mạch thực nguyên tắc này:

M¹ch ®Èy kÐo push-pull

Mạch kết cuối đơn (single - ended)

Mạch đẩy kéo - đối xứng bù (complementary symmetry) a Mạch khuếch đại đẩy kéo

Mạch khuếch đại đẩy kéo gồm Transistor NPN mà kết nối đối xứng với có điểm E chung nh hình bên Tại đầu tầng, có biến áp với điểm đấu nguồn Vì Transistor loại, dòng collector chảy nửa cuộn dây biến áp, chúng có h-ớng ngợc tạo dòng chảy ngợc chiều

Trong chế độ tĩnh, Transistor hoạt động chế độ B nên chúng ngắt

Trong chế độ động hay chế độ ac, giả thiết T thay phiên dẫn nửa chu kỳ tín hiệu Vì nửa sóng cuộn thứ cấp ngợc chiều nhau, dạng sóng sin hồn chỉnh đợc tạo lại tải

Mạch đẩy kéo sử dụng Transistor dẫn luân phiên Một biến áp vào có điểm nối đất có nhiệm vụ đa đến base Transistor hai tín hiệu nhng ngợc pha Một cách khác dùng mạch đảo pha giống nh trờng hợp mạch khuếch đại tải kép Điều cải thiện đáp ứng tần số việc sử dụng biến áp Các công thức tớnh cụng sut.

1 Công suất hữu ích Pu:

Giả thiết điện áp tải có giá trị đỉnh VM , cơng suất tiêu thụ hữu ích tải là:

Pu = VM2 / 2RL Công suất cung cấp nguồn Pcc

Đây giá trị trung bình công suất cung cấp bëi nguån dc: Pcc = 2*Vcc*VM/(π*RL)

từ đó, ta thấy Pcc max VM đạt max có nghĩa Vcc Lúc này:

Pcc = 2*Vcc2 / (R L) Công suất tiêu hao T

đây giá trị trung bình công suất tiêu hao T:

L M L

M D

R V R

V Vcc P

* *

*

− =

π

PD sÏ lín nhÊt VM = 2*Vcc/π Lóc nµy: PDMAX = Vcc2/(π2*RL)

và đạt xấp xỉ Pumax/5 Hiệu suất:

Đợc định nghĩa nh tỷ số công suất hữu ích tải Pu công suất cung cấp nguồn dc Pcc

η = Pu/Pcc = π*VM/(4*Vcc)

từ công thức này, ta thấy hiệu suất hàm tuyến tính VM đạt max VM = Vcc Lúc này, ηMAX = π/4 = 78,5% Hiệu suất thực tế mạch khuếch đại chế độ B khoảng 70%

b Mạch khuếch đại đẩy kéo, đối xứng bù (ngợc).

Sơ đồ khối điển hình mạch khuếch đại đẩy kéo, đối xứng bù đợc hình bên

2 Transistor khác loại (1 loại NPN loại PNP) hai đợc mắc theo kiểu lặp E Trở tải đợc điều khiển T1 nửa chu kỳ dơng T2 nửa chu kỳ âmễnem hình dới đây)

Tín hiệu vào mạch khuếch đại pha; có méo qua điểm đáng kể với mạch Méo qua điểm transistor T1 T2 dẫn điện áp VBE chúng đạt tới ngỡng dẫn (khoảng 0,7V) Ngợc lại chúng ngắt VBE rơi xuống thấp 0,7V

Sử dụng nguồn cung cấp đơn.

Mạch đối xứng ngợc dùng nguồn cung cấp việc nối tải với tụ điện có trị số lớn nh hình bên

c Mạch khuếch đại kết cuối đơn với nguồn cung cấp.

Một mạch kết cuối đơn đợc cho hình bên

Trong chế độ tĩnh, Transistor ngắt điểm chung A chúng đợc nối đất Khơng có dịng chảy qua tải

theo hớng ngợc lại Nh vậy, để tạo lại trung thực tín hiệu, cần thiết đa vào base Transistor hai tín hiệu ngợc pha

Khi xác định linh kiện, nhớ rằng, điện áp rơi Transistor ngắt gấp lần Vcc (điện áp sụt Transistor dẫn 0V) Nh vậy, phải lựa chọn Transistor có VCE0 > 2Vcc (với VCE0 giá trị điện áp đánh thủng

Transistor)

Chú ý rằng, T1 hoạt động nh mạch khuếch đại lặp emitter T2 hoạt động nh mạch CE, nên hai nửa sóng tải khơng có biên độ

Để T1 hoạt động nh mạch CE, cần cung cấp tín hiệu vào base emitter Điều thực đợc việc ghép biến áp nh hình bên

d Mạch khuếch đại kết cuối đơn với nguồn cung cấp

Để sử dụng nguồn cung cấp nh hình bên tải phải đợc nối tới tụ điện có giá trị cao (khoảng vài trăm àF) Trong trờng hợp này, điện áp tụ số suốt chu kỳ hoạt động, giống nh nguồn cung cấp thứ

NÕu Transistor giống nhau, điểm chung A có điện áp Vcc/2 tụ trì điện áp

Nh vậy, hoạt động mạch giống nh trờng hợp nguồn cung cấp Khi T1 dẫn, điện áp cung cấp cho mạch hiệu Vcc điện áp tụ, tức Vcc/2 Còn T2 dẫn, có nguồn cung cấp tụ hoạt động, tức Vcc/2

IV Mạch khuếch đại chế độ C.

Trong mạch khuếch đại chế độ C, T đợc phân cực miền ngắt Với tín hiệu vào hình sin, tín hiệu xung với độ rộng nhỏ 1/2 chu kỳ nh hình dới Méo trờng hợp lớn Hoạt động mạch khuếch đại chế độ C khơng tuyến tính Mạch khuếch đại lớp C thờng sử dụng kết hợp với tải cộng hởng

và chủ yếu để khuếch đại công suất tần số cao

Hoạt động

Khi tín hiệu sin v(t) = VM*sin (wt) , đợc đa tới đầu vào mạch khuếch đại, dòng i(t) qua tải RL khác khoảng thời gian dẫn T = t2 - t1 tơng

øng víi gãc dÉn

φ = φ2 - φ1 víi φ = ω*T

Trong mạch khuếch đại chế độ A góc: φ <1800 phụ thuộc vào chế độ phân áp Transistor

Mạch khuếch đại không tiêu hao cơng suất chế độ tĩnh (vì ICQ= 0) công suất tiêu hao chế độ động phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào v(t) góc dẫn Vì lý đó, hiệu suất mạch chế độ C hàm góc dẫn Khi giảm góc dẫn φ này, hiệu suất tăng đạt tới 100% Thực tế khơng thể giảm góc dẫn nhiều cơng suất tổng giảm theo

Các xung dịng i(t) hàm tuần hồn, chu kỳ hàm với chu kỳ tín hiệu vào Sử dụng chuỗi Furier, dịng tải đợc biểu diễn tổng sóng sin:

i(t) = ICQ +i1*sin(wt) +i2*sin(2wt) +…

Nếu sử dụng tải mạch cộng hởng điều chỉnh đợc tần số mạch khuếch đại ứng dụng làm nhân tần Tuy nhiên, biên độ hài bậc cao nhỏ nên ứng dụng khuếch đại chủ yếu tần số f=w/2π

Một khuếch đại chế độ C hoạt động tần số cao, nhng dùng để khuếch đại tần số, khơng thể dùng cho ứng dụng khuếch đại địi hỏi tuyến tính

Chơng Khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán (KĐTT) thuật ngữ đợc đa để khuếch đại đặc biệt có nhiều cấu hình hoạt động khác cách ghép nối thích hợp thành phần bên ngồi Các KĐTT đợc ứng dụng máy tính tơng tự với phép tính số học đơn giản nh cộng, trừ, nhân, chia, vi phân tích phân Khả kết kết hợp hệ số khuếch đại lớn hồi tiếp âm

Cùng với phát triển không ngừng kỹ thuật điện tử từ cấu tạo bóng chân không nặng nề, sau đến BJT rời rạc, tới KĐTT dạng tích hợp Việc làm cho KĐTT trở nên gọn nhẹ, tiêu thụ lợng, làm việc ổn định v c ng dng rt rng rói

Chơng giới thiệu KĐTT nh kỹ thuật phân tích mạch KĐTT thông dụng

I khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier)

Một KĐTT có hai đầu vào mà thực chất đầu vào khuếch đại vi sai, tầng đầu KĐTT Bộ KĐTT có đầu nhất, hai đầu vào cấp nguồn chân bù điện áp, bù tần số … (thông thờng KĐTT IC có chân) Hình dới ký hiu v s n

giản minh hoạ cấu trúc bên KĐTT

Điện áp đầu Vr tû lƯ víi hiƯu sè cđa ®iƯn thÕ hai đầu vào, cho bởi:

Vr = Kd.(Vb - Va) Đầu

vào Đầu vào

Đầu

với Kd hệ số khuếch đại áp, thờng lớn cỡ 000 000 lần Nh KĐTT khuếch đại hiệu điện áp hai đầu vào

Nếu Vb = Vr = -Kd.Va nên Vr ngợc pha với tín hiệu vào Vì vậy, ngời ta gọi a đầu vào đảo ký hiệu dấu (-) hay chữ N (negative)

Nếu Va = Vr = Kd.Vb nên Vr đồng pha với tín hiệu vào Vì vậy, ngời ta gọi b đầu vào không đảo ký hiệu dấu (+) hay chữ P (positive)

Một KĐTT lý tởng có:

Trở kháng vào vô cùng, Zv

Trở kháng b»ng kh«ng, Zr =

 Hệ số khuch i Kd

Đáp ứng tần số nh tần số

Tuy nhiên thực tế tham số KĐTT là:

in ỏp lch khụng l in áp đa tới đầu vào để tạo điện áp đầu Điều có nghĩa, khơng có điện áp đầu vào, đầu có in ỏp khỏc

Trở kháng vào lớn cỡ từ hàng trăm K tới hàng M

Trở kháng nhỏ cỡ từ hàng tíi vµi chơc Ω

 Hệ số khuếch đại Kd từ vài trăm tới hàng triệu lần

 Đáp ứng tần số có giới hạn

II cỏc tham số kđtt 1 Hệ số khuếch đại hiệu Kd

Hệ số khuếch đại hiệu Kd đợc định nghĩa nh tỷ số điện áp đầu điện áp đầu vào vi sai

Kd = Vr/Vv víi Vv = VP - VN

Tuy nhiên, Vr tỉ lệ với Vv dải điện áp định từ Vrmin tới Vrmax Dải điện áp gọi dải biến đổi điện áp KĐTT, ngồi dải điện áp khơng đổi không phụ thuộc vào điện áo vào, KĐTT trạng thái bão hoà

Đối với điện áp tần số thấp Kd không phụ thuộc vào tần số nhng tần số cao hệ số giảm xuống ảnh hởng tham số điện dung ký sinh bên KĐTT Tần số giới hạn đợc xác định vị trí Kd tần số trung tâm giảm xuống 2lần độ rộng dải tần

K§TT

N P

-+

Vr

Vro Vr

2 Dòng vào tĩnh điện áp lệch không

Dũng vo tnh l giỏ trị trung bình dịng vào đầu vào đảo đầu vào khơng đảo khơng có tín hiệu vào

2 N P t

I I

I = + víi VP = VN =

Dßng vào lệch không hiệu dòng vào hai đầu vµo

N

P I

I I0 = −

Thông thờng Io = 0,1It Hai thông số cho thấy tính khơng lý tởng KĐTT thc, chỳng ph thuc vo nhit

Dòng vào lệch không nguyên nhân gây hiệu điện áp lƯch kh«ng

Trong KĐTT thực, VP = VN Vr khác khơng Đó khơng hồn hảo linh kiện mạch khiến mạch khơng hồn tồn đối xứng Lúc điện áp điện áp lệch không đầu vào gây nên Ngời ta gọi điện áp Vr điện áp lệch không cần đặt hai đầu vào để điện áp Vrlt Nói cách khác, điện áp lệch không điện áp để cân điện áp nhỏ tồn đầu vào

Mạch nh hình dới sử dụng để đo điện áp lệch không Vro điện áp đầu không mong muốn gây điện áp Vr đầu vào

Hai giá trị điện áp phụ thuộc vào giá trị trở kháng Ri Rf:

Rf Ri

Ri V Vro

+ =

Vì khơng có tín hiệu đợc đa tới khuếch đại giả thiết khơng có ảnh hởng dịng lệch nh dịng phân cực điện áp có điện áp lệch khơng Đo đợc Vro cho phép tính giá trị điện áp lệch khơng Vr Khi ta đa điện áp nhng đảo dấu so với điện áp lệch không vào đầu vào điện áp đầu

3 Tỷ số nén tín hiệu đồng pha

Tỷ số nén tín hiệu đồng pha CMRR(common mode rejection ratio) Nếu đặt vào đầu vào đảo đầu vào khơng đảo điện áp theo lý thuyết Vr phải Nhng thực tế lại khơng nh vậy, lúc có:

Vr = Kc.Vcm

Với Kc hệ số khuếch đại đồng pha (KĐTT lý tởng Kc = 0, tức Vr = nh hình bên)

Vcm = VP = VN

Để đánh giá khả làm việc KĐTT thực so với KĐTT lý t-ởng ngời ta đa hệ số CMRR để so sánh hệ số khuếch đại hiệu Kd hệ số khuếch đại đồng pha Kc

CMRR = Kd / Kc (khoảng 103 – 105) Chú ý: Tỷ số nén tín hiệu đồng pha thờng đợc tính theo đơn vị decibel

c d

K K dB

CMRR( )= 20lg (khoảng 76dB – 100dB) III Các sơ đồ KĐTT

1 Bộ khuếch đại đảo

Hệ số khuếch đại hở mạch khuếch đại thuật toán lớn (điển hình khoảng 100 000 lần hay 100dB) Hệ số lớn nên gây ổn định cho mạch, khơng đợc sử dụng thực tế

Để giảm bớt hệ số khuếch đại mạch ngời ta sử dụng biện pháp hồi tiếp âm Nghĩa lấy phần tín hiệu quay trở đầu vào đảo KĐTT Mạch cấu hình nh hình bên

Trong hình này, đầu vào đảo có điện so với đầu vào không đảo tức 0V, thờng gọi đầu vào đảo điểm “đất ảo”

Dòng chảy qua R1 đợc cho bởi: I = Vv / R1

Chú ý: Trở kháng vào có giá trị vô nên dòng điện I chảy qua Rf điện áp Vr qua là:

Vr = - R2 I

Dấu “-“ xuất phát từ thực tế rằng, Vv > 0V dòng chảy từ Vv tới Vr Vr có mức điện áp thấp đầu vào đảo; nhiên đầu vào đảo lại điểm đất ảo (0V) nên Vr phải âm

Thay giá trị I vào ta đợc : Vr = - Vv R2 / R1

vì hệ số khuếch đại đợc định nghĩa nh tỷ số áp vào áp nên: K = Vr / Vv = - R2 / R1

Chú ý: Với khuếch đại thực, trở kháng vào hệ số khuếch đại vơ nhng lớn cơng thức chấp nhận đợc

2 Mạch khuếch đại không đảo

Một mạch khuếch đại khơng đảo đơn giản đợc nh hình dới Để ổn định mạch khuếch đại, phần tín hiệu đợc lấy quay trở đầu vào đảo (hồi tiếp âm)

Tơng tự, từ tính chất trở kháng vào vơ cùng, thấy dòng chảy qua R2 dòng chảy qua R1 R1 R2 tạo thành mạch phân áp điện áp Vr

Từ đó, suy hệ số khuếch đại:

1

R R Vv

Vr

K = = +

Các công thức cho mạch KĐTT thực tế có hệ số khuếch đại lớn trở kháng vào cao

Chú ý: Từ công thức thấy hệ số khuếch đại mạch không đảo nhỏ 1, hệ số R2=0 R1 = ∞

Mạch khuếch đại tổng có đầu vào nhiều cần Nh thấy hình bên điện áp V1 V2 đợc đa đến đầu vào đảo KĐTT qua điện trở R1 R2

Mỗi đầu vào tạo tác động đầu độc lập với Bởi thế, điện áp đợc xác định tổng kết tính với đầu vào

   



 +

− =

2 * *

R R V R R V Vr

Dấu - biểu thị đầu ngợc pha với tín hiệu vào

Từ công thức trên, yêu cầu đầu tổng đầu vào tỷ số R3/R1= R3/R2 = Lúc này:

Vr = - (V1 +V2)

Nếu đầu trung bình điện áp đầu vào tỷ số R3/R1 =R3/R2=0,5 Tức là:

Vr= -(V1+V2)/2

Chú ý: Có thể có nhiều đầu vào, nhng ý số lợng giới hạn để không khiến cho khuếch đại vợt khỏi khoảng làm việc tuyến tính, đồng thời tổng dịng phải nhỏ dòng max cho phép nhà sản xuất quy định

Mạch khuếch đại tổng làm việc với tín hiệu dc lẫn tín hiệu ac 4 Mạch khuếch đại hiệu

Mạch khuếch đại hiệu cho ta điện áp hiệu (hay nhiều) điện áp vào Mạch điển hình sử dụng KĐTT để tính hiệu hai điện áp đợc hình dới

Ta tìm cơng thức tính tốn mạch khuếch đại hiệu, giả thiết KĐTT lý tởng Vì trở kháng vào, trờng hợp song song với R4, theo lý thuyết vô cùng, nên điện áp vào cực không đảo là:

4

4 '

R R

R V V

+ =

Vr

Vr

Vì mạch KĐTT lý tởng có hệ số khuếch đại vơ nên điện áp V1’=V2’ Do vậy, dịng I qua R1 là:

1 4 * 1 ' 1 R R R R V V R V V I + − = − =

Toàn dòng điện chảy qua R2 trở kháng đầu vào vô Do vậy, điện áp là:

Vr = V1 I*R2

Thay cơng thức vào ta tính đợc Vr nh sau:

2 4 ) ( 1 V R R R R R V R R Vr + + + − =

NÕu tû sè R2/R1=R4/R3 th× ta cã: Vr = (V2 - V1)*R2/R1 R2=R1 R4=R3 thì:

Vr = V2 - V1 5 Mạch tích phân

Mạch tích phân đơn giản đợc cho hình bên

Ta thÊy cã tơ ®iƯn C m¹ch håi tiÕp

Đầu vào khơng đảo nối đất, đầu vào đảo coi nh có điện áp V (điểm đất ảo) Bởi thế, dòng chảy qua điện trở R đợc tính tỷ số Vv chia cho R Tồn dịng điện nạp cho tụ Nói cách khác, ta có:

dt dVr C R Vv =

v× Vr = -Vv, nªn: Vvdt RC dVr= −

tÝch ph©n vÕ, ta cã:

∫

−

= Vvdt

RC

Vr

vËy điện áp tích phân điện áp vµo chia cho h»ng sè thêi gian τ = RC

Biến τ đợc định nghĩa nh thời gian cần thiết cho điện áp Vr đạt tới biên độ với điện áp vào, điều kiện với điện áp vào số

Vr Vv

Xét với KĐTT thực, ta tìm đợc điện áp lệch không, xuất nh điện áp dc đầu vào đợc tích phân xuất đầu nh điện áp tăng tuyến tính Tơng tự, phần dịng thiên áp đợc tích phân, tạo nên thay đổi điện áp

Hai nguyên nhân gây lỗi thực tế đa KĐTT đến trạng thái bão hoà Đây hạn chế mạch Vấn đề đợc khắc phục việc nối thêm điện trở đầu vào không đảo đất, để bù ảnh hởng dòng thiên áp; đồng thời thêm điện trở mắc song song với tụ C để trung hồ ảnh hởng điện áp lệch (hình bên)

6 Mạch vi phân

S mch vi phân đợc hình bên Điện trở đợc dùng mạch hồi tiếp, tụ đợc nối với điện áp vào

Giả sử KĐTT lý tởng, đầu vào đảo có mức điện áp (điểm đất ảo), thế, dòng chảy qua R đợc cho bởi:

i = Vr/R víi tơ ®iƯn, ta có quan hệ sau:

i=C*dV/dt

vì trở kháng vào vô cùng, nên dòng qua tụ với dòng qua trở R, thay vào ta có:

dt dVr RC Vr= −

Nếu tín hiệu vào tín hiệu dc, điện áp 0V, tụ ngăn cản dịng dc Nghĩa hệ số khuếch đại với thành phần tín hiệu dc Khi tần số tăng, biên độ điện áp nh hệ số khuếch đại tăng từ công thức ta thấy: Vr tỷ lệ với ω (dựa vào ngời ta xây dựng mạch biến đổi tần số-điện áp)

Theo lý thuyết, tần số vơ cùng, tụ điện có dung kháng 0, tức hệ số khuếch đại vô với mạch vi phân Tuy nhiên, hệ số khuếch đại cao khiến mạch khơng ổn định Ngồi ra, hệ số khuếch đại gia tăng theo tần số, nên nhiễu giao thoa tần số cao đợc khuếch đại gây biến dạng tín hiệu ban đầu Vr

Vv

Vr

Vr Vr

Do điện trở R1 đợc mắc nối tiếp với tụ C nh hình để giới hạn hệ số khuếch đại mạch vi phân, với tỷ số R/R1 tần số cao dung kháng tụ nhỏ (nói cách khác mở rộng dải tn hot ng ca mch)

7 Mạch so sánh

Mạch so sánh mạch mà so sánh tín hiệu vào Vv tín hiệu chuẩn Vref Điện áp cđa bé so s¸nh Vr cã thĨ nhËn mét hai giá trị: Vmin hay Vmax

Trong ng dụng này, mạch khuếch đại hoạt động miền không tuyến tính

Xét mạch hình bên, giả thiết KĐTT lý tởng, Vv>Vref đầu so sánh đạt tới mức điện áp dơng max (bão hồ dơng); ng-ợc lại Vv<Vref đầu đạt mức giá trị âm max (bão hoà âm)

Hoạt động mạch có đợc hệ số khuếch đại cao, điện áp hiệu nhỏ đủ để đa mạch vào trạng thái bão hồ

Ta thấy mạch điện đơn giản khơng cần có thêm linh kiện ứng dụng chủ yếu mạch phát qua mức 0 mạch tạo xung vuông

8 Mạch khuếch đại logarit

Mạch khuếch đại logarit có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu có quan hệ logarit với tín hiệu vào Sơ đồ mạch cho khuếch đại đợc nh hình bên nhánh hồi tiếp gồm Transistor

Bộ KĐTT có hệ số khuếch đại cao, cần điện áp lệch nhỏ đủ để đa đầu tới trạng thái bão hồ Vì base T nối đất Emitter nối đầu nên điện áp điện áp base-emitter nhng trái dấu

Vr = -vBE

Khi vBE tăng, dòng collector tăng Do trở kháng vào cao (vì dịng vào đầu vào đảo bỏ qua), dịng collector T dòng qua R Điều khiến điện áp lệch giảm điện áp giảm Để tránh bão hoà điện áp lệch nằm dải àV (do hệ số khuếch đại khoảng 100000)

Vv Vref

Vr

Vr Vv

Trong chế độ hoạt động thông thờng, điện áp vBE T khoảng 0,5 – 1V; có nghĩa điện áp lệch nhỏ nên coi đầu vào đảo nh điểm đất ảo Dòng ic đa vào collector T là:

ic = Vv /R (1)

Ta cã tû sè gi÷a dòng collector dòng base là: ic = hFE*iB (2)

đồng thời, ta có quan hệ điện áp base-emitter dòng base: T

BE

V v

B Io e

i = * (3)

trong đó: iB dịng base

Io = dßng rò (ngợc) bÃo hoà chuyển tiếp PN vBE = điện áp base-emitter

VT = K*T/ q điện thÕ nhiÖt

với K: số Boltzmann ; T : nhiệt độ tuyệt đối ; q: điện tích e Từ (2) (3) , ta có:

vBE = VT *

Io h

ic

FE*

ln

Thay giá trị ic (1) vào ta cã:

Io h R

Vv V

v

FE T

BE

* * ln *

=

Io h R

vin V

v Vr

FE T

BE

* * ln *

− = − =

Nh điện áp đầu hàm logarit điện áp đầu vào 9 Mạch exp:

Bn c chứng minh tơng tự để tìm dạng kết quả: điện áp có dạng Ur=exp(uv)

Ur Q1

+ U1

R1

Uv

10 Mạch nhân(chia) tơng tự: Y=X1.X2

Mch nhõn c thực sở mạch log Exp:

IV Phần Bài tập

1 Bi toỏn thun phõn tích mạch KĐTT đợc thực nh sau: Viết phơng trình KCL cho nút N để tìm VN theo nguồn đầu vào đảo Viết phơng trình KCL cho nút P để tìm VP theo nguồn đầu vào thuận

Cho VP = VN để tìm dạng điện áp đầu theo điện áp đầu vào

Chú ý: Bớc đợc thực với giả thiết dòng vào cửa KĐTT không

VÝ dô:

Xác định điện áp đầu theo điện áp đầu vào mạch sau:

out Vn V2 V1 Va Vb Vm Rn R2 R1 Rm Rb Ra Rf U1 IDEAL

¸p dơng KCL cho nót P ta cã:

) )( // // // ( 2 Rn V R V R V Rn R R V Rn V V R V V R V V n P n P P P + + + = → = − + + − + −

) // // // // ( ) )( // // // ( Rf Rn R R Rf V Rm V Rb V Ra V Rn R R V Rf V V Rm V V Rb V V Ra V V out m b a N out N m N b N a N + + + + = → = − + − + + − + −

Thay VN = VP ta đợc:

) ( // // // // ) // // // )( (

Rm V Rb V Ra V Rf Rf Rx Rb Ra Rf Rn R R Rn V R V R V V m b a n out + + + − + + + =

Bài tập mẫu:

Cho mạch điện nh hình vẽ Tìm biểu thức điện áp đầu theo đầu vào 4k 6k V3 out V1 V2 U4 IDEAL 4k 3k 12k

Viết phơng trình KCL điểm N với giả thiết trở kháng vào khuếch đại lớn nên coi nh khơng có dịng vào cửa đảo

8 8 2 . 3 2 0 12 4 3 Vout V V V V Vout V V V V N N N N + + = → = − + − + −

Cũng với giả thiết nh ta coi nh khơng có dịng vào cửa thuận Khi phơng trình KCL cho nút P là:

5 4 3 V V V V V V P P P = + = → = + −

Theo tính chất khuếch đại thuật toán điện áp cửa đảo điện áp cửa thuận nên ta có: VN = VP

Do vËy :

3 16 8 V V V Vout V V Vout V V

VN P

+ − − = → = = + + =

2 Bài toán ngợc

Thiết kế mạch KĐTT có phơng trình:

Vrut = X1.V1 + …+XnVn – Y1Va - … - YmVm

Trong X1, X2, Xn hệ số khuếch đại đầu vào không đảo Y1, Y2 …Ym hệ số khuếch đại đầu vào đảo

Gi¶ sử mạch cần thiết kế có dạng sau:

Rx Ry R1 R2 Rn V1 V2 Vn out Va Vb Vm Rm Rb Ra Rf U1 IDEAL

Tõ ph©n tích lý thuyết ngời ta đa cách làm nh sau: + TÝnh:

X = ∑ =

n i

Xi

1

= X1 + X2 + …+Xn Y = ∑

=

m j

Yj

1

= Y1 + Y2 + …+Ym Z = X- Y –

+ Dựa vào giá trị Z ta chọn trờng hợp sau để tính:

TH Z Ry Rx R1,2 Ra,b

1 > Rf/Z ∞

2 < ∞ -Rf/

Z

3 = ∞ ∞

Rf/Xi Rf/Yj

Chú ý: nên chọn giá trị Rf cỡ 100k - 200k Bµi tËp mÉu:

Thiết kế mạch cộng sử dụng khuếch đại thuật tốn có mối quan hệ đầu vào đầu nh sau:

Vrut = 10v1 + 6v2 + 4v3 – 5va – 2vb Gi¶i:

X = ∑ =

1

i

Xi= 10 + +4 = 20

Y = ∑ =

b a j

Yj= + = 7

Z = X - Y – = 20 -7 – = 12

Do Z > nên ta áp dụng cách tính trờng hợp Chọn Rf = 120kΩ

Khi giá trị cịn lại đợc tính nh sau:

Ω = Ω = = Ω = Ω = = Ω = Ω = = k k X Rf R k k X Rf R k k X Rf R 30 120 3 20 120 2 12 10 120 1 Ω = Ω = = Ω = Ω = = Ω = Ω = = k k Z Rf Ry k k Yb Rf Rb k k Ya Rf Ra 10 12 120 60 120 24 120

KÕt ta có mạch nh sau:

3 Thiết kế mạch KĐTT có phơng trình điện áp đầu chứa biểu thức tính tổng, hiệu, vi phân tích phân

Ta thực hiÖn nh sau:

Bớc 1: Thiết kế mạch dùng KĐTT thực phép tính tổng, hiệu Bớc 2: Thiết kế mạch dùng KĐTT thực phép tính vi phân Bớc 3: Thiết kế mạch dùng KĐTT thực phép tính tích phân Bớc 4: Dùng tổng với hệ số để cộng kết Bài tập mẫu:

Thiết kế mạch sử dụng KĐTT thực hµm sau:

∫ + −

+

= bdt c d

dt da

y

2

Gi¶i:

Dựa vào biểu thức cho ta thiết kế mạch

3 2

2

3

y y y y

bdt y

dt da y

d c y

− − = →

− =

− =

− =

∫

áp dụng tính nh tập biết ta có kết nh sau:

30k 10k

IDEAL d

y1

c 45k

15k

0.5u 1M

IDEAL a

y2

Kết ta có mạch sau:

1M

0.5u

y3 b

IDEAL

y2 10k

5k 10k y1

y y3

IDEAL

10k 10k

15k 45k c

d

IDEAL

10k 30k

10k 10k

IDEAL y

10k 5k 10k

0.5u 1M

IDEAL a

1M

0.5u b

IDEAL

Chơng Mạch lọc tích cực. I Khái niệm mạch lọc tần số

Mch lc tn số mạch chọn lọc lấy tín hiệu hay số khoảng tần số nồ cịn tín hiệu tần số khác bị loại trừ

Nếu phân chia theo dải tần số có loại mạch lọc sau:

Mạch lọc thông thấp

Mạch lọc thông cao

Mạch lọc thông dải

Mạch lọc chặn dải

 M¹ch läc pha

Khi biểu diễn mạch lọc tần số thông qua hệ số truyền đạt điện áp nói mạch lọc lý tởng mạng cực có hệ số truyền đạt K = dải thơng K = ngồi dải thông Nghĩa mạch lọc lý tởng không gây suy giảm tín hiệu dải thơng triệt tiêu hồn tồn tín hiệu ngồi dải thơng, mạch có vùng chuyển tiếp thẳng đứng không gây di pha tín hiệu

Với lọc lý tởng ta có dạng đặc tuyến nh sau:

 M¹ch lọc thông thấp

Mạch lọc thông thấp cho qua tần số từ tới fc chặn tất tần số từ fc trở lên fc gọi tần số cắt mạch

Mạch lọc thông cao

Mạch lọc thông cao chặn tất tần số từ tới fc cho qua tất tần số từ tần số cắt fc trở

Mạch lọc thông dải

Mạch lọc thông dải cho qua tần số nằm khoảng từ f1 tới f2 chặn tất tần số nằm dải

rng dỉa thơng đợc tính B = f2 – f1

0 fc f

1 K

M¹ch läc th«ng thÊp

0 fc f

1 K

Mạch lọc thông cao

0 fo f

1

K Mạch lọc thông dải

f2 f1

B

Tần số trung tâm fo= f1.f2

Mạch lọc chặn dải

Mạch lọc chặn dải cho qua tần số nằm khoảng nhỏ f1 lớn f2, chặn tất tần số nằm khoảng f1 f2

Độ rộng dỉa chặn đợc tính B = f2 – f1 Tần số trung tâm fo= f1.f2

 M¹ch läc pha

M¹ch läc pha dỉa chặn, cho qua tất tần số nhng đầu và đầu có sù dÞch pha

II Mạch lọc thụ động

Mạch lọc thụ động mạch chứa phần tử thụ động R, L, C mà khơng có phần tử tích cực nh BJT hay KĐTT

Mạch lọc thụ động Mạch lọc có hệ số truyền đạt K()<1

Các mạch hầu hết làm việc tần số cao ( >1MHz) khu vực tần số thấp mạch có kết cấu nặng nề hệ số phẩm chất giảm

Mt s mch lọc thụ động thờng gặp đặc tuyến truyền đạt chúng:

0 f

1

K M¹ch läc pha

0 f1 f

1 K

Mạch lọc chặn dải

f2

BomonKTDT-ĐHGTVT

III Mạch läc tÝch cùc

Mạch lọc tích cực mạch lọc có hệ số truyền đạt K(ω)≥1

Mạch lọc tích cực đợc đặc trng tham số bản: tần số giới hạn fg, bậc

cña bé lọc loại lọc

+Tn s gii hn fg : tần số mà hàm truyền đạt giảm dB so với hàm

truyền đạt tần số trung tâm

+ Bậc lọc: xác định độ dốc đặc tuyến biên độ - tần số tần số f >> fg

+ Loại lọc: xác định dạng đặc tuyến biên độ – tần số xung quanh tần số giới hạn khu vực thông mạch lọc

Ngời ta quan tâm nhiều đến loại lọc: lọc Bessel, lọc Butterworth lọc Tschebyscheff Đặc tuyến lọc đợc thể hình vẽ

Hình vẽ Đặc tuyến biên độ – tần số mạch lọc thông thấp bậc 4:

1-Lọc thụ động; 2- Lọc Bessel; 3- Lọc Butterworth; 4- Lọc Tschebyscheff

Mạch lọc Butterworth (3) có đặc tuyến phẳng kéo dài gấp khúc trớc đạt đợc tần số giới hạn fg Mạch lọc Tschebyscheff (4) có độ dốc lớn tần số f> fg ,

đồng thời, dải thông, đặc tuyến khơng phẳng hồn tồn mà có độ gợn sóng định Mạch lọc Bessel có đặc tuyến giảm từ khu vực thơng sang khu vực chắn có đáp ứng xung gần nh lý tởng (hình dới) Tuỳ yêu cầu cụ thể, chọn loại mạch lọc thích hợp

0,01 0,03 0,1 0,3 10 30

2 10

-10 -20 -30 -40 -50 -60

| K| (dB)

Ω=f/fg

Hình vẽ Đáp ứng xung mạch lọc thông thấp

1-Lc th ng; 2- Lc Bessel; 3- Lọc Butterworth; 4- Lọc Tschebyscheff Hàm truyền đạt tổng quát mạch lọc thông thấp:

∏ + +

=

i

i

i P b P

a Ko P

K

) ( )

( 2 (1)

trong đó, P = j.Ω = j (ω/ωg) = j (f/fg) = p/ωg = p/ 2πfg

Hàm truyền đạt tổng quát mạch lọc thông cao:

∏ + +

∞ =

i

i i

P b P a K P

K

)

( ) (

2

(2) Ko: hàm truyền đạt tần số trung tâm (tần số thấp f<<fg)

K∞: hàm truyền đạt tần số trung tâm (tần số cao f>>fg)

ai,bi: số thực dơng

Cỏc h s ai,bi c cho bảng chuẩn loại lọc Bessel, lọc Butterworth

vµ läc Tschebyscheff nh sau:

BËc Läc Bessel

n a1 b1 a2 b2

1 1,000 0,000 0,000 0,000

2 1,362 0,618 0,000 0,000

3 0,756 0,000 1,000 0,477

4 1,340 0,489 0,774 0,389

BËc Läc Butterworth

K

t

2

n a1 b1 a2 b2

1 1,000 0,000 0,000 0,000

2 1,414 1,000 0,000 0,000

3 1,000 0,000 1,000 1,000

4 1,848 1,000 0,765 1,000

BËc Läc Tschebyscheff

n a1 b1 a2 b2

1 1,352 0,000 0,000 0,000

2 0,978 1,663 0,000 0,000

3 3,480 0,000 0,369 1,283

4 2,140 5,323 0,192 1,154

Bảng: Các hệ số ai,bi lo¹i m¹ch läc

Trong đó, n: bậc lọc i: số thứ tự mắt lọc

Thực mạch lọc thông thấp thông cao bậc 2.

Có loại mạch lọc tích cực thơng dụng: mạch lọc hồi tiếp âm vòng, mạch lọc hồi tiếp âm nhiều vòng mạch lọc hồi tiếp dơng vịng Các mạch lọc thực cho loại: lọc Bessel, lọc Butterworth lọc Tschebyscheff, chúng khác hệ số ai,bi

1 Läc th«ng thÊp bËc 2:

Sơ đồ mạch:

Ur C1

C2 Uv

C2

R3 R2

R R

a./ b./

Ur C1

Uv

C2 R2

R1 R3

C2 Ur Uv C1 R1 R2 c./

Hình vẽ Mạch lọc thông thấp bậc

a./ hồi tiếp âm vòng; b./ hồi tiếp âm nhiều vòng; c./ hồi tiếp dơng mét vßng

Hàm truyền đạt

Xét mạch lọc thơng thấp hồi tiếp dơng vịng, viết phơng trình đỉnh mạch, ta có đợc hàm truyền đạt sau:

[ ] 2

2 2 1

2 (1 )

1 1 ) ( C C R R P C R k C R C R P k P K g g ω ω + + − + + = (3)

Xác định phần tử mạch

Để đơn giản, ta xác định phần tử mạch trờng hợp sau: a Cho R1 = R2 = R k =

Khi đó, ta có Op-amp mạch lặp điện áp Biểu thức hàm truyền đạt trở thành:

2 2 1 ) ( C C P RC P P K g g ω ω + +

= (3a)

So s¸nh biĨu thøc 3a víi 1, ta thÊy: Ko =

C1 = a1/4πfgR ; C2 = b1/πfgRa1

Tuỳ theo loại lọc, mà ta xác định đợc hệ số a1, b1

b Cho R1 = R2 = R

C1 = C2 = C

BiĨu thøc hµm trun trë thµnh:

2 2 ) ( ) ( C R P k RC P k P K g g ω ω − + +

= (3b)

So s¸nh víi (1), ta cã: RC = b1 / 2πfg

k = Ko = − a1/ b1

Lúc này, loại lọc hồn tồn đợc xác định k mà khơng phải linh kiện RC Do đó, thay đổi tần số giới hạn fg mạch cách thay đổi RC mà

khơng ảnh hởng đến tính chất lọc Lọc thông cao bậc 2:

S mch:

Xét mạch hồi tiếp dơng mét vßng

C1 C2

Ur Uv

R2

R1

Hình vẽ Mạch lọc thông cao hồi tiếp dơng vòng

Hm truyn t:

2 2 2 2

2( ) (1 ) 1

1 ) (

g

g P RR CC

C C R R k C R C C R P k P K ω ω + − + + + = (4)

Xác định phần tử mạch

a Chän : C1 = C2 = C

k = BiÓu thøc (4) trë thµnh:

2 2 1 1 ) ( g

g P RR C

C R P P K ω ω + +

= (4a)

So s¸nh (4a) víi (2), ta cã: K∞ =

a1 =

g

C R1 ω

2

b1 =

g

g RC

a C

R

R ω 2 ω

1

2

1

1

1 =

b Chän R1 = R2 = R

C1 = C2 = C

BiĨu thøc (4) cã d¹ng:

2 2

1

1 ) (

g

g P R C

RC k P

k P

K

ω ω +

− + =

(4b) Ta cã:

K∞ = a1 =

g

RC k

ω −

3

b1 = 2

1 g

C

R ω

2 Thực mạch lọc thông thấp thông cao bËc cao, n>2.

Trong trờng hợp đặc tuyến biên độ - tần số lọc không đủ vng góc, phải thực lọc bậc cao hi Muốn vậy, mắc nối tiếp lọc thông thấp bậc bậc hai biết Lúc đó, đặc tính tần số mạch tích đặc tính tần số mạch riêng rẽ

3 M¹ch lọc chọn lọc mạch lọc thông dải.

1 Mạch lọc thông dải.

Nếu mắc nối tiếp mạch lọc thông thấp có tần số giới hạn fg1 vµ mét

mạch lọc thơng cao có tần số giới hạn fg2 ta nhận đợc mạch lọc thông dải với điều

kiện fg1 >fg2 Lúc đó, fg1 đợc gọi tần số giới hạn (fgt) fg2 đợc gọi tần số

giới hạn dới (fgd) Đặc tính tần số tích đặc tính tần số hai khâu lọc

riªng rÏ

2 M¹ch läc chän läc.

Läc chän lọc thông dải có tần số giới hạn tần số giới hạn dới: fgt = fgd =

fo

Để đơn giản, xét lọc chọn lọc đợc cấu tạo từ mạch lọc thông cao tích cực bậc mạch lọc thơng thấp tích cực bậc

Hàm truyền đạt phức lọc:

2 1

1 ) (1 ) ( 1)

1 ( ) ( P a P a a P KoK P a K P a Ko P K + + + = + + = (5) Đặt: Ko.K∞=A

a12 + = β

chó ý r»ng víi bé läc bËc mét: a1 = ta viết lại biểu thức trên:

2 ) ( P P AP P K + + = β (6)

Đặc trng mạch lọc chọn là: hệ số khuếch đại mạch tần số trung tâm fo hệ số phẩm chất Q

Tại tần số trung tâm fo, ta có: =f/fo =

vµ P =jΩ = j

Lúc này, hệ số khuếch đại số fo (tần số cộng hởng): β

A

KCH = (6a)

Độ rộng dải thông đợc xác định hệ số khuếch đại giảm 2lần , nên ta có:

2

2 β

A K

K = CH =

(6b)

Thay (6b) vµo (6) giải phơng trình theo , ta có nghiÖm:

2

,

1 2 2

2 β β β ± + + = Ω (7)

Theo định nghĩa, phẩm chất mạch:

2 1 Ω − Ω = − = = f f fo B fo Q (8)

Thay nghiƯm tõ (7) vµo (8), ta cã: β

1

=

Q (9)

Thay (6a) (9) vào (6), ta nhận đợc hệ số khuếch đại mạch lọc chọn: ) / ( ) / ( P P Q P Q K K CH + +

= (10)

Sơ đồ mạch. b./ a./ C Ur Uv C R R c./

H×nh vÏ Mạch lọc chọn lọc

a./ hồi tiếp âm vòng; b./ hồi tiếp âm nhiều vòng; c./hồi tiếp dơng vòng

Hm truyn t

Xột mch phản hồi âm nhiều vòng, hàm truyền đạt đợc viết:

2 3 2 3 3 2 ) ( C R R R R R P C R R R R P C R R R R P P K O O O + + + + + − = ω ω ω (11)

So sánh (11) với (10), ta thấy, biểu thức (11) có dạng hệ số khuếch đại mạch lọc chọn hệ số P2 1, tức:

1 3 2 =

+ R C R R R R O ω

Do đó, tần số cộng hởng:

3 1 R R R R R C O + = ω Khi đó:

KCH=

1

2R

R

Q = π.R2CfO

B = C R Q fO π =

4 M¹ch nÐn chän läc

Để nén tần số đó, ngời ta dùng lọc có hệ số truyền đạt tần số cộng hởng khơng, cịn tần số thấp tần số cao hệ số truyền đạt tăng đến giá trị khơng đổi Một mạch nén chọ lọc thụ động phổ biến mạch T kép Hàm truyền đạt mạch:

2 1 Ω − Ω + Ω − = j KT (12) víi Ω = ωRC

hay: 2

4 1 P P P KT + + +

= (13) Biểu thức tơng đơng với biểu thức (6), đó:

A=1 ; β = 4;

Khi f<<fO hay f>>fO tức P<<j hay P>>j KT = KTO=A khi, f=fO tøc P=j th×

KT=0 Tơng tự với mạch lọc chọn lọc, ta tính đợc nghiệm Ω1 Ω2, đó:

Q=fO/B = 1/ Ω1 - Ω2 = 1/β (14)

Thay (14) vµo (6), ta cã biÓu thøc:

2 1 ) ( P P Q P K K TO T + + + = (15) So s¸nh víi (13), rót ra:

Q=1/4

Từ (15), tính đợc modyn KT:

4 2 2 2 2 ) ( ) ( / ) ( ) ( Ω + − − Ω − = Ω + Ω − Ω − = Q Q K Q K

K TO TO

T

Ta tính đợc hệ số phẩm chất mạch T kép Q=1/4 Ta tăng Q cách mắc mạch T kép vào mạch hối tiếp KĐTT để tạo mạch lọc tích cực

Hình vẽ Sơ đồ mạch nén chọn lọc dùng mạch lọc T kép

Tại tần số cao thấp, tính chất truyền đạt mạch T kép khơng có thay đổi, đó, điện áp ra:

1

.u K ur =

Tại tần số cộng hởng ur= 0, lúc coi nh đầu R/2 nối đất, tần số cộng hởng fO xác định theo biểt thức :

RC fO

π

2

=

Hàm truyền đạt phức mạch điện :

K = 2

2

) (

) (

P P k

P k

+ − +

+

Do đó, KO= k và:

Q =

) (

1

k

− Khi k=1 th× Q = 0,6; Khi k=2 th× Q = ∞

R/2

(k-1)R1 R1

R R

C C

Ur Uv

Chơng 6.Các mạch dao động

I Kh¸I niƯm

Mạch dao động mạch điện tử, dùng để tạo tín hiệu hình sin, xung hình chữ nhật, xung tam giác, xung ca

Mạch điện dao động thơng qua phơng thức tự kích để biến điện áp chiều thành điện áp biến đổi theo quy luật định: sin, xung hình chữ nhật, xung tam giác, xung ca

Mạch dao động có thơng số bản: + Tần số dao động:

• Bộ dao động siêu thấp tần: dới 1Hz

• Bộ dao động tần số thấp: 1Hz-3Khz(chứa âm tần) • Bộ dao động cao tần 3Khz-3Mhz

• Bộ dao động siêu cao tần: 3Khz + Biên độ điện áp dao động

+ Độ ổn định tần số + Công suất + Hiệu suất Nguyên lý tạo dao động:

+ Tạo dao động hồi tiếp dơng

+ Tạo dao động phơng pháp tổng hợp mạch

0 833u 1.67m 2.5m 3.33m 4.17m 5m -16

-8 16 24 32

Xa: 5.000m Xb: 0.000 Yc: 32.00 Yd:-16.00

a-b: 5.000m c-d: 48.00

freq: 200.0

Ref=Ground X =833u/Div Y=voltage

d c

b a

A

0 1.67m 3.33m 5m 6.67m 8.33m 10m

0 10 12

Xa: 10.000m Xb: 0.000

Yc: 12.00 Yd: 0.000 a-b: 10.000mc-d: 12.00 freq: 100.0

Ref=Ground X=1.67m/Div Y=voltage

d c

b a

A

0 833u 1.67m 2.5m 3.33m 4.17m 5m -4

0 12 16 20

Xa: 5.000m Xb: 0.000

Yc: 20.00 Yd:-4.000 a-b: 5.000mc-d: 24.00 freq: 200.0

Ref=Ground X=833u/Div Y=voltage

d c

b a

A

Xa: 497.6u Xb: 0.000 Yc: 1.200 Yd:-1.200

a-b: 497.6u c-d: 2.400

freq: 2.010k

Ref=Ground X=time(S)

Y

=

v

o

l

t

a

g

e

d c

b a

A B

1.Điều kiện dao động đặc điểm mạch tạo dao động

Phân tích mạch dao động theo quan điểm mạng cực nh sau:

Trong :

- Khối K: phần tử khuếch đạI(cung cấp lợng cho trình dao động hệ số truyền đạt=>1)

- Khối Kht: phần tử tạo dao động, thờng tổ hợp phần tử thụ động(hệ số truyền đạt<=1)

Xét cách tổng quát, ta có hệ số truyền đạt theo dạng phức khối:

+ Khối khuyếch đạI: K=[K].ejϕk

+ Khèi håi tiÕp: Kht=[Kht].ejϕht

Trong [Kht], [K]: module hệ số hồi tiếp khuếch đại

ϕht , ϕk góc di pha mạch hồi tiếp mạch khuếch đại

 Xr= K.Xv (1)

 Xht= Kht.Xr (2)

 Xht= Kht.K.Xv ( 3)

Để mạch mạch dao động, Xv=Xht, từ (3)=> Kht.K=1 (4) Dạng tổng quát (4): [K].[Kht].ej(ϕht +ϕk) =1

=>+ [K].[Kht]=1 (5)

+ ej(ϕht +ϕk) =1, tøc lµ ϕht+ϕk =2n∏ (6), víi n=0, ±1, ±2, ±3,

Gọi ϕ =ϕht+ϕk gọi tổng di pha hồi tiếp khuếch đại, đậc trng cho độ dịch pha tín hiệu vào ban đầu Xv tín hiệu mạch hồi tiếp Xht

2 Tính tốn mạch dao động

K

Khtt

Xr

Xht

Xv K

Khtt

Xr

Xht Xv



Sơ đồ khối mạch dao động

- Phần bù biên độ mạch khuếch đại thuật tốn mắc theo kiểu khơng đảo * * 1 ) ( 1 K R R K R R

k = + = + = (7)

- Điện áp hồi tiếp đầu vào thuận thông qua biến áp: uht=(M/L).u1=Kht.u1 (8)

M: hệ số hỗ cảm cuộn dây, L- điện cảm khung dao động - Điện áp khuếch đại ur= K.uv= K*.uht

- Theo định luật K1 với nút A:

∫ = − − − 1

1 u dt

L dt du C R u ur (9) Thay (7) (8) vào (9), ta đợc:

0 * 2 = + −

+ ht r r

r u LC dt du RC K K dt u d (10) Đặt : =(1-K*Kht)/2RC

ω2

0=1/LC

(10) cã d¹ng:

0 2 2 = +

+ r r

r u dt du dt u d ω α (11) Ur Uht M C U1 R1 K R2 (K*-1)R1 Kht

Mạch dao động LC

L

R1, (K*-1)R1 điện trở khâu khuếch i khụng o

R2 điện trở phối hợp trở kh¸ng

LC khung dao động Biến áp: hồi tiếp tín hiệu(hỗ cảm chiều)

Ph¬ng trình vi phân dạng bản, có nghiệm d¹ng:

t e

u

u t o

ro

r cos

2 α

ω

α −

= − (12)

+ Nếu α(=(1-K*Kht)/2RC)>0, tức K*Kht<1, biên độ điện áp dao

động bị suy giảm theo hàm mũ, dao động tắt dần

+ Nếu α(=(1-K*Kht)/2RC) =0, tức K*Kht=1, biên độ điện áp dao

động không đổi, dao động đợc trì có tần số ω o = 1/LC

+ Nếu α(=(1-K*Kht)/2RC)<0, tức K*Kht>1, biên độ điện áp dao

động tăng theo hàm mũ

Nh vậy: để có đợc dao động đóng mạch(quá độ) K*Kht>1

để biên độ dao động tăng dần, mach chuyển sang xác lập, hệ số khuếch đại giảm dần cho K*Kht=1

Đặc điểm mạch dao động:

+ Mạch dao động mạch khuếch đại tự điều khiển hồi tiếp (+) từ đầu đến đầu vào, lợng dao động từ nguồn điện chiều

+ Phải thoả mãn điều kiện cân v biờn v pha

+ Mạch phải chứa phần tử tích cực chuyển lợng mét chiỊu thµnh xoay chiỊu

+ Mạch phải chứa phần tử phi tuyến, huặc khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên độ dao động không đổi trạng thái xác lập

3 Nguyên lý xây dựng mạch dao động phổ biến:

Phần tử tích cực Phần tử dao động

Linh kiÖn Gãc lÖch pha Bé linh kiÖn Gãc lÖch pha

IC_KĐTT- mắc o LC

IC_KĐTT- không

o RC /4- mi khõu

T-EC(SC) (giữa B C) điểm điện cảm

T-BC(GC) điểm điện cảm

Các loại linh kiện khác

? Bộ kết hợp

linh kiện kiểu khác

?

Ghép cho: + Thoả mãn điều kiện biên độ + Thoả mãn điều kiện pha

II Các loại mạch dao động 1 Mạch dao động L,C

a Vấn đề ổn định biên độ dao động LC

- Chế độ dao động mềm dao động cứng, để ổn định biên độ dao động loại này, thờng dùng phơng pháp di chuyển điểm làm việc phần tử tích cực

+ Nếu phần tử tích cực làm việc với góc cắt tín hiệu θ=1800 đợc gọi

+ Nếu phần tử tích cực làm việc với góc cắt tín hiệu θ<900 đợc gọi

chế độ dao động cứng

- Nh để dao động đợc chế độ làm việc phần tử tích cực phải chuyển đổi từ chế độ dao động mềm(quá độ) sang chế độ dao động cứng(xác lập) Điều đợc thực điện trở định thiên(tạo điểm làm việc Q) T điều chỉnh nguồn cấp IC-KĐTT

- Hiện tợng dao động ngắt quãng:tín hiệu dao động không liên tục, xem phần Kỹ thuật xung

b Mạch dao động dùng khung dao động L-C

Giả sử dùng phần tử tích cực T-BJT, sơ đồ EC: nh góc lệch pha C B Π, mà khung L-C có góc lệch pha 0, để thoả mãn điều kiện pha cần có phần tử có độ lệch pha Π nữa->

+ Dùng khâu khuếch đại EC na: tn ngun

+ Dùng biến áp ngợc chiều khâu hồi tiếp- góc lệch pha :

- Xét điều kiện cân biên độ:

+ K= -S.ZC (13)

Trong

t e td

C h Z

n R Z

1

1

11

+ +

= vµ

e e

h h S

11 21

=

+ n

L M U

U K

C B

ht = − = − = − (14)

=> XÐt bất phơng trình K.Kht1, ta có :

n2-h

21e.n+ h11e/Z ≤0, Z=Rtd//Zt (15) Ce

Re

R2

R1 Rc

Q1 Vcc

M

C

l

K, lÖch 180 Kht, lÖch 180

Mạch dao động L-C dùng T Hồi tiếp

ur X=time(S)

C=voltage

=> Z h h h n Z h h

h21e 21e 11e 21e 21e)2 11e

2 ( ) (

2 − − ≤ ≤ + − (16)

(16) điều kiện biên độ mạch dao động L-C, mạch có dao động hình sin điểm mút(cực trị)

Tần số dao động fdd = fch = 2Π 1LC (17)

Chú ý: với mạch dao động loại này, để tạo dao động tần số cao,

dïng phÇn tư tÝch cực mắc theo kiểu BC(căn vào bảng tự thiÕt kÕ)

c Mạch dao động dùng khung dao động ba điểm

Phần xét mạch loại L- C, dịch pha độ, loại khác mạch dao động điểm, đợc thiết kế cách tạo điểm trung tính, để có đợc góc dịch pha 1800

- Nguyên lý thiết lập mạch điểm: Mạch dao động điểm có sơ đồ khối chung nh hình vẽ dới đây, để thuận tiện cho việc tính tốn:

+ Coi phÇn tử KĐ nguồn áp

+ Coi trở kháng kháng Zi=j.Xi

, t r t d r Z R Z K u u K + − =

= (18), Zt = Z2//(Z1 nt Z3);K1 h s K

không tải, Rr điện trở KĐ

3 1 Z Z Z u u u u K r B C B ht + = = = (19)

Từ công thức trên, ta có:

) ( ) ( 3 2 1 X X X X X X Rr X X K K K ht + + + + −

= (20)

Tại tần số cộng hởng, tổng trë b»ng kh«ng: X1+ X2+X3=0,

tức X1+ X3= - X2 (21), mạch dao động L-C, tần số dao động ≈tần số

céng hëng, thay (21) vµo (20) ta cã:

2 1 X X K K

K ht = (22)

Z3 Z1 Z2 C E B ur ud

Sơ đồ tổng quát mạch dao động điểm

K§

Rr

K1ud

Mặt khác theo điều kiện cân pha, tín hiệu hồi tiếp, tín hiệu vào(tại B), phải dấu tức K.Kht >0, tøc lµ X1 X2>0(tõ 22),

theo (21) X3, trái dấu với X1 X2 Tóm lại ta có loi mch dao ng

điểm bản:

ã Mạch điểm điện cảm: (L)X1, (L)X2>0; (C)X3<0

ã Mạch điểm điện dung: (C)X1<0, (C)X2<0; (L)X3>0

- Mạch điểm điện cảm(mạch Hartley)

ã X1= XBE=ωL2 >

• X2= XCE=ωL1 >

• X3= XCB= -1/ωC <

Tần số dao động mạch đợc xác định theo công thức:





Ce

Re

R2

R1 Rc

Q1 Vcc

C

K, lƯch 180 Kht, lƯch 180

Hình Mạch dao động điểm điện cảm Hồi tiếp

ur

L2 L1

C

B E

BomonKTDT-ĐHGTVT fdđ= fch=

C L

L )

(

1

2 1+

Π (23)

Có thể mắc thêm tụ điện ngõ ngõ vào, để tăng thêm chất lợng mch:

Thiết kế mạch dùng T-BC, IC-KĐTT - Mạch điểm điện dung

ã X1= XBE= -1/ωC1 <

• X2= XCE= -1/ωC2 <

• X3= XCB= ωL2 > Ce

Re

R2

R1 Rc

Q1 Vcc

C

Håi tiÕp ur

L2 L1

C

B E

Ce

Re

R2

R1 Rc

Q1 Vcc

K, lÖch 180 Kht, lÖch 180

Mạch dao động điểm điện dung Hồi tiếp

ur

C

B

L

C1 E

LC2

Tần số dao động mạch đợc xác định theo công thức:

fd®= fch=2 ( . )

1

2

2

C C

C C L

+

Π (24)

Có thể mắc thêm tụ điện ngõ ngõ vào, để tăng thêm chất lợng mạch(tự vẽ hình)

Dạng khác mạch điểm điện dung:

+Mch Clapp: nhánh điện cảm L, đợc mắc gồm L C nối tiếp, nhng đảm bảo tính chất mạch điểm, nghĩa phải chọn linh kiện cho đặc tính điện nhánh mang tính cảm kháng: X=XL-XC>0

Hình vẽ cơng thức tính tần số dao động giống nh trờng hợp trên(?), có tính Ctđ thêm thành phần C nối tiếp:

C C C

Ctd 1

2

+ +

= (25)

 Thiết kế mạch dùng T-BC(còn gọi sơ đồ Colpits), dùng IC-KĐTT

2 Mạch dao động R,C



L

LAB C

A

B C1

C

2

C1 C2

C Vcc

R2

C C

L1 R

3

R1 Q

1

Hình Mạch dao động Colpits

a Đặc điểm chung mạch dao động R-C

- Mạch dao động R-C: Có kích thớc nhỏ gọn, chế tạo thành vi mạch

- Thêng dïng ph¹m vi tÇn sè thÊp

-Cùng giá trị điện dung, thay đổi phạm vi tần số lớn loại L-C, giá trị tần số tỉ lệ với C, L-C bậc hai C - Khâu hồi tiếp R-C, gồm điện trở tụ điện, nên không gây tợng cộng hởng tần số dao động, cấu KĐ dùng chế độ A, khơng gây méo tín hiệu

b Bộ dao động dùng mạch di pha khâu hồi tiếp - Xét khâu R-C:

K(ω)=Ur(ω)/Uv(ω)=

C j R

R ω

1

+ (26)

CR arctg

RC ϖ

ϕ = − 1 (27)

Vì đặc tính suy giảm -20dB/Decade(xem thêm phần bù tần số chơng KĐTT), góc di pha cấu phải thực

kho¶ng 00-900.

Thùc tÕ thêng dïng kh©u víi gãc di pha cđa khâu 600

v khõu, mi khõu di pha 450 để đảm bảo tổng di pha 1800

Các phần tử tích cực sử dụng phải có góc di pha 1800.

Uv

C

R

Ur

- XÐt dïng kh©u:

+ Xây dựng đặc tuyến truyền đạt hình h.a, đặt α=1/ωRC, ta đợc

R R

R

C C

C

Uv Ur

Vout Vcc

Rc R1

C C C

R R R

Q Re

Vcc

Rc R1

R2

Q Re

Mạch dao động dùng khâu R-C h.a

h.b

) ( 1 2 α α

α − − − = = = j Uc Ub Uv Ur

Kht (28)

=> Kht =

) 6 ( 5 1 1 2 α α

α − −

− j ;

2 ) ( α α α ϕ − − = arctg ht (29)

Nh xét ϕht=1800, nờn 2=6 =>

-Ngoài dùng kiểu khác: 4khâu R-C thông cao, khâu hồi tiếp khâu thông thấp (3, khâu):

Với kết nh sau:

Loại fdđ Kht Hình vẽ

Thông cao khâu ? ? Tự vẽ

Thông cao khâu

RC / 10 Π

-1/18,4 Tù vÏ Th«ng thÊp kh©u

RC

Π

2

6 -1/29 Tự vẽ

Thông thấp khâu

RC

Π

2 /

10 -/18,4 Tù vÏ

c Bộ dao động dùng mạch lọc T

+ Xây dựng đặc tuyến truyền đạt , đặt α=1/ωRC, ta đợc α α α α 3 1 2 1 2 j j Uv Ur Kht − − − − = = (30)

=> Kht = 2 2 2

2 2 9 ) 1 ( 4 ) 1 ( α α α α + − + −

; 2

2 ) ( ) ( α α α α ϕ + − − = arctg ht (31)

+ Kht= -1/29

+ fd®=

Thực tế khâu T thờng xác định tần số dao động mạch fdđ=

RC

Π

2

, kết hợp với điều kiện đặt đầu mục, ta có: α=1, từ xác định đợc ϕht=00 Kht=2/3(là giá trị nhỏ nhất)

Nh vậy, phần tử tích cực ghép với khâu T phải độ di pha 00 thì

mới đảm bảo điều kiện cân pha, thực tế mạch T đợc mắc vào nhánh hồi tiếp –(đầu N) khuếch đại, làm nhiệm vụ chọn lọc tần số, để mạch dao động đợc cần nhánh hồi tiếp +(đảm bảo pha) khơng phụ thuộc vào tần số dao động, nh hình vẽ dới dây:

R

C C

R

Vin Vout

Mạch lọc hình T

R

C C

R

Vout R1

R2

Mạch dao động khâu T

e Bộ dao động dùng mạch lọc T-Kép

+ Xây dựng đặc tuyến truyền đạt , đặt α=1/ωRC, chọn hệ số k=1/2 ta đợc

α α

α

4 1

1

2

j U

Uout K

N ht

+ −

− =

= (32)

=> Kht = 2 2 2

2

16 ) 1 (

) 1 (

α α

α + −

−

; 1

4

α α ϕ

− = arctg

ht (33)

Khi α=1, ta cã

+ Nh hệ số truyền đạt biên độ không thoả mãn, thực tế thờng chọn k lân cận 1/2, Kht >0, nhng có giá trị nhỏ, để

bù đợc thành phần biên độ pha giống nh mạch T, khâu T- Kép đợc nối vào nhánh hồi tiếp – nhằm chọn lọc tần số, nh hình vẽ

f Bộ dao động dùng mạch cầu Viên mạch hồi tiếp

R/k R R

k.C

C C

Vout R1

R2

Mạch dao động khâu T- kép

+ Kht=

+ ϕht=0

- Mạch cầu Viên mạch lọc thông dải, đợc ghép nối tiếp thông thấp thông cao

+ Xây dựng đặc tuyến truyền đạt ta đợc

) 2 ( 2 1 C R C R j C C R R Uv Ur Kht ω ω − + + + = = (34)

=> Kht = )2

1 2 1 2 1 ( ) 1 2 2 1 1 ( 1 C R C R C C R R ω ω − + + + ; 2 1 2 C C R

R R C

C R arctg ht + + − − = ω ω ϕ (35)

Thờng chọn C1= C2 = C R1= R2 = R, đó:

=> Kht = 9 ( )2

1

RC RC

ω

ω −

+ ; 3

1 RC RC arctg ht ω ω

ϕ = − − (36)

Tại tần số dao động fdđ=

RC

Π

2

, th×

Tại tần số dao động, mạch có hệ số truyền đạt (hệ số hồi tiếp) lớn góc di pha khơng, dùng mạch kết hợp với độ khuyếch đại thuận (ϕk=3600 ) để tạo hồi tiếp dơng làm nhiệm vụ tạo dao động

Hình vẽ dới mạch tạo dao động nh Nhánh R1, R2 to thnh mt mch

hồi tiếp âm Mạch hồi tiếp âm R1, R2 với mạch lọc thông dải tạo thành mạch cầu

Viờn m nhỏnh chộo thứ Ud nhánh chéo thứ hai Ur Mạch dao động ứng với

ωd® Kht(+) = Kht(+)max = 1/3 Nhánh hồi tiếp âm không phụ thc tÇn sè

Vì Kht(+) = 1/3 nên để đảm bảo điều kiện cân biên độ, hệ số khuyếch đại

bộ khuyếch đại có hồi tiếp âm phải 3; nghĩa :

1 1 ' ) ( ) ( ) (

0 ≈ =

+ = + = − − − ht ht

ht K K

K K K K K hay 1 ) ( R R R Kht + = =

− Từ suy : R1 = 2R2

Nhng điều kiện cân cầu, điện trở hồi tiếp Ud= 0,

do mạch khơng thể dao động đợc Vì vậy, ngời ta điều chỉnh cho cầu lệch cân chút ít, nghĩa là:

R1 > 2R2 mét lỵng nhá

+ Kht=Kmax= 1/3

+ ϕht=0

Trong sơ đồ trên, hai điot mắc song song ngợc chiều với R1 có tác

dụng hạn biên độ dao động Khi biên độ dao động tăng điện trở tơng đơng nhánh R1 giảm làm cho hồi tiếp âm tăng hệ số

khuyếch đại mạch giảm ổn định ứng với K K’ ht(+) = Ngời ta

chứng minh đợc với mạch điện này, hệ số khuyếch đại phần tử khuyếch đại lớn độ ổn định tần số đạt đợc cao, dùng khuyếch đại thuật tốn có lợi ổn định tần số

3 Mạch dao động dùng thạch anh. a Cấu tạo tính chất thạch anh:

R C

R2 C2 R1

C1

Th«ng

C R

Th«ng thÊp



C R

C R

R2

D1

D2 R1

Ur

Bộ dao động dùng mạch cầu Viên mạch hồi tiếp Thông

-Tinh thĨ th¹ch anh:

XTAL1 1.000MHZ

Thành phần hoá học thạch anh SiO2, đợc cắt theo lớp

định tinh thể thạch anh thành lớp mỏng, gọi lát tinh thể, có hình dạng Vng, trịn, chữ nhật

Dao động thạch anh dựa hiệu ứng áp điện: cực tinh thể thạch anh đặt vào điện trờng làm cho tinh thể sinh biến hình mặt khí; ngợc lại hai cực đặt vào lực khí sinh điện trờng chiều tơng ứng, hiệu ứng gọi hiệu ứng áp điện: cực đặt vào điện áp biến thiên sinh dao động cơ, đồng thời dao động sinh điện trờng giao biến, biên độ dao động nhỏ ổn định, đặt vào điện áp giao biến bên ngồi có tần số với tần số cố hữu lát tinh thể, cộng hởng làm biên độ dao động tăng lên đáng kể, tức có kết hợp cơ-điện, làm cho dao động đợc trì có độ ổn định cao

- Mạch tơng đơng điện thạch anh:

Các tính chất điện thạch anh : + HÖ sè phÈm chÊt cao Q=104—105

+ TØ sè Lq/Cq lµ rÊt lín

+ Cp>>Cq

Rq Cq

Lq

Cp

A B

- Cp: ®iƯn dung song song

- Cq, Lq, Rq: điện dung, điện cảm, điện trở nối tiếp, thơng số phụ thuộc vào kích thước, cách cắt khối thạch anh - Thông số nhà sản xuất thường Tấn số cộng hưởng, điện trở nối tiếp, điện dung song song, hệ số phẩm chất

+ Có độ ổn định tần số cao: (∆f/f)=10-6 –10-10

Giá trị Rq nhỏ(vài chục-vài trăm Ω), nên bỏ qua tính toán, để xác định đợc tần số cắt(cũng trùng với tần số dao động), ta xác định tổng trở Z:

) ( // ) ( 2 LqCqCp Cp Cq LqCq j cp CqntLq Z ω ω ω − + − = ≈ (37)

+ Z=0, ω=

LqCq

1

=ωq, đợc gọi số cộng hởng nối tiếp

th¹ch anh,

+ Z->∞, ω=

LqCtd LqCqCp Cq Cp = +

=ωp; Ctđ= Cp nt Cq

gọi tần số cộng hởng song song thạch anh Nh tính chất thạch anh Cp>>Cq=> CtđCq, tức tần số cộng hởng song song gÇn b»ng tÇn sè céng hëng nèi tiÕp

Trở kháng Z có quan hệ với tần số đợc biểu diễn nh hình vẽ sau:

- Để thay đổi tần số cộng hởng thạch anh phạm vi hẹp, mắc nối tiếp thạch anh với tụ điện Cs nh hình vẽ dới đây; tần số cộng hớng là;

Cs Cp

Cq f

f q q

+ +

=

1

(38)

- Với thạch anh Cp có tính ổn định khơng cao so với Cq, để khắc phục nhợc điểm mắc tụ điện Co(>>Cp) song song với Cp để tăng tính ổn định:

Co Cp

Cq f

f p q

+ +

=

1

, Co>> Cq th× fp≈fq

b Một số mạch dao động dùng thạch anh

- Mạch điện dao động dùng thạch anh với tần số cộng hởng song song:

0 fp fq ) ( 2 LqCqCp Cp Cq LqCq X ω ω ω − + − = f Cs XTAL1 Co XTAL1 C1 C2 XTAL1 Cs Ce Re R2 R1 Q Rc Vcc

-Để thoả mãn điều kiện dao động điêm, nhánh mắc thạch anh phải có tính cảm kháng, tức Xthạch-anh-Xcs>0 Khi tần số dao động mạch

gần tần số cộng hởng song song thạch anh(hiểu thạch anh lọc, cho số dao động tần số cộng hởng song song qua- đầu ta lấy đợc tín hiệu dao động có tần số dao động với tần số cộng hởng song song thạch anh):

fd®=fp=2π LqCtd

1

(39)

- Mạch điện dao động dùng thạch anh với tần số cộng hởng nối tiếp:

- Lúc thạch anh đóng vai trị nh mạch lọc, khơng tham gia vào điều kiện hình thành dao động

C1 C2 Ce

Re R2 R1

Q Rc

Vcc

Mạch dao động dùng thạch anh với số cộng hưởng nối tiếp L

L

Vai trò mạch lọc

fd®=fq=2π LqCq

1

(40)

 Từ hai ví dụ sử dụng thạch anh trên, thấy rằng, thạch anh đóng vai trị nh mạch lọc, có hệ số phẩm chất cao, thân khơng hình thành nên dao động mà nâng cao đợc chất lợng tín hiệu dao động

 Thạch anh đợc dùng nhiều mạch yếu cầu độ ổn định tần số cao, thực tế thờng gặp mạch nh: mạch tạo xung nhịp cho Vi xử lý, mạch điều chế, vòng khoá pha PLL

Chơng7 điều chế biên độ I Định nghĩa

-Điều chế trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi thơng số đó: biên độ, tần số, pha, độ rộng xung dao động cao tần theo tin tức

- Tin tức thơng thờng tín hiệu có tần số thấp(ví dụ tín hiệu âm tần 16hz-20000hz) khơng thể truyền tải xa đợc, thơng qua q trình điều chế tin tức miền tần số thấp đợc chuyển sang miền tần số cao để truyền xa

-Tin tức gọi tín hiệu điều chế, dao động cao tần đợc gọi tải tin, dao động cao tần mang tin tức gọi dao động cao tần điều chế

-Đối với tín hiệu điều hồ, phân biệt hai loại điều chế: điều biên điều chế góc, điều chế góc bao gồm điều tần v iu pha

II.điều biên(AM)

iu biờn l trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức 1 Phổ tín hiệu điều biên

Giả sử tín hiệu tin tức tín hiệu tải tin dao động điều hồ, tín hiệu tải tin có tần số biên thiên từ fmin- fmax; tín hiệu tải tin có tần số ft>> fmax

us(t) = Us.cos(ωs.t) (II.1)

ut (t)= Ut.cos(ωt t) (II.2)

Tín hiệu sin us(t) đợc gọi tín hiệu điều biến, tín hiệu ut(t)đợc gọi tín

hiƯu sãng mang

Tín hiệu điều biến biên độ đợc xác định theo công thức : uđB (t)= [Ut + Us cos(ωs.t)] cosωt t (II.3)

= Ut [1 +m cos(ωs.t)] cosωt t (II.4)

Víi m lµ h»ng sè tû lÖ, m= Us / Ut, hÖ sè m phải thoả mÃn điều kiện không

lớn Để tín hiệu điều chế không bị méo

áp dụng công thức lợng giác II.4 ta đợc:

u®B (t)= Ut.cos(ωt t)+ m/2 Ut.cos(ωt +ωs )t+ m/2 Ut.cos(ωt -ωs )t (II.5)

Từ ta thấy tín hiệu đợc điều biến biên độ gồm thành phần sau: + Ut.cos(ωt t) Sóng mang

+ m/2 Ut.cos(t -s )t Dải băng thấp

+ m/2 Ut.cos(t +s )t Dải băng cao

Hình dới đa thành phần khác cuả tÝn hiƯu AM

Carrier signal: tín hiệu sóng mang Modulating signal: tín hiệu tin tức Modulated signal: tín hiệu điều chế Dạng sóng tín hiệu điều biên

2 Quan hệ lợng điều chế biên độ

Trong tín hiệu điều biên, biên tần chứa tin tức , tải tin không mang tin tức Cần xem xét lợng đợc phân bố nh thành phần phổ tín hiệu điều biên

C«ng suất tải tin công suất bình quân chu kỳ tải tin: P~t=1/2Ut2 (II.6)

Công suất biên tÇn:

P~bt=1/2(mUt /2)2 (II.7)

Cơng suất tín hiệu điều biên cơng suất bình qn chu kỳ tín hiệu điều chế:

P~®b= P~t + 2P~bt = P~t(1+(1/2m)2) (II.8)

Ta thấy rằng, cơng suất tín hiệu điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m Hệ số điều chế m lớn cơng suất tín hiệu điều biên lớn Khi m=1 ta có quan hệ công suất hai biên tần tải tần nh sau:

2P~bt= P~t /2 (II.9)

Để giảm méo, hệ số điều chế m thờng chọn nhỏ 1, do cơng suất biên tần thực tế khoảng phần ba công suất tải tần. Nghĩa phần lớn công suất phát xạ đợc phân bố cho thành phần phổ khơng mang tin tức, cịn thành phần phổ chứa tin tức(các biên tần) chiếm phần nhỏ cơng suất điều biên

Ngồi ra, cịn cần quan tâm đến công suất chế độ cực đại ứng với biên độ điện áp điều biên cực đại, để chọn đợc phần tử tích cực hợp lý

Tõ II.3 suy ra:

U®bmax = Ut(1+m) (II.10)

Do P~max= 1/2(1+m2)Ut2 (II.11)

modulator: tÝn hiÖu tin tøc Carrier: tÝn hiÖu sãng mang lower side band: băng tần thấp upper side band: băng tÇn cao

modulating signal: tín hiệu điều chế a, tín hiệu điều chế đơn tần

b tÝn hiệu điều chế biến thiên f1-f2

Dng tớn hiệu phổ tơng ứng tín hiệu điều biên 3 Các tiêu dao động điều biên

- HÖ sè mÐo phi tuyÕn

s t

s t s t

w w

w w w w

I I I

k

± ±

± + +

=

2

2

(II.12)

Trong Iwt±nws n≥2 biên độ thành phần dịng điện ứng với hàI bậc cao

cđa tÝn hiƯu ®iỊu chÕ

Iwt±ws Biên độ thành phần điều tần

Để đặc trng cho méo phi tuyến mạch điều biên, ngời ta dùng đặc tuyến điều chế tĩnh, đặc tuyến cho biết quan hệ biên độ tín hiệu giá trị tức thời tín hiệu điều chế đầu vào

Dạng tổng quát đặc tuyến điều chế tĩnh đợc biểu diễn hình:

Đờng đặc tuyến điều chế tĩnh lý tởng đờng thẳng C->A Đặc tuyến điều chế tĩnh không thẳng làm cho lợng biến đổi biến đổi biên độ dao động cao tần đầu so với giá trị ban đầu(điểm B) không tỉ lệ đờng thẳng với trị tức thời điện áp điều chế Do đầu thiết bị điều biên, ngồI biên tần, cịn có thành phần bậc cao khơng mong muốn khác Trong lợng ý thành phần Iwt±2ws lọt vào biên tần mà lọc đợc

Để giảm méo phi tuyến, cần hạn chế Lúc buộc phảI giảm độ sâu điều chế

- HÖ sè mÐo tÇn sè

Để đánh giá độ méo tần số, ngời ta vào đặc tuyến biên - tần: m=f(Fs)|Us=hằng số

Hệ số méo tần số đợc xác định theo biểu thức:

m m

M = hc M

dB=20 lgM (II.13)

m0 : hƯ sè ®iỊu chÕ lín nhÊt

m : hệ số điều chế tần số xÐt

Méo số xuất chủ yếu tầng khuếch đại âm tần(tín hiệu điều chế), nhng xuất tầng điều chế sau điều chế, mạch lọc đầu tầng không đảm bảo dải thông cho phổ tín hiệu điều biên (2fsmax)

It

Us A

B C

Đặc tuyến điều chế tÜnh

I

t

Us

mo m

Đặc tuyến biên độ- tần số

4 Phơng pháp tính toán mạch điều biên

Các mạch điều biên đợc xây dựng dựa vào hai nguyên tắc sau đây:

- Dùng phần tử phi tuyến: cộng tải tin tín hiệu điều chế đặc tuyến phần tử phi tuyến

- Dùng phần tử tuyến tính có tham số điều khiển đợc: nhân tải tin tín hiệu điều chế nh phn t tuyn tớnh ú

a Điều biên dïng phÇn tư phi tun

Các phần tử phi tuyến dùng để điều biên đèn điện tử, đèn bán dẫn, điện trở có trị số biến đổi theo điện áp đặt vào

Tuỳ thuộc vào điểm làm việc đợc chọn đặc tuyến phi tuyến, hàm số dặc trng cho phần tử phi tuyến biểu diễn gần theo chuỗi Taylor chế độ làm việc mạch chế độ A(θ=1800) huặc phân tích theo chuỗi Furier mạch

làm việc chế độ góc cắt θ<1800(AB,B,C)

* Tr êng hỵp 1: θ =1800

Giả thiết mạch điều biên dùng diode, để mạch làm việc chế độ A, phải thoả mãn điều kiện: |Ut| +|Us| <|Eo|

Hàm số đặc trng cho phần tử phi tuyến xung quanh điểm làm việc đợc biểu diễn theo chuỗi Taylor:

iD=a1 uD+ a2 uD2+ a3 uD3+ (II.14)

Víi uD=ED+Utcosωtt+ Uscosωst (II.15)

Thay II.15 vào II.14 ta đợc:

iD=a1.(ED+Utcosωtt+Uscosωst) + a2.(ED+Utcosωtt+Uscosωst)2+ a3 (ED+Utcosωtt+

Uscosωst)3+ (II.16)

Rt

ws

w t

L1

1uH +

E0 CB D1

Sơ đồ điều chế biên độ dùng diode-và dạng tín hiệu ra

iD

Khai triển II.16 bỏ số hạng bậc lớn 4, ta biểu diễn đợc dạng phổ tín hiệu nh sau:

Phỉ tÝn hiƯu trêng hỵp gồm thành phần phổ mong muốn

t s thành phần phụ không mong muốn Các thành phần phụ không

khi a3=a4= =0

Ngha đờng đặc tính phần tử phi tuyến đờng cong bậc tín hiệu điều biên không co méo phi tuyến Phần tử phi tuyến có đặc tính gần với dạng lý tởng

Làm việc chế độ A biên độ tải tin tin tức phải có biên độ bé, dùng chế độ

* Tr êng hỵp <180θ 0

Khi θ<1800, biên độ điện áp đặt vào đủ lớn coi đặc tuyến

đ-ờng gấp khúc Phơng trình biểu diễn đặc tuyến diode trđ-ờng hp ny nh sau:

iD= S.uD (s: hỗ dẫn diode)khi UD >0, =0 cho trờng hợp kh¸c

(II.17)

ωt

ωt

-ω ss

ωt

+

ω ss

ωt

+

2

ω ss

ωt

+

3

ω ss

ωt

-3

ω ss

ωt

-2

ω ss

ω ss

2

ω ss

3

ω ss

2

ωt

2

ωt

-ω ss

2

ωt

+

ω ss

2

ωt

+

2

ω ss

2

ωt

-2

ω ss

Phæ tÝn hiệu điều biên làm việc chế A

Rt

ws

w t

L1

1uH +

E0 CB D

iD

uD Sơ đồ điều chế chế độ C dạng tín hiệu ra

Chọn điểm làm việc ban đầu khu tắt diode, ứng với chế độ C Vì dịng qua diode dãy xung hình sin nh hình7, nên biểu diễn iD theo chuỗi furier

nh sau:

iD= I0+ I1cosωtt+ I2cos2ωtt+ I3cos3ωtt+ + Incosnωtt (II.18)

Trong : Ii i iD ω ttdω tt θ

∫ Π =

0

cos , i=1-n (II.19) Tõ II.15 vµ II.17 ta cã:

iD= S.Ut(cosωtt - cosθ) (II.21)

vµ: cosθ = - (Eo + Uscosωst)/ Ut (II.22)

Cũng từ II.21 II.22 biên độ thành phần hài theo II.19 đợc xác định b.Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi

Thực chất trình điều biên trình nhân tín hiệu, ví dụ mạch loại điều biên dùng nhân tơng tự nh hình dới đây:

Trong mạch điện quan hệ điện áp uđb điện áp vào ut quan hƯ tun

tính Tuy nhiên us biến thiên điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến sang

đặc tuyến khác làm biên độ tín hiệu thay đổi để có tín hiệu điều biên Căn vào tính chất mạch nhân ta có biểu thức:

u®b= (Eo + Uscosωst) Utcosωtt

= Eo Utcosωtt+(1/2) UsUt cos(ωt + ωs)t + (1/2) UsUt cos(ωt - s)t (II.23)

5 Mạch điều biên cụ thể

Để thực điều biên theo phơng pháp thứ nhất, dùng phần tử phi tuyến, nhng dùng đèn bán dẫn khơng điều biên tín hiệu mà cịn khuếch đại tín hiệu, mạch điện phân làm loại: điều chế đơn biên, điều biên cân bằng, điều biên vòng

Mạch điều biên đơn mạch dùng phần tử tích cực để điều chế, mạch theo sơ đồ hình hình mạch điều chế theo kiểu này, nh xét,

K

u®b us

Eo

ut

sơ đồ điều chế biên độ dùng mạch nhân

ω t ω t

-

ω s

ω t

-

ω s

Phỉ tÝn hiƯu điều biên dùng mạch nhân

dũng điện tải ngồi thành phần hữu ích biên tần cịn có đủ thành phần hài tải tần không mong muốn khác, đặc điểm mạch điều chế đơn biên

Trong trờng hợp dùng đèn bán dẫn hay đèn điện tử, phân biệt loại: điều biên bazơ, điều biên colector, điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anot, điều biên l-ới chúng có tên gọi tơng ứng với cực mà điện áp điều chế đợc đặt vào

Đề giảm méo phi tuyến, dùng mạch điều biên cân theo sơ đồ sau:

Theo sơ đồ hình 10 ta có, điện áp đặt lên D1 D2 u1 = Utcosωtt + Uscosωst (II.24) u2 = Utcosωtt - Uscosωst (II.25) Dòng qua diode đợc biểu diễn theo chuỗi Taylor:

i1=a0 + a1 u1+ a2 u12+ a3 u13+ (II.26) i2=a0 + a1 u2+ a2 u22+ a3 u23+ (II.27) Dòng điện tải i = i1 - i2 (II.28) Kết hợp II.24-II.28, lấy vế đầu ta có

i= Acosst + Bcos3ωst + C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t]+ D[cos(2ωt +ωs)t + cos(2ωt - ωs)t] (II.29)

Trong A= Us[2a1 + 3a3Ut2 + (a3/2) Us2] B= (a3/2) Us3

C= a2UsUt D= 3/2 a3UsUt

D2 D1

C2 C1 US

Ut

U®B

Sơ đồ điều chế cân dùng Diode

ωt

ωt

+

ω ss

ωt

+

ω ss ωt

+

2

ω ss

ωt

+

3

ω ss

ωt

-3

ω ss

ωt

-2

ω ss

ω ss

2

ω ss

3

ω ss

2

ωt

2

ω

t

-ω ss

2

ωt

+

ω ss

2

ωt

+

2

ω ss

2

ωt

-2

ω ss

Phổ tín hiệu điều biên cân bằng

So vi phổ hình ta thấy có nhiều thành phần triệt tiêu

* Mét dạng khác điều chế cân điều biên vòng, với loại điều chế tài tần tín hiệu hài bị triệt bỏ

Tng t nh cách tính tốn trên, gọi dịng điện mạch điều chế cân gồm D1, D2 iI D3, D4 iII iI xác định theo II.29

iII= iD3 - iD4 (II.30)

Trong đó:

iD3=a0 + a1 u3+ a2 u32+ a3 u33+ (II.31)

iD4=a0 + a1 u4+ a2 u42+ a3 u43+ (II.32)

u3 = -Utcosωtt - Uscosωst (II.33)

u4 = -Utcosωtt + Uscosωst (II.34)

Tõ (II.30 -II34) ta cã:

iII= -Acosωst - Bcos3ωst + C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] - D[cos(2ωt +ωs)t +

cos(2ωt - ωs)t] (II.35)

Trong A= Us[2a1 + 3a3Ut2 + (a3/2) Us2]

B= (a3/2) Us3

C= a2UsUt

D= 3/2 a3UsUt

Tõ (II.29) (II.35) ta có

iđB= iI +iII = 2C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (II.36) ω t

-

ω ss

ω t

+

ss

Phổ tín hiệu điều biên vòng

So với phổ hình ìtrên ta thấy lại thành phần mang tin tức

D2 D1

C2 C1 US

Ut

U®B

Sơ đồ điều biên vòng D3

D4

Nh dùng mạch điều chế vòng cịn khử đợc hài bậc lẻ ωs biên tần ωt

III Điều chế đơn biên 1 Khái niệm

Nh biết phần trên, phổ dao động điều biên gồm tải tần hai dải biên tầnm có biên tần la mang tin tức Vì hai biên tần mang tin tức nh nhau(về biên độ tần số), nên cần truyền biên tần đủ thông tin tin tức Tải tần cần dùng để tách sóng, nén tồn huặc phần tải tần trớc truyền Quá trình điều chế nhằm tạo dải biên tần gọi điều chế đơn biên

Điều chế đơn biên(với phần d tải tần) mang ý nghĩa thực tế Điều chế phức tạp nhng lại có u điểm nh:

- Độ rộng dải tần giảm nửa

- Công suất phát xạ yêu cầu thấp với cự ly truyền dẫn - Tạp âm đầu thu giảm dải tần tín hiệu hẹp

Tõ biĨu thøc(II.5) ta cã : u®B = m/2Ut(cos(ωt +ωs)t (III.1)

m gäi lµ hƯ sè nÐn t¶i tin m=Us/Ut

2 Các phơng pháp điều chế đơn biên

Có phơng pháp điều chế đơn biên: phơng pháp lọc, phơng pháp quay pha, phơng pháp lọc quay pha kết hợp

a, Điều chế đơn biên theo ph ơng pháp lọc

Từ việc phân tích phổ tín hiệu điều biên, muốn có tín hiệu đơn biên cần lọc bớt biên tần, thực tế khó làm đợc nh Khi tải tần cao tần vấn đề lọc để tách dải tần gặp khó khăn Giả sử tần số fsmin=300hz, lúc khoảng cách biên tần ∆f=2fsmin=600hz Nếu tải tần ft= 60Mhz, hệ số lọc X=(∆f/ft)=10-5 , nhỏ khó lọc Bởi phải dùng biến đổi trung

gian để hạ thấp yêu cầu lọc, theo sơ đồ sau:

ĐCCB1 Lọc ĐCCB2 Lọc

Tạo dao

động Tạo dao động 2

Us(t) ft1±fs

ft1

ft1+fs

ft2±(ft1+fs) ft2+ ft1+fs

ft1

U®B

Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên dùng phương pháp lọc

Trong sơ đồ tin tức ban đầu đợc điều chế với tần số ft1, tần số thấp so với tần số yêu cầu, cho hệ số lọc tăng lên, để lọc bỏ biên tần dễ dàng Trên đầu lại đợc điều chế với tần số ft2, ft2 yêu cầu cho ft= ft1+ ft2

Dạng phổ theo phơng pháp nµy nh sau:

b, Điều chế đơn biên theo ph ơng pháp quay pha

Sơ đồ hình 15 sơ đồ khối phơng pháp điều chế đơn biên phơng pháp quay pha

Tin tức tải tin thông qua mạch quay pha, đợc đa đến điều chế cân lêch pha 900 do biên tần điều chế cân lệch pha 1800

Còn biên tần dới đồng pha, n ếu lấy hiệu điện áp điều chế ta nhận đợc biên tần Ngợc lại lấy tổng điện áp nhận đợc biên tần dới

uCB1= UCB cosωst cosωtt =UCB/2[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (III.2)

uCB2= UCB sinωst sinωtt =UCB/2[-cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (III.3)

f fmin fma

x

S(f )

f S(f

) fnsmi

ft1

f S(f

) fnsmi

ft1

f S(f

) fnsmi

ft2

ft1

ft1 + ft2

u®B=UCB1 - UCB2 = UCB cos(ωt +ωs)t (III.4)

Sơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha 00

900

00 900

mạch tổng huặc mạch

hiệu us

ut

u®B

ω t

+

ω s

Phổ tín hiệu điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha

c, Điều chế đơn biên theo ph ơng pháp lọc quay pha kết hợp Phơng pháp có sơ đồ khối nh sau

TÝn hiƯu cđa bé điều chế cân 1(ĐCCB1):

u`CB1= UCB cosst costt =UCB/2[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t] (III.2)

u`CB2= UCB cosωst sinωtt =UCB/2[sin(ωt +ωs)t + sin(ωt - ωs)t] (III.3

Sau lọc 1, lại biên tần điều chế cân lệch pha 90, coi tín hiệu điều chế quay pha, tín hiệu với tải tin ut2 đợc đa đến điều chế cân lêch 90 Điện áp hai điều chế cân 2:

u``CB1= Ut2 UCB/2cos(ωt2 +ωs)tcosωt2 t (III.4)

u``CB2= Ut2 UCB/2sin(ωt2 +ωs)tsinωt2 t (III.5)

u®B=u``CB1 - u``CB2 = Ut2 UCB/2cos(ωt2 +ωt1 + ωs)t (III.6)

Phæ tín hiệu theo phơng pháp nh hình 18

Điều chế theo phơng pháp không dùng mạch quay pha tín hiệu điều chế nên dễ thực so với phơng pháp quay pha

Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên dùng phương pháp lọc quay pha kết hợp

§CCB1 Läc §CCB2

U

t1(t)

900 900

m¹ch

hiệu uđB

ĐCCB1 Lọc ĐCCB2

Lọc d¶i

US(t)

U

t2(t)

f ft2

fsmin

ft1 + ft2 Phỉ tÝn hiƯu khối hình 17

ft1

IV.điều tần(fm) điều pha(PM)

1 Các công thức mối quan hệ hai phơng pháp

Điều tần điều pha trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số huặc pha tức thời tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế

Tần số gãc pha cã mèi quan hÖ :

dt dψ

= (IV.1)

Giả sử tải tin tín hiệu điều hoà:

ut(t) = Utcos(t) = Utcos(tt + ϕ0) (IV.2) Tõ (IV.1) rót = ∫ +

t

t dt t t

0

) ( )

( )

( ω ϕ

ψ (IV.3)

Thay IV.3 vµo IV.2 ta cã: ut(t) = Utcos( ( ) ( ))

0

∫ +

t

t dt

t ϕ

ω (IV.4)

Giả sử tin tức tín hiệu đơn âm(1 tần số):

us(t) =Uscosωst (IV.5)

Khi điều chế tần số huặc điều pha tần số huặc góc pha dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế chúng đợc xác định lần lợt theo biểu thức sau:

ω(t)= ωt + Kđt Uscosωst =ωt + ∆ωm Uscosωst (IV.6) ϕ(t)= ϕ0 + Kđp.Uscosωst=ϕ0 + ∆ϕm Uscosωst (IV.7) Trong ∆ωm, ∆ϕm đợc gọi lợng di tần di pha cực đại

Khi điều tần góc pha ban đầu khơng đổi, ϕ(t)= ϕ0, thay IV.6 IV.7 vào IV.4, ta nhận đợc biểu thức cuả tính hiệu điều tần điều pha:

uđt(t) = Utcos(ωtt +∆ωm/ωs.sinωst +ϕ0) (IV.8) uđp(t) = Utcos(ωtt +∆ωm.sinωst +ϕ0) (IV.9) Vậy lợng di pha đạt đợc điều pha:

∆ϕ = ∆ϕm.cosωst (IV.10)

Lợng di tần tơng ứng: ∆ω = ∆ϕm ωs sinωst (IV.11) Lợng di tần max đạt đợc điều pha:

∆ωm = ωs ∆ϕm = ωs.kđf.Us (IV.12) Lợng di tần max đạt đợc điều tần:

∆ωm = k®f.Us (IV.13)

So sánh IV.12 IV.13 ta thấy khác điều tần điều pha lợng di tần điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế tần số điều chế lợng di tần điều tần tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế Vì từ mạch điều chế pha lấy tín hiệu điều chế tần số, trớc đa vào điều chế đợc đa qua mạch tích phân Và ngợc lại lấy tín hiệu điều pha từ mạch điều tần, tín hiệu điều chế đợc đa qua mạch vi phân trớc đa vào điều chế.

2, Phổ dao động điều tần điều pha

Trong biÓu thøc IV.8, cho ϕ0=0, vµ gäi Mf = ∆ωm/ωs lµ hệ số điều tần ta

có: uđt(t) = Utcos(tt + Mf sinωst) (IV.14)

NÕu tÝn hiƯu ®iỊu chÕ chiếm dải tần Mf = m/smax

H số điều tần Mf phụ thuộc vào biên độ điện áp điều chế mà phụ

thuéc vào tần số điều chế

Tơng tự ta có biĨu thøc cđa tÝn hiƯu ®iỊu pha:

u®t(t) = Utcos(ωtt + Mϕ cosωst) (IV.15)

Nếu không xét đến pha phổ tín hiệu điều tần điều pha giống nhau, gồm thành phần tải tần ωt , vô số biên tần ωt ±nωs

Các tính tốn , độ rộng dải tần tín hiệu điều chế tần số khơng phụ thuộc vào tin tức, đợc tính gần đúng:

D = 2m (IV.16)

nhng điều chế pha, băng tần lại phụ thuộc tần số tín hiệu tin tức: D = ωs ∆ωm (IV.17)

những phụ thuộc vào biên độ điện áp điều chế mà phụ thuộc 3, Mạch điều tần điều pha

Nh phân tích điều tần điều pha đợc chuyển đổi lẫn nhau, thờng phân biệt mạch điều tần(điều pha) trực tiếp, gián tiếp

a, Mạch điều tần trực tiếp

Khi iu tn trc tiếp, tần số dao động riêng mạch tạo dao động đợc điều khiển theo tín hiệu điều chế(tin tức)

Mạch điều tần trực tiếp thờng đợc thực mạch tạo dao động mà tần số dao động riêng đợc điều khiển dịng huặc áp (CCO- dao động đợc điều khiển dòng điện, VCO- dao động đợc điều khiển điện áp)

Huặc mạch biến đổi điện áp - tần số Các mạch tạo dao động có tần số biến đổi theo điện áp đặt vào mạch tạo dao động xung, mạch tạo dao động điều hoà LC

Nguyên tắc thực điều tần dao động làm biến đổi trị số điện kháng tạo dao động theo điện áp đặt vào, phơng pháp phổ biến dùng diode biến dung trazitor điện kháng, sau thí dụ:



§iỊu tÇn trùc tiÕp dïng diode biÕn dung:

Diode biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào Có sơ đồ tơng đơng nh hình 19

Trị số RD CD phụ thuộc vào điện áp đặt lên diode, diode đợc phân cực

ngợc, RD lớn, CD đợc xác định theo biểu thức:

γ

ϕ ) ( D K D

u K C

+

= (IV.18)

Trong đó: k: hệ số tỉ lệ

K: điện áp tiếp xúc mặt ghép P-N

γ: HƯ sè phơ thc vËt liƯu

Mắc diode song song với tín hiệu tạo dao động, đồng thời đặt điện áp điều chế lên Diode, làm CD thay đổi theo điện áp điều chế, tần số cộng

h-ởng riêng tạo dao động thay đổi theo, nh hình 20

Tần số dao động mạch gần tần số cộng hởng riêng hệ dao động đợc xác định:

) (

2

1

D dd

C C L f

+ Π

= (IV.19)

Theo sơ đồ 20, điện áp đặt lên Diode:

uD = ut - us - E0 = Utcosωtt - Uscosωst - E0 (IV.20)

Để Diode phân cực ngợc không vợt qúa trị số cho phép cần có điều kiÖn: uD= uDmin=| -Ut - Us - E0 | ≤ ungcphép

Khi dùng Diode điều tần cần ý:

- Chỉ cần phân cực ngợc cho diode để tránh ảnh hởng RD để phẩm chất

của hệ dao động nghĩa đến độ ổn định tần số mạch

- Phải hạn chế khu vực làm việc đoạn tuyến tính đặc tuyến CD(uD)

của diode biến dung để giảm méo phi tuyến Lợng di tần đợc biến đổi điều tần dùng diode khoảng 1%

RD

CD

sơ đồ tương đương diode biến dung

Ucc

+ Cb4

E0 us

Cb1

R3 R2

R1 Lc

C

Cb3

D *

L Cb2

*

R4

Mạch điều tÇn dïng diode biÕn dung

- Vì dùng diode để điều tần, nên thiết bị điều tần có kích thớc nhỏ Có thể dùng diode bán dẫn để điều tần tần số siêu cao, khoảng vài tram MHz, nhiên độ tạp tán tham số bán dẫn lớn, nên ổn định

Điều tần trực tiếp dùng Trazitor điện kháng:

Phần tử điện kháng(dung tính huặc cảm tính), có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt vào, phần tử điện kháng mắc song song với hệ dao động tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế Phần tử điện kháng đợc thực nhờ mạch di pha mắc mạch hồi tiếp Trazitor

Cã cách mắc phần tử điện kháng nh hình 21, sau xét trờng hợp a, trờng hợp khác t¬ng tù:

C j S

C j R Z

R Z U S

U U

S U I

U Z

C C

BE ω

ω /

/

+ = + =

= =

(IV.21) Nếu chọn R>>ZC, trở kháng Z xác định theo biểu thức:

Z ≈ jωC/S = jXL= jωLtđ, Ltđ = CR/S (IV.22)

Bằng cách tính tơng tự ta có: Sơ đồ b:

Z ≈ -j R/ωLS = jXC= jωCtđ, Ctđ = LS/R (IV.23)

Sơ đồ c:

Z ≈ -j 1/ω RSC = jXC= jωCtđ, Ctđ = RSC (IV.24)

Sơ đồ d:

Z ≈ jωL/RS = jXL= jωLtđ, Ltđ = L/SR (IV.25)

L

R C

1

L Q2

NPN

R

C R

I

I

I

I

U

U U

U

a b

c d

Rõ dàng điện áp điều chế đặt vào Bazơ phần tử điện kháng thay đổi S thay đổi đo tham số Ltđ , Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay

đổi theo

Điều tần dùng phần tử điện kháng có thê đạt đợc lợng di tần tơng đối(∆f/ft)

kho¶ng 2%

Hình sơ đồ dao động LC, phần tử điện kháng RC lúc tơng đ-ơng nh cuộn cảm, đợc ghép vào cuộn L1 mạch dao động

+ T1, R, C đóng vai trị tranzitor điện kháng +T2, Lgh, L1,Ck phần tử dao động + Cb1-Cb4 tụ ngắn mạch tần số cao tần (Us) + Lc: Cuộn chặn, cách ly tín hiệu cao tần nguồn

Giá trị Ltđ tranzitor điện kháng thay đổi tín hiệu điều chế (Us)đầu

vào thay đổi, dẫn đến thành phần điện cảm dao động LC thay đổi, tức tần số tín hiệu dao động thay đổi theo, lấy tín hiệu đầu dao động ta đợc tín hiệu điều tần

dùng phần tử điện kháng có thê đạt đợc lợng di tần tơng đối(∆f/ft) khoảng

Điều tần tạo xung:

Hình 23 mạch dao động đa hài mà dãy xung có tần số lặp thay đổi theo điện áp điều chế Us Tần số lặp đợc xác định q trình phóng tụ điện qua điện trở Rb, có sụt áp điện trở collector Khi Rb đợc đấu trực tiếp với nguồn V, q trình phóng xảy mức bão hoà trazitor

US

R1 Cb2

Lc

C Cb1

+V

Cb4 Ck

Cb3 L1

Lgh

R3

R2

Q2 Q1

R

Điều tần dùng phần tử ®iƯn kh¸ng RC

Tần số lặp dãy xung đợc xác định nh sau:

f = 1/2RCLn2 (IV.26)

Để điều chế tần số lặp dÃy xung, đa điện áp điều chế Us vào B tranzitor với điện áp nguồn

của tụ điện qua điện trở Rb, có sụt áp điện trở collector Khi tần số lặp dãy xung biến thiên theo điện áp điều chế đợc xác định biểu thức:

] /

[

1

Bbh Bbh B C

I I R U RCLn f

+ ∆

≈

(IV.27) Trong đó: UBbh = (Ucc + Us + UBEo+IBMRB )/RB

∆Uc=Uc - ICM.Rc-UCEbh

Phơng pháp đạt đợc lợng di tần tơng đối khoảng vài %

Nhận xét: Nhợc điểm điều tần trực tiếp độ ổn định tần số trung tâm thấp, khơng thể dùng thạch anh thay cho mạch cộng hởng tạo dao động để ổn định trực tiếp đợc Do để đạt đợc độ ổn định tần số trung tâm cao, mạch điều tần trực tiếp phải sử dụng thêm khâu tự động điều chỉnh tần số(FGC) Nhng với loại mạch lợng di tần đạt đợc lại lớn

b, Mạch điều pha

Điều pha theo Armstrong:

Tải tin từ tạo dao động thạch anh đợc đa đến điều biên lệch pha 900

Tín hiệu điều chế đa vào điều chế ngợc pha

+V

Us

điều tần dao động đa hài

Rb Rb

Điện áp điều biên:

uđB1=Ut1(1+mcosst)costt=Ut1 costt + mUt1/2[cos(t +ωs)t+cos(ωt - ωs)t]

(IV.28)

u®B2=Ut2(1- mcosωst)sinωtt=Ut2 sinωtt - mUt/2[sin(ωt +ωs)t+sin(ωt - ωs)t]

(IV.29)

Từ đồ thị ta thấy: tổng dao động điều biên u=uđB1 + uđB2 dao động đợc

điều chế pha biên độ Điều biên điều biên ký sinh  Điều pha dùng mạch lọc

Trong mạch điện này, trị số điện dung diode biến phụ thuộc vào điện áp điều chế Us Khi Us thay đổi tần số cộng hởng mạch lọc lệch khỏi tần số tín

Điều biên

Điều biên

Mạch tổng bé t¹o tÝn hiƯu

dao động

M¹ch di pha 900

Us

U®p

Sơ đồ khối mạch điều pha theo Armstrong

Ut1

Ut2

UđB1

UđB2

Đồ thị véc tơ tín hiệu điều pha theo Armstrong

hiệu vào ft lợng ∆f cho tín hiệu vào, mạch cộng hởng trở kháng phức đợc xác định nh sau :

t t jQ R Z

ω ω ∆ +

= 

2

1 (IV.30)

Rt®=L/CR; Q=1/ωCR; ωt=( 1/LC)-1/2

∆ω=ω - ωt vµ ωt+ω=2ωt

Góc pha đợc xác định:

) (

t Q arctg

ω ω

ϕ = − ∆ (IV.31)

Rõ ràng us thay đổi, góc pha ϕ biến đổi lơng tơng ứng Quá

trình điều pha có kèm theo điều biên ký sinh, vi modyn | Z | biến thiên theo ∆ω Cũng tơng tự nh mạch điều chế pha theo Armstrong, giữ cho mức điều biên ký sinh nhỏ 1% góc di pha cực đại ∆ϕ=0,35 Nếu dùng nhiều mắt lọc nh hình 27, nhờ chọn khâu ghép hợp lý, làm cho đặc tuyến ϕ = f( us ) tuyến tính hơn, đạt đợc lợng di pha tơng đối lớn ∆ϕ = Π Trong thực tế

các mạch điều chế pha thờng đợc dùng kết hợp với mạch tích phân để thực điều tần gián tiếp so với mạch điều tần trực tiếp lợng di tần nhỏ hơn, ∆ϕ nhỏ Nhng mạch điều tần gián tiếp có độ ổn định tần số trung tâm cao, dùng thạch anh tầng dao động để ổn định tần số Để khắc phục nhợc điểm lợng di tần nhỏ, sau tầng điều tần mắc thêm số tầng điều tầng nhân tần để đảm bảo lợng di tần yêu cầu nh sơ đồ khối hình sau:

Us

1uH Ucc

Ut

Sơ đồ nguyên lý mạch đièu chế pha dùng mạch lọc

4.Một số biện pháp để nâng cao chất lợng tín hiệu điều tần.

TÝn hiƯu ®iỊu tÇn cã hƯ sè ®iỊu chÕ Mf = ∆ωm/ωs Khi tần số điều chế tăng

thì Mf gảm ( giả thiết Us = const ) làm cho tỉ số tín hiệu tạp âm ( S/N ) giảm Vì

vy trc iu ch, tớn hiu điếu chế us đợc đa qua mạch lọc thông cao Các

thành phần số cao us qua mạch đợc u tiên mặt biên độ đầu thu,

sau tách sóng lại phải dùng mạch lọc thơng thấp có số thời gian số thời gian mạch lọc thông cao để nhận lại phân bố biên độ theo tần số nh tín hiệu thực ban đầu

Trong phát UKW , theo tiêu chuẩn châu Âu , ngời ta quy định số thời gian τ = 50às Khi truyền tín hiệu điều chế tần số tín hiệu màu (tín hiệu hiệu ) hệ SECAM, chọn τ = 2às Ngoài để giảm ảnh hởng điều biên ký sinh tín hiệu điều tần đa tín hiệu điều tần qua mạch hạn biên trớc đa vào tách sóng tần số

1

7

ft f

t±∆f nft±n∆f ft±n∆f nft±n

2∆f

ft±n2∆f

1-Bộ tạo dao động 5-Mạch nhân tần bậc n 2-Mạch điều tần gián tiếp 6-Mạch trộn tần 3-Mạch nhân tần bậc n 7-Mạch nhân tần bậc(n-1) 4-Mạch trộn tần

Sơ đồ khối phương pháp nâng cao lượng di tần mạch điều tần gián tiếp

Ch¬ng Giải điều chế(tách sóng) I Khái niệm:

Tách sóng trình tìm lại tín hiệu điều chế, tín hiệu sau tách sóng gọi tín hiệu håi phơc(recontruction signal)

u cầu tín hiệu sau tách sóng phải giống tín hiệu ban đầu, nhng thực tế giống mức độ đó, nói chung khác nhau, đặc trng cho khác này, gọi méo phi tuyến

Cũng có hai loại tách sóng ứng với hai loại điều chế: tách sóng biên độ tách sóng tần số

II Tách sóng biến độ:

1 Các tham số tách sóng biên độ: - Hệ s tỏch súng

+ Tín hiệu vào tách song tín hiệu điều biên gọi uVTS= UVTS.costt= Uωt.cosωtt (1)

Trong UVTS biến thiên theo quy luật tin tức, bao gồm thành phần

chiều thành phần biến đổi chậm theo thời gian: UVTS=U,0+u,

Tơng tự tín hiệu tách sóng ký hiƯu: URTS=U``0+us``

=> HƯ sè t¸ch sãng KTS=

VTS RTS

U U

(2)

Với trình tách sóng, tín hiệu biến thiên chậm có ý nghĩa, KTS, thờng đợc tính với thành phần biến đổi:

KTS= ,

,,

s s

u u

(3)

HÖ sè tách sóng lớn hiệu tách sóng cao, KTS=h/s, lóc

đó mạch tách sóng gọi tách sóng tuyến tính - Trở kháng vào:

ZVTS=

t t VTS

VTS

I U I

U

ω ω

= =aVTS + jbVTS (4)

Tham số đặc trng cho mức độ ảnh hởng tách sóng đến nguồn tín hiệu vào

- MÐo phi tuyÕn:

Đặc trng cho sai lệch tín hiệu hồi phục tín hiệu ban đầu, đợc xác định theo cơng thức:

Tín hiệu vào tách sóng: VTS

Tín hiệu t¸ch sãng: RTS

T¸ch sãng

≅≅≅ ≅≅≅

s s s s

I I I I k

ω ω ω

ω 42

2

2 + + +

= (5)

s Iω

s I2ω

s

I3ω cách hài bậc 1, 2,3 2 Mạch tách sóng biên độ:

a Mạch tách sóng biên độ dùng mạch chỉnh lu:

Có hai sơ đồ tách sóng dùng mạch chỉnh lu, sơ đồ nối tiếp (diode tách sóng nối tiếp với tải)và song song(diode tách sóng song song với tải)

Ta làm quen với diode tách sóng chơng trình Cấu kiện Điện tử, để mở thơng cho diode dùng trực tiếp tín hiệu làm việc, ma không dùng nguồn chiều

R D

C D

C R

Hình Tách sóng biên độ nối tiếp Hình Tách sóng biên độ nối tiếp

UD ID

uđb

iD Tín hiệu t¶i

Coi điện áp đầu vào tín hiệu cần tách sóng có biên độ đủ lớn(các mạch tr-ớc khuếch đại: KĐ cao tần, KĐ trung tần), cho đặc tuyến V-A D coi nh đờng thẳng:

Ví dụ tính tốn cho sơ đồ nối tiếp:

+ iD = S.uD=S(uđb-uc), uđb=Uđbcosωst =UT(1+mcosωst) cosωtt

=> iD = S.uD=S(Uđbcosst -uc) (6)

Tại st=(góc cắt tín hiệu), iD =0, thay vào (6), ta có

0 = S(U®b cosθ-uc) (7)

=> cosθ=

dB C

U u

(8)

Lấy (6)-(7), ta đợciD = S.uD=S(Uđbcosωst - cosθ) (9)

+ Mặt khác, dòng qua D tín hiệu biến đổi, tổng quát ta khai triển theo chuỗi Furier để đa dạng COS, nh sau:

iD= I0 + I1cosωtt + I2cos2ωtt+ I3cos3ωtt+ + I4cos4ωtt+ (10)

I0= ∫

θ ω π 0 t d iD t

I1= ∫

θ

ω ω

π 0 cos2

2

t td

iD t t (11)

In= ∫

+ θ ω ω π cos t td n i n t t D

Thay cơng thức (9) vào hệ (11), tính tốn ta đợc:

) cos (sin

0 = π db θ − θ θ

SU I (12) ) cos sin (

1 = π db θ − θ θ

SU

I (13)

Từ thành phần chiều I0, tính đợc điện áp tải:

) cos (sin

0 = π θ − θ θ

= db C SU R RI u (14)

Và xác định đợc góc cắt cách thay (14) vào(8):

) cos (sin

cos θ θ θ

π

θ = RS −

RS

tgθ − θ = π (15)

i = S.uDkhi uD≥0

uD<0

BomonKTDT-§HGTVT

Từ (15), ta thấy góc cắt tín hiệu phụ thuộc vào thông số hỗ dẫn S diode điện trở tải R, mà khơng phụ thuộc vào tín hiệu vào, nh tách sóng tín hiệu lớn tín hiệu khơng bị méo

TÝnh cho θ=900, th× I 0=

π

db

SU

I1=

2 db

SU

Vµ iD= SU®b( n t

n

t t

n

n

t π ω

ω π ∑ ∞ = − − − + 2 cos ) ( cos 1 ) (16) iD= S UT(1+mcosωst)( t n n tt

n

n

t π ω

ω π ∑ ∞ = − − − + 2 cos ) ( cos 1 )(17) Tõ (17) suy : Phỉ cđa tín hiệu iD gồm thành phần: chiều, thành

phần t , s; thành phần kết hợp: ts; nts Thông thờng t>>s cho

nên lọc lấy thành phần hữu ích s: is= cos

t

mSU

st, lµ tÝn hiƯu håi

phơc

Trong sơ đồ phải chọn số thời gian τ=RC đủ lớn cho dạng điện áp tải(tín hiệu hồi phục), giống với tín hiệu tin tức ban đầu Tổng quát R, C chọn theo biểu thức sau:

Thùc tÕ thêng chän

max 10 s t RC

< < (18), muốn dễ dàng thoả mÃn điều kiện phải chọn tần số điều chÕ tÝn hiƯu ωt≥100ωsmax

Sơ đồ tách sóng song song có u điểm loại đợc thành phần chiều DC, không cho tải(do không qua đợc tụ điện); nhng lại có nhợc điểm thành phần cao tần dễ dàng tải, cần phải lọc

b Tách sóng biên độ dựng phn t tuyn tớnh

Xét mạch nhân nh hình trên:

+ uđb =Ut(1+mcosst) costt : tín hiệu đầu vào tách sóng

+ ut =Utcos(tt +): tớn hiu dao ng ni

+ Trên đầu mạch nhân ta có:

ur=K.ut.uđb=K [ Ut(1+mcosst) costt][ Utcos(ωtt +ϕ)]

s t RC ω ω 1 1 < < < < K U ®b U t U r

Läc th«ng thÊp

=K.Ut(1+mcosωst) [cosωtt][ Utcos(ωtt +ϕ)]

=> (1 mcos t)[cos cos(2 )]

2

ϕ ω ϕ

ω + +

+

= KU t

u t s t

r (19)

Sau qua mạch lọc thơng thấp, ta có đợc thành phần hữu ích ϕ

ω t)cos

mcos (1

2 `

2

s t

r

KU

u = + (20)

Nhận xét: + Muốn tách sóng đợc, điện áp ut đầu vào thứ mạch nhân

phải có tần số tần số tải tin điều chế, điều làm phơng pháp trở nên phức tạp vấn đề đồng bộ, pha tín hiệu dao động nội cần phải có đợc đồng với pha tín hiệu vào:

• Khi ϕ=±90, cosϕ=0 tức khơng có tín hiệu điều chế • Khi ϕ=0, cosϕ=1 biên độ tín hiệu cực đại

• Khi ϕ=180, cosϕ=-1 biên độ tín hiệu cực tiểu Vì loại cịn gọi tách sóng đồng

+ Thực tế mạch nhân khơng đối xứng hồn tồn(vẫn có giá trị lệch khơng), thành phần tín hiệu có tải tần với biên độ nhỏ, cần thêm mạch lọc để loại bỏ thành phần Tuy nhiên so với phơng pháp dùng D chứa thành phần hài

c Hiện tợng phách chèn ép tách sóng biên độ

Trong hệ thống vô tuyến, đầu vào máy thu, bên cạnh tín hiệu cao tần kênh cần thu, cịn có tín hiệu nhiễu từ kênh khác huặc nguồn nhiễu Chúng kết hợp với sinh tơng phách chèn ép tách sóng biên độ

1 HiƯn tợng phách.

- Gi thit cỏc in ỏp đặt vào tách sóng biên độ: u1 = U1cosω1t

u2 = U2cosω2t

Do điện áp tổng :

u = u1 (t) + u2 (t) = U(t)cosωt =U(t)cos[ω1t + ϕ(t)] (21)

Vì u1và u2 có tần số khơng cố định, nên biên độ véc tơ tổng không

cố định Tại thời điểm ta có véc tơ tổng u nh hình: ∆ω = ω2 - ω1

áp dụng hệ thức lợng tam giác thờng ta tìm đợc:

U(t) = U + U − 2UU cos(180− ∆ωt)= U + U2 + 2U1U2cos∆ωt

2 2 2 (22)

ϕ(t) = arctg

t U U t U ω ω ∆ + ∆ cos sin 2 (23) Vì tách sóng biên độ khơng có phản ứng pha điện áp đặt vào, nên để xem xét kết tách sóng khơng cần quan tâm đến ϕ(t).

Nếu giả thiết tách sóng biên độ khơng có qn tính tần số hiệu ∆ω nghĩa

C

ω

∆ >>R điện áp tải tách sóng theo định nghĩa:

URTS = KTSUVTS = KTSU(t)

= KTSU1 cos( )

1 2 2 t U U U U ω + + (24)

Nh vậy, điện áp biến thiên theo tần số hiệu , ta gọi tợng tợng phách

Hin tng phách đợc ứng dụng điện báo đẳng biên Tín hiệu báo đẳng biên sau tách sóng điện áp chiều, khơng có tác dụng tai nghe Vì để tách sóng tín hiệu điện báo đẳng biên có tần số ω1, cịn đa thêm tín hiệu ngoại

sai có tần số ω2 vào tách sóng cho ∆ω = ω2 - ω1 nằm phạm vi âm tần để

tai ta nhận biết đợc 2 Hiện tợng chèn ép

Trờng hợp hai dao động tác động lên tách sóng có biên độ chênh lệch nhiều tợng phách trở thành tợng chèn ép

Trong biểu thức (24), đặt x = 2

1 2

U U

+ t

U U

cos

1

2 ∆ω

(25)

NÕu gi¶ thiÕt U2 << U1 th× x <<

áp dụng biểu thức gần đúng( 1+ x≈(1+x)1/2 x<<1), ta viết lại biểu thức (25)nh sau:

ω1 ω2

U(t) = KTSU1 1+ x ) cos ( 2 2 t U U U U U

KTS + + ∆ω

≈

= KTS (U1+ U t

U U

ω ∆

+ cos

2 1

2

2 )

= KTS 

 



∆ +

+ U t

U U

U cos ω

2 1

2

(26) Từ (26) suy tín hiệu tín hiệu vào u1và u2

URTS! = KTSU1 => KTS! = KTS (27)

URTS2 = KTS

2

2U

U

=> KTS2=KTS

2

2U

U

(28)

Khi U1>> U2 => KTS1>> KTS2, tức tách sóng biên độ có hai dao động cao tần

có biên độ khác nhiều, q trình tách sóng xuất chèn ép: tín hiệu biên độ lớn chèn ép tín hiệu có biên độ lớn

C Tách sóng tín hiệu đơn biên

Tách sóng tín hiệu đơn biên đợc thực nhờ mạch điều chế vịng Tín hiệu đơn biên với tần số ωt + ωs tín hiệu tải tin phụ với tần số ωt lấy từ dao động nội, đợc đa vào đầu vào mạch điều chế vòng(xem mạch điều chế vòng phần điều chế đơn biên) Tại đầu có tín hiệu : tần số thấp ωs tín hiệu tần số cao 2ωt+ωs

Mạch lọc thông thấp loại bỏ thành phần tần số cao, lại hữu ích s

Cũng nh phơng pháp tách sóng đồng bộ, vấn đề phải tạo đợc đồng tần số tín hiệu tải tin tín hiệu dao động nội Để giải vấn đề này, tiến hành lọc lấy tải tin bị nén(thờng vào tín hiệu pilot), khuếch có đợc tín hiệu dao động nội cần thiết

III T¸ch sãng tín hiệu điều tần

- Tỏch súng tớn hiệu điều tần trình biến đổi độ lệch tần số tức thời tín hiệu điều tần so với số trung bình thành biến thiên điện áp đầu

- Đặc tuyến truyền đạt tách sóng điều tần mối quan hệ điệu áp biến đổi đầu biến thiên tần s vo:

Mạch điều chế vòng

2t+s ωt

ωt + ωs

ωs

Läc th«ng thÊp

ωs

Để hạn chế méo phi tuyến, phải chọn đoạn đặc tuyến gần tuyến tính AB - Tách sóng tần số tách sóng pha, thờng thực theo cách sau:

+ Biến tín hiệu điều tần tín hiệu điều pha thành tín hiệu điều biên, thực tách sóng biên độ

+ Biến tín hiệu đièu tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung, thực tách sóng tín hiệu điều chế độ rộng xung nhờ mạch tích phân

+ Dùng vịng khố pha PLL, tín hiệu dao động nội PLL bám theo tín hiệu điều tần, sai số tín hiệu cần tách

Sau số mạch điện dùng phơng pháp a Mạch tách sóng biên độ để tách sóng tần số:

Mạch tách sóng pha cân dùng diode:

Mạch có dạng nh hình vẽ dới đây:

Tớn hiu cần tách sóng tín hiệu điều pha uđf, đợc so sánh pha với tín hiệu

chuÈn uch

Giả thiết: uđf= U1cos(01t +(t)+ 01)= U1cos1(t)

Uch= U2cos(ω02t + ϕ02)= U2cosϕ2(t)

f us

B

A

D2 D1

R

R

C

C

uS

uch

u®f

uch u®f

u®f

Mạch biên độ tách sóng pha dùng D

Điện áp D: biến áp cửa uđf tạo tín hiệu uđf đảo pha; hai

tụ điện dung để ngắn tín hiệu xoay chiều uch, uđf(hình trên)

D1: uD1= u®f + uch

D2: uD2= -u®f + uch

Tín hiệu giải điều chế đợc giải thích theo kiểu vector nh sau:

U1

U2 UD1

UD2 -U2

∆ϕ(t)

ϕ1(t)

ϕ2(t)

D2

C

uch u

®f

uD2 u®f

D1 C

uch u®f

uD

áp dụng công thức hàm số cosin cho tam giác, ta tính đợc: uD1= U12 + U22 − 2U1U2cos(180− ∆ϕ(t))= U12 + U22 + 2U1U2cos∆ϕ (t)

(29)

uD2= U12 + U22 − 2U1U2cos∆ϕ (t)

(30)

 us=KTS U12 + U22 + 2U1U2cos∆ϕ(t)

(31)

 us=KTS U12 + U22 2U1U2cos(t)

(32)

Điện áp bé t¸ch sãng:

us= us1 - us2= KTS[ U12 + U22 + 2U1U2cos∆ϕ (t)

-) ( cos

2 1 2

2 2

1 U UU t

U + − ∆ϕ ] (33)

tức us=f(∆ϕ(t)), ta nói điện áp phụ thuộc vào độ lệch tần số pha tín hiệu vào

Trong c«ng thøc (33): ∆ϕ(t)= (ω01-ω02)t +ϕ(t)+ ϕ01 - ϕ02 (34)

Và: KTS hệ số tách sóng, tính tốn

KTS=us/mUt

+ Nếu 01=02 01 = 02, điện áp (t)= (t), tức điện áp

phụ thuộc vào pha tín hiệu vào- Ta có mạch tách sóng pha + Tơng tự (t)=0, ta có mạch t¸ch sãng tÊn sè

+ Thực tế tín hiệu điều chế thờng kết hợp pha tần tổng quát dùng phơng pháp gii iu ch tớn hiu

Mạch tách sóng tần số dùng mạch lệch cộng hởng

Hỡnh di tách sóng tần số dùng mạch lệch cộng hởng, đầu vào hai tách sóng biên độ D1 D2, chúng hai mạch cộng hởng đợc điều chỉnh cộng hởng tần số ω1,

Gọi tần số trung tâm tính hiệu vµo lµ ω0=ωt, ta cã:

ω1 = ω0 + ∆ω0

ω2 = ω0 - ∆ω0

Sự điều chuẩn mạch cộng hởng lệch khỏi tần số trung bình tín hiệu vào làm biên độ điện áp vào hai tách sóng biên độ U1, U2 thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp tín hiệu vào

U1=m Udt Z1 (36)

U2=m Udt Z2 (37)

Trong m=M/L gọi hệ số ghép biến áp, Z1 , Z2 trở kháng hai

mạch cộng hởng 2, đợc tính nh sau:

2 1 1 ] [ ] [

1 ξ ξ

ω ω

ω − = + −

+

= td Rtd

2 2 2 2 ] [ ] [

1 ξ ξ

ω ω

ω − = + +

+

= td Rtd

Q R Z

(39) Rtd1 , Rtd2 trở kháng cộng hởng m¹ch

Q1, Q2 : hƯ sè phÈm chÊt mạch

Chọn hai mach cộng hởng nh nhau, ta cã Rtd1 = Rtd2=R

Q1 = Q2 = Q

Ta có đợc kết quả:

0 , 0 ω ω ω

ξ = Q − vµ

0 , 1 ω ω ω

ξ = Q −

ξ0,: Là độ lệch tần số tơng đối tần số cộng hởng riêng mạch dao động v

tần số trung bình tín hiệu vào

ξ1,: Là độ lệch tần số tơng đối tần số tín hiệu vào tần số trung bình

tÝn hiƯu vµo

us1=KTSU1= KTSm Udt Z1= KTSm Udt 2

0

] [

1+ ξ − ξ

td

R

us2=KTSU2= KTSm Udt Z2= KTSm Udt 2

0

] [

1+ ξ + ξ

td

R

Điện áp ra(hình vẽ):

us= us1 - us2 = KTSm Udt[

1

] [

1+ ξ − ξ

td R - 2 ] [

1+ ξ + ξ

td

R

] (40)

(40) lµ biểu thức nói lên quan hệ điện áp tách sóng tần số tín hiệu vào tách sóng

Phơng pháp có nhợc điểm khó chọn đợc mạch cộng hởng giống nhau(về tham số), cho nờn ớt dựng

Mạch tách sóng tần số dùng céng hëng ghÐp:

Mạch loại làm việc theo nguyên tắc: biến tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều pha, sau dùng tách sóng biên độ để tách sóng pha

D2 D1 D1

U

dt C1 us

Cgh C2 C C R R Lc L1 L2 u1 u2

Bộ tách sóng tần số dùng mạch cộng hưởng ghép

Tín hiệu điều tần đợc ghép theo hớng(hình vuông nét đứt):

+ Qua biến áp (L1, L2) đa đến mạch dao động thứ cấp: L2, C2 + Qua tụ Cgh đa vào tách sóng biên độ

Cách lý luận mạch nh phơng pháp: Mạch biên độ tách sóng pha, ta có: UD1=U1 + U2

UD2=U1 - U2

Có khả năng:

+ Khi tần số tín hiệu vào f=f0(tấn số cộng hởng mạch sơ cấp thứ cấp),

dũng điện qua L1 chậm pha U1 900, đợc xác định:

1 1

L j

U I L

ω

= , I1L g©y trªn

L2 sức điện động: EM=jωMI1L , giả sử biến áp chiều, tức M>0, nên EM

sớm pha I1L 900

Bản thân EM lại sinh dòng I2 mạch cộng hởng thứ cấp, f=f0 , nên I2

ng pha với EM:

r E

I = M

2 , với r điện trở tổn hao mạch thứ cấp, hai điện áp (u2) đầu cuộn thứ cấp ngợc pha lệch pha so với dòng điện I2 +900

với điện áp u2, -900 với điện áp u`2 Tức điện áp 2D nh nhau

Mặt khác:

us1 = KTS.UD1

us2 = KTS.UD2 => us= us1 -us2= KTS(UD1 - UD2)= KTS.0=0

+ Khi f > f0: M¹ch céng hëng thø cÊp mang tÝnh chÊt điện cảm, nên I2 chậm

pha EM, góc<900, u2,u`2 ngợc pha vuông góc với I2, u1 u2 lƯch pha mét

góc ϕ1 u1 lệch pha u`2 góc (∏ -ϕ1) Tần số tín hiệu f lơn f0, biên độ

 UD1 lớn UD2, tức us= KTS(UD1 - UD2), lớn

+ Khi f < f0: Mạch cộng hởng thứ cấp mang tính chất điện dung, nên I2 sím

pha h¬n EM, gãc<900  UD1 <  UD2, tøc lµ us= KTS(UD1 - UD2), cµng nhá

Tóm lại: tần số tín hiệu vào thay đổi(nhỏ hơn, lớn hơn, hay với f0),

dẫn đến thay đổi độ lớn UD1, UD2, làm cho điện áp thay đổi Trị số điện áp

đặc trng cho độ lệch tần số tín hiệu vào so với tần số trung tâm

Tách sóng dùng mạch cộng hởng ghép méo dễ điều chỉnh, mạch cộng hởng với tần số f0 Tuy nhiên có nhợc điểm điện áp us phụ thuộc

vo tn số biên độ (U1) nên sinh tợng nhiễu biên độ, để khắc phục

th-ờng U1 đợc hạn biên trớc thực tách sóng Tách sóng tỉ số

Mạch tách sóng tỉ số có sơ đồ dới đây, vừa làm nhiệm vụ tách sóng vừa hạn biên:

Lgh

D2

R R

R1

C1 C

C D1

Ctc

L2 L1 Csc

Us2 Us1

u1

U2 U

s

Sơ đồ tách sóng tỉ số

U0

Dòng điện qua D nạp điện cho C1, với số thời gian τ =RC1, chọn thông số cho τ= (0,1-0,2)s, giá trị lớn, nên C1 biên thiên chậm làm cho nhiễu biên độ giảm:

áp dụng đinh luật KII cho vòng nét đứt us1 + us –uR=0

=> us = uR -us1

Víi uR=

2

2 us us

U = +

=> 2 2 2

1 s s s s

s s u u u u u

u = + − = −

Cã thể viết us theo dạng khác nh sau:

1 2 2 2 2 2 . 2

2 s s

s s s s s s s s s s s s s s s s s s s u u u u U u u u u u u u u u u u u u u u u u + − = + − + = + + − = − = − = / /

2 2 1

1 + − = s s s s s u u u u U u (41)

Từ (41), cố định U0, tín hiệu tách sóng us phụ thuộc vào tỉ số

biên độ áp vào us2/ us1, thân us1 , us2 lại phụ thuộc biến thiên tần số đầu

vào, tức tách sóng loại khơng có phản ứng với biến thiên biên độ điện áp đầu vào(vì tỉ lệ nên giá trị chia cho nhau), nên tránh đợc nhiễu

 Mạch tách sóng Koinridenz

C2 L C1 Tầng chuyển mạch Lọc thông thấp Dịch pha

Nguyên lý mạch tách sóng Koinzidenz

Mạch Hạn biên

Utg1

Utg2

Utg U us

Đầu vào tách sóng tín hiệu điều tần đợc hạn biên

Giả sử tín hiệu dãy xung hình chữ nhật, có tần số trung tâm ωtg, đợc

biểu diễn theo dạng gần đúng:

t t x do Trong x x x U u s s m tg tg tg ω ω ω ω π sin : _ ) cos cos (cos ∆ + = + − + − = (41)

Tín hiệu vào đồng thời đợc đa đến chuyển mạch di pha: di pha khâu RC, R trở tơng đơng, tính cho thời điểm cộng hởng mạch LC

Khi tần số tín hiệu vào =tg, di pha thùc hiÖn mét gãc di pha

∆ϕ=900, tần số tín hiệu vào thay đổi ∆ϕ=900-ϕ, ϕ phụ thuộc vào độ lệch

tÇn sè ∆ω Do vËy tÝn hiƯu m¹ch di pha:

)] ) ( sin ) ( sin ) [sin(

2 = kU x− ϕ + x− ϕ + x− ϕ − +

utg tg

(42)

k: hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào tham số mạch di pha Utg2 dựng iu

khiển tầng chuyển mạch

Tầng chuyển mạch có hàm truyền đạt dãy xung hình chữ nhật, có biểu thức tính: )] ) ( sin ) ( sin ) [sin( ) (

2 = − π x− ϕ + x− ϕ + x− ϕ + +

A t

U

(43)

§iƯn áp tầng chuyển mạch: u=utg2.S2(t), sau tính toán bỏ thành

phn tn s cao(nh mch lọc thơng thấp), ta có đợc đợc:

)] sin 25 sin [sin

2 − + + +

= ϕ ϕ ϕ

π tg

s AU

u (44)

Khi ϕ=(-Π/2 ữ-Π/2)Biểu thức (44) chuỗi Furier dãy xung tam giác, điện áp tỉ lệ với góc pha ϕ, tỉ lệ với biên độ điện áp điều chế

Loại điều giải điều chế thờng dùng để tách sóng tín hiệu phát truyền hình

IV Vòng khóa phaPLL(Phase Locked Loop)

1 Cấu tạo

a Bé t¸ch sãng pha:

tạo tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha tín hiệu vào, tín hiệu vào thờng hình sin huặc xung vuông, có loại tách sóng pha tuyến tính(tín hiệu vào sin), tách sóng pha số(tín hiệu vào xung vuông)

- Bộ tách sóng pha tuyến tính: mạch nhân tơng tự(xem mạch nhân tơng tự chơng trớc), tín hiệu tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào

- Bé t¸ch sãng pha sè: thùc hiƯn mạch số, thuộc loại mạch tổ hợp b Bộ lọc thông thấp:

Thực chức năng:

- Cho qua tÝn hiƯu tÇn sè thÊp ωv - ω`r, nÐn tÇn sè cao ωv + ω`r

- Đảm bảo cho vong khoá pha PLL bắt nhanh bám đợc tín hiệu vào tần số thay đổi, nghĩa phải có tốc độ đáp ứng thoả mãn

- Dải thông lọc phải đủ lớn để đảm bảo dải bắt cần thiết

Thông thờng PLL dùng lọc thông thấp bậc nhất, có tính ổn định cao lọc bậc cao, dùng lọc tích cực để tăng độ khuếch đại cho hệ thống

c Bộ dao động có tần số điều khiển đợc(xem thêm giao trình Kỹ thuật Xung):

Yêu cầu chung quan hệ điện áp điều khiển số dãy xung phải tuyến tính, ngồi cịn phải có độ ổn định cao, dải biến đổi tần số lớn, dễ điều chỉnh, dễ chế tạo thành vi mạch

Về nguyên tắc dùng mạch tạo dao động, mà tần số dao động biến thiên đợc phạm vi: (±10% ữ±50%), xung quanh giá trị dao động tự ω0

Trong phạm vi tần số : 1Mhz ữ 100 Mhz, thờng dùng dao động tạo xung chữ nhật; phạm vi tần số : 1Mhz ữ 50 Mhz, thờng dùng dao động đa hài (tích thốt, mạch đa hài ghép Emitter )

Các dao động đợc điều khiển dòng điện(CCO), u việt dao động điện áp (VCO), có phạm vi tuyến tính đặc tuyến truyền đạt rộng

2 Nguyên tắc hoạt động:

PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển, đại lợng vào tần số, chúng đợc so sánh với pha Vịng điều khiển pha có nhiệm vụ phát

Läc th«ng thÊp

& Khuếch đại Mạch dao độngVCO

Mạch chia tần

ur

r u

r-tách sãng pha ωv - ω`r

ud

ud=Kduvu`r

u`r

ω`r=ωr/N

uv

ωv±ω`r

Sơ đồ khối PLL

ωv

t¸ch sãng pha

hiện điều chỉnh sai số nhỏ tần số tín hiệu vào tín hiệu ra: làm cho tần số `r tín hiệu so sánh bám theo tần số v tín hiệu vào, tần số tín

hiệu so sánh tần số tín hiệu ra(`r=r), huặc tỉ lệ với tần số tín hiƯu ra(ω`r=ωr/

N)

XÐt trêng hỵp tÝn hiƯu vào sin, mạch tách sóng pha mạch nhân tơng tự +Khi tín hiệu vào, tín hiệu điều chỉnh ud=K uv u`r = 0, mạch

VCO dao động với số tần số dao động riêng ω0(tần số dao động tự do- chế

độ chờ)

+ Khi cã tÝn hiƯu vµo, tách sóng pha so pha số tín hiệu vào tín hiệu so sánh, đầu bé t¸ch sãng pha cã ud=K uv u`r (# 0), chứa thành phần

tổng hiệu tần số: v`r, thành phần tổng v + `r bị loại bá nhê m¹ch läc

thơng thấp, cịn thành phần hiệu: ωv - ω`r, sau khuếch đại đợc dùng làm tín

hiệu điều khiển dao động VCO, tần số VCO thay đổi cho: tạo đợc tần số hồi tiếp ω`r có giá trị làm cho (ωv - ω`r) >

NÕu tÊn sè v `r lệch lớn làm cho tần sè tỉng vµ hiƯu n»m

ngồi dải thơng mạch lọc, khơng có tín hiệu điều khiển VCO, VCO dao động với tần số ω0, ω`r tiến dần đến ωv cho thành phần hiệu rơi vào dải

thông lọc, VCO bắt đầu nhận tín hiệu điều khiển, ta gọi PLL làm việc “dải bắt” tín hiệu, “dải bắt” dải PLL thiết lập chế độ đồng

“Dải giữ” dải PLL giữ đợc chế độ đồng thay đổi tần số tín hiệu vào(phụ thuộc biên độ điện áp điều khiển ud khả biến đổi tần số

VCO)

Trong dải giữ PLL mạch điều khiển tuyến tính, theo giả thiết chọn hệ số chia tÇn N=1, ta cã

) sin( sin ' ' r r v r v r v

d Ku u KU U t t

u = = ω ω + ϕ

(1)

= [cos(( ) ) cos(( ) )

' ' r r v r r v r

vU t t

KU ϕ ω ω ϕ ω ω − − − + + (2) Nhờ lọc thông thấp, tín hiệu đa đến VCO cịn:

) ( cos )) ( ( ) ) cos(( )) ( ( ' ' ' t j G U U K K t j G U U K K u r v r v d r r v r v r v d d ϕ ω ω ϕ ω ω ω ω − = − − − = (3)

Trong đo Kd; Glà hệ số module truyền đạt mạch lọc thơng thấp

T¹i xung quanh điểm làm việc tĩnh, tần số VCO tỉ lệ với giá trị trung bình ud, viÕt

∆ωB=ωr- ω0=K0ud=

) ( cos )) ( ( '

0 G j t

U U K K

K v r v r

d ω − ω ϕ

=> ∆ωBmax=

)) (

(

'

0 d v r G j v r U

U K K

K

và dải bắt 2Bmax

Khi v l hng s PLL chuyển sang trình giữ, hiệu pha

tính hiệu u’r uv khơng đổi (ωv = ω`r), từ phơng trình =>

r r v d d U U K K

u cosϕ

2 =

Do tần số thay đổi lợng: ∆ωG = ωr-ω0 = ωv-ω0=K0ud

∆ωG =

r r

v d

U U K K

K cosϕ

2

0

=>∆ωGmax =

0 d v r U U K K K 2Gmax dải giữ PLL

3 øng dơng cđa PLL

PLL đóng vai trị kỹ thuật truyền số liệu, kỹ thuật vô tuyến điện, kỹ thuật đo lờng điện tử đợc dùng nhằm biến đổi tần số, sau ứng dụng cụ thể:

a Tách sóng tín hiệu điều tần: Khi chọn tần số dao động tự ωo = t(tn

số tải tần), ud tín hiệu cần tách sóng

b iu ch tớn hiu số theo kiểu khoá dịch tần(FSK): dùng MODEM để truyền tín hiệu số đờng điện thoại(tơng tự), dùng phơng pháp khố dich tần FSK, hai bít 1, đợc khoá theo tần số khác nhau, ví dụ 950hz=0; 1050hz=1, PLL đợc cấu tạo cho tần số dao động tự ωo nằm tần số

điều chế, để ωo bám theo tần số, điện áp tỉ lệ với tần số vào, ví dụ với

bÝt 1(1050hz), ®iƯn ¸p ud lín, bÝt 0(950hz), tÝn hiƯu ud nhá ≅0 Nh vËy ud biĨu diƠn

tín hiệu nhị phân, hay PLL điều chế tín hiệu nhị phân, tín hiệu truyền đờng tơng tự

c Tổng hợp tần số:

- Nhân tần: f0=N.fc ; fc: tần số chuẩn

Lọc thông thấp

& Khuch i Mch dao ngVCO

Mạch chia tần

r

Tín hiệu giải điều chế FM

v - ω`r ud

ud=Kduvu`r

u`r

ω`r=ωr/N uv

v`r

Mạch dải điều chế FM dùng PLL

v

tách sóng pha

Lọc thông thấp

& Khuếch đại Mạch dao độngVCO

M¹ch chia tần N:1

fr=Nfc fc

Mạch nhân tần dùng PLL t¸ch sãng pha

- Mạch tổng hợp tần số: cấu tạo nguyên tắc giống mạch nhân tần khác tần số chuẩn trớc đa vào tách sóng pha đợc chia tần với hệ số chia M, fc=fv/M,

Nh tần số đợc xác định : fr=Nfc= fc

M N

chơng trình hố thay đổi tham số N M nhận đợc chuỗi tần số có giá trị khác từ tần số ban đầu fv

- Đồng tần số: dùng để đồng tần số với tần số vào: Lọc thông thấp

& Khuếch đại Mch dao ngVCO

Mạch chia tần N:1

fr=Nfv/M Mạch chia tần

M:1

fc

Mạch tổng hợp tần số dùng PLL

tách sóng pha

f

v

Läc th«ng thÊp

& Khuếch đại Mạch dao độngVCO

fr=fc

fc

Mạch đồng tần số dùng PLL tách sóng pha

Chơng Trộn tần I Khái niệm

1 Định nghĩa:

Trn tn l quỏ trình tác động lên tín hiệu cho đầu trộn tần ta nhận đợc thành phần tần số tổng hiệu tín hiệu

Thơng thờng hai tín hiệu tín hiệu vạch phổ, gọi tín hiệu ngoại sai: Tín hiệu cịn lại tín hiệu hữu ích có tần số cố định huặc biến thiên phạm vi đó, ký hiệu fth

Cã nhiỊu tín hiệu trình trộn tần, nhng thờng lấy thành phần mong muốn, ký hiệu ftg

Công cụ thực hiện: thông qua phần tử tuyến tính phi tuyến 2 Nguyên lý trộn tần:

Giả sử phần tử phi tuyến, đợc biểu diễn theo chuỗi Taylor: i = a0+a1u+ a2u2+ a3u3+ + anun+ (1)

u: điện áp đặt lên phần tử phi tuyếnu=uns+uth

u=uns+ uth =Unscosωnst+ Uthcosωtht (2)

=>i=a0+a1(Unscosωnst+Uthcosωtht)+ a2(Unscosωnst+Uthcosωtht)2+

+ a3(Unscosωnst + Uthcosωtht)3+ + an(Unscosωnst + Uthcosωtht)n+ (3)

Sau khai triÓn ta cã:

i=a0+a1(Unscosωnst+Uthcosωtht)+a2/2(U2ns+U2th)+a2/2(U2nscos2ωnst+U2thcos2ωtht) +

a2UnsUth[cos(ωns+ωth)t + cos(ωns-ωth)t + (4)  tín hiệu gồm thành phần:

+ Thành phần bản: ns , th

+ Thành phần tổng hiệu: nsth =>

+ Thành phần bậc 2: 2ωns ,2ωth

Căn vào tham số chọn mà có loại trộn tần khác nhau: + Trộn tần đơn giản,n=m=1, ω=ωns±ωth

+ Trộn tần tổ hợp: n,m >1 Thờng dùng trộn tần đơn giản Phân loại

- Theo phÇn tư tÝch cùc dïng trén tần: Tuyến tính phi tuyến

- Theo s đồ trộn tần: sơ đồ dùng diode, dùng transistor ứng dụng:

Dùng máy thu đổi tần để tạo tần số trung tần, hệ thống thông tin định hớng

ω =±nωns ± mωth 

fns

fth

f

tg

PhÇn tư phi tun

II Hệ phơng trình đặc trng:

Dịng điện vào trộn tần phụ thuộc vào tất điện áp đặt lên nó, tức là:

ir=f(uns uth utg), tỉng qu¸t: + uns=Uns cosωnst

+ uth=Uth cosωtht

+ utg=Utg cosωtgt

Thờng Uth, Utg<<Uns, nên biểu diễn gần dịng điện theo chuỗi Taylor,

víi kÕt qu¶ bá qua c¸c sè bËc cao:

Ir=f(uns) + tg ns ns th ns tg tg

ns th

ns

ns u i s u u g u u

fu u f u fu u f ) ( ) ( ) ( ) ( + + = ∂ + (5)

Vì uns hàm tuần hoàn theo thời gian Nên ins, s(uns), g(uns) tuần hoàn theo

thời gian, giá trị bao gồm nhiều thành phần ins(uns)=I0+I1 cosnst+ I2 cos2nst + I3 cos3ωnst+

s(uns)=S0+S1 cosωnst+ S2 cos2ωnst + S3 cos3ωnst+

g(uns)=G0+G1 cosωnst+ G2 cos2ωnst + G3 cos3ωnst+

Thay giá trị vào (5), ta đợc:

∑∞ + ∑∞ + + + = 0 ] ) cos( ) [cos(

cosn t U S n t n t

I

ir n ω ns th n ω ns ω th ω ns ω th

[cos( ) cos( ) ]

2 t n t n G

Utg n ω ns + ω tg + ω ns − ω tg

+ ∑∞ (6)

tõ (6)=> tín hiệu có thành phần: nnsth ; nsth ; nns ; lấy số

hạng cao chuỗi Taylor co thành phần nns mωtg ; nωns± mωth ;

nωth ; mωtg

Đặt tg = nnsth , từ (6) có ir UthSn cosω tgt UtgGncosω tgt

1 +

= (7)

=>Itg = UthSn + UtgGn

1

(8)

(8) gọi phơng trình biến đổi thuận trộn tần, đó: + Sn biên độ hài bậc n hàm s=

th us u u f ∂ ∂ ( )

+ Gn thành phần chiều hµm s=

tg us u u f ∂ ∂ ( )

, đặc trng cho thay đổi điện dẫn trộn tần với thành phần tần số trung gian

Gièng nh dßng ra, dßng vào iv phụ thuộc tín hiệu:

iv=f(uns uth utg) víi Uth, Utg< Uns

Cịng gièng nh cách phần Ith = UtgSm + UthGm

2

(9)

+ Sm biên độ thành phần bậc m(=n trên) hỗ dẫn biến đổi ngợc sng=

tg us u u f ∂ ( )

+ Gm thành phần chiều điện dẫn vào gm =

th us u u f ∂ ∂ ( )

+ Hỗ dẫn trộn tần: U n th tg tt S U I S tg = = =

+ Điện dẫn trộn tần: Uth n tg

tg

tt G

U I

G = =0 =

+ Hệ số khuếch đại tĩnh:

th tg tt U U = µ

+ Hỗ dẫn trộn tần ngợc: U m tg th ttng S U I S tg = = =

+ §iƯn dÉn (trong cã hiƯn tợng trộn tần ngợc): Utg m th

th

ng G

U I

G = =0 =

+ Hệ số khuếch đại tĩnh (khi đổi tần ngợc):

tg th ng U U = µ

=> viết biểu thức (8) và(9) theo quan điểm mạng cực:

tg tt th tt

tg S U GU

I = +

th m tg ttng

th S U G U

I = + (10)

III NHiƠu m¹ch trén tÇn

Nh phân tích, đặt lên đầu vào mạch trộn tần điện áp tín hiệu với tần số f=fth, nhờ tính chọn lọc tải, đầu có thành phần điện áp với tần số ftg=nfns mfth (11)

Tuy nhiên có thành phần tần số khác fth thoả mÃn điều kiện(11),

nên đợc đa đến đầu trộn tần gây nhiễu trộn tần

Gi¶ thiÕt chän m =n=1 => ftg=fns - fth , biĨu thøc tỉng qu¸t cđa tÝn hiƯu trung

gian:

ftg=nfns± mfv (12)

Tất tín hiệu có tần số fv thoả mãn điều kiện (12) đến đợc

đầu trộn tần, khai triển (12) ta nhận đợc: ftg= nfns± mfv ; ftg= -nfns - mfv

ftg= nfns- mfv ; ftg= -nfns+ mfv (13)

+ ftg= nfns± mfv , ftg > fns khơng thoả mãn điều kiện tần số trung gian chọn

+ ftg= -nfns - mfv , nÕu ftg < 0, kh«ng cã nghĩa

+ Vậy có phơng trình ftg= nfns- mfv ; ftg= -nfns+ mfv, thoả mÃn=>

tg ns v f m f m n

f = ± (14)

m, n số nguyên dơng, quan tâm đến tần số m, n nhỏ tần số m, n lớn biên độ khơng đáng kể Cụ thể ta có trờng hợp sau:

- n=0; m=1, tøc lµ ftg=fv, ta cã nhiƠu lät th¼ng

- n=1; m=1, fv = fns ftg : + fv = fns - ftg, tần số tín hiệu vào: fth

nên không coi nhiễu

+ fv = fns + ftg, gọi nhiễu ảnh

Trong loại nhiễu này, nhiễu lọt thẳng lọc đợc nhờ mạch lọc đầu vào, nhiễu fv = 2fns ±ftg loại bỏ chọn phần tử tích cực làm việc chế độ A;

có nhiễu tần số ảnh khó lọc, ftg <<fth

IV Mạch trộn tần

1 Mạch trộn tần dùng Diode

- Mch trn tn đơn: mạch tín hiệu mạch ngoại sai đợc mắt nối tiếp, mạch ghép tín hiệu có dạng giống với hai mạch vào, đổi vai trị chúng(khi gọi trộn tần ngợc) Với loại sơ đồ này, điểm làm việc thờng chọn điểm công tác tĩnh gần gốc toạ độ đặc tuyến V-A, để có độ hỗ dẫn S lơn nhất, phơng trình biểu diễn đặc tuyến V-A đợc tính gần là:

) (

1 −

= eau

i , a: số đợc xác định thực nghiệm, với nhiễu loại D

=.>độ hỗ dẫn au

au

e a du

e d du

di

S

4 )) ( (

= − =

=

Thực tế chọn D trộn tần loại Silic Uns <1V, ;loại Gecmani Uns < (2ữ3)V ;

đảm bảo điện áp ngợc không gây hỏng D

Vì điện áp ngoại sai hàm tuần hồn theo thời gian, nên hỗ dẫn S dãy xung vng với độ rộng xung(xem hình vẽ) phụ thuộc góc cắt tín hiệu θ. Với điểm tĩnh chọn gốc toạ độ, θ =

2

ϕ

C

C

D

C

Uth

Uns

Utg

Mạch trộn tần đơn

s s

0 ∏/2 ωnst uns

uD iD

Theo chuỗi Furier ta tính đợc biên độ hài bậc n S:

S n t td n S n

Sn cos ns ( ns ) 2sin

0 π

θ ω

ω

θ

= = ∫

Thay

2

π

θ = , giả thiết n = dựa vào biểu thức tính đợc hỗn dẫn trộn tần: π

S S Stt = n =

2

Tơng tự nh vậy, điện dẫn trộn tần đợc xác định nh sau:

π θ ω

π

θ S

t d G G

Gitt = io = ∫ i ns =

0

) (

víi

2

π θ = th×

2

S Gitt =

Để chống tạp âm ngoại sai, dùng sơ đồ trộn tần cân nh sau:

D2 D1

C

L L C

Uns Uth

C L

U

tg

Mạch trộn tần cân bằng

Trong trộn tần cân điện áp tín hiệu đặt lên hai điot ngợc pha, cịn điện áp ngoại sai đặt lên hai điot pha; nghĩa

uthD1 = Uthcosωtht

) cos(

2 = U ω t+ π

uth th th

D

vµ unsD1 = unsD2 = uns

Do dịng điện tần số trung gian qua điot (do uth tạo ra): t

I

itg1 = tg1cos(ω −ns ωth)

itg2 = −Itg2cos[(ω ns− ω th)t+ π ]= Itg2cos(ω ns− ω th)t

Trên mạch cộng hởng ra, ta nhận đợc: itg = ith1+ itg2 = 2Itgcosωtgt

Bên cạnh đó, dịng tạp âm tần số trung gian nguồn ngoại sai mang đến đặt lên hai điot đồng pha ngợc pha mạch cộng hởng ra, ta có biểu thức nh sau: ita1 = Ita1cosω tgt

t I

ita2 = − ta2cosω tg

Do ita = ita1− ita2 =

Vậy mạch trộn tần cân làm tăng dịng điện trung gian đầu có khả khử tạp âm tần số trung gian nguồn ngoại sai mang đến

Ngoµi ra, cịng gièng nh mạch điều chế cân trên, đầu mạch trộn tần cân thành phần tổ hợp ứng với hài bậc chẵn tín hiệu (ωns ±

2ωth ; ωns± 4ωth , )

Cũng giống nh mạch điều chế tín hiệu, dùng mạch trộn tần vòng gồm hai mạch trộn tần cân mắc nối tiếp, bỏ đợc thành phần không mong muốn:

L2

C2 D4

D3

D2 D1

C3 L3

L1 C1

u

th

uns

u

tg

Với cách tính tốn giống nh mạch điều chế, ta thu đợc đầu sơ đồ có thành phần tần số ωns ±ωth , thành phần khác bị khử , dễ tách

đợc thành phần có tần số trung gian mong muốn, mạch lọc 2 Mạch trộn tn dựng phn t khuych i.

a.Mạch trộn tần dïng tranzistor

Mạch trộn tần dùng tranzistor mắc theo sơ đồ bozo chung emito chung Sơ đồ bazo chung thờng đợc dùng phạm vi tần số cao siêu cao, tần giới hạn cao Tuy nhiên, sơ đồ bazo chung cho hệ số truyền đạt trộn tần thấp sơ đồ emito chung Các tham số sơ đồ trộn tần phụ thuộc vào điểm làm việc, vào độ lớn điện áp ngoại sai vào tham số tranzistor Về nguyên tắc, phân thành sơ đồ trộn tần dùng tranzistor đơn, đẩy kéo đẩy kéo kép Hình vẽ dới số cách mắc sơ đồ nguyên lý trộn tần dùng tranzistor đơn Các sơ đồ khác cách đặt điện áp ngoại sai vào tranzistor

E2 E1

L C

Q

uns Uth

Sơ đồ EC- uns đưa vào Emitter

E2 E1

L C

Q

uns Uth

Sơ đồ EC- uns đưa vào Bazơ

Trên sở sơ đồ nguyên lý đó, ngời ta thiết kế nhiều loại sơ đồ thực tếkhác nhau:

+ Hinh dới biểu diễn sơ đồ trộn tần dùng tranzistor đơn, mắc theo kiểu bazo chung với điện áp ngoại sai đặt vào bazo Điện áp ngoại sai đợc ghép lỏng với bazo tranzistor trộn tần để tránh ảnh hởng t-ơng hỗ mạch tín hiệu mạch ngoại sai

E2 E1

L C

Q uns

Uth

Sơ đồ BC- uns đưa vào Emitter

E2 E1

L C

Q

uns Uth

Sơ đồ BC- uns đưa vào Bazơ

+ Còn hình sau sơ đồ trộn tần mắc theo kiểu emito chung Điện áp ngoại sai đợc đặt vào bazo qua điện trở nhỏ, có trị số khoảng 10 đến 50Ω Điện trở có tác dụng hạn chế tợng điều chế giao thoa(1)

utg

C R4

-Vcc

R3

R2

R1 Q

C C L

C C

U

th

Uns

Mạch trộn tần, sơ đồ BC- tín hiệu ngoại sai mắc vào Bazơ

Ce Re R1

R2

Rc Q Vcc

u

tg

C

Mạch trộn tần, sơ đồ EC- tín hiệu ngoại sai mắc vào Bazơ

C C

Uth

C L

C

Uns

Bằng cách mắc thêm điện trở vào bazo, nâng cao đợc điện trở mặt ghép rbb tranzistor, nâng cao độ tuyến tính đặc tuyến tranzistor

+ Có thể dùng kiểu khác tín hiệu ngoại sai lấy trực tiếp từ mạch dao động nội:

Tranzistor vừa làm nhiệm vụ trộn tần vừa tạo dao động ngoại sai Điện áp ngoại sai đợc tạo nên nhờ trình hồi tiếp dơng emito qua cuộn L2 L3 Điện áp tín hiệu

đợc đặt vào bazo qua biến áp vào BA1 C1 L1 tạo thành mạch cộng hởng nối tiếp

đối với tần số trung gian, làm utg xuống đất mạch mà khơng qua biến áp,

do mạch loại trừ đợc tợng trộn tần ngợc Để tránh ảnh hởng tơng hỗ điện áp tín hiệu điện áp ngoại sai, ngời ta kết cấu mạch dới dạng sơ đồ cầu, Re Ce phần tử ký sinh mạch vào tranzistor Khi cầu cân

khơng cịn tồn liên hệ mạch tín hiệu mạch ngoại sai + Loại mạch trộn tần theo sơ đồ đẩy kéo

Loại có nhiều u điểm so với sơ đồ đơn:

Ce Re

C2

R2 L3 L2

B

E

uth

Vcc

utg

 L2

L3 L1

C1 BA1

R C2

E B

Sơ đồ trộn tần tự dao động

- MÐo phi tuyÕn nhá (hµi bËc chẵn bị triệt tiêu);

- Phổ tín hiệu hẹp;

- Liên hệ mạch tín hiệu bà mạch ngoại sai ít;

- Khả xuất ®iỊu chÕ giao thoa thÊp

Vì u điểm đó, nên loại mạch hay đợc dùng trộn tần củ máy phát tín hiệu

Do cách mắc mạch, nên điện áp đặt vào tranzistor Q1 Q2 lần lợt

th

ns u

u

u1 = + vµ u2 = uns − uth

Do mạch đợc mắc đẩy kéo, nên dòng điện

2 c c

c i i

i = −

víi ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 1 + − + − + = + + + + + = th ns th ns c th ns th ns c u u a u u a a i u u a u u a a i

Ta cã

3 3

1 + + + +

= th ns th th ns th

c au a u u a u a u u

i Thay t U u t U u th th th ns ns ns ω ω cos cos = =

Và biến đổi ta thấy dịng điện có thành phần tần số: ωth , 3ωth , 3ωns ±

ωth vµ 2ωns±ωth

Sau sơ đồ trộn tần đẩy kéo thực tế Trong sơ đồ không cần nối đất điểm mạch vào mạch ra, nên kết cấu giản đơn Đặc điểm sơ đồ emito colecto hai tranzistor nối với Khi trở kháng tơng đơng mạch tần số ngoại sai (ωns) nhỏ trở kháng tơng đơng tần số

trung gian (ωtg) nhiều coi tranzistor T2 mạch colecto chung

thành phần tần số trung gian Do hạ áp RE : URE = uns Giả thiết thời điểm Vcc C1 Q2 Q1 uth Uns utg

Sơ đồ nguyên lý trộn tần kiểu đẩy kéo ic1

ic2

nào uns tăng, nên ic2 tăng URE tăng làm cho điện áp bazo - emito T1

giảm ic1 giảm theo Vậy ic1 ic2 ngỵc pha

Phân tích tơng tự nh uth ta thấy uth tạo dịng điện

ng-ợc pha đầu ra, dòng điện chứa tân số ωns ± ωth Mch lc ly

thành phần mong muốn tg = ns - th b.Mạch trộn tần dùng vi mạch.

Dùng vi mạch tạo mạch trộn tần có đặc tính trộn tốt mạch quan sat đây, sơ đồ nguyên lý có dạng nh hình vẽ dới Đây sơ đồ trộn tần đẩy kéo kép Tranzistor T1 ,T2 ,T3 ,T4 tạo thành mạch vịng,

đó emito T1 T2 T3 T4 đợc điều khiển T5 T6 Khi khơng có tín

hiệu vào, dòng qua T5 T6 nhau, dong qua T1 T2 T3 T4

nhau, cho dòng điện qua chân 12 13 nh nửa dòng điện tổng Khi có điện áp ngoại sai đặt vào chân 6 14 với trị số nú T6

ngắt, dòng chảy qua T5 dòng chảy qua T1 T2 nưa dßng

tổng, nh trờng hợp (trờng hợp khơng có điện áp uns), dịng qua

chân 12 13 nhau, tơng tự thời đỉêm khác điện áp ngoại sai điện áp tín hiệu, ta có kết nh Dòng điện đầu biến đổi điện áp ngoại sai điện áp tín hiệu đồng thời tác động lên đầu vào

Vậy sơ đồ trộn tần làm việc theo nguyên tắc nhân tín hiệu nhờ phần tử tuyến tính, giả sử coi phần tử tích cực có hàm truyền đạt dạng:

i = a0+a1u, u= uns.uth

 i = a0+ (a1UnsUth)/2[cos(ωns+ωth)t + cos(ωns-ωth)t]

Nh i chứa thành phần trung gian tg = ωns-ωth

Ưu điểm so với sơ đồ đơn: + Hỗ dẫn trộn tần lớn

Vcc

R3 Q2 Q1

uth u

ns

utg

Hình Mạch trộn tần kiểu đẩy kéo thực tế

+ Không có hài bậc chẵn hài tần số trung gian

+ Chu c in ỏp cao

c Mạch trộn tần dùng FET.

FET có quan hệ dòng iD uGS quan hệ bậc 2, nên trộn tần FET

có thể giảm đợc thành phần bậc cao tín hiệu hạn chế đợc tợng điều chế giao thoa, bên cạnh dùng FET tăng đợc dải động tín hiệu(có thể với dải UHF) vào giảm nhiễu

Sơ đồ dùng FET có cá cách mắc(tơng ứng cách lý luận) giống nh BJT xem xét trên(SC, GC, đẩy kéo ), ví dụ sơ đồ SC:

is Q3 Q2

Q5

Q6 Q4 Q1

Sơ đồ nguyên lý mạch trộn tần kiểu đẩy kéo, dạng vi mạch

12 13

7

9

6

14

Vcc Uth

Uns

Q Utg

Mạch trộn tần dùng JFET

chơng 10 Chuyển đổi tơng tự – số và chuyển đổi số – tơng tự

I Cơ sở lý thuyết 1 Khái niệm chung:

Hiện hệ thống thông tin, truyền thông, điện tử dân dụng sử dụng chủ yếu phơng pháp số, nhng thực tế tín hiệu hữu ích: tiếng nói, tín hiệu chuyển đổi đo lờng lại hầu hết tín hiệu tơng tự, cần phải chuyển đổi sang tín hiệu số, sau xử lý để đạt đợc yêu cầu đề ra, sau phải chuyển đổi ngợc lại từ tín hiệu số tín hiệu tơng tự, khái qt hệ thống sơ đồ khối nh sau:

Trong khuôn khổ môn Kỹ thuật Mạch điện tử, xem xét phần ADC DAC, phần khác ta nghiên cứu môn học: xử lý tÝn hiÖu sè, lý thuyÕt tÝn hiÖu, kü thuËt sè, hƯ thèng trun dÉn

Một cách tổng qt, tín hiệu tơng tự S(t), biểu diễn dới dạng tín hiệu nhị phân(tín hiệu số) theo hàm:

S(t)=bn-1.2n-1 + bn-2.2n-2 + + b1.21 + b0.20

Trong S(t) tín hiệu trơng tự; bi tín hiệu số bi nhận giá trị huặc

Ví dụ tín hiệu thời điểm t có biên độ 13V, biểu diễn đơn giản số nhị phân là: 13 =1.23+1.22 +0.21 +1.20

ở công thức bn-1 đợc gọi bít có ý nghĩa lớn nhất, ký hiệu

MSB(Most Significant Bit), b0 đợc gọi bít có ý nghĩa nhỏ nhất, ký hiệu

LSB(Least Significant Bit)

Huặc mơ tả đặc tuyến nh hình vẽ trang sau; Với biến đổi N bit nhị phân,

Q=ULSB=

1

max

−

NA

U

(1)

UAmax : trị cực đại cho phép điện áp tơng tự đầu vào

Q: gọi mức lợng tử

Do tớn hiu số tín hiệu rời rạc, nên q trình chuyển đổi AD xuất sai số gọi sai số lợng tử hố, đợc xác định:

ADC C¸c phÐp

xư lý tÝn hiƯu sè DAC TÝn

hiệu tương

tù

ADC: Anolog Digital Converter: chuyển đổi tương tự số

DAC: Digital Anolog Converter: chuyển đổi số tương tự

Q UQ

2

=

∆ (2)

Chuyển đổi AD cần lấy mẫu tín hiệu tơng tự, nên để khơi phục lại tín hiệu đạt chất lợng phải tuân theo định lý lấy mẫu, tức tần số tín hiệu lấy mẫu fm

ph¶i tho¶ m·n điều kiện lớn huặc lần tần số lớn tín hiệu Analoge vào: fm2fthmax=2B(B: băng tần tÝn hiƯu t¬ng tù)

Theo thuyết lợng tử hố, q trình lợng tử hố sinh tạp âm, tạp âm phản ánh thực phép biến đổi ngợc DA, coi q trình lợng tử hố q trình cộng tín hiệu XA tín hiệu tạp âm Xta, ngời ta chứng minh đợc tạp âm

l-ợng tử hố coi tạp âm trắng, –Q/2≤ XA ≤ Q/2 Và mật độ phổ công

suất tạp âm đợc xác định:

Sta(ω) =Q U2ta

2

12 = ; (3)

Trong U2ta : giá trị trung bình bình phơng điện áp tạp âm

Nếu nối với điện trở tải, xác định đợc cơng suất tạp âm phản ảnh tải là:

R Q PR

12

2

= (4)

Tỉ số tín hiệu/ tạp âm S/N đợc xác đinh công thức:

) ( lg 20

2 lg 20 )

( = max = N −

ta A

U U dB

N S

(5)

1 10 11 12

0000 0010 0001 0100 0011 0110 0101 1000 0111 1010 1001 1100 1011

Q

∆UQ

Đặc tuyến truyền đạt biến đổi ADC UD

UA

2 Các tham số b¶n

- Dải biến đổi điện áp tín hiệu tơng tự đầu vào: khoảng điện áp mà chuyển đổi AD mà chuyển đổi chuyển đổi đợc, giá trị âm, d-ơng, huặc dải từ âm sang dd-ơng, thực tế ta cần kết hợp với mạch nh hạn biên, nén, nắn trớc đa đến IC chuyển đổi AD

- Độ xác: thờng đặc trng số bit, số lợng bít lợng tử hố nhiều độ xác cao, thờng ta có IC chuyển đổi AD 8bit, 10 bit, 12bít, 16 bít, 20bít, 32bít Ngồi cịn có thơng số khác ảnh hởng đến độ xác nh: Sai số lệch khơng, sai số khuếch đại

- Tốc độ chuyển đổi: cho biết số kết chuyển đổi giây, tức tần số chuyển đổi fc, thông số phản ảnh khả làm việc thời gian thực hệ

thống, hệ thống viễn thơng thơng số tích luỹ độ trễ tín hiệu, thơng số ny(fc) phi cng ln cng tt

3.Nguyên tắc làm viƯc cđa bé ADC:

Từ hình vẽ suy trình chuyển đổi tơng tự-> số:

- Đầu tiên: rời rạc hố tín hiệu, lấy mẫu tín hiệu tơng tự điểm khác cách

Lấy mẫu Lượng tử hoá Mã hoá

TÝn hiÖu

analoge TÝn hiÖu

Digital

UA UD

- Tiếp theo: giữ cho biên độ điện áp thời điểm lấy mẫu khơng đổi q trình lợng tử hố mã hố, tín hiệu rời rạc đợc làm trịn với độ xác ±Q/2, theo cơng thức sau:

ZDi=int

Q X Q X Q

XAi = Ai − ∆ Ai

; (6)

Trong đó: XAi- tín hiệu tơng tự thời điểm i

ZDi- tÝn hiƯu sè thêi ®iĨm i

XAi- Sè d phép lợng tử hoá

5 10 11 12

S(t)

Rêi r¹c ho¸ tÝn hiƯu

t

1

5 10 11 12

S(t)

TÝn hiƯu rêi r¹c

t

1

- Sau mạch lợng tử hoá mạch mã hoá, thờng lợng tử hố mã nhị phân, q trình mã hố để nguyên mã hay biến thành mã khác nh BCD, Gray, D 3, Gray d Quá trình thực sau lợng tử hố huặc thực đồng thời II Các phơng pháp cụ thể:

1 Chuyển đổi tơng tự – số:

a Chuyển đổi tơng tự- số theo phơng pháp song song:

- Điện áp UA đợc đa đồng thời đến đầu vào so sánh: SS1, SS2, , SSm,

điện áp chuẩn Uch đợc đa đến đầu vào thứ qua thang điện trở R, điện áp

chuẩn đặt vào so sánh lân cận khác lợng không đổi giảm dần từ SS1 > SSm

- Tại đầu so sánh: điện áp vào > điện áp chuẩn: cho mức logic 1, điện áp vào < điện áp chuẩn: cho møc logic lµ

- Tất tín hiệu so sánh nối với mạch Và(And) Chỉ có xung nhịp(Ck) đa đến mạch And, đầu mạch And có tín hiệu đa đến Flip-Flop(FF) Nh sau khoảng thời gian xung nhịp lại có tín hiệu biến đổi đa đến đầu ra, đảm bảo trình so sánh kết thúc mời đa tín hiệu số vào nhớ

- Bộ mã hố biến đổi tín hiệu vào dới dạng mã đếm thành mã nhị phân Mạch biến đổi loại mạch song song, có tốc độ chuyển đổi nhanh, nh-ng phức tạp mạch nối tiếp, với chuyển đổi N bit, cần (2N –1) so sánh,

And, FF

1 10 11 12

0000 0010 0001 0100 0011 0110 0101 1000 0111 1010 1001 1100 1011

Lượng tử hố tín hiệu rời rạc UD

UA

b Chuyển đổi tơng tự - số theo phơng pháp phân đoạn bit.

- Mạch chuyển đổi đợc chia thành tầng, số tầng tơng ứng với số bit - Giả sử tín hiệu vào biến thiên khoảng: 0-UAmax, chia làm phần

nhau, ranh giới phần UAmax/2, lấy điện áp làm điện áp

chuẩn Tín hiệu cần biến đổi, đợc so sánh với mức điện áp này: UA(1) < UAmax/2,

thì B1=0; UA(1) UAmax/2, B1=1;

- Tín hiệu số ứng với bít thứ B1, mặt đợc lu, mặt đợc đa đến

biến đổi ngợc DA, đầu mạch DA: bit tín hiệu tơng tự ứng với bit có nghĩa lớn MSB(khi B1=1, U’A(1)=UAmax/2; B1=0, U’A(1)=0)

- Mạch hiệu cho số d tín hiệu tơng tự sau xác định đợc bit thứ nhất(UA -U’A(1)) Số d đợc đa đến tầng thứ 2, tiếp tục xác định bit B2 theo phơng

pháp Nh tín hiệu chuẩn bit N sÏ lµ UchN= UAmax/2N R

R R R

Ck UA

Uch

FF

FF

FF

FF

M·

Ho¸ U

D

Chuyển đổi AD kiểu song song SS1

SS2

SS3

SSm

- Tuy nhiên: thay cho việc giảm dần trị số điện áp chuẩn(nh giá trị nhỏ, khó thực so sánh), tiến hành nhân đơi điện áp d sau tầng, nh điện áp chuẩn cho tất tầng UAmax/2

So với phơng pháp chuyển đổi song song, để xác định N bít cần thực N bớc so sánh, nhng it phức tạp Phơng pháp thờng đợc làm sở để phân tích

c Chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp

- Điện áp tơng tự UA đợc so sánh với giá trị c lng cho trc UM, gi Ud

là giá trị sai số UA UM: UA > UM => Ud >0; vµ UA < UM => Ud <

- Ud đợc khuếch đại đa đến so sánh số SS: Ud >0 => đầu

SS cã +A=1; vµ nÕu Ud < => đầu SS có -A=1

- Kết so sánh đợc đa đồng thời với tín hiệu xung nhịp Ck logic số, mach logic điều khiển đếm theo nguyên tắc: ứng với +A đếm thuận, -A đếm ngợc, đầu chuyển đổi AD có chuỗi tín hiệu số ứng với mã đếm đếm, tín hiệu đợc vịng ứng với chu kỳ xung nhịp

- Tín hiệu số xác định bớc so sánh nhứ đợc biến đổi ngợc DA, để tạo giá trị ớc lợng để so sánh với UA bớc

So s¸nh

UA

UAmax/2

AD

mét bit mét bitDA

M¹ch hiƯu

B1

So sánh

U

Amax/2

UA(1) UA(1)

Tầng thø nhÊt TÇng thø hai

Sơ đồ khối chuyển đổi AD theo phương pháp phân đoạn bit

So s¸nh

UA So

s¸nh LogicSè

Mạch đếm

Ck

Sơ đồ khối chuyển đổi AD theo phương pháp vòng hồi tiếp

K

§

DA

+A

-A

UM

UD Ud

- Quá trình lặp lặp lại Uh<Q/2, lúc +A= -A=0,

vậy mạch đếm giữ nguyên trạng thái đầu nhận đợc kết qủa chuyển đổi thành tín hiệu số UA

- Nếu UM tiến gần đến UA, chuyển đổi xác Nếu tín hiệu

UA biến đổi chậm xác

So với phơng pháp trên, phơng pháp đơn giản có linh kiện đợc tái sử dụng, tốc độ chuyển đổi khơng cao, nhng có độ xác cao

d Chuyển đổi AD theo phơng pháp đếm đơn giản

- Bộ so sánh1 SS1 so sánh điện áp chuẩn ca điện áp UA, UA> UC

th× Uss1=1, khi UA < UC th× Uss1=0

- Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp ca với mức đất mạch(0V), với tính chất nh mạch SS1

- Uss1 Uss2 đợc đa đến mạch And, xung UG có độ rộng t l vi ln

của điện áp vào UA

- Mach And thø chØ cho xung nhịp khoảng thời gian > UC <

UA Mạch đếm đầu đếm số xung đó, số xung tỉ lệ với độ lớn UA

Giản đồ dới mô tả rừ hn phng phỏp ny

Điện áp cưa

Mạch đếm

Ck

UA

SS1

SS2

USS1

USS2

UG UD

Sơ đồ khối chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản

U

UA

UC

t Uss2

t Uss1

t

UG

t Uck

t

Giản đồ thời gian chuyển đổi AD theo phương pháp đếm xung đơn giản

e Chuyển đổi AD theo phơng pháp tích phân sờn dốc

- Mach logic điều khiển khoá K UA nạp cho tơ C qua R, trªn

đầu mạch tích phân xác định đợc:

t U RC dt U RC

U'C = ∫ A = A ; nh vËy sau kho¶ng t1, ta cã: 1

1

' U t

RC

U C = A

UC1 tỉ lệ với UA, tuỳ theo UA lớn hay nhỏ mà U’C(t) có độ dốc khác

- Trong khoảng t1 đếm Z0 đợc kích đếm, hết thời gian t1

khoá K đợc mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic đợc đa đến mạch And, làm cho mạch tích cực, thông xung nhịp, đếm bắt đầu đếm, đồng thời đếm Z0 đợc kích ngừng đếm

- Khi K vị trí 2, điện áp chuẩn Uch bắt đầu nạp điện cho tụ C theo

chiều ngợc lại theo phơng trình nạp: UC

UC1 U’C2

t1 t2

t’

2

t

Đồ thị thời gian mạch tích phân

C R

UA M¹ch

đếm

Uch

K

2

1 A1

A2 SS

M¹ch logic

Mạch đếm Z

0

U

D

Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân sườn dốc

t U RC

U ''C= − ch sau khoảng t2 ta đợc 2

1

'' U t

RC

U Ct = − ch

Gi¶ sư sau kho¶ng t2 ta cã Uc= Uc(điện áp tụ 0)

<=> 2 U t1 RC t

U

RC ch = A => U t1 U t

ch A

= (7)

Mặt khác số xung đa đến mạch đếm Z0 khoảng t1 :

Z0= t1.fn (8);trong fn tần số dãy xung nhịp

Tõ (7) vµ (8)=>

n ch A f Z U U t

2 = (9)

Trong số xung nhịp đếm đợc nhờ mạch đếm đầu khoảng t2:

A ch ch A n U U Z Z U U f t Z 0

2 = =

= (10)

Sau khoảng t2 mạch đếm bị ngắt, Uc=0

Qố trình đợc lặp lặp lại chu kỳ chuyển đổi Từ (10) ta thấy số xung đếm đầu tỉ lệ với UA, kết đếm độc lập với R,C, fn, nhng phơng

pháp cần tần số xung nhịp có độ ổn định cao(sao cho trị số nh khoảng thời gian t1, t2)

f Chuyển đổi AD theo phơng pháp song song- nối tiếp

Đây phơng pháp kết hợp phơng pháp song song phân đoạn trình bày

h Chuyển đổi

AD phi tuyến:

Quay lại

công thức Q UQ =

∆ , ta

thÊy sai sè tuyÖt

đối

chuyển đổi AD

khơng đổi cịn

sai số tơng đối

tăng biên độ tín

hiƯu gi¶m, mn

thông số không

i , thỡ ng c

tính phải có dạng

loga, cho tỉ số

tín hiệu tạp

âm S/N không

đổi toàn dải tơng tự vào

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0,2 0,1 0,4 0,3 0,6 0,5 0,8 0,7 1,0 0,9 1,2 1,1

Hàm đặc trng chuyển đổi AD :

) ln(

) ln(

µ µ + +

= x

y (12)

Trong x =UA/ UAmax ;

y =UD/ UDmax

Để chuyển đổi từ tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự đờng đặc tính DA phải có dạng ngợc với đờng AD Phơng pháp chuyển đổi đợc dùng mạng điện thoại, với tên gọi điều chế xung mã PCM(xem thêm môn PDH), tỉ số S/N toàn dải làm cho chất lợng đàm thoại tăng, với tham số chọn khác ứng với chuẩn lớn Châu âu Bắc Mỹ

2 Chuyển đổi số – tơng tự (DA)

DAC q trình chuyển đổi tìm lại tín hiệu tơng tự từ N số hạng(N bit) biết tín hiệu số với độ xác mức lợng tử (1LSB)

Chuyển đổi số – tơng tự phép nghịch đảo chuyển đổi tơng tự- số, khơng thực đợc phép nghịch đảo q trình lợng tử hố

Chuyển đổi loại đơn giản DA nhiều, có sơ đồ khối nh sau:

a, Chuyển đổi DA phơng pháp thang điện trở

- Trên đầu vào khuếch đại thuật tốn mạng điện trở có giá trị thay đổi theo số nhị phân, điện trở lân cận có trị số lần

- Tín hiệu điều khiển tín hiệu số cần chuyển đổi, bit có nghĩa nhỏ LSB đợc đa đến điều khiển khoá nối với điện trở lớn nhất(R), bít có nghĩa với R/2 MSB với R/2N-1

- Nếu bit có giá trị khố tơng ứng nối đất mạch, nối với nguồn áp chuẩn: Uch, nhằm tạo nên dòng điện tỉ lệ nghịch với

DA Läc th«ng thÊp

UD

UA

TÝn hiƯu rêi r¹c

Sơ đồ khối chuyển đổi DA

5 1 1

trị số điện trở nhánh đó, tức I0 có trị số nhỏ nhất, tiếp đến I1 lớn

nhÊt lµ IN-1

- Dịng điện sinh nhánh điện trở đợc đa đến đầu vào KĐTT, điện áp đầu :

∑−

=

−

=

0

N n

n N

M R I

U (13)

Ta thấy điện áp tơng tự UM có độ xác phụ thuộc lớn vào

nguồn áp điện trở chuẩn, để có độ xác cao, u cầu điện trở nguồn phải xác

b, Chuyển đổi DA phơng pháp mạng điện tr

- Các nguồn dòng có giá trị b»ng =I0

- Tín hiệu số đựơc đa đến khố K, tín hiệu điều khiển tơng ứng bít 0, nguồn I0 đợc ngắn mạch xuống đất mạch, tín

hiệu điều khiển 1, mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng

- Điện trở nhánh dọc có giá trị gấp đơi nhánh ngang, nên dịng qua khâu điện trở giảm nửa Dòng điện ứng với bít LSB qua (N-1) khâu, dịng có giá trị qua (N-2) khâu , dịng ứng với bít MSB khơng qua khâu nào(I0 đa trực tiếp vào KĐTT) Nh dòng điện

ở cửa vào KĐTT có trị số tơng ứng với bit mà đại điện, giảm dần theo mã nhị phân từ MSB > LSB

Sơ đồ có nhợc điểm số điện trở dùng nhiều: chuyển đổi DA N bit cần 2(N-1) điện trở(Phơng pháp thang điện trở cần dùng N điện trở)

Uch

RN

R/2N-1

R/2 R

K (tÝn hiÖu sè)

20 21 2N-1

U

M

Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DA theo phương pháp thang điện trở

I0

RN

2R R

R

2R 2R

2R

I0 I0 I

0

2 21 2N-2 2N-1

i0 i

1 i

n-2 in-1

K (tÝn hiÖu sè)

c, Chuyển đổi DA phơng pháp mã hoá Shannon-Rack

- Thực q trình chuyển đổi nối tiếp bit, tín hiệu điều khiển số đợc đa vào tuần từ : LSB > MSB đến khoá điều khiển K1

- Nếu thời gian chuyển đổi bit T nửa thời gian đầu T/2 K2 mở,

K1 đóng(tín hiệu 1) huặc K1 mở(tín hiệu 0) Khi K1 đóng(bit 1) tụ điện đợc nạp

điện Sang nửa thời gian thứ2 T/2, K1 mở K2 đóng, tụ C phóng điện qua R UC

gi¶m dÇn

Q trình lặp lặp lại lần lợt đa đến bít điều khiển K1, nh thời gian

chuyển đổi N bit NT Sau khoảng thời gian NT điện áp lại tụ điện áp tơng tự cần chuyển đổi Với thời gian T theo điều kiện:

T =1,4RC (14)

+

Ur R2

R1 R

C Ich

K

2

Phần tập:

I Bi Transistor ch ng

Bài Cho mạch nh h×nh BiÕt R1 = 20K; R2 = 2K; Rc = 10K; RE= 1K; RL =

10K BiÕt βdc = 100; Rs = 1K ViÕt biĨu thøc ®iƯn áp trở tải RL Vcc=12V

Bài Cho mạch CC nh hình Với R1 = 30K; R2 = 3K; RE = 12K; RL = 2K

Rs=1K Tìm biểu thức tính giá trị điện áp

C1 Rs 0.01C2

Vcc

1kHz V1 -10m/10mV

Q1 2N2222

RL RE

R2 R1

Bài Cho mạch CB nh hình H3 Biết Rs=50; RE = 20K; R1=20K; R2=2K; Rc=

10K; RE = 1K Tìm biểu thức tính giá trị điện áp trªn RL víi RL = 5,1K

C Vcc

R1

R2

RL C2

Rc Q1

NPN

RE C1

1uF Rs

1kHz V1 -10m/10mV

Rs 0.01C2

C1 0.01 Vcc

1kHz V1 -10m/10mV

C3 1uF Q1 2N2222

RL RE

RC

R2 R1

H C

E

H

H

II.Bài tập KTĐT - Phần Khuếch đại công suất 1 Cho mạch khuếch đại chế độ A

Cho R1, R2, Re, RL, c¸c tham sè: UBE, β, c©u hái:

a Viết phơng trình vẽ đờng tải tĩnh, động

b Tính cơng suất ra, cơng suất cung cấp chiều, hiệu suất 2 Bộ khuếch đại ghép biến áp:

Cho R1, R2, Re, RL, tham số: UBE, , câu hỏi:

a Vit phuơng trình vẽ đờng tải tĩnh động

b TÝnh c«ng suÊt ra, c«ng suÊt cung cÊp mét chiỊu, hiƯu st

III Phần Khếch đại thuật tốn. n:1

+ -Vin

Vcc

C1

CE Q1 NPN

RL

RE R1

R2 +

-Vin

Vcc

L

C1

C2

CE Q1

NPN RL

RE R1 R2

Bài - 10: Tìm điện áp sở điện áp vào mạch sau: 60 V1 Vout IDEAL 10k R5 5k R3 5k 10k 10k Vout V2 V1 U1 IDEAL 5k 10k 10k 5k Hình 3 V1

V2 IDEAL Vout

Trong sau (từ 11-15) thiết kế mạch KĐTT để có đợc mối quan hệ sau: Bài 11 v0 = 3v1 + 11v2 - v3 - 10v4

Bµi 12 v0 = 8v1 + 81v2 - 24v3 - 39v4

Bµi 13 v0 = 60v1 + 18v2 - 3v3 - 11v4

Bµi 14 v0 = 3v1 + 4v2 +63 v3 -14v4 – 55v5

Bµi 15 ThiÕt kế mạch (sử dụng KĐTT) thực hàm: y = 2.a + 21

dt db

+ 31 ∫ c dt

Bµi 16 ThiÕt kÕ mạch (sử dụng KĐTT) thực hàm: y = 32 a –

dt db

– 52 c dt Bài 17 Thiết kế mạch thùc hiƯn hµm:

Y=37lnx+23expx

Bµi 18 ThiÕt kÕ mạch thực hàm: Y=37lnx1+2x1.x2

Bài 19 Thiết kế mạch thực hàm: Y=31lnx1+9x1/x2

Bài 20 Thiết kế mạch thực hàm: Y=7expx1-2x1.x2+x1/x2

(với a, b, c, x1, x2 điện áp vào; y, Y giá trị điện áp ra)

IDEAL

Vout1 V1

V1

IDEAL

100k

100k

50k 50k

50k

H×nh 9 10k

10k

10k

Vout IDEAL

10k

V2 10k

IDEAL 10k

V1 10k

IDEAL 10k

Hình 10

Tài liệu tham kh¶o:

1 Electronics circuits, Ghausi, ISBN Editor , 1982

2 Kỹ thuật Mạch điện tử, Phạm Minh Hà, NXB KHKT 1999 Điện tử Công suất, Nguyễn Bính, NXB KHKT 2000

4 Industrial Electronics and control, SK BHATTACHARYA, ISBN Editor, 1995

Môc lôc:

Chơng I Những khái niệm chung sở phân tích mạch điện tử

I Mạch điện tử:

II Các kiến thức transistor

III Mạch cấp nguồn ổn định chế độ làm việc

2 Víi BJT

3 víi FET

ch¬ng Håi tiÕp 10

I Khái niệm: 10

1 Định nghĩa: 10

3 Các phơng trình bản: 12

III Phơng pháp phân tích mạch có hồi tiếp: 13

a, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép nối tiếp 13

b, Hồi tiếp âm điện áp, ghép nối tiếp 14

c, Hồi tiếp âm điện áp, ghép song song 15

d, Hồi tiếp âm dòng điện, ghÐp song song 16

IV ảnh hởng hồi tiếp đến thống số mạch 17

Chơng Các sơ đồ tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor 18

I Kh¸i niƯm 18

II Phân tích mạch khuếch đại sơ đồ tơng đơng 18

1 Mạch tơng đơng Transistor 18

2 Mạch tơng đơng kiểu EC: 19

3 Mạch tơng đơng kiểu BC: 19

4 Mạch tơng đơng kiểu CC: 20

5 Phân tích mạch khuếch đại mạch tơng đơng 20

III Tính tốn thơng số chế độ động 21

IV Transistor Trêng- FET 22

V Các phơng pháp Ghép tầng khuếch đại 23

1 GhÐp RC 24

2 GhÐp biÕn ¸p 24

3 GhÐp trùc tiÕp 26

4 C¸c kiĨu ghÐp transistor kh¸c 26

5 Mạch khuếch đại vi sai 27

CHơng Khuếch đại công suất 30

I Định nghĩa phân loại 30

II Mạch khuếch đại chế độ A 30

III Mạch khuếch đại chế độ B 31

a Mạch khuếch đại đẩy kéo 32

b Mạch khuếch đại đẩy kéo, đối xứng bù (ngợc) 33

c Mạch khuếch đại kết cuối đơn với nguồn cung cấp 34

d Mạch khuếch đại kết cuối đơn với nguồn cung cấp 35

IV Mạch khuếch đại chế độ C 35

Hoạt động 36

I khuếch đại thuật tốn (Operational

Amplifier) 38

II c¸c tham số kđtt 39

1 Hệ số khuếch đại hiệu Kd 39

2 Dßng vào tĩnh điện áp lệch không 40

3 Tỷ số nén tín hiệu đồng pha 40

III Các sơ đồ KĐTT 41

1 Bộ khuếch đại đảo 41

2 Mạch khuếch đại không đảo 42

3 Mạch khuếch đại tổng 42

4 Mạch khuếch đại hiệu 43

5 Mạch tích phân 44

6 Mạch vi phân 45

7 Mạch so sánh 46

8 Mch khuch đại logarit 46

9 M¹ch exp: 47

10 Mạch nhân(chia) tơng tự: 48

IV Phần Bài tập 48

2 Bài toán ngợc 50

Chơng Mạch lọc tích cực 54

I Khái niệm mạch lọc tần số 54

II Mch lc th động 55

III M¹ch läc tÝch cùc 58

Thực mạch lọc thông thấp thông cao bËc 60

2 Thùc hiƯn m¹ch läc thông thấp thông cao bậc cao, n>2 63

3 Mạch lọc chọn lọc mạch lọc thông dải 63

4 M¹ch nÐn chän läc 66

Chơng 6.Các mạch dao động 68

I Kh¸I niƯm 68

1.Điều kiện dao động đặc điểm mạch tạo dao động 70

2 Tính tốn mạch dao động 70

II Các loại mạch dao động 72

Mạch dao động L,C 72

2 Mạch dao động R,C 77

Mạch dao động dùng thạch anh 84

Chơng7 điều chế biờn 89

I Định nghĩa 89

II.điều biên(AM) 89

Phổ tín hiệu điều biªn 89

90

2 Quan hệ lợng điều chế biên độ 90

3 Các tiêu dao động điều biên 91

Phơng pháp tính toán mạch điều biên 93

Mạch điều biên cụ thể 95

III Điều chế đơn biên 98

Kh¸i niƯm 98

102

1 Các công thức mối quan hệ hai phơng pháp 102

2, Phổ dao động điều tần điều pha 103

3, Mạch điều tần điều pha 103

4.Một số biện pháp để nâng cao chất lợng tín hiệu điều tần 110

Ch¬ng Giải điều chế(tách sóng) 111

I Khái niệm: 111

1 Các tham số tách sóng biên độ: 111

2 Mạch tách sóng biên : 112

III Tách sóng tín hiệu điều tần 117

Mạch có dạng nh hình vẽ d ới đây: 118

IV Vòng khóa pha PLL(Phase Locked Loop) 124

1 CÊu t¹o 124

2 Ngun tắc hoạt động: 125

3 øng dơng cđa PLL 127

Chơng Trộn tần 129

I Khái niệm 129

1 Định nghĩa: 129

2 Nguyên lý trộn tần: 129

II H phng trỡnh c trng: 130

III NHiễu mạch trộn tần 131

IV Mạch trộn tần 132

1 Mạch trén tÇn dïng Diode 132

2 Mạch trộn tần dùng phần tử khuyếch đại 135

chơng 10 Chuyển đổi tơng tự – số 143

và chuyển đổi số – tơng tự 143

I C¬ së lý thut 143

1 Kh¸i niƯm chung: 143

2 Các tham số 145

3.Nguyên tắc làm việc ADC: 145

II Các phơng pháp thĨ: 147

1 Chuyển đổi tơng tự – số: 147

2 Chuyển đổi số – tơng tự (DA) 153

Phần tập: 157

I Bài tập Transistor – chế độ động 157

II.Bài tập KTĐT - Phần Khuếch đại công suất 158

1 Cho mạch khuếch đại chế độ A 158

2 Bộ khuếch đại ghép biến áp: 158

III Phần Khếch đại thuật tốn 158

Tµi liƯu tham kh¶o: 161