Nguyên lý kỹ thuật điện tử

ThÝ dô nh− th¨ng gi¸ng cña c¸c ®iÖn tö nhiÖt g©y nªn mét dòng điện có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên gọi là ồn nhiệt trong lối vào của các bộ khuếch đại điện tử có mức tín hiệu rất t[r]

TrÇn Quang Vinh (Chñ biªn) vμ Chö v¨n an NGUYªN LÝ Kü thuËt ®iÖn tö nhμ xuÊt b¶n gi¸o dôc - 2005 6T7 1749 / 45 − 01 GD − 02 M∙ sè : 7B594M2 Lêi nãi ®Çu Tµi liÖu "Nguyªn lý kü thuËt ®iÖn tö" tr×nh bµy vÒ nguyªn t¾c ho¹t động các linh kiện và mạch điện tử thông dụng Ngày kỹ thuËt ®iÖn tö ®−îc ¸p dông hÕt søc réng r∙i nhiÒu lÜnh vùc khoa học công nghệ và đời sống Ta có thể thấy diện các mạch điện tử các thiết bị gia đình, công sở nh− từ máy thu vô tuyến truyền hình tới hệ thống máy vi tính đại Kiến thøc c¬ b¶n vÒ ®iÖn tö lµ hµnh trang kh«ng thÓ thiÕu ®−îc cho c¸c sinh viªn chuyªn ngµnh mµ cßn cã thÓ lµ c«ng cô tèt cho c¸n bé vµ sinh viªn c¸c ngµnh kh¸c liªn quan ham muèn t×m hiÓu kü thuËt tiªn tiến Do đó tài liệu đ∙ đ−ợc cố gắng biên soạn cho đảm bảo đủ nội dung nh−ng cập nhật đ−ợc vấn đề đại mét khu«n khæ h¹n chÕ S¸ch ®∙ ®−îc dïng lµm tµi liÖu gi¶ng d¹y cho sinh viªn b¾t ®Çu häc vÒ kü thuËt ®iÖn tö c¸c ngµnh §iÖn tö - ViÔn th«ng, C«ng nghÖ th«ng tin, VËt lý kü thuËt, thuéc §¹i häc Quèc gia Hµ Néi nh÷ng n¨m gÇn ®©y Do vËy nh÷ng kiÕn thøc tiên đòi hỏi ng−ời đọc không nhiều ngoài số hiểu biết liên quan đến các sở toán học và vật lý S¸ch ®−îc chia thµnh ch−¬ng Ba ch−¬ng ®Çu tãm l−îc nh÷ng kh¸i niệm liên quan đến tín hiệu, mạch điện và hệ thống điện tử Ch−¬ng tr×nh bµy vÒ c¸c dông cô b¸n dÉn - lµ nh÷ng linh kiÖn chñ yÕu kỹ thuật điện tử đại - nh− các mạch điện tử khuếch đại c¬ b¶n nhÊt sö dông c¸c linh kiÖn nµy Ch−¬ng tr×nh bµy vÒ c¸c m¹ch ph¸t sãng, mét thµnh phÇn rÊt hay gÆp c¸c hÖ thèng ®iÖn tö Ch−¬ng vµ ch−¬ng ®i s©u vµo t×m hiÓu kü thuËt ®iÖn tö phi tuyÕn §ã lµ c¸c m¹ch ®iÒu chÕ, gi¶i ®iÒu chÕ, trén tÇn, dïng nhiÒu kü thuËt th«ng tin, ph¸t thanh, truyÒn h×nh, kü thuËt dÉn ®−êng, v.v Ch−ơng đề cập tới lĩnh vực giáp ranh kỹ điện tử t−ơng tự (analog) và điện tử số (digital), đó là các mạch biến đổi D/A và A/D Cuối cùng, ch−ơng cung cấp cho ng−ời đọc kiến thức số mạch nguån nu«i hÖ thèng ®iÖn tö ®iÓn h×nh Cuèn s¸ch ch¾c kh«ng tr¸nh khái c¸c thiÕu sãt, v× vËy chóng t«i mong nhận đ−ợc ý kiến đóng góp bạn đọc Các ý kiến xin gửi về: Bé m«n §iÖn tö vµ KÜ thuËt M¸y tÝnh, Khoa §iÖn tö - ViÔn th«ng, Tr−êng §¹i häc C«ng nghÖ, §¹i häc Quèc gia Hµ néi, 144 §−êng Xu©n Thuû, QuËn CÇu giÊy, Hµ néi hoÆc C«ng ty cæ phÇn s¸ch §¹i häc - D¹y nghÒ, trùc thuéc Nhµ XuÊt b¶n Gi¸o dôc, 25 Hµn Thuyªn - Hµ Néi C¸c t¸c gi¶ Ch−¬ng kh¸i niÖm chung vÒ hÖ thèng ®iÖn tö 1.1 TÝn hiÖu, m¹ch ®iÖn vμ hÖ thèng ®iÖn tö Môc tiªu cña gi¸o tr×nh nµy lµ nghiªn cøu vÒ nguyªn lý kü thuËt m¹ch ®iÖn tö Cô thÓ lµ c¸c m¹ch ®iÖn tö t−¬ng tù C¸c m¹ch nµy ®−îc thiÕt kÕ x©y dùng trªn c¬ së kÕt nèi c¸c linh kiÖn ®iÖn tö nh− ®iÖn trë, tô ®iÖn, cuén c¶m, c¸c dông cô b¸n dÉn, v.v víi H¬n n÷a, tõ c¸c mạch điện tử bản, ng−ời ta có thể tổ hợp chúng lại để tạo nên các hệ thống điện tử đ−ợc dùng cho nhiều mục đích nào đó Lan truyền mạch là các tín hiệu điện, đó là biểu vật lý tin tøc Trong c¸c m¹ch ®iÖn tö, d¹ng vËt lý cña tÝn hiÖu lµ dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p, v.v vµ tæng qu¸t lµ c¸c sãng ®iÖn tõ V× nh÷ng lý võa ®−îc nªu, tÝn hiÖu vµ m¹ch ®iÖn lµ hai kh©u cã mèi quan hÖ chÆt chÏ vµ bæ sung cho cÇn ®−îc chó träng viÖc nghiªn cøu thiÕt kÕ x©y dùng nªn c¸c hÖ thèng ®iÖn tö C¸c hÖ thèng nµy lµ kh«ng thÓ thiÕu nh÷ng øng dông thuéc c«ng nghÖ thông tin và truyền thông đại Có thể mô tả đơn giản hệ thống đó nh− hình 1.1 sau NhiÔu Nguån tin C¶m biÕn M¹ch ®iÖn tö Kªnh th«ng tin M¹ch ®iÖn tö C¶m biÕn Tin ®−îc nhËn H×nh 1.1 C¸c thµnh phÇn mét hÖ thèng ®iÖn tö Tin tøc nh− tiÕng nãi, h×nh ¶nh, sè liÖu, v.v tõ nguån tin qua c¸c cảm biến đ−ợc chuyển đổi thành các tín hiệu điện t−ơng ứng Thí dụ cảm biến nh− microphone đ−ợc đặt tr−ớc ng−ời nói, hai đầu lối nó xuất điện áp biến thiên có biên độ tỷ lệ víi ¸p suÊt ©m TÝn hiÖu nµy ®−îc ®−a tíi lèi vµo cña m¹ch ®iÖn tử để gia công, xử lý Trong tr−ờng hợp này là mạch khuếch đại, có tác dụng tăng biên độ tín hiệu lối vào mạch (là lối microphone) từ cỡ mili-vôn lên hàng vôn vài chục vôn đủ để kích mét bé ph¸t c«ng suÊt loa Trong vµi tr−êng hîp kh¸c, m¹ch ®iÖn lại có chức nh− điều chế tín hiệu, đổi tần, m∙ hoá, v.v Nếu cần truyÒn ®i xa, tÝn hiÖu nµy ®−îc göi qua mét hoÆc vµi kªnh th«ng tin C¸c kªnh nµy lµ c¸c m«i tr−êng truyÒn sãng ®iÖn tõ, thÝ dô nh− c¸p đồng trục, cáp quang không gian xung quanh (trong tr−ờng hợp th«ng tin v« tuyÕn) ë ®Çu cña kªnh, mét m¹ch ®iÖn thu cã nhiÖm vô thu nhận tín hiệu này gia công, xử lý nó cho mục đích nào đó, thí dụ nh− khuếch đại, tái tạo lại dạng gốc tín hiệu, giải điều chÕ, gi¶i m∙, v.v Trong c¶ hÖ thèng nh− vËy, ngoµi tÝn hiÖu nh− ta võa nãi, ®−îc quy −íc gäi lµ thµnh phÇn tÝn hiÖu cã Ých, hÖ thèng lu«n lu«n chịu tác động nhiều nguyên nhân khác làm ảnh h−ởng tíi tÝn hiÖu ThÝ dô nh− th¨ng gi¸ng cña c¸c ®iÖn tö nhiÖt g©y nªn mét dòng điện có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên gọi là ồn nhiệt lối vào các khuếch đại điện tử có mức tín hiệu thấp, các sãng ®iÖn tõ cña dßng ®iÖn thµnh phè 50 Hz, c¸c xung ®iÖn ph¸t tõ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn phßng th©m nhËp vµo c¸c hÖ ®iÖn tö, v.v C¸c tác động này gọi chung là nhiễu và đ−ợc coi nh− thành phần tín hiÖu v« Ých NhiÔu ®−îc céng hoÆc nh©n víi thµnh phÇn tÝn hiÖu cã Ých g©y nªn sù mÐo d¹ng tÝn hiÖu hoÆc lµm tÝn hiÖu bÞ nhËn ch×m nã Trong nhiÒu tr−êng hîp, ®iÒu nµy lµm cho m¹ch ®iÖn thu kh«ng thÓ ph¸t hiÖn ®−îc tÝn hiÖu cã Ých nÕu kh«ng cã sù gia c«ng xö lý thÝch hîp V× vËy viÖc chèng l¹i c¸c can nhiÔu hay lµm gi¶m ¶nh h−ëng cña chóng lµ mét nh÷ng nhiÖm vô quan träng cña thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö 1.2 Các đại l−ợng tín hiệu Các đại l−ợng điện mạch điện tử bao gồm: điện tích, điện thế, hiệu điện thế, dòng điện, trở kháng và công suất Các đại l−îng nµy ®∙ ®−îc kh¶o s¸t rÊt kü c¸c gi¸o tr×nh ®iÖn tõ häc ë đây nhắc lại cách khái quát các định nghĩa và áp dụng chúng c¸c m¹ch ®iÖn tö §iÖn tÝch lµ mét thuéc tÝnh cña vËt chÊt C¸c lo¹i vËt liÖu (bao hàm vật dẫn điện cách điện) đ−ợc tạo thành từ các nguyên tử đó có hạt nhân và các điện tử Tính chất dẫn điện vật liệu phô thuéc vµo c¸c ®iÖn tö liªn kÕt yÕu víi nguyªn tö Mçi ®iÖn tö mang điện tích 1,6ì10-19 Coulomb, ký hiệu là C Coulomb là đơn vị ®iÖn tÝch ®−îc chuÈn ho¸ vµ nh− vËy nã t−¬ng ®−¬ng víi tæng ®iÖn tÝch cña cì 6,25×1018 ®iÖn tö C¸c ®iÖn tÝch tù nhiªn cã gi¸ trÞ b»ng sè nguyªn lÇn ®iÖn tÝch cña mét ®iÖn tö §iÖn tÝch cña ®iÖn tö ®−îc quy −íc cã dÊu ©m (-), vËy ®iÖn tÝch cña h¹t nh©n nguyªn tö cã dÊu d−¬ng (+) Sù tån t¹i cña c¸c ®iÖn tÝch cã thÓ ®−îc ph¸t hiÖn qua sù t−¬ng t¸c lực chúng Lực t−ơng tác đó đ−ợc xác định nh− sau: F = Fe (q1, q2 , R) + Fm (q1, v1, q2, v2, R) Trong đó Fe là lực tĩnh điện phụ thuộc vào vị trí các điện tích, Fm là lực từ phụ thuộc vào vị trí và chuyển động các ®iÖn tÝch; q1 vµ q2 lµ gi¸ trÞ t−¬ng øng cña hai ®iÖn tÝch, v1 vµ v2 lµ vËn tốc chuyển động điện tích và R là khoảng cách chóng Năng l−ợng trao đổi các điện tích sinh lực điện Lực này gây nên chuyển động các điện tích và sinh công §iÖn thÕ Vx t¹i mét ®iÓm x kh«ng gian lµ c«ng ph¶i thùc hiÖn để đ−a đơn vị điện tích từ vô cùng đến điểm đó Nếu điểm y khác cã ®iÖn thÕ lµ Vy th× hiÖu sè ®iÖn thÕ gi÷a ®iÓm x vµ y gäi lµ ®iÖn ¸p hai điểm đó, có thể đ−ợc ký hiệu là Uxy Điện áp này đ−ợc quy −ớc là d−¬ng nÕu ®iÓm x cã ®iÖn thÕ d−¬ng so víi ®iÓm y vµ ng−îc l¹i Tøc lµ: Uxy = − Uyx Theo định nghĩa trên, gọi A là công lực điện sinh để chuyển l−ợng điện tích Q từ điểm x đến y thì hiệu U bằng: U xy = A Q Trong sơ đồ mạch điện, th−ờng bỏ qua các số kép và th−ờng viết ®iÖn ¸p so víi mét ®iÓm ®−îc chän lµm ®iÓm gèc nh− thÝ dô víi ®iÓm z sau: Uxz = 5V , Uyz = 7V → viÕt: Ux = 5V vµ Uy = 7V v× coi ®iÖn thÕ ë ®iÓm gèc z lµ V Khi đó nói điện áp điểm nào đó có nghĩa là điện điểm đó so với gốc chung Dßng ®iÖn lµ l−îng ®iÖn tÝch chuyÓn dêi qua d©y dÉn hay qua c¸c phần tử mạch điện đơn vị thời gian (dòng điện dẫn) hay cã chØ lµ sù biÕn thiªn cña ®iÖn tr−êng theo thêi gian (dßng ®iÖn dÞch) ChiÒu cña dßng ®iÖn m¹ch ®−îc quy −íc ch¶y tõ n¬i cã ®iÖn cao (+) tới nơi có điện thấp (−) Do định nghĩa nh− dòng điện I trªn mét ®o¹n m¹ch cã l−îng ®iÖn tÝch Q chuyÓn qua thêi gian t sÏ lµ: I= Q t C«ng suÊt lµ c«ng mµ dßng ®iÖn s¶n trªn ®o¹n m¹ch mét đơn vị thời gian Do đó công suất P đ−ợc sinh dòng điện I chảy điểm đoạn mạch có điện áp đặt vào U là: P= c«ng c«ng diÖn tÝch A Q = × = × = UI thêi gian diÖn tÝch thêi gian Q t Trong thực tế còn tính đến công suất trung bình kho¶ng thêi gian T ®∙ cho Gi¸ trÞ nµy gäi lµ c«ng suÊt hiÖu dông vµ b»ng: Peff = T T ∫ P( t )dt 1.3 C¸c phÇn tö thùc vμ phÇn tö lý t−ëng cña m¹ch ®iÖn Ph©n tÝch qu¸ tr×nh x¶y m¹ch ®iÖn lµ ph¶i t×m ®−îc c¸c gi¸ trÞ vµ d¹ng cña dßng ®iÖn hoÆc ®iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö, linh kiÖn, đoạn mạch, v.v tr−ờng hợp nào đó Các phần tử mạch ®iÖn thùc tÕ lµ c¸c phÇn tö thùc Chóng bao gåm c¶ c¸c th«ng sè chÝnh vµ c¸c th«ng sè ký sinh §Ó râ kh¸i niÖm nµy ta h∙y lÊy mét thÝ dô vÒ mét ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸ch quÊn d©y cã ®iÖn trë suÊt cao (nh− constantan) lªn mét èng sø c¸ch ®iÖn nh− h×nh vÏ 1.2.a V× ®o¹n d©y constantan ®−îc cuèn trªn lâi sø theo d¹ng lß xo ruét gµ ®∙ t¹o nªn mét cuén ®iÖn c¶m cã gi¸ trÞ ®iÖn c¶m rÊt nhá Lks, cã chØ cì phÇn m−êi μH (10-7 H), nh−ng vÉn kh¸c kh«ng ChØ sè ks viÕt t¾t tõ ch÷ "ký sinh" cã nghÜa lµ phÇn tö t¹p t¸n, nhá so víi gi¸ trÞ b×nh th−êng MÆt kh¸c, c¸c vßng d©y ®−îc cuèn s¸t nh−ng c¸ch ®iÖn víi ®∙ t¹o nªn c¸c b¶n tô ký sinh mµ tæng ®iÖn dung cña chóng rÊt nhá, chØ cì 1pF (10-12 F), nh−ng vÉn kh¸c kh«ng Nh− vËy, mét c¸ch chÝnh x¸c sơ đồ thực cái điện trở không đơn có điện trở R đoạn dây constantan nh− sơ đồ lý t−ởng hình 1.2.c mà còn phải thêm vµo mét cuén c¶m Lks m¾c nèi tiÕp víi nã vµ mét tô ®iÖn Cks m¾c song song víi c¶ hai nh− h×nh 1.2.b §o¹n d©y constantan cã ®iÖn trë b»ng R Lks R → èng sø c¸ch ®iÖn A A B B (a) ≈ R Cks (b) (c) H×nh 1.2 PhÇn tö thùc vµ lý t−ëng Nh− vÒ sau sÏ thÊy, gi¸ trÞ trë kh¸ng cña c¸c phÇn tö ký sinh nµy phụ thuộc vào tần số Do đó phân tích mạch điện chứa các phần tử hoạt động thực tế dải tần số không quá đặc biệt thì th−ờng ng−ời ta đơn giản hoá, coi các phần tử mạch là lý t−ởng, tức là giá trị các thông số ký sinh không Tức là phải đảm bảo giá trị các thông số ký sinh dải tần số tín hiệu hoạt động đó là đủ nhỏ để có thể bỏ qua so với thông số chính, cho kết phân tÝch lµ chÊp nhËn ®−îc ThÝ dô víi c¸i ®iÖn trë th«ng th−êng ®−îc chÕ t¹o nh− h×nh 1.2.a cã gi¸ trÞ ®iÖn trë cì 1.000 Ω th× cã thÓ thiÕt kÕ cho sö dụng các mạch điện khuếch đại dải tần số âm vài chôc kHz trë xuèng mµ kh«ng cÇn quan t©m tíi c¸c gi¸ trÞ ®iÖn c¶m vµ điện dung ký sinh nó Trong đó phải thiết kế mạch điện khác hoạt động dải tần số cao cỡ vài chục GHz nh− kỹ thuật ra-đa thì không thể không tính đến các thông số ký sinh này thiết kế mạch muốn dùng đến nó mà không muốn thay các điện trở đ−ợc chế tạo đặc biệt có các thông số ký sinh nhỏ n÷a Do ®−îc kh¶o s¸t d¶i tÇn sè kh«ng qu¸ cao, nh÷ng linh kiÖn đ−ợc đề cập tới phạm vi giáo trình này thuộc loại các phần tử ®−îc coi lµ lý t−ëng 1.4 Mạch điện, hệ thống điện tử vμ các loại sơ đồ nó Để thực mục đích nào đó, nhà thiết kế phải tập hợp số linh kiện điện tử với và liên kết chúng lại ph−ơng diện điện để t¹o thµnh c¸c m¹ch ®iÖn tö C¸c linh kiÖn nµy cã thÓ lµ nh÷ng linh kiÖn c¬ b¶n nh− ®iÖn trë, tô ®iÖn, cuén c¶m, c¸c nguån thÕ hay nguån dßng Chóng còng cã thÓ lµ nh÷ng c¶m biÕn hay c¸c phÇn tö tÝch cùc phøc t¹p h¬n nh− transistor hay vi m¹ch Nèi c¸c linh kiÖn víi cã nghÜa lµ liªn kÕt c¸c lèi vµo hay lèi cña chóng b»ng c¸c d©y dÉn mµ ®iÒu kiÖn lý t−ëng coi nh− cã ®iÖn trë d©y b»ng kh«ng BiÓu hiÖn b»ng b¶n vÏ cña c¸c m¹ch hoÆc hÖ thèng ®iÖn tö lµ c¸c s¬ đồ mạch Cách trình bày nh− hình 1.1 gọi là sơ đồ khối hệ thống điện tö hay tr−êng hîp kh¸c lµ cña m¹ch ®iÖn tö H×nh 1.3.a tr×nh bµy thí dụ sơ đồ nguyên lý mạch điện bao gồm các linh kiện nh− transistor, ®iÖn trë, tô ®iÖn vµ c¸c ®Çu nèi lèi vµo (input), lèi (output) Hình 1.3.b là thể trên thực tế mạch này, đó là mạch gồm các phần dẫn điện đồng đ−ợc phủ trên mặt miÕng phÝp c¸ch ®iÖn, gäi lµ b¶n m¹ch l¾p r¸p Trong tr−êng hîp nµy b¶n mạch còn gồm các lỗ để cắm chân các linh kiện với công nghệ xuyên lç HiÖn cßn cã c«ng nghÖ l¾p r¸p c¸c linh kiÖn lªn b¶n m¹ch gäi là công nghệ gắn bề mặt, đó các chân linh kiện đ−ợc hàn lªn mét bÒ m¨t chøa nã (b»ng thiÕc hµn hay chÊt keo dÉn ®iÖn) chø kh«ng cÇn c¾m xuyªn qua lç vµ hµn ch©n ë bÒ mÆt nh− cò Víi c«ng nghÖ g¾n bÒ mÆt hiÖn ng−êi ta cã thÓ thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c b¶n m¹ch in cã nhiÒu líp, mçi líp chøa c¸c ®−êng d©y nèi thËm chÝ c¶ linh kiÖn ®−îc tiÓu h×nh ho¸ trªn nã C«ng nghÖ nµy cho phÐp gi¶m nhá kÝch th−íc b¶n m¹ch in ®i rÊt nhiÒu B¶n m¹ch l¾p r¸p ®−îc thùc hiÖn dùa trên vẽ nó đ−ợc gọi là sơ đồ lắp ráp Hình 1.3.c là ảnh chụp mạch lắp ráp đ∙ đ−ợc cắm các linh kiện trên đó Hình 1.4 là thí dụ đơn gi¶n so s¸nh c«ng nghÖ g¾n c¸c linh kiÖn ®iÖn tö lµ: c«ng nghÖ xuyªn lç vµ c«ng nghÖ g¾n bÒ mÆt (a) (b) (c) Hình 1.3 a) Sơ đồ nguyên lý mạch điện b) Bản mạch lắp ráp c) Hình ảnh mạch có linh kiện đ−ợc lắp ráp trên đó Linh kiÖn Ch©n linh kiÖn PhÝp c¸ch ®iÖn (a) H×nh 1.4 Hai c«ng nghÖ l¾p r¸p linh kiÖn lªn b¶n m¹ch in: Líp d©y dÉn đồng ThiÕc hµn Lç xuyªn a) C«ng nghÖ xuyªn lç, b) C«ng nghÖ g¾n bÒ mÆt (b) Linh kiÖn Keo dÉn ®iÖn Líp c¸ch ®iÖn Líp c¸ch ®iÖn Keo dÉn ®iÖn Linh kiÖn Ch−¬ng tÝn hiÖu vμ c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch Trong kü thuËt ®iÖn tö, d¹ng vËt lý cuèi cïng cña tÝn hiÖu lµ c¸c sãng ®iÖn tõ (ë c¸c kh©u trung gian nã cã thÓ ë c¸c d¹ng kh¸c nh− điện, từ, v.v ) Từ đây nói đến tín hiệu ta quy −ớc hiểu ngầm là tín hiÖu ®iÖn, sãng ®iÖn Nãi chung tÝn hiÖu lµ l−îng vËt lý biÕn thiªn theo thêi gian nªn vÒ mÆt to¸n nã th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng mét biÓu thøc hay đồ thị phụ thuộc theo thời gian Thí dụ: với tín hiệu nói chung: s = s(t), víi ®iÖn ¸p: u = u(t), víi dßng ®iÖn: i = i(t) vµ víi tõ th«ng: φ = φ(t), v.v 2.1 TÝn hiÖu ®−îc biÓu diÔn theo thêi gian 2.1.1 C¸c tÝn hiÖu tuÇn hoμn vμ kh«ng tuÇn hoμn ®iÓn h×nh Nếu qua các khoảng thời gian T định, các giá trị tín hiệu lại lặp lại nh− tr−ớc thì tín hiệu đó gọi là tuần hoàn Biểu thức cña tÝn hiÖu tuÇn hoµn s(t) lµ mét hµm tuÇn hoµn víi chu kú T nh− sau: s(t) = s(t + T) (2.1) NÕu mét tÝn hiÖu kh«ng t×m ®−îc gi¸ trÞ h÷u h¹n cña T tho¶ m∙n biÓu thøc (2.1) hay nãi c¸ch kh¸c T→ ∞ , ta cã tÝn hiÖu kh«ng tuÇn hoµn Râ rµng tÝn hiÖu tuÇn hoµn chØ lµ mét trõu t−îng to¸n häc v× biÓu thøc (2.1) ph¶i tho¶ m∙n víi mäi t tõ − ∞ < t < +∞ Tuy nhiªn nÕu kho¶ng thêi gian tồn tín hiệu đủ dài chu kỳ tín hiệu nhiều thì có thể coi tín hiệu đó là tuần hoàn Thí dụ, đóng ngắt dòng điện hình sin mạng điện thành phố có tần số 50Hz qua bóng đèn thực tế ta chØ cã ®−îc mét ®o¹n tÝn hiÖu kho¶ng thêi gian h÷u h¹n tõ đóng đến ngắt công tắc Tuy nhiên đoạn tín hiệu đó, chính là thời gian quan sát là giây đủ dài so với chu kỳ dòng điện T = 1/ 50 = 0,02 gi©y th× ta cã thÓ coi ®©y lµ qu¸ tr×nh tuÇn hoµn Ta h∙y xÐt lo¹i tÝn hiÖu tuÇn hoµn vµ kh«ng tuÇn hoµn ®iÓn h×nh là dao động điều hoà và xung đơn vị Dao động điều hoà có tần số f đ−ợc biểu diễn biểu thức: s(t) = A cos (ωt − ϕ) (2.2) Trong đó A là biên độ, ω là tần số góc s(t) ωT = 2π A b»ng 2πf vµ ϕ lµ pha ban ®Çu (hay dÞch pha) s(t) Hình 2.1 là đồ thị thời gian ϕ ωt dao động điều hoà Rõ ràng dao động này là tín hiệu tuần hoàn có -A chu kú T = 2π/ ω H×nh 2.1 TÝn hiÖu ®iÒu hoµ Xung đơn vị hay hàm Đi-rắc đ−ợc định nghĩa nh− sau: ⎧0 ⎩∞ δ(t ) = ⎨ +∞ t≠0 ∫ δ ( t )dt ≈ δ ( t )dt = víi t=0 (2.3) −∞ Hình 2.2 là biểu diễn đồ thị cho xung δ(t) đơn vị Ta thấy đây là loại tín hiệu không tuần hoàn đặc biệt và còng lµ mét trõu t−îng to¸n häc, t kh«ng tån t¹i thùc tÕ -∞ -∞ Từ tín hiệu xung đơn vị, ng−ời ta suy Hình 2.2 Tín hiệu xung đơn vị tín hiệu đặc biệt khác thông dụng là tín hiệu nhảy bậc đơn vị 1(t), đ−ợc định nghĩa nh− sau: t ⎧0 1( t ) = δ ( t )dt = ⎨ ⎩1 -∞ ∫ t<0 t≥0 (2.4) Hình 2.3.a là biểu diễn đồ thị tín hiệu nhảy bậc đơn vị và 1(t) (a) h×nh 2.3.b lµ mét thÝ dô øng dông cña nã viÖc m« t¶ qu¸ trình đóng mạch điện tín hiÖu ®iÒu hoµ ë mét thêi ®iÓm t = t0 nào đó nh− sau: t0 t0 I t I0 (b) t I ( t ) = 1( t − t )I cos( ωt − ϕ ) Hình 2.3 a) Hàm đơn vị b) Mô tả quá trình đóng dòng điện điều hoà thời ®iÓm t0 DÉn gi¶i ta cã: ⎧0 I( t ) = ⎨ ⎩ I cos( ωt − ϕ ) t < t ≥ t (2.5) 2.1.2 Tín hiệu xác định vμ tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu là xác định (quyết định) biểu thức giải tích hay đồ thị thời gian nó là hoàn toàn biết tr−ớc Điều đó có nghĩa là giá trị các thông số tín hiệu hoàn toàn có thể xác định chính xác thêi ®iÓm bÊt kú Nh÷ng tÝn hiÖu nµy ®−îc coi lµ tÝn hiÖu cã Ých TÝn hiÖu ngÉu nhiªn l¹i kh¸c, gi¸ trÞ cña nã t¹i tõng thêi ®iÓm không thể xác định chính xác đ−ợc mà có thể biết nó nằm khoảng nào đó với hàm phân bố xác suất Chuyển động nhiệt cña c¸c ®iÖn tö vËt dÉn g©y nªn nh÷ng th¨ng gi¸ng ®iÖn ngÉu nhiên là thí dụ Chuyển động đó tạo dòng điện ngẫu nhiên có giá trị biên độ cỡ d−ới μA vật dẫn gọi là dòng ồn (noise) Dòng ®iÖn nµy ®−îc coi lµ mét tÝn hiÖu ngÉu nhiªn v« Ých trén lÉn víi dßng điện tín hiệu xác định và độ lớn tín hiệu có ích cùng bậc với ồn, ta sÏ gÆp khã kh¨n cho viÖc nhËn biÕt nã kh«ng ®−îc xö lý cÈn thËn C¸c nguån ph¸t sãng tõ c¸c thiÕt bÞ kh¸c xung quanh m¹ch ®iÖn tö gây nên kích động ngẫu nhiên tác động lên mạch gọi là can nhiÔu C¸c can nhiÔu nµy bao gåm c¶ nh÷ng th¨ng gi¸ng vÒ nhiÖt độ, độ ẩm, áp suất môi tr−ờng, v.v Nếu muốn xử lý để nhận biết, tách tín hiệu xác định trên ồn lớn thì phải nắm rõ chất hai loại tín hiệu xác định và tín hiÖu ngÉu nhiªn nµy 2.1.3 TÝn hiÖu t−¬ng tù vμ tÝn hiÖu sè TÝn hiÖu ®−îc biÓu diÔn theo thêi gian cã thÓ ®−îc ph©n lµm lo¹i sau: Tín hiệu t−ơng tự (analog signal) là tín hiệu có biên độ có thể biến thiên liên tục theo thời gian Nói cách khác biên độ và thời gian cña tÝn hiÖu t−¬ng tù lµ liªn tôc TÝn hiÖu rêi r¹c lµ tÝn hiÖu cã biÕn thêi gian rêi r¹c, tøc lµ biªn độ đ−ợc xác định thời điểm rời rạc định thang thời gian Các giá trị biên độ tín hiệu tr−ờng hợp này đ−ợc xác định các thời điểm rời rạc t0, t1,, , tn Ta có thể thu đ−ợc tín hiÖu rêi r¹c b»ng viÖc lÊy mÉu tÝn hiÖu t−¬ng tù 10 TÝn hiÖu ®−îc l−îng tö ho¸ lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù nh−ng cã biªn độ đ−ợc rời rạc hoá theo số mức hữu hạn Với thời điểm nào đó, biên độ tín hiệu có thể nằm mức liền kề nh−ng bị buộc gán cho chØ mét møc mµ th«i (thÝ dô møc thÊp h¬n) v× tÝn hiÖu l−îng tö ho¸ luôn có số hữu hạn giá trị rời rạc các biên độ TÝn hiÖu sè (digital signal) lµ tÝn hiÖu ®−îc rêi r¹c ho¸ theo thời gian và đ−ợc l−ợng tử hoá biên độ 2.1.4 Quá trình quá độ vμ quá trình dừng Quá trình quá độ tín hiệu nằm khoảng thời gian mà biên độ dạng tín hiệu còn có Biên độ đột biến lớn quá tr×nh dõng n»m kho¶ng thêi gian mµ th«ng sè cña tÝn hiÖu ®∙ trë t nên ổn định Hình 2.4 cho ta hình ảnh quá trình quá độ và quá trình t0 t1 dừng sóng sin có biên độ tăng Hình 2.4 Quá trình quá độ và quá nhanh tới giá trị ổn định Khoảng tr×nh dõng thời gian từ t0 đến t1 là quá trình quá độ vì biên độ sóng còn có đột biến tăng Còn khoảng thời gian từ t1 trở có thể coi là quá trình dừng vì biên độ sóng sin đ∙ trở nên ổn định 2.1.5 C¸c gi¸ trÞ ®o cña tÝn hiÖu theo thêi gian Tõ biÓu thøc cña tÝn hiÖu theo thêi gian ta rót mét sè gi¸ trÞ ®o cña nã th−êng ®−îc sö dông nh− sau: Gi¸ trÞ trung b×nh cña tÝn hiÖu kho¶ng thêi gian τ tõ t0 đến t0 +τ là: s( t ) = τ t +τ ∫ s( t )dt (2.6) t0 Với hàm tuần hoàn, trung bình suốt trục thời gian (từ -∞ đến +∞) b»ng trung b×nh mét chu kú tÝn hiÖu Công suất tức thời tín hiệu là bình ph−ơng tín hiệu đó s (t) Do vËy c«ng cña tÝn hiÖu sinh kho¶ng thêi gian τ lµ: 11 t +τ ES = ∫ s ( t )dt (2.7) t0 C«ng suÊt trung b×nh lµ gi¸ trÞ trung b×nh cña c«ng suÊt tøc thêi thêi gian tån t¹i: PS = s ( t ) = τ t +τ ∫ s ( t )dt (2.8) t0 Giá trị hiệu dụng tín hiệu chính độ lớn tín hiệu mét chiÒu DC s¶n cïng mét c«ng suÊt nh− tÝn hiÖu ®ang xÐt: s hd = c«ng suÊt trung binh = t0 +τ τ ∫ s (t ) dt (2.9) t0 ThÝ dô, víi tÝn hiÖu ®iÒu hoµ h×nh sin cã: gi¸ trÞ trung b×nh chu kú lµ b»ng vµ gi¸ trÞ hiÖu dông lµ b»ng ≈ 0,7 biên độ sóng sin Dải động tín hiệu là tỷ số các giá trị cực đại và cực tiểu công suất tức thời tín hiệu Thông số này đ−ợc đo đơn vị đề-ci-ben: DdB = 10 log s (t )max s(t )max = 20 log s (t )min s(t )min (2.10) 2.2 TÝn hiÖu ®−îc biÓu diÔn theo miÒn tÇn sè Trong thùc tÕ ngoµi c¸ch biÓu diÔn tÝn hiÖu theo miÒn thêi gian nh− nãi trªn cßn cã thÓ biÓu diÔn tÝn hiÖu theo mét hµm phô thuéc tÇn sè XuÊt ph¸t ®iÓm vÒ mÆt to¸n häc cña viÖc nµy lµ cã thÓ ph©n tÝch mét hµm sè thµnh mét chuçi v« h¹n c¸c hµm trùc giao nÕu hµm cÇn ph©n tÝch tho¶ m∙n ®iÒu kiÖn Dirichlet §ã lµ hµm ph¶i giíi néi, mét chu kỳ có số xác định cực đại, cực tiểu và số xác định điểm gián đoạn Các hàm số biểu diễn các sóng tín hiệu thực tế thoả m∙n ®iÒu kiÖn nµy Mét hµm trùc giao th−êng dïng lµ hµm mò ¶o e jnωt = cos nωt + j sin nωt Từ đây dẫn đến việc có thể biến đổi hàm số biểu diÔn tÝn hiÖu theo thêi gian thµnh mét tæng v« h¹n c¸c hµm ®iÒu hoµ víi c¸c tÇn sè kh¸c gäi lµ phæ Fourier cña tÝn hiÖu 12 2.2.1 Phæ Fourier cña tÝn hiÖu tuÇn hoμn Tõ c¬ së nãi trªn, mét tÝn hiÖu tuÇn hoµn víi chu kú T, tÇn sè gãc ω = 2π/ T, ®−îc biÓu diÔn b»ng hµm thêi gian s(t) cã thÓ ®−îc ph©n tÝch t¹i thêi ®iÓm t0 thµnh tæng cña v« sè c¸c hµm mò phøc nh− sau: +∞ s(t ) = ∑ An e jnω0t n = −∞ t0 + T − jnω0 t Trong ® ã A n = ∫ s(t )e T t0 ⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎭⎪ (2.11) C¸c biÓu thøc nµy gäi lµ c¸ch biÓu diÔn phøc theo chuçi Fourier cña tÝn hiÖu s(t) TriÓn khai ta cã: ∞ s( t ) = A0 + ∑ (A e n jnωt ) + A− n e − jnωt = A0 + ∑ [(A n + A− n ) cos nωt + j ( An − A− n ) sin nωt ] n =1 n =1 = T A− n Trong đó ∞ t0 +T ∫ s( t )e jnωt dt lµ sè liªn hîp phøc cña An t0 Nếu đặt: ⎫ s( t ) cos nωtdt ⎪ ⎪ t0 ⎪ ⎬ t0 +T ⎪ bn ≡ j ( An − A− n ) = s( t ) sin nωtdt ⎪ T ⎪⎭ t0 an ≡ An + A− n = T t +T ∫ (2.12) ∫ Ta sÏ cã : ∞ s( t ) = A0 + ∑ (an cos nωt + bn sin nωt ) n =1 víi A0 = T t +T ∫ s( t )dt t0 ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭ (2.13) ViÕt d−íi d¹ng gän h¬n ta sÏ ®−îc c¸ch biÓu diÔn thùc theo chuçi Fourier cña tÝn hiÖu s(t): 13 ∞ s( t ) = A0 + ∑C n n =1 víi A0 = ∫ s( t )dt t0 a n2 Cn = an = t +T T T + ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ b ⎪ ϕ n = arctg n ⎪ an ⎪ t +T ⎪ bn = s( t ) sin nωtdt ⎪ ⎪ T t0 ⎭ cos (nωt − ϕ n ) bn2 t +T ∫ s( t ) cos nωtdt t0 (2.14) ∫ đây, n là số nguyên d−ơng và t0 là thời điểm nào đó, th−ờng ®−îc chän b»ng Biểu thức 2.14 nói lên tín hiệu tuần hoàn có thể ®−îc ph©n tÝch thµnh tæng cña tÝn hiÖu mét chiÒu (A0 lµ trÞ trung b×nh tín hiệu) và vô số các tín hiệu điều hoà đơn giản có biên độ và dịch pha (Cn, ϕn) kh¸c vµ tÇn sè lµ béi cña Víi n =1, tÇn sè 1ω ≡ ω0 ®−îc gäi lµ tÇn sè c¬ b¶n vµ sãng cã tÇn sè nµy gäi lµ ho¹ ba bËc mét C¸c sãng cã tÇn sè lµ béi sè cña nã (nω0) ®−îc gäi t−¬ng øng lµ c¸c ho¹ ba bËc cao ViÖc ph©n tÝch nµy mang mét ý nghÜa thùc tÕ lµ: thay v× ph¶i xÐt dao động tuần hoàn phức tạp ta có thể xét các dao động điều hoà đơn giản tạo nên nó Thí dụ hình 2.5 cho thấy dao động tuần hoàn phức tạp đ−ợc phân tích thành tổng thành phần chiều cùng dao động điều hoà cã tÇn sè gÊp ba nhau, cã biªn A độ và pha ban đầu khác Ta thÊy tÝn hiÖu s(t) cã thÓ ®−îc biÓu diÔn bëi tæng cña v« sè c¸c hµm ®iÒu hoµ mµ mçi hµm nµy l¹i ®−îc x¸c định các cặp thông số Cn vµ ϕn phô thuéc vµo tÇn sè VËy cã thÓ dïng c¸c cÆp nµy 3,5 Dao động tuÇn hoµn phøc t¹p Thµnh phÇn chiÒu 2,5 2,0 t -1 Ho¹ ba bËc Ho¹ ba bËc Hình 2.5 Phân tích dao động tuần hoàn thµnh c¸c thµnh phÇn chuçi Fourier để biểu diễn cho tín hiệu theo miền tần số hoàn toàn t−ơng đ−ơng với 14 c¸ch viÕt biÓu thøc gi¶i tÝch cña tÝn hiÖu nµy theo miÒn thêi gian C¸ch biÓu diÔn nh− vËy gäi lµ biÓu diÔn theo phæ tÇn sè Nếu biểu diễn kết phân tích trên đồ thị với các giá trị tÇn sè ωn trªn trôc hoµnh, th× tËp hîp c¸c v¹ch song song víi trôc tung có chiều dài t−ơng ứng với giá trị biên độ các hoạ ba Cn gọi là phổ biên độ- tần số hay th−ờng gọi tắt là phổ biên độ tín hiệu tuần hoµn s(t) T−¬ng tù nh− vËy, mét tËp hîp c¸c v¹ch song song víi trôc tung cã chiÒu dµi b»ng −ϕn ®−îc gäi lµ phæ pha cña tÝn hiÖu tuÇn hoµn s(t) Trong thÝ dô trªn ta sÏ cã hµm sè biÓu diÔn tÝn hiÖu tuÇn hoµn ®−îc phân tích thành số hạng: thành phần chiều có biên độ 2, hoạ ba bậc có biên độ C1 = 2,5 và tần số chuẩn hoá ω0 nào đó, hoạ ba bậc ba có biên độ C3 = và tần số 3ω0 Trong tr−ờng hợp này các hoạ ba còn lại Phổ biên độ và phổ pha nó đ−ợc chØ trªn h×nh 2.6 ϕn Cn ϕ3 + π/2 C1 a0/2 ω0 C3 - π/2 ω0 3ω0 3ω0 ω ϕ1 ω Hình 2.6 Phổ biên độ và phổ pha tín hiệu hình 2.5 Nh− vậy, tín hiệu tuần hoàn là tập hợp các vạch có độ lớn khác vµ kho¶ng c¸ch trªn thang tÇn sè gi÷a hai v¹ch l©n cËn lµ b»ng 2π/ T Ta nãi r»ng tÝn hiÖu tuÇn hoµn cã phæ v¹ch rêi r¹c VÒ mÆt lý thuyÕt, sè v¹ch phæ cña mét tÝn hiÖu tuÇn hoµn s(t) cã thÓ lµ v« h¹n Tuy nhiªn ®a sè c¸c tr−êng hîp thùc tÕ n t¨ng tíi mét gi¸ trÞ nào đó thì biên độ Cn giảm khá nhanh và tới mức độ nào đó có thể bỏ qua Do đó, có thể coi phổ hạn chế khoảng tần số hữu h¹n Kho¶ng tÇn sè nµy gäi lµ bÒ réng phæ cña tÝn hiÖu 2.2.2 Phæ Fourier cña tÝn hiÖu kh«ng tuÇn hoμn 15 NÕu coi tÝn hiÖu kh«ng tuÇn hoµn lµ tÝn hiÖu tuÇn hoµn cã chu kú T tiÕn tíi v« cïng th× ta cã thÓ tÝnh ®−îc phæ Fourier cña nã Tr−íc tiªn h∙y chØ xÐt s(t) kho¶ng thêi gian mét chu kú, gi¶ thiÕt b»ng (-T/2, T/2), sau đó mở rộng khoảng này suốt thang thời gian, nghĩa là cho T→∞ C«ng thøc (2.11) ®−îc viÕt l¹i cËn lÊy tæng: +∞ ∑A e s( t ) = n ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭ jnω0t n = −∞ An = T T/2 ∫ s( t )e − jnω0t −T / Khi T→ ∞, sÏ cã c¸c giíi h¹n sau: 2π → dω , T (2.15) nω → ω , An → A( ω ) , lúc đó An trë thµnh: ⎡ s( t )e − jnωt dt = ⎢ ⎢⎣ 2π −T / ⎤ s( t )e − jωt dt ⎥ dω ⎥⎦ −∞ +T / 2π T →∞ 2π T +∞ ∫ A( ω ) = lim ∫ NÕu tÝch ph©n mãc vu«ng héi tô th× A(ω) sÏ lµ mét sè v« cïng nhỏ, lúc đó đặt: S( ω ) ≡ 2π cho +∞ ∫ s( t )e − jωt dt −∞ A(ω ) = S(ω )dω ⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪⎭ (2.16) S(ω) gọi là mật độ phổ phức hay phổ phức tín hiệu không tuần hoµn s(t) §Õn ®©y hµm s(t) còng tiÕn tíi giíi h¹n lµ: ∞ s( t ) = lim T →∞ ∑A e n +∞ jnωt = n = −∞ ∫ S( ω )e jωt dω −∞ Viết lại kết trên ta có cặp biến đổi Fourier tín hiệu không tuÇn hoµn nh− sau: +∞ s( t ) = ∫ S ( ω )e jωt dω −∞ S( ω ) ≡ 2π +∞ ∫ s( t )e −∞ − jωt dt ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭ (2.17) Công thức d−ới là biến đổi thuận còn công thức trên gọi là biến đổi ng−îc 16 Về mặt vật lý, cặp biến đổi Fourier tín hiệu s(t) có thể coi là tổng vô số dao động điều hoà có tần số biến thiên liên tục trên suốt trục tần số (từ −∞ đến +∞) với biên độ vô cùng nhỏ phân bố trên trục tần số theo mật độ S ( ω ) Từ đây có nhận xét rằng: tín hiệu tuần hoàn là tr−ờng hợp đặc biệt tín hiệu không tuần hoàn có mật độ phổ lớn vô cùng vị trí các vạch phổ và triệt tiêu ngoài vạch Thực vậy, dùng hàm đơn vị δ(t) ta viết đ−ợc mật độ phổ tuần hoàn có chu kỳ T nh− sau: S( ω ) = ∑ A δ ( ω − nω ) (2.18) n n Sao cho theo (2.16) cã: S ( ω )dω = A( ω ) = ⎧ An ∑ A δ ( ω − nω )dω = ⎨⎩0 n t¹i ω = nω t¹i ω ≠ nω n (2.19) ThÝ dô víi tÝn hiÖu ®iÒu hoµ cã: s( t ) = A0 cos( ω t − ϕ ) = { A e [ j ( ω0t −ϕ0 )] + e [− j( ω0t −ϕ0 )] } Theo (2.18) ta có mật độ phổ nó là: S( ω ) = [ ] A0 e − jϕ0 δ ( ω − ω ) + e jϕ0 δ ( ω + ω ) (2.20) H×nh 2.7 cho thÝ dô vÒ mét sè tÝn hiÖu ®iÓn h×nh ®−îc biÓu diÔn miÒn thêi gian vµ phæ Fourier cña chóng miÒn tÇn sè 17 H×nh 2.7 Phæ Fourier cña mét sè tÝn hiÖu ®iÓn h×nh Mét nhËn xÐt s¬ bé cho thÊy: tÝn hiÖu cµng hÑp miÒn thêi gian th× cã phæ cµng tr¶i réng miÒn tÇn sè vµ ng−îc l¹i tÝn hiÖu cµng tr¶i réng miÒn thêi gian th× phæ cña nã cµng hÑp ThÝ dô, phæ cña xung đơn vị trải dài trên suốt trục tần số từ đến ∞ với mật độ phổ không đổi, đó gọi là phổ trắng Trong đó phổ sóng sin tuần hoµn tr¶i dµi trªn c¶ trôc thêi gian l¹i chØ gåm mét v¹ch phæ 2.2.3 Mét sè tÝnh chÊt cña phæ tÝn hiÖu D−íi ®©y tr×nh bµy mét vµi tÝnh chÊt c¬ b¶n cña phæ (kh«ng chøng minh) • TÝnh tuyÕn tÝnh Cho tÝn hiÖu s(t) lµ tæ hîp tuyÕn tÝnh cña k tÝn hiÖu thµnh phÇn si(t) : s(t ) = k ∑ a i s i (t ) i =1 18 víi vµ k lµ c¸c h»ng sè NÕu mçi si(t) cã phæ t−¬ng øng lµ Si(ω), th× phæ S(ω) cña s(t) sÏ b»ng: k S( ω ) = ∑a S (ω ) i i i =1 Ta cã thÓ tr×nh bµy tãm t¾t tÝnh chÊt nµy miÒn t vµ ω nh− sau: k s( t ) = ∑ k S( ω ) = ⇔ si ( t ) i =1 ∑a S (ω ) i (2.21) i i =1 • Phổ đạo hàm và tích phân Cho tín hiệu s(t) có phổ S(ω), đạo hàm bậc k s(t) là d k s (t ) dt sÏ cã phæ lµ: S(k)(ω) = (jω)k S(ω) (2.22) t Tích phân s(t) lấy từ -∞ đến thời điểm t là ∫ s(t )dt sÏ cã phæ lµ: −∞ S ( −1 ) = S( ω ) jω (2.23) Nh− vËy c¸c phÐp lÊy vi ph©n vµ tÝch ph©n miÒn thêi gian víi tÝn hiÖu s(t) t−¬ng øng lÇn l−ît víi c¸c phÐp nh©n vµ chia (jω) miền tần số với mật độ phổ S(ω) • Phæ cña tÝch hµm sè Cho s(t) = s1(t)s2(t), đó S1(ω) và S2(ω) lần l−ợt là phổ s1(t) và s2(t) TÝnh phæ S(ω) cña s(t) Ta cã: S (ω ) = 2π ∞ ∫ s (t ).s (t )e dt , thay s1(t) b»ng phæ cña nã: −∞ ∞ s1 (t ) = − jωt ∫ S (ν )e jν t dt (l−u ý tích phân lấy theo ν để −∞ tr¸nh lÉn víi ω) S (ω ) = 2π ∞ ∞ ∫ ∫S (ν )s (t )e [− j (ω −ν ) t ] dvdt -∞ -∞ ⎧ = ∫ S (ν )dν ⎨ -∞ ⎩ 2π ∞ ®−îc: ∞ = ∫S [− j (ω −ν ) t ] ⎫ s ( t ) e dt ⎬ ∫ -∞ ⎭ ∞ (2.24) (ν ) S (ω − ν )dν -∞ 19 BiÓu thøc cuèi cïng cña (2.20) gäi lµ tÝch chËp cña c¸c phæ S1 vµ S2 Nh− vËy tÝch th−êng miÒn thêi gian cña c¸c tÝn hiÖu t−¬ng ®−¬ng với tích chập miền tần số các mật độ phổ • Phæ cña tÝch chËp hai tÝn hiÖu Ng−îc l¹i víi tr−êng hîp trªn ta cã ∫ s( t ) = s1 ( t )s ( t − τ )dτ lµ tÝch chËp cña hai tÝn hiÖu s1(t) cã phæ ®∙ biÕt lµ S1(ω) vµ s2(t) cã phæ ®∙ biÕt lµ S2(ω) TÝnh phæ S(ω) cña s(t) S( ω ) = Ta cã: 2π = 2π ∞ ∞ ∫ ∫ s ( τ )s ( t − τ )e − jωt dtdτ −∞−∞ ∞ ∫ s(τ )e ∞ − jωτ dτ −∞ ∫ s ( t − τ )e [− jω ( t −τ ] dt (2.25) −∞ = 2πS1 ( ω )S ( ω ) Nh− vËy tÝch chËp cña c¸c tÝn hiÖu miÒn thêi gian t−¬ng đ−ơng với tích th−ờng miền tần số các mật độ phổ • Phæ cña tÝn hiÖu trÔ Cho tÝn hiÖu s(t) cã phæ S(ω), phæ cña tÝn hiÖu trÔ mét kho¶ng thêi gian τ lµ s(t−τ) sÏ cã phæ lµ: Sτ ( ω ) = e − jωτ S ( ω ) (2.26) • ảnh h−ởng thay đổi thang thời gian đến phổ: Cho tÝn hiÖu s(t) cã phæ S(ω), phæ cña tÝn hiÖu s(at) lµ: Sa (ω ) = ⎛ω ⎞ S⎜ ⎟ a ⎝a⎠ (2.27) Nh− thay đổi trên thang thời gian theo tỷ lệ nào đó t−ơng ứng với thay đổi trên thang tần số theo tỷ lệ ng−ợc §iÒu nµy dÉn tíi mét kÕt luËn lµ víi mét d¹ng tÝn hiÖu ®∙ cho, nÕu tÝn hiÖu cµng kÐo dµi theo thêi gian th× phæ cña nã cµng hÑp vµ ng−îc l¹i • Mật độ phổ l−ợng: Năng l−ợng tín hiệu trên suốt thời gian tån t¹i nh− sau: 20 ∞ ∫ ∞ s ( t )dt = −∞ ∫ −∞ ∞ ∞ ∫ S ( ω )dω s( t )e jωt dt = 2π −∞ ∫ ∞ S ( ω )S ( −ω )dω = 2π −∞ ∫ S( ω ) dω (2.28) −∞ §©y gäi lµ c«ng thøc Pac-xª-van Do vÕ tr¸i lµ n¨ng l−îng nªn S( ω ) biểu thị cho phân bố l−ợng nên đ−ợc gọi là mật độ phổ n¨ng l−îng Trong tr−êng hîp tÝn hiÖu tuÇn hoµn n¨ng l−îng chØ cÇn tÝnh mét chu kú 2.3 Nguyªn lý xÕp chång Mạch tuyến tính tuân theo nguyên lý xếp chồng tức là: tác động tín hiệu phức tạp lên mạch điện tổng tác động các tín hiệu thành phần tạo nên tín hiệu đó Bởi vậy, cần khảo sát tín hiệu phức tạp nào đó tác động lên mạch điện tuyến tính, ta có thể phân tín hiệu đó thành s(t) tín hiệu đơn giản Sau đó A4 xét tác động tín hiệu A3 đơn giản đó lên mạch Tổng hợp chóng l¹i sÏ ®−îc kÕt qu¶ cÇn A2 A1 A0 khảo sát Các tín hiệu đơn giản τ1 τ2 cÇn ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c hµm τ3 τ4 t phæ biÕn vµ dÔ tÝnh to¸n Nh÷ng hàm đó th−ờng là các hàm điều H×nh 2.8 TÝn hiÖu vµo b»ng xÕp chång hoà hay hàm nhảy bậc đơn vị cña c¸c Ph−¬ng ph¸p phæ kÓ trªn còng lµ tín hiệu nhảy bậc đơn vị ph−¬ng ph¸p xÕp chång, thÝ dô ph©n tÝch phæ cña mét tÝn hiÖu tuÇn hoµn phøc t¹p thµnh tæng cña v« sè tÝn hiÖu ®iÒu hoµ cã tÇn sè lµ béi cña MÆt kh¸c, mét tÝn hiÖu lèi vµo bÊt kú còng cã thÓ xem nh− là tổ hợp vô số các tín hiệu nhảy bậc đơn vị nh− hình 2.8 và có thÓ ph©n tÝch thµnh: n s(t ) ≈ A0 1(t ) + ∑ Ai 1(t − τ i ) víi τ lµ kho¶ng thêi gian trÔ thø i i =1 (2.29) 2.4 NhiÔu vμ c¸c tÝnh chÊt cña nã 21 2.4.1 Ph©n lo¹i nhiÔu Nhiễu là danh từ dùng để tất các loại tín hiệu vô ích tác động lên tín hiệu có ích mạch điện tử và các kênh thông tin làm ảnh h−ởng đến việc thu nhận và xử lý tín hiệu Nhiễu có thể đ−ợc phân lo¹i theo quy luËt biÕn thiªn theo thêi gian (xung nhiÔu, nhiÔu liªn tôc), theo bÒ réng phæ (nhiÔu tr¾ng, nhiÔu hång), theo luËt ph©n bè x¸c suất (nhiễu đồng nhất, nhiễu chuẩn gauss) hay theo ph−ơng thức tác động lên tín hiệu (nhiễu cộng, nhiễu nhân) Một cách phân loại phổ biến lµ ph©n theo nhiÔu ngo¹i vµ nhiÔu néi NhiÔu ngo¹i xuÊt ph¸t tõ c¸c nguån g©y nhiÔu bªn ngoµi m¹ch ®iÖn tử nh−: Nhiễu công nghiệp bao gồm các loại nhiễu từ các đài phát sóng cã phæ gÇn víi phæ tÇn sè lµm viÖc cña m¹ch ®iÖn; nhiÔu c¸c thiÕt bÞ điện, điện tử đặc biệt mạng điện thành phố gây ra; nhiễu các ph−ơng tiện vận tải, các động điện (đặc biệt các loại có các chổi góp điện than), các dụng cụ điện gia đình, các thiết bị điện công nghiệp (đặc biệt là loại hoạt động dải tần số cao), v.v NhiÔu khÝ quyÓn vµ bøc x¹ vò trô bao gåm c¸c bøc x¹ ®iÖn tõ thêi gian gi«ng b∙o, sÊm chíp, c¸c b∙o bôi, c¸c th¨ng gi¸ng tÇng iôn khí quyển, các đợt xạ mạnh từ mặt trời, v.v NhiÔu néi ®−îc sinh b¶n th©n c¸c c¶m biÕn, c¸c linh kiÖn vµ hÖ thèng m¹ch ®iÖn tö §ã lµ c¸c th¨ng gi¸ng ®iÖn g¾n liÒn víi b¶n chÊt cña c¸c l−îng vËt lý kh¸c vµ vÒ nguyªn t¾c lµ kh«ng thÓ tr¸nh ®−îc Hai d¹ng c¬ b¶n nhÊt cña lo¹i nhiÔu nµy lµ ån nhiÖt vµ ồn nổ ồn nhiệt hay còn gọi là ồn Johnson xuất chuyển động nhiÖt cña c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn vËt dÉn (thÝ dô c¸c ®iÖn tö) vµ nó phụ thuộc vào nhiệt độ Thế ồn hiệu dụng trên điện trở R là Vrms = 4kTRΔf (trong đó k là số Boltzmann, T là nhiệt độ K và Δf là d¶i tÇn sè ®o) ån næ hay cßn gäi lµ ån Shottky sinh sù chuyÓn động ngẫu nhiên các điện tích chuyển qua môi tr−ờng chuyển tiếp nào đó Thí dụ nh− ồn sinh các hạt tải điện nh− điện tö chuyÓn qua líp tiÕp gi¸p b¸n dÉn p-n ta sÏ kh¶o s¸t sau Dßng ån nµy đ−ợc tính I rms = Qe IΔf (trong đó Qe là điện tích điện tử, I là dòng điện hoạt động thiết bị) 22 2.4.2 NhiÔu céng vμ nhiÔu nh©n – tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu S/N Hai dạng đơn giản ph−ơng thức tác động nhiễu lên tín hiệu là tác động cộng và nhân Gọi s(t) là tín hiệu có ích, n(t) là can nhiÔu, sÏ cã tÝn hiÖu tæng hîp x(t) lµ: Víi nhiÔu céng: x(t) = s(t) + n(t) (2.30) Víi nhiÔu nh©n: x(t) = n(t) s(t) (2.31) Trong tr−êng hîp phøc t¹p h¬n nhiÔu cã thÓ cßn gåm c¶ hai lo¹i r»ng hiÕm x¶y ra: x(t) = n1(t) s(t) + n2(t) Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng quan t©m tíi tæng cña c¸c lo¹i nhiễu diện Nếu các nguồn nhiễu u1, u2, hoàn toàn độc lập với th× gi¸ trÞ hiÖu dông (b×nh ph−¬ng trung b×nh) cña nhiÔu tæng sÏ b»ng tæng c¸c gi¸ trÞ hiÖu dông cña c¸c nguån nhiÔu thµnh phÇn: u = u12 + u22 + u32 + Trong tr−ờng hợp nhiễu cộng, để định l−ợng chất l−ợng tín hiÖu thu nhËn ®−îc ng−êi ta th−êng quan t©m tíi tû sè tÝn hiÖu/ nhiÔu (th−ờng ký hiệu là S/N hay SN) Tỷ số này đ−ợc định nghĩa nh− sau: S Gi¸ trÞ hiÖu dông cña tÝn hiÖu s2 = = N Gi¸ trÞ hiÖu dông cña nhiÔu (ån) n (2.32) Trong đo l−ờng lại hay dùng đơn vị logarit là đề-ci-ben (dB): S / NdB = 10 log10 s2 n2 (2.33) Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu lµ mét th«ng sè rÊt quan träng kh«ng nh÷ng hÖ thèng ®iÖn tö mµ nãi chung c¶ c¸c hÖ thèng thông tin và điều khiển vì nó có ảnh h−ởng chính đến chất l−ợng và độ tin cậy hệ thống Vì cần có biện pháp để nâng cao tỷ số này Cách đơn giản là việc trả giá cách tăng công suất nguồn tín hiệu, tăng độ dài tín hiệu (kéo dài thời gian thông tin, lÆp l¹i, ) hay më réng phæ cña tÝn hiÖu Tuy nhiªn v× nhiÒu lý do, kh«ng ph¶i lóc nµo còng thùc hiÖn ®−îc c¸c biÖn ph¸p nµy Mét biÖn ph¸p kh¸c 23 là nghiên cứu chất tín hiệu và nhiễu để từ đó tìm các quy luËt xö lý tÝn hiÖu gèc thu nhËn ®−îc nh»m t¨ng ®−îc tû sè S/N ë lèi xử lý đến mức cần thiết Đó là mục tiêu ngành học ®ang ®−îc ph¸t triÓn m¹nh lµ xö lý tÝn hiÖu 2.5 §iÒu chÕ tÝn hiÖu 2.5.1 Kh¸i niÖm vÒ sù ®iÒu chÕ vμ gi¶i ®iÒu chÕ §iÒu chÕ lµ qu¸ tr×nh g¾n tin tøc vµo mét t¶i tin Trong kü thuËt điện tử, nhiều phải biến đổi tín hiệu thành các dạng khác cho phù hợp với yêu cầu truyền xử lý thông tin Quá trình biến đổi đó gọi lµ m∙ ho¸ tÝn hiÖu Mét thÝ dô cô thÓ lµ viÖc t×m c¸ch truyÒn ®i xa c¸c tÝn hiÖu tÇn sè thÊp nh− tÝn hiÖu ©m B¶n th©n c¸c tÝn hiÖu nµy kh«ng thÓ ph¸t ®i xa trùc tiÕp b»ng sãng ®iÖn tõ ®−îc v× n¨ng l−îng cña nã ë d¶i tÇn sè thÊp nh− vËy sÏ bÞ suy gi¶m rÊt nhanh theo kho¶ng cách Trong đó các sóng cao tần lại có khả phát xa đ−ợc Vì vậy, ng−ời ta phải tìm cách làm cho thông số nào đó sóng cao tần đ−ợc biến đổi theo quy luật sóng âm dùng sóng đó phát xa Quá trình biến đổi thông số này gọi là quá trình điều chế tÝn hiÖu Sãng ©m tÇn tr−êng hîp nµy gäi lµ sãng ®iÒu chÕ vµ sãng cao tÇn gäi lµ sãng mang T¹i n¬i thu, trªn c¬ së sãng cao tÇn thu nhận đ−ợc, ng−ời ta dùng kỹ thuật tách sóng để thu nhận lại tín hiệu điều chế chứa đựng thông tin cần thiết Ta khảo sát tỷ mỷ các quá trình này ch−ơng sau Do vậy, đây đề cập tới vài vấn đề chung liên quan đến chất tín hiệu điều chế Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, gi¶ sö muèn g¾n mét sãng ®iÒu chÕ F(t) lªn mét sãng mang f (a, b, c, ) víi a, b, c, lµ c¸c th«ng sè ®iÒu chÕ (thí dụ biên độ, tần số, ) Nếu lần l−ợt ta cho các thông số a, b, c thay đổi theo quy luật F(t) ta có lần l−ợt các dạng điều chÕ a, d¹ng ®iÒu chÕ b, d¹ng ®iÒu chÕ c, v.v ThÝ dô: am = a +ΔaF(t) đó Δa là số Từ đó có fm = f(am, b, c, ) Qu¸ tr×nh nµy ®−îc thùc hiÖn tõ phÝa ph¸t, nghÜa lµ tõ sãng F(t) vµ f(t) ta sÏ t¹o mét sãng fm(t) Bªn phÝa thu ph¶i cã nhiÖm vô t¸ch tõ 24 fm hµm ®iÒu chÕ F(t) §ã lµ qu¸ tr×nh gi¶i ®iÒu chÕ hay cßn gäi lµ qu¸ tr×nh t¸ch sãng Do tín hiệu có thông số: biên độ, tần số và pha nên th−ờng có loại điều chế: điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha Mét h×nh thøc th«ng tin th−êng gÆp lµ dïng c¸c sãng mang lµ c¸c dao động điều hoà có tần số cao nhiều tần số sóng điều chế và ta cã tÝn hiÖu ®iÒu chÕ cao tÇn C¸c tÇn sè sãng mang ®−îc sö dông n»m dải khá rộng từ vài chục kHz đến vài chục GHz th−ờng đ−ợc chia thµnh c¸c d¶i nh− b¶ng sau D¶i sãng Sãng cùc dµi (VLW) Sãng dµi (LW) Sãng trung (MW) Sãng ng¾n (SW) D¶i tÇn sè D¶i b−íc sãng kHz – 30 kHz 100km – 10 km 30 kHz – 300 kHz 10km – 1km 300 kHz – 3000 kHz 1000m – 100m MHz – 30 MHz 100m – 10m Sãng cùc ng¾n (VSW): mÐt 30MHz – 300MHz 10m – 1m đêcimet 300MHz – 3.000MHz 10dm – 1dm centimet 3GHz – 30GHz 10cm – 1cm milimet 30GHz – 300GHz 10mm – 1mm 2.5.2 Điều chế biên độ Ta h∙y xét quá trình điều chế biên độ đơn giản nh− sau Sóng mang cao tÇn ®iÒu hoµ cã biÓu thøc cña ®iÖn ¸p: f(t) = U0cos(ω0t - ϕ0) Gi¶ thiÕt tin tøc cã d¹ng m(t) vµ lµ hµm sè ®∙ chuÈn ho¸ -1 ≤ m(t) ≤ hay |m(t)| ≤ Khi đó, với tín hiệu điều biên ta có: Um(t) = U0 + ΔUm(t), ¸p đó ΔU là số gia cực đại biên độ điện cho cã biểu thức sau đây dao động điều biên: fa = U®b = [U0 + ΔUm(t)] cos(ω0t − ϕ0) (2.34) ViÕt l¹i biÓu thøc (2.34) d−íi d¹ng sau: 25 ⎡ ΔU ⎤ U db (t ) = U ⎢1 + m(t )⎥ cos(ω0 t − ϕ ) ⎣ U0 ⎦ γ ≡ ΔU U0 (2.35) gọi là hệ số điều biên hay độ sâu điều chế đảm bảo ≤ γ ≤ Khai triÓn (2.35) dÔ dµng t×m ®−îc phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn: U®b(t) = U0 cos(ω0t - ϕ0) + γU0m(t) cos(ω0t - ϕ0) Số hạng thứ là dao động điều hoà tuý, phổ nó theo (2.20) lµ: [ ] S ( ω ) = U e − jϕ δ ( ω − ω ) + e jϕ δ ( ω + ω ) Sè h¹ng thø hai lµ tÝch cña hai tÝn hiÖu m(t) vµ cos(ω0t - ϕ0) víi hÖ sè γU0 Gäi Sm(ω) lµ phæ cña m(t), dïng c«ng thøc tÝnh phæ cña tÝch hai tÝn hiÖu ta cã: S2( ω ) = γU [e − jϕ ] S m ( ω − ω ) + e jϕ S m ( ω + ω ) { S db ( ω ) = S1 ( ω ) + S ( ω ) = U e − jϕ0 [δ (ω − ω ) + γS m ( ω − ω )] + + e jϕ0 δ [(ω + ω ) + γS m (ω + ω )] } (2.36) C«ng thøc nµy cho thÊy phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn gåm: c¸c thµnh phần điều hoà có tần số ±ω0 sóng mang với biên độ U0/ và các phổ Sm(ω) có mật độ phổ cực đại ±Ω sóng điều chế di chuyển đến xung quanh c¸c tÇn sè ±ω0 víi hÖ sè γ U0/ H×nh 2.9 chØ râ mèi quan hÖ nµy miÒn tÇn sè Râ rµng, kÕt qu¶ cña sù ®iÒu biªn lµ mét sù di chuyÓn phæ cña sãng ®iÒu chÕ (chøa tin tøc) trªn thang tÇn sè tõ miÒn các tần số thấp lên miền các tần số cao Do đó tín hiệu điều biên có kh¶ n¨ng bøc x¹ dÔ dµng ®i xa XÐt thùc tÕ chØ cã c¸c tÇn sè d−¬ng th× phæ cña sãng ®−îc ®iÒu chÕ gåm mét v¹ch ë trung t©m cã tÇn sè ω0, v¹ch nµy chØ râ sù cã mặt sóng mang Sắp xếp đối xứng hai bên vạch sóng mang là các phần đối xứng phổ sóng điều chế tần số thấp Sm(ω), gọi là hai dải bên Chỉ có các dải này chứa đựng tin tức đ−ợc truyền Để tiết kiệm công suất phát, có ng−ời ta xạ các dải bên mà đảm bảo 26 th«ng tin Trong tr−êng hîp nµy, tÝn hiÖu ph¸t ®−îc gäi lµ tÝn hiÖu ®iÒu biên cân Có cần phát dải bên là đủ và có tín hiệu điều biên dải bên hay tín hiệu phát đơn biên Sm(ω) -Ω ω Ω S®b(ω) (U0/2) δ(ω+ω0) (γU0/2) Sm(ω+ω0) (U0/2) δ(ω-ω0) (γU0/2) Sm(ω-ω0) -ω0-Ω -ω0 -ω0+Ω ω0 ω0-Ω ω0+Ω ω .H×nh 2.9 Sù di chuyÓn phæ sãng ®iÒu chÕ Xét tr−ờng hợp đơn giản, sóng điều chế m(t) là hình sin m( t ) = A0 sin Ωt , ta cã: U db = U [1 + γA0 sin Ωt ]cos ω t TriÓn khai ta cã: 1 U db = U cos ω t + U γA0 sin( ω + Ω )t − U 0γA0 sin( ω − Ω )t 2 (2.37) Vậy phổ tín hiệu bao gồm thành phần ω0 và ω0 ± Ω Hình 2.10 là đồ thÞ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn víi sãng ®iÒu chÕ h×nh sin theo thêi gian vµ phæ cña nã t¹i c¸c tÇn sè d−¬ng Sãng ®iÒu chÕ t t Sãng mang 27 TÝn hiÖu ®iÒu biªn t H×nh 2.10 TÝn hiÖu ®iÒu biªn víi sãng ®iÒu chÕ h×nh sin vµ phæ cña nã 2.5.3 §iÒu chÕ gãc Các tín hiệu điều tần và điều pha có đặc điểm chung là biên độ không đổi còn góc pha phụ thuộc vào sóng điều chế m(t) Do đó chúng th−êng ®−îc gäi lµ c¸c tÝn hiÖu ®iÒu chÕ gãc v× tÇn sè thùc lµ vi ph©n cña gãc pha tøc thêi theo thêi gian (ω = d(ωt + ϕ0) = dϕ / dt) vµ cã thÓ biÓu diÔn tæng qu¸t nh− sau: U dcg ( t ) = U cos[ω t − θ ( t )] (2.38) Trong đó θ(t) phụ thuộc m(t) và biến thiên chậm so với ω0t V× tÇn sè biÕn thiªn theo thêi gian, nªn ë ®©y ph¶i ®−a vµo kh¸i niÖm tÇn sè tøc thêi Trong tr−êng hîp m(t) cã d¹ng ®iÒu hoµ m(t) = A0cos Ωt , với sóng mang có dạng U0cos ω0t thì tần số tức thời đ−ợc định nghĩa là: ω ≡ ω + kA0 cos Ωt Vµ cã biÓu thøc tÝn hiÖu ®iÒu tÇn lµ: kA ⎡ ⎤ U dt ( t ) = U cos ⎢ω t + sin Ωt + ϕ ⎥ Ω ⎣ ⎦ Nh− vậy, biên độ tín hiệu điều chế U0 không thay đổi, tần số tức thời ω thay đổi xung quanh ω0 với nhịp Ω và tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế TÇn sè ω0 kh«ng cã ®iÒu chÕ gäi lµ tÇn sè trung t©m Sù ®iÒu chÕ làm thay đổi tần số tức thời giá trị cực điểm (ω0 - Δω) và (ω0 + Δω) Δω là độ lệch tần số và nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế (Δω = kA0) Trong ®iÒu chÕ gãc, c¸c tÝnh to¸n vÒ phæ tÇn sè phøc t¹p h¬n tr−ờng hợp điều chế biên độ nên không thuộc phạm vi giáo trình này C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy phæ cã chøa mét tÇn sè trung t©m ω0 vµ loạt các tần số biên ω0 ± kΩ, với k là số nguyên Biên độ các vạch phổ thay đổi theo tỷ số Δω/ Ω và giảm nhanh 28 Hình 2.11 là giản đồ tín hiệu điều tần tr−ờng hợp sóng điều chÕ lµ hµm t¨ng-gi¶m tuyÕn tÝnh theo thêi gian vµ sãng mang lµ ®iÒu Biên độ Sãng ®iÒu chÕ Sãng mang TÝn hiÖu ®iÒu tÇn t t t hoµ H×nh 2.11 D¹ng phô thuéc thêi gian cña mét lo¹i tÝn hiÖu ®iÒu tÇn 29 Ch−¬ng c¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n kh¶o s¸t M¹ch ®iÖn tö Mạch điện là mô hình các hệ thống tạo và biến đổi các tín hiệu điện tử Do quá trình tạo và xö lý tÝn hiÖu lµ phøc t¹p nªn nãi chung, mét m¹ch ®iÖn tö th−êng bao gåm nhiÒu lo¹i phÇn tö nèi ghép với theo nhiều cách Mỗi phần tử mạch có nhiệm vụ riêng đặc tr−ng các thông sè cña nã vµ phô thuéc vµo vÞ trÝ cña nã hÖ thèng 3.1 Các phần tử, thông số tích cực và thụ động mạch điện §Ó thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô trªn, cã thÓ xÕp c¸c th«ng sè cña m¹ch theo hai lo¹i c¬ b¶n lµ th«ng số tích cực và thông số thụ động 3.1.1 C¸c phÇn tö vµ th«ng sè tÝch cùc Các thông số tích cực là các thông số đặc tr−ng cho tính chất tạo tín hiệu cung cấp l−ợng các phần tử mạch điện Thuộc loại này có hai thông số là sức điện động E(t) và dòng điện I(t) Nhiều phần tử mạch có khả tự nó (hay chịu tác động phi điện bên ngoài) tạo các điện áp hay dòng điện khác Những phần tử đó có tên gọi chung là nguồn ThÝ dô c¸c bé pin, ¾c-quy, c¸c m¸y ph¸t ®iÖn, v.v chuyÓn ho¸ c¸c d¹ng n¨ng l−îng kh¸c thµnh l−ợng điện, sinh hai cực nó điện áp nào đó mắc tải vào hai cực đó Các phần tö nh− tÕ bµo quang ®iÖn, c¸c micr« ph«n hay biÕn tö ¸p ®iÖn vµ c¶ nh÷ng linh kiÖn b¸n dÉn cã tÝnh khuếch đại tín hiệu nh− transistor, vi mạch, v.v nh− trình bày sau thuộc loại này Do cách xác định hai thông số tạo nguồn dẫn tới phân loại các phần tử tích cực thành hai lo¹i: nguån ®iÖn ¸p vµ nguån dßng ®iÖn Nguồn điện bình th−ờng (thí dụ nh− pin ắc-quy) ít nhiều có điện áp và dòng điện biến đổi theo thời gian các nhân tố nh− trở tải, nhiệt độ phòng, già hoá chất điện hoá làm nguồn, v.v thay đổi Một nguồn điện áp thực tế đ−ợc biểu diễn nguồn có sức điện động E0 = const không đổi mắc nối tiếp với trở nội Ri nh− hình 3.1.a Nếu Ri ≠ thì điện áp đặt trên hai đầu điện trở tải biến đổi theo giá trị t¶i Nh−ng tr−êng hîp lý t−ëng, Ri → thì điện áp này là không đổi dù tải Ri E0 ~ I0 Ri I0 E0 ~ có biến đổi nào Lúc đó ta có mét nguån ®iÖn ¸p lý t−ëng hay th−êng gäi t¾t lµ nguån ®iÖn ¸p Còng lý luËn (a) (b) nh− vËy ta cã nguån dßng ®iÖn lý t−ëng, H×nh 3.1 a) Nguån ®iÖn ¸p thùc vµ lý t−ëng, gäi t¾t lµ nguån dßng ®iÖn, nÕu nguån b) Nguån dßng ®iÖn thùc vµ lý t−ëng nµy cã trë néi Ri b»ng v« cïng Nh− vËy mét nguån dßng thùc tÕ gåm mét nguån dßng lý t−ëng I0 m¾c song song víi mét néi trë Ri nh− h×nh 3.1.b 22 Xét mạch điện nh− hình 3.2 Theo định luật Ohm ta có điện áp trên trở tải là: U T = U − Ri I hay I U − UT U UT U I= = − = I0 − T Ri Ri Ri Ri Ri UT ë ®©y gäi gi¸ trÞ I ≡ U / Ri lµ dßng ng¾n m¹ch nghÜa lµ dòng cực đại mà nguồn có thể cấp cho mạch điện ngoài tr−êng hîp cho trë t¶i b»ng (ng¾n m¹ch) ViÖc lùa chän c¸ch m« t¶ nguån lµ tuú thuéc vµo trë néi nhá hay lín so víi trë t¶i RT 3.1.2 U0 RT ~ H×nh 3.2 Dßng ng¾n m¹ch I0 Các phần tử và thông số thụ động Các thông số thụ động đặc tr−ng cho các tính chất không tạo tín hiệu và không cung cấp l−ợng các phần tử mạch điện Thuộc loại này có ba thông số bản: điện trở (nghịch đảo nã lµ ®iÖn dÉn), ®iÖn c¶m vµ ®iÖn dung C¸c phÇn tö cã c¸c th«ng sè nµy gäi lµ c¸c phÇn tö thô động Phản ứng thụ động phần tử hay mạch điện thể qua thay đổi trạng thái nó chịu tác động kích thích Còn trạng thái này lại đ−ợc biểu qua điện áp và dòng điện đặt lên nó Để đặc tr−ng cho phản ứng các phần tử mạch điện các tác động điện áp và dßng ®iÖn, ng−êi ta dïng c¸c th«ng sè qu¸n tÝnh vµ kh«ng qu¸n tÝnh Thông số không quán tính đặc tr−ng cho tính chất phần tử điện áp tạo nên trên hai đầu nó (hay dòng điện chạy qua nó) tỷ lệ trực tiếp với dòng điện (hay điện áp đặt trên hai đầu nó) Thông số này gọi là điện trở (hay điện dẫn) phần tử, đ−ợc ký hiệu là R (hay G) và xác định bëi c«ng thøc: U(t) = R.I(t) vµ I(t) = G.U(t) Điện trở có thứ nguyên vôn/ ampe và đ−ợc đo đơn vị ôm (Ω), điện dẫn có thứ nguyên 1/ Ω và đo đơn vị simen (S) điện áp đo vôn và dòng điện đo ampe Th«ng sè qu¸n tÝnh gåm cã hai lo¹i: Thông số điện cảm đặc tr−ng cho tính chất phần tử điện áp trên hai đầu nó tỷ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện chạy qua nó Thông số điện cảm ký hiệu là L và xác định c«ng thøc: dI ( t ) dt Điện cảm có thứ nguyên vôn giây/ ampe và đo đơn vị hen-ri (H) Cùng chất vật lý với thông số điện cảm còn có thông số hỗ cảm đặc tr−ng cho ảnh h−ởng dòng điện chạy phần tử đến phần tử khác đặt lân cận có không nối víi vÒ ®iÖn NÕu phÇn tö k cã dßng ch¶y qua lµ Ik th× hç c¶m trªn phÇn tö l sÏ cã ®iÖn ¸p hç c¶m: U( t ) = L U l ( t ) = M kl dI k ( t ) dt 23 Mkl gäi lµ hÖ sè hç c¶m gi÷a c¸c phÇn tö k vµ l Ng−îc l¹i, nÕu l cã dßng Il th× qua t¸c dông hç c¶m nã còng g©y trªn phÇn tö k ®iÖn dI l ( t ) dt Nh− vậy, tác dụng đồng thời các thông số điện cảm thân và hỗ cảm với phÇn tö l©n cËn, trªn mét phÇn tö sÏ cã ®iÖn ¸p: ¸p U k ( t ) = M lk dI l ( t ) dI ( t ) ± M kl k dt dt dI k ( t ) dI l ( t ) ± M kl Uk(t ) = L dt dt Ul (t ) = L DÊu ± ®−îc lÊy tuú theo quan hÖ vÒ chiÒu cña c¸c ®iÖn ¸p tù c¶m vµ hç c¶m Thông số điện dung đặc tr−ng cho tính chất phần tử mạch điện dòng điện qua nó tỷ lệ với tốc độ biến thiên điện áp đặt trên phần tử Về mặt vật lý, dòng điện nh− mang tính chÊt cña dßng ®iÖn dÞch cã quan hÖ víi ®iÖn ¸p nh− sau: I( t ) = C dU ( t ) dt hay U( t ) = C ∫ I ( t )dt = Q( t ) C víi Q(t) lµ ®iÖn tÝch trªn phÇn tö HÖ sè tû lÖ C gäi lµ ®iÖn dung cña phÇn tö vµ cã thø nguyªn ampe gi©y/ v«n vµ ®−îc ®o b»ng đơn vị Fara (F) 3.2 C¸c phÇn tö, m¹ch tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn NÕu c¸c th«ng sè R, L hoÆc C cña mét phÇn tö lµ c¸c h»ng sè, kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn ¸p ë hai đầu và dòng điện qua nó thì phần tử đó gọi là phần tử tuyến tính Ng−ợc lại thông số phÇn tö phô thuéc vµo ®iÖn ¸p ë hai ®Çu hay dßng ®iÖn ®i qua nã th× phÇn tö lµ phi tuyÕn M¹ch ®iÖn chøa toµn c¸c phÇn tö tuyÕn tÝnh gäi lµ m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh Nếu mạch có chứa dù phần tử phi tuyến thì mạch đó là mạch phi tuyến Từ các định nghĩa trên ta có thể thấy tính chất mạch tuyến tính nh− sau: §Æc tr−ng v«n-ampe V-A lµ mét ®−êng th¼ng C¸c qu¸ tr×nh hÖ ®−îc biÓu diÔn bëi mét hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n tuyÕn tÝnh thiÕt lập theo các định luật Kirchhoff M¹ch tuyÕn tÝnh tu©n theo nguyªn lý xÕp chång NghÜa lµ t¸c dông lªn m¹ch nhiÒu sức điện động thì dòng mạch là tổng các dòng thành phần, dòng t−ơng ứng với sức điện động riêng phần đó D−ới tác động tín hiệu có phổ tần số bất kỳ, mạch tuyến tính không sinh các sãng hµi (ho¹ ba) víi c¸c tÇn sè míi §èi víi c¸c m¹ch phi tuyÕn th× ng−îc l¹i: §Æc tr−ng V-A kh«ng lµ ®−êng th¼ng 24 Ph−¬ng tr×nh cña m¹ch lµ ph−¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn Kh«ng ¸p dông ®−îc nguyªn lý xÕp chång D−ới tác động tín hiệu bất kỳ, mạch có thể sinh các tín hiệu có tần số khác Hình 3.3.a là đặc tr−ng V-A phần tử tuyến tính điển hình là cái điện trở có giá trị là điện trở R = dU/ dI = const đ−ợc biểu diễn đ−ờng thẳng Trong hình 3.3.b là đặc tr−ng V-A phần tử phi tuyến nh− cái diode bán dẫn đó điện trở nó phụ thuộc vào điện áp đặt trên hai đầu diode I(mA) I(mA) 60 60 40 40 20 20 20 U(V) 0,3 U(V) 0,6 0,3 (a) 0,6 (b) H×nh 3.3 §Æc tr−ng V-A cña ®iÖn trë (a) vµ cña diode b¸n dÉn (b) 3.3 Các định luật Kirchhoff Mục đích việc tính toán các mạch điện là xác định điện áp và dòng điện các đoạn mạch Trong thùc tÕ th−êng chän mét c¸c ®iÓm trªn m¹ch lµm ®iÓm gèc vµ g¸n cho nã gi¸ trÞ ®iÖn không (0 V) Trong kỹ thuật gọi điểm đó là mass và th−ờng điểm này hay đ−ợc nối với đất nên th−ờng đ−ợc gọi là điểm đất Tr−ớc tiên ta điểm lại vài khái niệm liên quan đến mạch điện lý thuyết mạch đ−ợc áp dụng định luật Kirchhoff Nhánh là phần mạch gồm các linh kiện, phần tử nối tiếp và qua đó có dßng ®iÖn nhÊt ch¶y qua Nót lµ ®iÓm cña m¹ch chung cho tõ nh¸nh trë lªn Vòng là phần mạch bao gồm số nhánh và nút hợp thành đ−ờng kín qua đó nh¸nh vµ nót chØ gÆp mét lÇn (trõ nót xuÊt ph¸t cña ®−êng ®i) 3.3.1 §Þnh luËt thø nhÊt cho c¸c dßng ®i qua mét nót m¹ch ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: R1 Tæng c¸c dßng ®iÖn ë mét nót m¹ch ®iÖn b»ng kh«ng ∑I n =0 U1 ThÝ dô, tÝnh thÕ U3 m¹ch nh− h×nh 3.4 sau: T¹i ®iÓm nót A cña m¹ch ®iÖn, nÕu quy −íc dßng vào I1 và I2 là d−ơng, còn dòng I3 có dấu âm, theo định I1 + I − I = I1 A I3 (3.1) n luËt Kirchhoff thø nhÊt ta sÏ cã: I2 R2 + − + − U2 U3 R3 H×nh 3.4 M¹ch nót 25 Theo định luật Ohm có: I = (U − U ) / R1 I = (U − U ) / R I = U / R3 Thay vµo c«ng thøc trªn cã: U R R + U R1 R3 U3 = R1 R2 + R1 R3 + R2 R3 3.3.2 §Þnh luËt thø hai cho c¸c ®iÖn ¸p mét m¹ch vßng ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: Tæng c¸c ®iÖn ¸p mét m¹ch vßng khÐp kÝn lµ b»ng kh«ng ∑ U4 R1 Ui = (3.2) U1 i + − I ThÝ dô, m¹ch vßng kÝn trªn h×nh 3.5 nÕu quy −íc chiÒu cña dßng ®iÖn vßng nh− h×nh vÏ, ta cã: + − U2 R2 U1 + U − U + U = U3 U + IR2 − U + IR1 = H×nh 3.5 M¹ch vßng 3.4 C¸c m¹ch t−¬ng ®−¬ng Thevenin vµ Norton Nhà điện báo ng−ời Pháp Thevenin đã phát biểu định lý mang tên ông nhằm làm đơn giản phÐp ph©n tÝch m¹ch ®iÖn Nã cho phÐp thay thÕ toµn bé m¹ch b»ng mét m¸y ph¸t thÕ t−¬ng ®−¬ng nh− sau: Một mạch gồm các trở và các nguồn sức điện động có hai chốt lối a và b có thể thay thÕ b»ng mét nguån thÕ VT vµ mét trë t−¬ng ®−¬ng Req m¾c nèi tiÕp §é lín vµ ph©n cùc cña VT đồng với hở mạch a và b còn điện trở t−ơng đ−ơng đ−ợc tính trên tải với tất các nguån ®−îc t¾t (®o¶n m¹ch qua nguån thÕ vµ hë m¹ch qua nguån dßng) Thí dụ, có mạch điện gồm sức điện động U0 mắc nối tiếp với trở R1 sau đó mắc song song với trë R2 vµ mét t¶i Z gi÷a chèt a vµ b gåm nhiÒu phÇn tö vµ cã dßng ch¶y IZ ch¶y qua nh− h×nh 3.6 Cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng qua m¹ch Z vÉn cã dßng IZ ch¶y qua nÕu t¸c dông vµo m¹ch mét nguồn có sức điện động bằng: VT = U R1 vµ cã trë néi b»ng Req = R1 // R2 R1 + R IZ = VT / (Req +Z) Lóc nµy a R1 = Req Z R2 U0 a IZ ≈ Z VT b H×nh 3.6 Mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng Thevenin 26 = b Ng−êi Mü Norton còng ®−a mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm mét nguån dßng IN ®−îc nèi song song víi mét trë t−¬ng ®−¬ng Req Trë nµy còng ®−îc tÝnh nh− trªn, cßn gi¸ trÞ nguån dßng IN ®−îc tÝnh b»ng c¸ch ®o¶n m¹ch trë t¶i Z vµ tÝnh dßng ®o¶n m¹ch H×nh 3.7 lµ thÝ dô vÒ viÖc chuyÓn mét sơ đồ sang sơ đồ t−ơng đ−ơng Norton và có thể tính các giá trị IN và Req nh− quy tắc này a R2 I0 = a R1 R3 IZ Z IN ≈ = Req Z b b H×nh 3.7 Mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng Norton Gi÷a nguån thÕ Thevenin vµ nguån dßng Norton cã mèi quan hÖ nh− sau; VT = IN Req (3.3) 3.5 §iÒu kiÖn chuÈn dõng vÒ qu¸ tr×nh sãng m¹ch ®iÖn §Þnh luËt Kirchhoff ®−îc thùc hiÖn víi gi¶ thiÕt r»ng dßng ®iÖn mét ®o¹n m¹ch kh«ng rÏ nhánh có cùng giá trị thiết diện ngang đoạn mạch đó Trong đó các kích thích điện từ đ−ợc lan truyền không gian từ điểm này đến điểm khác trên mạch điện với vận tốc hữu hạn v (cao là vận tốc ánh sáng) Do đó, dòng ®iÓm N trªn m¹ch ®iÖn c¸ch ®iÓm M mét ®o¹n L (h×nh 3.8.) sÏ bÞ trÔ mét l−îng τ = L/v Nếu dòng điện tín hiệu lan truyền mạch là sóng sin có tần số f thì câu hỏi đặt là kích th−ớc mạch điện cần phải nào để dòng điện điểm đoạn mạch không rẽ nhánh có cùng giá trị thời điểm khảo sát Hay nói cách khác, tìm điều kiện để có thể áp dụng định luật Kirchhoff để tính các thông số và các đại l−ợng trên mạch điện Điều kiện đó là: τ << T đó T là chu kỳ dao động dòng điện và 1/ f Tøc lµ: L/ v << T hay L << vT = λ Trong đó λ là b−ớc sóng tín hiệu truyÒn m¹ch Từ đó kết luận muốn áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch điện thì kÝch th−íc cña b¶n m¹ch ph¶i nhá h¬n nhiÒu b−íc sãng cña tÝn hiÖu ®−îc truyÒn trên mạch đó Một mạch điện (3.4) N λ L M D©y dÉn ®iÖn Sãng tÝn hiÖu B¶n m¹ch ®iÖn H×nh 3.8 KÝch th−íc b¶n m¹ch ®iÖn vµ b−íc sãng tÝn hiÖu 27 ®iÒu kiÖn nh− vËy gäi lµ ë tr¹ng th¸i chuÈn dõng Nãi chung c¸c m¹ch ®iÖn c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö th«ng dông ®−îc tr×nh bµy khu«n khæ cña gi¸o tr×nh nµy víi kÝch th−íc trung b×nh ≤ 50 cm, ®−îc thiÕt kÕ lµm viÖc d¶i sãng tíi hµng tr¨m MHz (cã b−íc sãng λ cì 3.108 × 1/108 = m) thỏa mãn điều kiện chuẩn dừng Trừ các tr−ờng hợp tần số làm việc dải sóng siêu cao (b−íc sãng cì dm, cm hoÆc ng¾n h¬n n÷a) ph¶i ®−îc kh¶o s¸t riªng c¸c gi¸o tr×nh vÒ kü thuËt siªu cao tÇn 3.6 Đặc tr−ng quá độ và đặc tr−ng dừng mạch điện Ta đã biết tín hiệu có quá trình: quá trình quá độ và quá trình dừng Một mạch điện đ−ợc xác định quá trình nh− Mỗi quá trình đ−ợc l−ợng hoá đặc tr−ng chúng: đặc tr−ng quá độ và đặc tr−ng dừng 3.6.1 Đặc tr−ng quá độ (transient responce) Đặc tr−ng quá độ mạch điện là phụ thuộc thời gian điện áp lối trên mạch tác động tín hiệu nhảy bậc đơn vị lối vào UR UV = 1(t) M¹ch ®iÖn t t Hình 3.9 Đặc tr−ng quá độ mạch điện 3.6.2 §Æc tr−ng dõng (static state responce) XÐt tr−êng hîp tÝn hiÖu trªn m¹ch lµ sãng ®iÒu hoµ cã tÇn sè ω Trong tr¹ng th¸i dõng, tû sè lối trên lối vào mạch điện phụ thuộc không vào biên độ mà còn phụ thuộc vào độ lêch pha và dòng chảy qua mạch Do vậy, có thể biểu diễn tỷ số này số phức có biên độ và pha t−ơng ứng và gọi nó là hệ số truyền phức mạch → K (ω ) ≡ → U → = K (ω )e jϕ (ω ) (3.5) U vµo Lóc nµy m«-®un K vµ gãc lÖch pha ϕ lµ c¸c hµm phô thuéc tÇn sè cña tÝn hiÖu: K = K(ω) vµ ϕ = ϕ (ω) Đây là hai đặc tr−ng dừng mạch điện và t−ơng ứng đ−ợc gọi là đáp ứng biên độ-tần số (th−ờng gọi là đáp ứng tần số) và đáp ứng pha-tần số (th−ờng gọi là đáp ứng pha) Nếu K là không đổi trên suốt trục tần số thì tín hiệu truyền qua không bị mát thành phần phổ nào và ta có tín hiệu không bị méo, có bị trễ khoảng thời gian nào đó Ta nói mạch điện có dải truyền qua là lý t−ởng (dải truyền Δω từ -∞ đến +∞) Nh−ng các mạch điện thực tế, th−ờng K(ω) không đồng trên suốt trục tần số mà có dạng nh− hình 3.10 28 Do nhiều nguyên nhân khác mạch điện thực, K gọi là đồng d¶i tÇn sè h÷u h¹n, cßn th× b¾t ®Çu gi¶m dÇn K/ Kmax hoÆc tõ mét tÇn sè thÊp hoÆc gi¶m dÇn tõ tần số cao nào đó Ng−ời ta quy −ớc dải truyÒn qua cña m¹ch lµ d¶i tÇn tõ ωt tíi ωc lµ Δω = ωc − ωt øng víi tû 0,7 Δω sè K = ≈ 0,7 07 NÕu tÝn hiÖu truyÒn qua K max m¹ch cã c¸c thµnh phÇn tÇn sè n»m d¶i ωt ωc ω H×nh 3.10 D¶i truyÒn qua cña m¹ch ®iÖn nµy th× cã thÓ coi lµ kh«ng bÞ mÐo sau ®i qua m¹ch Hai tÇn sè thÊp vµ cao (ωt vµ ωc) øng víi c¸c møc K t = K c = gäi lµ c¸c tÇn sè c¾t 3.7 C¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n ph©n tÝch m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh 3.7.1 Ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n kinh ®iÓn Ph−ơng pháp trực tiếp để phân tích mạch điện tuyến tính là giải hệ ph−ơng trình vi phân mô tả mạch đ−ợc xác lập nhờ vào các định luật Kirchhoff Đây gọi là ph−ơng pháp tích phân kinh điển Theo ph−ơng pháp này, để tìm nghiệm tổng quát hệ ph−ơng trình vi phân tuyến tính, ta t×m nghiÖm tæng qu¸t cña hÖ ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt t−¬ng øng (ph−¬ng tr×nh cã vÕ ph¶i b»ng không), sau đó cộng thêm nghiệm riêng hệ ph−ơng trình không HÖ ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt cña m¹ch ®−îc lËp nªn tõ hÖ ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t víi viÖc triÖt tiêu tất các nguồn tác động mạch (sức điện động và dòng điện) Nh− vậy, mặt vật lý hệ ph−ơng trình chẳng qua đặc tr−ng cho chế độ làm việc đặc biệt mạch không có nguồn tác động nào Ta gọi đó là chế độ tự và nghiệm tổng quát hệ ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt còng ®−îc gäi lµ nghiÖm tù cña m¹ch ®iÖn Nghiệm riêng hệ ph−ơng trình không là phụ thuộc vào các nguồn tác động, đó nó còn đ−ợc gọi là nghiệm c−ỡng mạch Theo lý thuyết toán cao cấp giải ph−ơng trình vi phân tuyến tính đã học, ta biết việc tìm các điều kiện đầu để xác định các số tích phân nghiệm tổng quát là quan trọng Trong mạch điện, các điều kiện đầu đ−ợc định chủ yếu các thông số L và C, mà đây có thể phát biểu d−ới dạng các luật đóng ngắt Các luật này quy định tình trạng các phần tử quán tính mạch lân cận thời điểm đóng và ngắt các nguồn tác động nh− các thông số thụ động Nói cách tổng quát là thời điểm có đột biến các thông số mạch Với hai loại phần tử quán tính ta có hai luật đóng ngắt sau: a) Dòng điện phần tử điện cảm phải biến thiên liên tục các thời điểm có đột biÕn c¸c th«ng sè cña m¹ch b) Điện áp trên phần tử điện dung phải biến thiên liên tục thời điểm có đột biến c¸c th«ng sè cña m¹ch 29 Các luật đóng ngắt này thuận lợi cho việc tính toán nh−ng ch−a đủ tổng quát và có thể gặp số tr−ờng hợp không thể áp dụng đ−ợc Lúc đó có thể dùng các phát biểu sau đây tổng quát h¬n: a) Tổng các từ thông móc vòng vòng kín phải liên tục thời điểm có đột biến các thông số vòng đó b) Tổng điện tích nút mạch phải liên tục thời điểm có đột biến các thông số các nhánh nối với nút đó ∑ L I (0 + ) = ∑ L I (0 −) ∑ C U (0 + ) = ∑ C U (0 −) h h k k h k l l m l (3.6) m m h và k các nhánh vòng kín xét sau và tr−ớc xảy đột biến, l và m các nhánh nối vào nút xét sau và tr−ớc xảy đột biến; các thời điểm 0+ và 0- lân cận sau và tr−ớc thời điểm xảy đột biến Xét tính chất các nghiệm Nghiệm tự đặc tr−ng cho tính chất riêng và tình trạng ban đầu mạch (tình trạng các thời điểm xảy đột biến) Nó phụ thuộc vào tính chất nguồn tác động mức độ các nguồn này ảnh h−ởng đến tình trạng ban đầu mạch Trong nhiều tr−ờng hợp th−ờng gặp, nghiệm tự có tính chất dao động xung quanh giá trị cố định Lúc đó nó còn đ−ợc gọi là dao động riêng hay dao động tự mạch điện Nghiệm c−ỡng đặc tr−ng cho quan hệ mạch với các nguồn tác động lên nó và xác định tình trạng mạch chế độ xác lập R Ta h·y nªu mét thÝ dô tÝnh ®iÖn ¸p lèi UC trên tụ điện tác động tín hiệu nhảy bậc đơn vÞ lªn mét m¹ch ®iÖn gåm phÇn tö R vµ C nh− h×nh 3.11 b»ng ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n kinh ®iÓn ThiÕt lËp ph−¬ng tr×nh Kirchhoff m¹ch: I 1(t)U0 C UC H×nh 3.11 TÝnh ®iÖn ¸p Uc m¹ch R, C U R + U C = IR + ∫ Idt = 1(t )U C dU C Idt = → RC + UC = ∫ C dt IR + ∫ Idt = 1(t )U C IR + Ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt lµ: Tõ ®©y cã nghiÖm tù lµ: U Ctd = Ae − t / RC Trong qu¸ tr×nh dõng, nghiÖm cña hÖ ph−¬ng tr×nh lµ U0, vËy: U C = U + U Ctd = U + Ae − t / RC Víi ®iÒu kiÖn ®Çu UC(0+) = UC (0-) = = U0 + A, ta cã: A = − U0 30 vËy: ( U C = U − e − t / RC ) Tóm lại đây là ph−ơng pháp tổng quát để tính các mạch điện Nh−ng với hệ phức tạp mét chót th× viÖc gi¶i c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n lµ rÊt khã V× vËy, ng−êi ta ph¶i t×m nh÷ng c¸ch giải khác đơn giản cho các tr−ờng hợp cụ thể Ta xét ph−ơng pháp phổ biến nh− đ−ợc trình bµy tiÕp theo ®©y 3.7.2 Ph−ơng pháp toán tử Laplace khảo sát quá trình quá độ Các phép tính toán tử đã đ−ợc trình bày các giáo trình toán cao cấp Ta biết cặp biến đổi Fourier công thức (2.18) áp dụng cho các hàm số hội tụ tuyệt đối, tức là tín hiệu s(t) +∞ ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn ∫ s( t )dt là hữu hạn Mặt khác việc tính tích phân công thức biến đổi −∞ ng−ợc th−ờng khó khăn Vì ng−ời ta th−ờng đ−ợc tiến hành việc tính toán cách đơn giản nhờ ph−ơng pháp tích phân vòng biến đổi Laplace Để xây dựng các phép biến đổi thuận và ng−ợc Laplace, cặp công thức (2.18) việc thay đối số jω biến số phức p (với p ≡ σ + jω) Nh− có: ∞ F( p ) = ∫ s( t )e − pt dt −∞ s( t ) = 2πj σ + jω ∫ F ( p )e σ − jω pt dp ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭ (3.7) Hàm số F(p) đ−ợc tính từ công thức biến đổi thuận Laplace kể trên gọi là hàm ảnh Laplace s(t), cßn s(t) gäi lµ hµm gèc cña F(p) Trong ph−¬ng ph¸p to¸n tö nµy, hµm s(t) - hµm gèc - m« t¶ ®iÖn ¸p hoÆc dßng ®iÖn m¹ch đ−ợc thay hàm F(p) - hàm ảnh - liên quan đơn trị với hàm gốc theo các công thức biến đổi (3.7) trên Lúc đó, hệ ph−ơng trình vi phân mô tả trạng thái hệ không gian gốc trở thành hệ ph−ơng trình đại số không gian ảnh Và tất nhiên việc giải các ph−ơng trình đại số không gian ảnh là dễ so với các ph−ơng trình vi phân không gian gốc Sau đó, nhờ các phép biến đổi ng−ợc, ta thu lại đ−ợc các nghiệm không gian gốc Th−ờng các giá trị biến đổi gốc - ảnh đ−ợc tính sẵn và cho các bảng các tài liệu kỹ thuËt nh− thÝ dô sau: Hµm gèc Hµm ¶nh Hµm gèc 1(t ) 1/ p sin ωt Hµm ¶nh ω ω + p2 1(t )e − at p+a cos ωt e at − e bt a−b e −t / a − e −t / b a −b ( p − a )( p − b ) p ω + p2 (1 + ap )(1 + bp ) 31 Ta có thể điểm qua vài đặc điểm phép biến đổi Laplace nh− sau: - Các hàm gián đoạn không gian gốc đ−ợc biến đổi thành liên tục không gian ¶nh ThÝ dô hµm 1(t) → 1/p - Phép đạo hàm không gian gốc trở thành phép nhân với p không gian ảnh vµ phÐp lÊy tÝch ph©n kh«ng gian gèc sÏ thµnh phÐp chia cho p kh«ng gian ¶nh: s(t) ↔ d s( t ) dt ↔ F(p) pF(p) – s(0) ∫ s( t )dt ↔ ∫ s( t )dt F( p ) + p −∞ p C¸c ®iÒu kiÖn ®Çu th−êng lÊy b»ng kh«ng - Các biến đổi tuyến tính hàm gốc t−ơng ứng với hàm ảnh: A.s(t) s(t) = s1(t) + s2(t) + ↔ A F(p) ↔ F(p) = F1(p) + F2(p) + - PhÐp dÞch (trÔ) hµm gèc ®i mét thêi gian τ sÏ t−¬ng øng víi phÐp nh©n víi e−τp s(t - τ) ↔ e −τ p F ( p ) Ta hãy lấy thí dụ áp dụng ph−ơng pháp toán tử Laplace để tính điện áp lối UR mạch điện gồm hai phần tử RC tác động tín hiệu hàm đơn vị lên mạch nh− hình 3.12 sau V× U C = 1 U R dt , I (t )dt = ∫ RC ∫ C C Theo định luật Kirchhoff ta có ph−ơng trình vi tÝch ph©n cña m¹ch kh«ng gian gèc: 1(t)U0 U C (t ) + U R (t ) = U R dt + U R = 1(t )U RC I R ∫ H×nh 3.12 M¹ch RC lèi trªn R Dựa vào bảng chuyển đổi, ta có ph−ơng trình đại sè kh«ng gian ¶nh nh− sau: 1 U R ( p) + U R ( p) = U pRC p Gi¶i ®−îc: U R ( p) = U Tra ng−îc l¹i b¶ng cã d¹ng: 32 ⎛ ⎞ ⎟ p⎜⎜1 + pRC ⎟⎠ ⎝ =U0 p+ RC UR Gèc ¶nh 1(t )e − at ← U R (t ) = 1(t )U e −t / RC ← p+a U0 p+ RC Ph−ơng pháp toán tử Laplace đ−ợc sử dụng các tr−ờng hợp tổng quát mạch điện, đặc biệt là khảo sát các quá trình quá độ 3.7.3 Ph−ơng pháp biên độ phức khảo sát quá trình dừng với tín hiệu điều hoà • Biên độ phức Ta đã biết cặp biến đổi Fourier cho phép phân tích các tín hiệu thành các thành phÇn ®iÒu hoµ V× vËy, mét ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch tr¹ng th¸i cña c¸c m¹ch ®iÖn rÊt h÷u Ých lµ kh¶o sát trạng thái dừng mạch tác động tín hiệu điều hoà có tần số nào đó Th−ờng sử dụng c«ng cô to¸n lµ c¸ch biÓu diÔn phøc cho c¸c thµnh phÇn ®iÒu hoµ nµy trªn c¬ së cña c«ng thøc ¬-le: e jθ = cos θ + j sin θ (3.8) Do đó, có tín hiệu điều hoà s(t) = A0cos(ωt - ϕ), { Ta cã thÓ viÕt: s( t ) = Re A0 e j (ωt −ϕ ) } (3.9) → Nghĩa là đặt: S ≡ A0 e j (ωt −ϕ ) → th× sÏ cã: s( t ) = Re S (3.10) → S đ−ợc xác định nh− trên gọi là cách biểu diễn phức (điện áp phức, dòng điện phức, sức điện động phức, v.v ) s(t) Cßn cã thÓ viÕt t¸ch hai thµnh phÇn phô thuéc tÇn sè ω vµ gãc dÞch pha ϕ nh− sau: → S = A0 e − jϕ e jωt ≡ S& e jωt (3.11) Trong đó S& ≡ A0 e − jϕ gọi là biên độ phức điện áp s(t) Nó rõ biên độ và góc pha đầu sức điện động nên nhiều vế phải còn đ−ợc viết d−ới dạng A0 ∠ϕ Vì trạng thái dừng các thông số tác động mạch là điều hoà có cùng tần số ω nào đó nªn thõa sè e jωt qu¸ tr×nh tÝnh to¸n trung gian dïng c¸ch biÓu diÔn phøc lµ kh«ng cÇn thiÕt vµ th−ờng cần các tính toán liên quan đến biên độ phức nó Chỉ sau tính toán xong, cần chuyÓn ng−îc l¹i tõ c¸ch biÓu diÔn phøc vÒ c¸ch biÓu diÔn theo thêi gian míi cÇn ®−a thªm thõa sè e jωt này vào biên độ phức lấy phần thực số phức đó Một đặc điểm quan trọng cách biểu diễn phức là các toán tử vi phân và tích phân trở thành các toán tử nhân và chia đơn giản giá trị phức cho (jω) Thực vậy: 33 XÐt cÆp s(t ) = A0 cos(ωt − ϕ ) ↔ → S = S&e jωt NÕu lÊy vi ph©n, cã: → ds(t ) = −ωA0 sin(ωt − ϕ ) dt ↔ → dS = ( jω )S&e jωt = ( jω ) S dt (3.12) NÕu lÊy tÝch ph©n, cã: ∫ s(t )dt = A0 ω sin(ωt − ϕ ) ↔ → ∫ S dt = & j ωt → Se = S jω jω (3.13) Từ đây có thể xây dựng các b−ớc phân tích ph−ơng pháp biên độ phức cho mạch điện tr¹ng th¸i dõng nh− sau: ThiÕt lËp hÖ ph−¬ng tr×nh vi tÝch ph©n tuyÕn tÝnh cña thÕ hoÆc dßng ®iÖn thùc cña m¹ch trên sở các định luật Kirchhoff Chuyển sang hệ ph−ơng trình đại số t−ơng ứng với dòng điện phức theo các quy tắc biến đổi vi tích phân nh− trên Giải hệ ph−ơng trình đại số này tìm các nghiệm phức LÊy phÇn thùc cña nghiÖm g¸n cho thÕ hoÆc dßng cÇn tÝnh (nÕu nguån tÝn hiÖu cã d¹ng cos) hoÆc lÊy phÇn ¶o (nÕu cã d¹ng sin) ThÝ dô, gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña m¹ch ®iÖn ë tr¹ng th¸i dõng sau: L dI (t ) + RI (t ) + ∫ I (t )dt = U cos(ωt − ϕ ) dt C Chuyển thành ph−ơng trình đại số với biên độ phức I& : & & jωLI& + RI& + I =U jωC I& = Tõ ®©y tÝnh ®−îc: → I = I&e jωt = U& ≡ U0 e − jϕ U& jω L + R + hay: víi jωC U e − jϕ jω L + R + jωC e jωt LÊy phÇn thùc cña biÓu thøc nµy sÏ ®−îc d¹ng phô thuéc thêi gian cña dßng ®iÖn m¹ch • Trë kh¸ng phøc Trë kh¸ng phøc lµ tû sè gi÷a ®iÖn ¸p phøc trªn dßng ®iÖn phøc cña c¸c phÇn tö ®iÖn trë, ®iÖn c¶m vµ tô ®iÖn 34 → → Z≡ U → = U& e jωt I I& e = jωt U& I& (3.14) Do ®iÖn trë kh«ng ph¶i lµ phÇn tö qu¸n tÝnh (gãc lÖch pha gi÷a thÕ vµ dßng trªn nã b»ng 0) nªn trë kh¸ng phøc cña nã còng chÝnh b»ng gi¸ trÞ ®iÖn trë vµ kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè XÐt cuén c¶m cã dßng ch¶y qua d¹ng IL(t) = I0cos(ωt − ϕ) Ta cã ®iÖn ¸p sôt trªn ®iÖn c¶m L b»ng: dI L (t ) = − LI ω sin(ωt − ϕ ) dt → π⎞ ⎛ = ωLI cos⎜ ωt − ϕ + ⎟ = Re jωLI e j (ωt −ϕ ) = Re jωL I L 2⎠ ⎝ Hay viÕt d−íi d¹ng phøc: U L (t ) = L → → U L = jωL I L VËy trë kh¸ng cña cuén c¶m ë tÇn sè ω ®−îc gäi lµ c¶m kh¸ng vµ b»ng: → → Z L (ω ) = UL → I = jωL (3.15) L XÐt tô ®iÖn cã dßng ch¶y qua d¹ng IC(t) = I0cos(ωt − ϕ) Ta cã ®iÖn ¸p sôt trªn tô víi ®iÖn dung C b»ng: 1 I C (t )dt = I sin(ωt − ϕ ) ωC C π⎞ 1 → ⎛ = I cos⎜ ωt − ϕ + ⎟ = Re I e j (ωt −ϕ ) = Re IC ωC jωC 2⎠ jωC ⎝ U C (t ) = → UC = ∫ → IC jωC VËy trë kh¸ng cña tô ®iÖn ë tÇn sè ω ®−îc gäi lµ dung kh¸ng vµ b»ng: → ZC = → UC → IC = jω C (3.16) Rõ ràng trở kháng các phần tử điện cảm và điện dung là các số ảo tuý và đó ng−ời ta gọi chúng là các phần tử điện kháng, chúng đặc tr−ng cho tích luỹ l−ợng mạch điện Trong đó trở kháng điện trở là số thực, đặc tr−ng cho tổn hao l−îng trªn m¹ch XÐt trë kh¸ng cña m¹ch ®iÖn gåm c¸c th«ng sè R, L vµ C m¾c nèi tiÕp víi nhau: → Z = R + jωL + 1 ⎞ ⎛ = R + j ⎜ ωL − ⎟ jω C ω C⎠ ⎝ 35 Ta thấy với mạch nh− vậy, trở kháng tổng cộng là số phức đó phần thực gäi lµ ®iÖn trë vµ phÇn ¶o gäi lµ ®iÖn kh¸ng H×nh 3.13.a lµ tr−êng hîp gi¸ trÞ trë kh¸ng mang tÝnh c¶m kh¸ng vect¬ Z n»m ë nöa mÆt ph¼ng trªn trôc thùc vµ Z tr−êng hîp ë h×nh 3.13.b th× gi¸ ωL-1/ ωC trÞ nµy l¹i mang tÝnh dung kh¸ng j ϕ R j Víi c¸c kh¸i niÖm vÒ trë ϕ 0 kh¸ng nh− trªn, ta cã thÓ ¸p dông R ωL-1/ ωC định luật Ohm cho Z m¹ch ®iÖn cã nguån tÝn hiÖu lµ (a) (b) dao động điều hoà trạng thái H×nh 3.13 Trë kh¸ng cña mét m¹ch ®iÖn hai tr−êng hîp dõng 3.7.4 Ph©n tÝch m¹ch ®iÖn b»ng tø cùc tuyÕn tÝnh a) C¸c th«ng sè cña mét tø cùc tuyÕn tÝnh Ngoµi viÖc ph©n tÝch m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh dùa vµo c¸c kÕt cÊu chi tiÕt cña nã nh− c¸c c¸ch trên, còn cách khác là xét nó cách toàn bộ, không chú ý đến kết cấu chi tiết nh− phản øng tõng phÇn tö cña m¹ch Víi c¸ch xÐt nh− vËy, m¹ch ®−îc coi nh− mét hÖ thèng víi mét số cửa vào u1, u2, , un và cửa y1, y2, , ym nào đó nh− hình 3.14.a Zi u1 u2 un y1 y2 ym E ~ I2 I1 U2 U1 (a) ZT (b) H×nh 3.14 a) HÖ thèng tuyÕn tÝnh, b) Tø cùc tuyÕn tÝnh Nh− vËy ®iÒu cÇn quan t©m ë ®©y lµ mèi quan hÖ gi÷a c¸c tÝn hiÖu vµo vµ cïng trë kh¸ng nguån tÝn hiÖu Zi vµ trë kh¸ng t¶i ZT chø kh«ng ph¶i c¸c chi tiÕt bªn m¹ch Trong c¸c hÖ thống nh− vậy, điển hình là hệ thống có hai cửa riêng biệt, cửa để đặt tác động vào, cửa để lấy đáp ứng gọi là hệ thống tứ cực nh− hình 3.14.b Nguồn tác động vào có thể là nguồn điện áp gồm sức điện động E và trở nội Zi nh− hình vẽ Cũng có thể là nguồn dòng điện đ−ợc biểu diễn máy phát dòng không đổi mắc song song với điện dẫn Yi Tại lối có mắc tải ZT Mét tø cùc tuyÕn tÝnh nh− vËy sÏ cã c¸c th«ng sè cÇn quan t©m: thÕ vµ dßng vµo U1, I1; thÕ vµ dßng U2, I2; trë kh¸ng vµo vµ Z1 = U1/ I1, Z2 = U2/ I2 Trë kh¸ng cña nguån tÝn hiÖu vµ trë kh¸ng t¶i ¶nh h−ëng tíi c¸c th«ng sè nµy C¸c th«ng sè cña mét tø cùc tuyÕn tÝnh ®−îc biÓu diÔn qua c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh liªn hÖ gi÷a c¸c ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn lèi víi ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn lèi vµo nh− sau: • HÖ ph−¬ng tr×nh dÉn n¹p: 36 I = Y11U1 + Y12U I = Y21U1 + Y22U Trong đó các hệ số dẫn nạp Yij đ−ợc xác định: Y11 = I1 U1 U2 = Y12 = I1 U2 U1 = Y21 = I2 U1 U2 = Y22 = I2 U2 U1 = Z 11 = U1 I1 Z 21 = U2 I1 • HÖ ph−¬ng tr×nh trë kh¸ng: U = Z 11 I + Z 12 I U = Z 21 I + Z 22 I Trong đó các hệ số trở kháng Z ij đ−ợc xác định: I =0 I =0 Z 12 = U1 I2 Z 22 = U2 I2 I1 = I1 = • HÖ ph−¬ng tr×nh hçn hîp: U = h11 I + h12U I = h21 I + h22U h11 = U1 I1 U =0 h12 = U1 U2 I1 = h21 = I2 I1 U =0 h22 = I2 U2 I1 = Trong đó các hệ số hij đ−ợc xác định: Cã thÓ suy ý nghÜa cña c¸c th«ng sè c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh nµy nh− sau: Z11 chÝnh lµ trë kh¸ng lèi vµo hë m¹ch lèi (I2 = 0), Z22 lµ trë kh¸ng hë m¹ch lèi vµo (I1 = 0), h11 lµ trë kh¸ng lèi vµo ®o¶n m¹ch lèi (U2 = 0), h22 lµ ®iÖn dÉn lèi ®o¶n m¹ch lèi vµo, h12 lµ hÖ số truyền đạt ng−ợc điện áp, h21 là hệ số truyền đạt thuận hay hệ số khuếch đại dòng điện, v.v Th−êng c¸c hÖ sè nµy ®−îc cho s½n c¸c tµi liÖu kü thuËt kÌm theo c¸c phÇn tö linh kiÖn ®iÖn tö ®−îc coi lµ mét tø cùc C¸c hÖ sè nµy còng cã thÓ ®o ®−îc dÔ dµng tõ c¸c thiÕt bÞ phßng thÝ nghiÖm Từ các hệ ph−ơng trình trên có thể tính đ−ợc các phần tử ma trận hệ số nào đó theo c¸c phÇn tö cña ma trËn hÖ sè kh¸c ThÝ dô, Z11 = h / h22 víi h ≡ h11h22 − h12 h21 , v.v Còng cã thÓ tính đ−ợc các đặc tr−ng tứ cực theo các hệ số này, thí du: HÖ sè truyÒn thÕ: KU = HÖ sè truyÒn dßng: K I = U2 Y21 Z 21 Z T = = U YT − Y22 Z 11 Z T − ΔZ víi ΔZ = Z 11 Z 22 − Z 12 Z 21 I2 Y21YT Z 21 = = I Y11YT − ΔY Z T − Z 22 víi ΔY = Y11Y22 − Y12Y21 U1 Y − Y22 Z Z − ΔZ = T = 11 T I Y11YT − ΔY Z T − Z22 Trë kh¸ng vµo: ZV = Trë kh¸ng ra: ZR = U2 Y + Yi Z Z + ΔZ = − 11 = 22 i I2 Y22 Yi + ΔY Z 11 + Z i Víi Yi vµ Z i t−¬ng øng lµ ®iÖn dÉn nguån dßng vµ trë kh¸ng nguån thÕ 37 Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t m¹ch ®iÖn nh− mét tø cùc tuyÕn tÝnh ®−îc sö dông rÊt tèt cho ph©n tÝch các mạch điện hoạt động với các tín hiệu có biên độ nhỏ Khi các đoạn đặc tr−ng V-A phần tö cã tÝn hiÖu truyÒn qua cã thÓ ®−îc coi lµ ®−êng th¼ng vµ phÇn tö ®−îc coi lµ mét tø cùc tuyÕn tÝnh b) GhÐp c¸c tø cùc víi Cã hai c¸ch ghÐp phæ biÕn c¸c tø cùc víi nhau: ghÐp nèi tiÕp vµ ghÐp song song • NhiÒu tø cùc ghÐp nèi tiÕp víi th× dßng ®iÖn c¸c cöa lµ chung, cßn ®iÖn ¸p trªn toµn bé b»ng tæng ®iÖn ¸p trªn mçi cöa cña tõng tø cùc riªng phÇn (h×nh 3.15) C¸c phÐp tÝnh chøng minh r»ng ma trËn trë kh¸ng cña hÖ thèng b»ng tæng c¸c ma trËn trë kh¸ng thµnh phÇn I2 I1 I1 = I'1 = I''1 [Z'] U2 U1 I2 = I'2 = I"2 U1 = U'1 + U"1 [Z''] U2 = U'2 + U"2 H×nh 3.15 GhÐp nèi tiÕp hai tø cùc • NhiÒu tø cùc ghÐp song song víi cho ®iÖn ¸p ë c¸c cöa lµ chung cßn dßng ®iÖn chung cña toµn bé b»ng tæng c¸c dßng ®iÖn ë c¸c cöa mçi tø cùc (h×nh 3.16) Ma trËn dÉn n¹p cña hÖ thèng c¸c tø cùc m¾c song song b»ng tæng c¸c ma trËn dÉn n¹p cña mçi tø cùc Ngoµi cßn cã c¸c c¸ch ghÐp kh¸c: nèi tiÕp–song song, song song–nèi tiÕp, nèi d©y truyÒn I1 [Y''] I1 = I'1 + I''1 I2 [Y'] I2 = I'2 + I"2 U2 U1 U1 = U'1 = U"1 [Y''] U2 = U'2 = U"2 H×nh 3.16 GhÐp song song hai tø cùc c) Các sơ đồ t−ơng đ−ơng tứ cực Trong c¸c hÖ th«ng sè th× hÖ th«ng sè Y vµ h ®−îc cho c¸c tµi liÖu kü thuËt vµ hay ®−îc dùng Ph−ơng trình dẫn nạp Y đ−ợc xây dựng từ sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 3.17 và ph−ơng trình hỗn hợp h từ sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 3.18 I1 U1 I2 Y22 Y11 Y12U2 U2 Y21U1 Hình 3.17 Sơ đồ t−ơng đ−ơng dẫn nạp mạng tứ cực 38 I1 I2 ~ h12U2 U1 h21I1 h22 U2 h11 Hình 3.18 Sơ đồ t−ơng đ−ơng hỗn hợp mạng tứ cực 3.8 Phân tích các mạch thụ động điển hình gồm các phần tử R, L và C Các mạch thụ động RLC có ý nghĩa lớn kỹ thuật điện tử vì chúng đ−ợc ứng dụng rộng rãi Trong phần này ta sử dụng các ph−ơng pháp toán nói trên để khảo sát chúng M¹ch RC lèi trªn R C ~ UV = U0cos(ωt − ϕ) nh− h×nh 3.19 UV=1(t) Nh− đã phân tích, việc tính đặc tr−ng quá độ mạch đ−ợc thực việc đặt nguồn vào là hàm đơn vị 1(t) còn việc tính đặc tr−ng dõng ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay nguồn đó máy phát dao động điều hoà UV=U0cos(ωt - ϕ) 3.8.1 I R UR H×nh 3.19 M¹ch RC lèi trªn R • Tính đặc tr−ng quá độ Việc tìm đặc tr−ng quá độ đã đ−ợc thực ph−ơng pháp toán tử Laplace thí dụ trên mục (3.7.2.), với nguồn tín hiệu vào là hàm đơn vị 1(t) và đã dẫn tới công thức tính lối UR lµ: U R (t ) = 1(t )e −t / RC §Æc tr−ng nµy ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 3.20 víi c¸c tr−êng hîp: t < → UR = UV=1(t) t = → UR = t > → UR cã d¹ng e mò t = τ ≡ RC → UR =1/e gi¶m ®i e lÇn Gi¸ trÞ τ ≡ RC ®−îc gäi lµ h»ng sè thêi gian cña t UR 1/e m¹ch τ = RC t Hình 3.20 Đặc tr−ng quá độ Tr−ờng hợp đặc biệt tín hiệu vào là xung m¹ch RC lèi trªn R vuông đơn vị UV nh− hình 3.21.a Xung này có thể đ−ợc coi là hiệu hai hàm nhảy bậc đơn vị UV1 và UV2 trễ so với UV1 khoảng thời gian độ réng xung t1 V× ®iÖn ¸p Ura sÏ lµ ®iÖn ¸p xÕp chång cña hai ®iÖn ¸p Ura1 vµ Ura2 nªn t > t1 ta cã: U = e − t /τ − e − (t −t1 ) /τ = e − t /τ (1 − e t1 /τ ) 39 Còn t < t1 có xung UV1 tác động, nên: U = e −t / τ (a) t t1 D¹ng tÝn hiÖu tæng hîp ë lèi nh− h×nh 3.21.d (b) UV1 • Tính đặc tr−ng dừng t Dùng ph−ơng pháp biên độ phức ta có hệ số truyền phức cña m¹ch lµ: K= 1+ = (ωRC ) ϕ = arctg ωRC (c) UV2 U& RI& R K& ( jω ) = &ra = = = 1 UV ⎛ ⎞& R+ 1+ ⎜⎜ R + ⎟⎟ I j ωC jωRC jωC ⎠ ⎝ t Ura (d) ; + (ωRC )2 t ωRC (3.17) H×nh 3.21 TÝn hiÖu vµo lµ xung vu«ng Đồ thị hai đặc tr−ng dừng: đáp ứng biên độ và đáp ứng pha nh− hình 22 sau: ϕ K π/2 1/√2 π/4 ωt =1/ RC ω ωt =1/ RC ω Hình 3.22 Đáp ứng biên độ và pha mạch RC lối trên R Trên đồ thị thấy mạch điện cho qua dễ dàng các tín hiệu có tần số cao nh−ng lại làm suy gi¶m c¸c tÝn hiÖu d¶i tÇn sè thÊp V× vËy m¹ch nµy gäi lµ m¹ch läc th«ng cao (high-pass filter) Ta h·y tÝnh tÇn sè c¾t ωt øng víi hÖ sè truyÒn K = ωt RC Kt = = K max + (ωt RC ) VËy d¶i truyÒn qua cña m¹ch läc lµ tõ tÇn sè ω t = → K max cña m¹ch läc: ωt = RC đến ∞ RC • M¹ch vi ph©n RC Víi c¸c tÝn hiÖu vµo cã tÇn sè ω << ωt (hay τ = RC nhá) vµ Ura << UV th× ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña m¹ch: 40 U + U dt = U v RC ∫ cã thÓ bá qua sè h¹ng U bªn vÕ tr¸i vµ ®iÖn ¸p lèi lóc nµy coi nh− tû lÖ trùc tiÕp víi vi ph©n cña ®iÖn ¸p vµo vµ th−êng m¹ch ®−îc gäi lµ m¹ch vi ph©n RC: U dt ≈ U V RC ∫ U ≈ RC (3.18) • Tính đặc tr−ng quá độ R UV=1(t) Ta có thể tính đ−ợc các đặc tr−ng cña m¹ch RC lèi trªn C (h×nh 3.23) tõ kÕt qu¶ cña m¹ch RC lèi trªn R nh− sau: ~ U C = U V − U R = 1(t ) − e − t / τ Hay: dU V dt M¹ch RC lèi trªn C UV=U0cos(ωt - ϕ) 3.8.2 → ( U C = 1(t ) − e − t / τ I UC C H×nh 3.23 M¹ch RC lèi trªn C ) UV=1(t) Ta có đặc tr−ng quá độ nh− hình 3.24 t t≤0 → UC = t>0 → UC t¨ng theo hµm e mò UR 1- 1/e t = ∞ → UC = 1t = τ ≡ RC → UC = − e t τ = RC Hình 3.24 Đặc tr−ng quá độ mạch RC lèi trªn C Rõ ràng số thời gian τ đóng vai trò là độ đo thời gian xác lập điện áp Nó biểu thị thời gian để quá trình đạt tới giá trị kém giá trị xác lập (UC = 1) l−ợng 1/ e phần trị số b−ớc nh¶y ®iÖn ¸p vµo Khi tín hiệu vào là xung vuông đơn vị, tính t−ơng UV tù nh− trªn ta cã d¹ng tÝn hiÖu nh− h×nh 3.25 (a) Khi t < t1 → ( ) ( U = U C = U r − U r = − e −t /τ − − e −(t −t1 ) /τ ) Khi t > t1 → U = U C = − e − t /τ • Tính đặc tr−ng dừng Dùng ph−ơng pháp biên độ phức ta có hệ số truyền phøc cña m¹ch lµ: t t1 Ura (b) t H×nh 3.25 TÝn hiÖu vµo lµ mét xung vu«ng 41 ⎛ ⎞& ⎟I ⎜⎜ & jωC ⎟⎠ UC ⎝ & K ( jω ) = = = & UV ⎛ ⎞ & + jωRC ⎟I ⎜⎜ R + jωC ⎟⎠ ⎝ Từ đó tìm đ−ợc hai đáp ứng biên độ và pha Đồ thị chúng trên hình 3.26 K (ω ) = 1 + (ωRC ) ϕ (ω ) = − arctgωRC ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ (3.19) ϕ |K| ωC =1/ RC 1/√2 ω -π/4 -π/2 ω ωC =1/ RC Hình 3.26 Đặc tr−ng biên độ và pha mạch RC lối trên C Ta nhËn thÊy m¹ch dÔ dµng cho qua c¸c tÝn hiÖu d¶i tÇn thÊp nªn ®©y lµ m¹ch läc th«ng thấp (low-pass filter) với tần số cắt ωcao = 1/ RC và dải truyền qua mạch lọc là từ đến ωcao • M¹ch tÝch ph©n RC Víi c¸c tÝn hiÖu vµo cã tÇn sè ω >> ωcao hay Ura << UV th× ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña m¹ch: RC dU C − UC = UV dt Cã thÓ bá qua sè h¹ng U = UC bªn vÕ tr¸i vµ ®iÖn ¸p lèi lóc nµy coi nh− tû lÖ trùc tiÕp víi tÝch ph©n cña ®iÖn ¸p vµo vµ th−êng m¹ch ®−îc gäi lµ m¹ch tÝch ph©n RC: RC 3.8.3 dU ≈ UV dt → U ≈ U V dt RC ∫ (3.20) M¹ch RLC m¾c nèi tiÕp – HiÖn t−îng céng h−ëng ®iÖn thÕ Kh¶o s¸t mét khung m¾c nèi tiÕp ba phÇn tö R, L vµ C nh− h×nh 3.27 • Phân tích quá trình quá độ RI + L 42 dI + Idt = 1(t ) dt C ∫ ~ C UV=1(t) UV=U0cos(ωt - ϕ) Khi cho nguån tÝn hiÖu lµ hµm nh¶y bậc đơn vị 1(t) ta có ph−ơng trình mô tả tr¹ng th¸i m¹ch ®iÖn nh− sau: R I L H×nh 3.27 M¹ch RLC nèi tiÕp Dùng ph−ơng pháp toán tử Laplace, chuyển sang ph−ơng trình đại số không gian ảnh: 1 I( p ) = pC p RI ( p ) + pLI ( p ) + → I(p) = ⎛ ⎞ ⎟ p⎜⎜ R + pL + pC ⎟⎠ ⎝ = 1 ≡ pR ⎞ L ( p − p )( p − p ) ⎛ + L⎜ p + ⎟ L LC ⎠ ⎝ Víi p1,2 ≡ − ë ®©y δ ≡ R 2L R ± 2L R2 L2 vµ β ≡ − ≡ −δ ± β LC R2 − 4L LC Tra ng−îc b¶ng ¶nh-gèc ta cã nghiÖm kh«ng gian gèc: I (t ) = ( e p 1t − e p t −δt βt = e e − e − βt L p1 − p 2δL ) XÐt c¸c tr−êng hîp víi c¸c β kh¸c nhau: + NÕu β lµ sè thùc, nghÜa lµ R > ρ ≡ I (t ) = βL L (ρ ®−îc gäi lµ trë sãng cña m¹ch) ta cã: C e −δt shβt , dßng ®iÖn m¹ch cã d¹ng t¾t dÇn nh− m« t¶ trªn h×nh 3.28.a + NÕu β lµ sè ¶o, nghÜa lµ R < ρ ta cã thÓ viÕt β ≡ jω víi ω ≡ Khi đó: I (t ) = R2 − LC L −δt e sin ωt , dòng điện mạch là dao động điều hoà có biên ωL độ giảm dần theo thời gian (dao động tắt dần) nh− hình 3.28.b + NÕu β = 0, nghÜa lµ R = ρ ta cã: I (t ) = t −δt e , ta có dao động nh− hình 3.28.c dạng giới hạn tr−ờng hợp trên L I(t) I(t) I(t) (a) t t t (b) (c) Hình 3.28 Dạng dao động khung với các β khác 43 • Ph©n tÝch qu¸ tr×nh dõng Khi tác động lên khung tín hiệu điều hoà UV = U0cosωt ta có: - Tæng trë phøc cña khung lµ: ⎞ ⎛ Z& = R + j ⎜ ωL − ⎟ ωC ⎠ ⎝ ⎞ ⎛ Z& = R + ⎜ ωL − ⎟ C⎠ ω ⎝ Do đó ϕ = arctg ⎫ ωC ⎪⎪ ⎬ R ⎪ ⎪⎭ ωL - Ta thÊy Z cùc tiÓu vµ b»ng R ⎞ ⎛ ⎟=0 ⎜ ωL − ωC ⎠ ⎝ hay ω ≡ ω0 = LC ω0 đ−ợc gọi là tần số dao động riêng khung Tại tần số này, tổng trở khung là cực tiểu vµ b»ng R vµ gãc lÖch pha ϕ còng b»ng kh«ng - TÝnh dßng qua khung: I& = U& Z& U0 = ⎞ ⎛ R + ⎜ ωL − ⎟ ω C⎠ ⎝ ω = ω0, ta cã: U I& = I max = R Nếu vẽ đồ thị phụ thuộc I vào tần số tín hiệu vào ta có đ−ờng cong có giá trị cực đại tần số ω = ω0 (hình 3.29.) gọi là đ−ờng cong cộng h−ởng Ta nói, tần số tín hiệu vào đúng tần số dao động riêng mạch RLC thì mạch xảy t−ợng cộng h−ởng TÝnh ®iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö cña m¹ch ®iÒu kiÖn céng h−ëng: §iÖn ¸p trªn cuén c¶m: U& Lch I/ Imax 1/ √2 U = jω0 LI& = jω0 L ≡ jQU0 R §iÖn ¸p trªn tô ®iÖn: ω = ω0 & U0 U& Cch = − j I = −j ≡ − jQU ω0 C ω0 C R Ta thấy đại l−ợng Q ≡ ω0 L R = ω RC = R ω H×nh 3.29 §−êng cong céng h−ëng L C hai biểu thức là nh− và đại l−ợng này ®−îc gäi lµ hÖ sè phÈm chÊt cña khung C¸c ®−êng cong céng h−ëng I(ω) vµ Z(ω) cã d¶i truyÒn qua tÝnh ®−îc b»ng Δω = ω / Q Do vËy nÕu hÖ sè phÈm chÊt Q cµng lín, d¶i truyÒn qua cµng hÑp (®−êng cong céng h−ëng cµng nhän); ta nãi r»ng khung cã tÝnh chän läc tÇn sè cµng cao 44 Nếu vẽ đồ thị hai vectơ trên cuộn cảm và tụ điện tần số cộng h−ởng ta thấy: cộng h−ởng, biên độ điện áp trên các linh kiện thành phần L và C này mạch lớn gấp Q lần biên độ tín hiệu vào Thí dụ với các mạch cộng h−ởng thông th−ờng, Q có cỡ từ 10 đến vài trăm nên biên độ này trở nên lớn Tuy nhiên vì chúng có pha ng−ợc dấu nên tổng điện áp tức thời trên đoạn mạch đó là không Hiện t−ợng đặc sắc này đ−ợc gọi là cộng h−ởng điện áp Lúc này điện áp trên điện trở R đạt tới giá trị cực đại và chính điện áp tín hiệu vào U0 Trôc ¶o UL I/ Imax UV=UR Δ2 Trôc thùc 1/ √2 Q1 > Q2 Q2 Δ1 UL = - UC Q1 ω ω0 UC H×nh 3.30 C¸c vect¬ ®iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö R, L, C vµ d¹ng ®−êng cong céng h−ëng phô thuéc vµo hÖ sè phÈm chÊt Q cña m¹ch 3.8.4 M¹ch RLC m¾c song song – HiÖn t−îng céng h−ëng dßng ®iÖn H×nh 3.31 lµ mét thÝ dô vÒ m¹ch gåm c¸c phÇn tö R, L vµ C ®−îc m¾c song song víi thµnh mét khung ë ®©y R th−êng lµ ®iÖn trë thuÇn cña d©y cuèn cuén ®iÖn c¶m RN lµ ®iÖn trë mạch ngoài khung Các phép tính dẫn đến kết luận là: tần số tín hiệu tần số ω0, khung xảy t−ợng cộng h−ởng Lúc này trở kháng khung là cực đại và bằng: Z0 = Zmax = víi ρ ≡ ρ2 R 1+ Q2 RN L gäi lµ trë sãng cña khung C IC UV=U0cosωt Khi hÖ sè phÈm chÊt cña khung Q >> th× trë kh¸ng nµy t¹i tÇn sè céng h−ëng b»ng: Z0 = Zmax = ρ2 R = (ω0 L )2 R = IΣ ~ C R IL L (ω0 RC )2 H×nh 3.31 M¹ch RLC m¾c song song Dßng tæng sÏ lµ cùc tiÓu nh−ng dßng mçi nh¸nh hÇu nh− lín gÊp Q lÇn dßng m¹ch ngoµi nh−ng ng−îc pha Ta cã hiÖn t−îng céng h−ëng dßng ®iÖn khung RLC m¾c song song 3.8.5 Khung céng h−ëng liªn kÕt hç c¶m RLC Các khung cộng h−ởng đơn nh− kể trên có độ phẩm chất cao và dải truyền hẹp Do mét sè tr−êng hîp muèn më réng d¶i tÇn nh−ng vÉn n©ng cao tÝnh chän läc ng−êi ta ph¶i liªn kÕt hai hay nhiều khung cộng h−ởng với Sơ đồ khung liên kết có hệ số hỗ cảm M nh− hình 3.32 45 R2 R1 M UV=U0cosωt I1 ~ L1 L2 I2 C1 C1 H×nh 3.32 Khung liªn kÕt RLC Viết ph−ơng trình cho dòng điện phức mạch, để đơn giản ta tạm bỏ dấu nh−ng hãy nhớ các đại l−ợng này là phức: U = R1 I + jωL1 I − j I + jωMI ωC1 = R I + jωL I − j X ≡ ωL1 − Gäi I2 = − Ta cã: ωC1 vµ I + jωMI1 ωC X ≡ ωL2 − ωC jωMI , đặt vào ph−ơng trình và ký hiệu Z 2 ≡ R 2 + X 2 R2 + jX 2 ⎛ ⎞ ⎛ ω2M2 ⎞ ω2M2 ω2M ⎟⎟ = I ⎜ R1 + jX + R j X ⎟ = I Ztd − → U = I ⎜⎜ R1 + jX + 2 ⎜ ⎟ R2 + jX ⎠ Z2 Z2 ⎝ ⎝ ⎠ ⎛ ⎜ ⎝ đó Z td ≡ ⎜ R1 + ω 2M Z22 ⎞ R2 ⎟ + ⎟ ⎠ ⎛ ⎞ ω 2M ⎟ ≡ Rtd + jX td j⎜ X − X ⎜ ⎟ Z22 ⎝ ⎠ Nhìn vào biểu thức này ta thấy hai khung liên kết có thể đ−ợc thay khung đơn có điện trở t−ơng đ−ơng Rtd và điện kháng t−ơng đ−ơng Xtd, đó; Rtd = R1 + ω 2M Z2 R2 vµ X td = X − ω 2M Z2 Rtd X2 UV=U0cosωt Râ rµng phÇn ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng cña khung đã bị ảnh h−ởng khung hai nó bị thêm vào c¸c thµnh phÇn ω 2M Z2 R2 vµ − ω 2M Z22 ~ X1td X2 H×nh 3.33 Khung t−¬ng ®−¬ng cña hai khung liªn kÕt Ta khảo sát đặc tính cộng h−ởng khung Khi thay các đại l−ợng t−ơng đ−ơng vào ta đ−ợc khung cộng h−ởng nối tiếp nh− hình 3.33 Giống nh− khung cộng h−ởng nối tiếp đơn đã xét, t−ợng cộng h−ởng xảy điện kháng m¹ch t−¬ng ®−¬ng b»ng kh«ng ⎛ ⎞ ⎟− X td = ⎜⎜ ωL1 − ωC1 ⎟⎠ ⎝ 46 ⎛ ⎜⎜ ωL2 − C ω ⎛ ⎞ ⎝ ⎟⎟ + ⎜⎜ ωL2 − ωC ⎠ ⎝ ω 2M 2 R2 ⎞ ⎟⎟ = ⎠ • NÕu hai khung liªn kÕt m¹nh (M lín), hÖ sè liªn kÕt χ ≡ Gäi n1 = nhá ta sÏ cã: ; L1C1 n2 = ⎛ n1 ⎜1 − ⎜ ω2 ⎝ ⎞⎛ n 2 ⎟⎜1 − ⎟⎜ ω ⎠⎝ L2 C M L1 L2 ≈ 1: lµ c¸c tÇn sè riªng phÇn cña khung vµ khung vµ R2 rÊt ⎞ ⎟= χ2 ⎟ ⎠ hay ( ( ) ) ω − χ − ω n1 − n 2 + n1 n 2 = Giải ph−ơng trình này xác định đ−ợc hai tần số cộng h−ởng ω1 và ω2 Hai tần số này trïng víi hai tÇn sè riªng n1 vµ n2 χ = (tøc lµ hai khung kh«ng cßn liªn kÕt) NÕu χ ≠ 0, hai tÇn sè ω1 vµ ω2 sÏ n»m ngoµi n1 vµ n2 (h×nh 3.34) ω1 n1 ω2 n2 H×nh 3.34 Céng h−ëng liªn kÕt m¹nh • NÕu hai khung liªn kÕt yÕu (M nhá), hÖ sè liªn kÕt χ ≡ M L1 L2 ≈ 0: Khi đó không thể bỏ qua có mặt điện trở tổn hao R2 khung hai Ta có: ⎡ ⎢ ⎢⎛ n2 ωL1 ⎢⎜1 − 12 ⎢⎜⎝ ω ⎢ ⎢ ⎣ ⎞ ⎟− ⎟ ⎠ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥=0 2 ⎞ ⎥ ⎛ n + ⎜1 − ⎟ ⎥ ⎜ ω ⎟⎠ ⎥ ⎝ ⎦ ⎛ ⎜ ⎝ χ ⎜1 − d22 n 2 ⎞⎟ ω ⎟⎠ víi d2 ≡ R2 ωL2 V× ωL1 ≠ nªn biÓu thøc ngoÆc vu«ng ph¶i b»ng kh«ng Khi hai khung hoµn toµn gièng (L1 = L2≡ L; C1 = C2 ≡ C; n1 = n2 ≡ n) và đặt ξ ≡ − ⎛ ⎜ ⎝ ξ ⎜1 − n2 ω2 là độ lệch tần số, có ph−ơng trình: ⎞ ⎟=0 + ξ ⎟⎠ χ2 d2 2 Ph−¬ng tr×nh nµy cã nghiÖm: ξ =0 → ξ1,2 = ± χ − d 2 → ω3 = n cã hai nghiÖm thùc χ > d 2 Khi χ < d 2 (liªn kÕt yÕu), th× ξ1,2 lµ ¶o vµ chØ cßn mét nghiÖm thùc ξ = Nh− vËy liªn kÕt yÕu ta cã mét tÇn sè céng h−ëng ω3 = n Cßn liªn kÕt m¹nh ta cã hai tÇn sè céng h−ëng ω1 vµ ω2 c¸ch xa tÇn sè n H×nh 3.35 cho c¸c ®−êng cong céng h−ëng c¸c tr−ờng hợp này Nh− vậy, mặc dù hai khung hoàn toàn giống thì tăng độ liên kết cho 47 phÐp më réng d¶i tÇn sè céng h−ëng cña khung t−¬ng ®−¬ng NhiÒu ng−êi ta sö dông hoÆc khung gièng liªn kÕt sÏ cho ®−îc vïng truyÒn qua réng h¬n n÷a χ=d2 Liªn kÕt m¹nh χ > d2 Liªn kÕt yÕu χ < d2 ω1 ω2 n H×nh 3.35 §−êng cong céng h−ëng c¸c tr−êng hîp liªn kÕt kh¸c 3.9 Liªn kÕt ph¶n håi m¹ch ®iÖn Liªn kÕt ph¶n håi (håi tiÕp) lµ viÖc truyÒn mét phÇn hay toµn bé tÝn hiÖu (®iÖn ¸p hay dßng ®iÖn) tõ lèi m¹ch ®iÖn (thÝ dô nh− mét tø cùc) trë vÒ lèi vµo th«ng qua mét m¹ch ®iÖn kh¸c (tø cùc kh¸c) gäi lµ m¹ng håi tiÕp Sơ đồ chung mạch điện có liên kết ph¶n håi ®−îc tr×nh bµy nh− h×nh 3.36 Trong sơ đồ này: U& V U& th U& f K& f K& & U& β& H×nh 3.36 M¹ch ®iÖn cã ph¶n håi U& K& = & lµ hÖ sè truyÒn phøc cña m¹ch kh«ng cã ph¶n håi Uv β& = U& f lµ hÖ sè truyÒn phøc cña m¹ch ph¶n håi U& U& lµ hÖ sè truyÒn phøc cña toµn bé m¹ch cã ph¶n håi K& f = U& th Trong thực tế xảy hai loại phản hồi: thứ nhất, thân mạch điện (bộ khuếch đại) hay các linh kiện đã xảy khâu phản hồi ký sinh (thí dụ, điện dung ký sinh các dụng cụ ®iÖn tö b¸n dÉn, v.v ) th−êng lµm xÊu tÝnh n¨ng cña m¹ch Trong thiÕt kÕ l¾p r¸p m¹ch ®iÖn tö th−êng ph¶i lµm cho lo¹i ph¶n håi nµy cµng nhá cµng tèt Thø hai, lµ m¹ch ph¶n håi ta t¹o ngoài mạch điện (thí dụ khuếch đại) để nhằm thực mục đích nào đó đây ta xét loại phản hồi thứ hai này điều kiện mạch điện hoạt động dải tần số không quá cao Cã thÓ ph©n lo¹i ph¶n håi theo nh÷ng c¸ch sau: • Ph©n lo¹i theo pha cña tÝn hiÖu håi tiÕp: ph¶n håi ©m vµ ph¶n håi d−¬ng TÝn hiÖu ph¶n håi âm ng−ợc pha với tín hiệu vào nên làm yếu tín hiệu vào Ng−ợc lại, tín hiệu phản hồi d−ơng đồng pha với với tín hiệu vào đó nó làm mạnh tín hiệu vào lên • Ph©n lo¹i theo d¹ng tÝn hiÖu: Ph¶n håi mét chiÒu vµ ph¶n håi xoay chiÒu Håi tiÕp ©m mét chiều th−ờng dùng để ổn định chế độ làm việc các dụng cụ điện tử hồi tiếp âm xoay chiều lại dùng để ổn định các thông số khuếch đại điện tử 48 • Ph©n lo¹i theo c¸ch m¾c m¹ch ph¶n håi Cã c¸ch m¾c m¹ng ph¶n håi víi m¹ch khuÕch đại nh− đ−ợc trình bày các hình 3.37 K& Uth Ura K& Uth β& β& (a) Rf (b) K& Uth Ura Ura K& Uth Ura Rf β& β& (c) (d) H×nh 3.37 Bèn lo¹i m¾c m¹ch ph¶n håi - Phản hồi - nối tiếp (hình 3.37.a) đó lối qua mạch phản hồi đ−ợc mắc nối tiÕp víi thÕ tÝn hiÖu vµo U th - Phản hồi dòng - nối tiếp (hình 3.37.b) đó dòng lối (tỷ lệ với trên điện trở Rf) qua m¹ch ph¶n håi ®−îc ghÐp nèi tiÕp víi thÕ tÝn hiÖu vµo - Phản hồi - song song (hình 3.37.c) đó lối qua mạch phản hồi đ−ợc mắc song song víi thÕ tÝn hiÖu vµo - Phản hồi dòng - song song (hình 3.37.d) đó dòng lối qua mạch phản hồi đ−ợc ghÐp song song víi thÕ tÝn hiÖu vµo Xét mạch khuếch đại tín hiệu có phản hồi Tính hệ số khuếch đại toàn mạch (hệ số truyền) có phản hồi K& theo hệ số khuếch đại K& và hệ số phản hồi β& Xét tr−ờng hợp phản hồi – f nèi tiÕp (c¸c tr−êng hîp kh¸c còng cã thÓ chøng minh t−¬ng tù) U& K& f = & U& V = U& th + U& f Ta cã: U th K& f U& U& U& / U& K& = &ra = = th = Uv + β&K& f U& th + U& f U& & 1+ β & Uth → V× K& f = K& + K& β&K& f K& = Ke jϕK β& = β e ⇒ jϕ β K& f = K& − K& β& j (ϕ +ϕ ) nªn: K& β& = Kβ e K β = Kβ e jϕ víi ϕ ≡ ϕ K + ϕ β lµ gãc lÖch pha gi÷a tÝn hiÖu vµo vµ thÕ ph¶n håi 49 • NÕu ϕ = 2kπ víi (k =1, 2, ) tøc lµ thÕ ph¶n håi trïng pha víi tÝn hiÖu vµo, hÖ x¶y ph¶n håi d−¬ng: Lóc nµy cã e jϕ = Kβ < th× NÕu K& β& = Kβ suy Kf > K vµ ⇒ Kf = Kβ ≈ K − Kβ th× K f → ∞ Nghĩa là phản hồi d−ơng làm tăng hệ số khuếch đại nh−ng dễ làm khuếch đại không ổn định và trở thành máy phát sóng • NÕu ϕ = (2k + 1)π , tøc lµ thÕ ph¶n håi ng−îc pha víi tÝn hiÖu vµo, hÖ cã ph¶n håi ©m Lóc nµy cã suy K& β& = − Kβ e j ϕ = −1 ⇒ Kf = K + Kβ Ta thấy Kf luôn nhỏ K và tăng hệ số phản hồi β lên càng làm giảm hệ số khuếch đại cña hÖ Xét tính ổn định hệ có phản hồi d−ơng và âm so với ch−a có phản hồi Tính các độ biến thiên hệ số khuếch đại có và ch−a có phản hồi ta đ−ợc: ⎛ & ⎞ ⎜ K ⎟ ⎛ d⎜ ⎟ ⎜ − K& β& ⎞⎟ + K& β& ⎜ ⎟ & & − Kβ ⎟⎠ ⎜⎝ d K& f − K& β& d K& ⎠ = ⎝ & = × K K& ⎛ K& f & β& ⎞⎟ ⎜ − K ⎜ ⎟ − K& β& ⎝ ⎠ ( Hay d K& f = K& f ) 1 − K& β& - Víi ph¶n håi d−¬ng, ϕ = ta ®−îc: dK f dK dK = × > Kf − Kβ K K Nhận xét: K thay đổi l−ợng ΔK thì K f thay đổi l−ợng lớn 1/(1 - Kβ) lần Vậy có phản hồi d−ơng hệ kém ổn định không có phản hồi - Víi ph¶n håi ©m, ϕ = π ta ®−îc: dK f Kf = dK dK × < + Kβ K K Lý luận nh− trên ta thấy có phản hồi âm hệ ổn định so với không có phản hồi Còng cßn cã thÓ chøng minh dÔ dµng r»ng ph¶n håi ©m lµm t¨ng trë kh¸ng vµo vµ gi¶m trë kh¸ng cña m¹ch (1 + Kβ ) lÇn, cßn ph¶n håi d−¬ng th× ng−îc l¹i Ph¶n håi ©m cßn lµm më réng dải truyền qua khuếch đại 50 Ch−¬ng linh kiÖn b¸n dÉn vμ c¸c m¹ch ®iÖn tö liªn quan Các linh kiện điện tử, đó có các linh kiện tích cực, tạo nên các mạch điện tử thực các nhiệm vụ khuếch đại, gia công xử lý tín hiệu Tr−ớc đây các đèn điện tử chân không (electronic vacumm tube) hoạt động nhờ hiệu ứng phát xạ nhiệt điện tử đóng vai trò chính hầu hết các m¹ch ®iÖn Tõ nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû tr−íc, c¸c dông cô b¸n dÉn ®iÖn nh− diode, transistor vµ sau đó là các vi mạch đơn khối (th−ờng gọi là mạch tích hợp vi điện tử IC) đời đã thay dần các đèn điện tử này và hầu hết các linh kiện điện tử đ−ợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Do đó các giáo trình mạch điện tử đại, hầu nh− các linh kiện bán dẫn và các mạch điện liên quan đ−ợc trình bày Vì cấu tạo và nguyên lý hoạt động các dụng cụ này đã đ−ợc trình bày các giáo trình linh kiện bán dẫn nên đây mô tả tóm tắt cách đơn giản nguyên lý hoạt động chúng nhằm phục vụ cho mục đích chính là khảo sát các mạch ®iÖn tö liªn quan sö dông dông cô b¸n dÉn 4.1 ChÊt b¸n dÉn vµ líp tiÕp gi¸p p-n 4.1.1 ChÊt b¸n dÉn ChÊt b¸n dÉn lµ nh÷ng chÊt mµ ®iÖn trë suÊt cña chóng n»m gi÷a c¸c chÊt dÉn ®iÖn vµ c¸ch ®iÖn D¶i ®iÖn trë suÊt cña ba lo¹i nµy nh− sau: ChÊt dÉn ®iÖn: 10-3 đến 10-5 Ωm ChÊt c¸ch ®iÖn: 107 đến 1016 Ωm ChÊt b¸n dÉn: 10-5 đến 107 Ωm Đặc điểm chất bán dẫn là các tính chất điện nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nồng độ tạp chất, tác dụng ánh sáng, xạ ion hoá, v.v C¸c nguyªn tö vËt r¾n ®−îc s¾p xÕp t¹o thµnh c¸c m¹ng tinh thÓ víi c¸c h¹t nh©n nguyªn tö vµ c¸c ®iÖn tö ho¸ trÞ liªn kÕt víi ChØ c¸c ®iÖn tö tù kh«ng n»m c¸c vÞ trÝ liªn kÕt, chuyển động theo điện tr−ờng tác động lên vật là có thể tạo thành dòng điện Tại nhiệt độ nào đó, thí dụ nh− nhiệt độ phòng, chất bán dẫn có số điện tử dao động nhiệt, bị bắn khỏi vị trí liên kết và trở thành điện tử tự tham gia vào việc tạo nên dòng điện Các điện tử đó đ−ợc gọi là các điện tử dẫn Khi điện tử rời khỏi vị trí liên kết nó để lại sau mình vị trí trống và làm cho các nguyên tử gần kề trở nên không trung hoà và tích điện d−ơng Vị trí trống đó “chuyển động” ng−ợc với đ−ờng điện tử dẫn và đ−ợc coi lµ mét phÇn tö dÉn ®iÖn mang ®iÖn tÝch d−¬ng vµ ®−îc gäi lµ lç trèng B»ng c¸ch thªm vµo chÊt b¸n dÉn tinh khiÕt, thÝ dô Si cã ho¸ trÞ 4, mét Ýt t¹p chÊt donor cã ho¸ trÞ lín h¬n (thÝ dô ho¸ trÞ 5) hay t¹p chÊt aceptor cã ho¸ trÞ nhá h¬n (thÝ dô ho¸ trÞ 3) ta lÇn l−ît cã c¸c chÊt b¸n dÉn lo¹i n cã c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn c¬ b¶n (®a sè) lµ ®iÖn tö vµ c¸c chÊt b¸n dÉn lo¹i p cã c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn c¬ b¶n lµ lç trèng 51 Các chất bán dẫn có thể là đơn chất nh− Si, Ge, Se hay các ô-xýt, sunfua, selenua, v.v Từ năm 50 kỷ tr−ớc, ng−ời ta đã chế tạo thành công các dụng cụ bán dẫn nh− diode transistor, thyristor và gần đây là các mạch tích hợp đơn khối gọi là vi mạch IC (integrated circuit) mà đỉnh cao là các mạch vi xử lý Do đặc điểm có tuổi thọ cao, gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ và hiÖu suÊt cao nªn c¸c dông cô b¸n dÉn ngµy cµng cã nhiÒu øng dông kü thuËt m¹ch ®iÖn tö 4.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động lớp tiếp giáp p-n Diode bán dẫn Sù tiÕp xóc cña hai b¸n dÉn lo¹i p vµ n t¹o nªn mét vïng chuyÓn tiÕp ®iÖn tö–lç trèng vµ ®−îc gọi là lớp chuyển tiếp p-n (hay tiếp giáp p-n) nh− trình bày trên hình 4.1.a Nguyên tắc hoạt động các dụng cụ bán dẫn dựa trên việc ứng dụng các tính chất lớp tiếp giáp này EJ p n Líp tiÕp gi¸p ch−a cã ph©n cùc (a) A K Engoμi Engoμi EJ EJ p n + (b) p - n - Líp tiÕp gi¸p ph©n cùc thuËn Ep-n= Engoμi- EJ (c) + Líp tiÕp gi¸p ph©n cùc ng−îc Ep-n= Engoμi+ EJ H×nh 4.1 Líp tiÕp gi¸p p–n vµ cÊu t¹o cña diode b¸n dÉn Do có chênh lệch nồng độ các phần tử tải điện nên có khuếch tán lỗ trống từ miền p sang miÒn n vµ khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ miÒn n sang miÒn p, tøc lµ xuÊt hiÖn dßng khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ lç trèng qua líp tiÕp gi¸p p- n Lç trèng khuÕch t¸n tõ miÒn p lµm xuÊt hiÖn c¸c i«n ©m mét vïng cña miÒn p s¸t víi miÒn n, cßn ®iÖn tö khuÕch t¸n tõ miÒn n sÏ lµm xuÊt hiÖn c¸c i«n d−¬ng mét vïng cña miÒn n s¸t víi miÒn p V× c¸c nguyªn tö ®−îc ph©n bè ë c¸c nót cña m¹ng tinh thÓ chÊt b¸n dÉn nªn c¸c iôn âm và d−ơng đ−ợc tạo nên này không thể dịch chuyển tự đ−ợc Điều đó có nghĩa là xuất → lớp tiếp giáp các điện tích không gian và sinh đó điện tr−ờng E j h−ớng từ miền n sang p §iÖn tr−êng nµy sÏ h·m qu¸ tr×nh khuÕch t¸n vµ lµm gi¶m dßng khuÕch t¸n Trong cïng thời gian ấy, tr−ờng này làm tăng tốc chuyển động các phần tử tải điện không tức là điện tö tõ miÒn p sang n vµ lç trèng tõ miÒn n sang p Nh− vËy nã lµm xuÊt hiÖn dßng ®iÖn tr«i theo 52 h−ớng ng−ợc với dòng khuếch tán Kết là trạng thái cân động, điện tích không gian kh«ng t¨ng n÷a vµ vïng tiÕp gi¸p sÏ thiÕu v¾ng c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn Do vËy ®iÖn trë cña vïng nµy sÏ rÊt lín vµ nã ®−îc gäi lµ vïng nghÌo ®iÖn tÝch C¸c dßng ®iÖn khuÕch t¸n vµ tr«i b»ng cho nªn dßng tæng ®i qua líp tiÕp gi¸p lµ b»ng kh«ng Khi đặt nguồn điện bên ngoài lên lớp tiếp giáp theo h−ớng: cực d−ơng đặt lên miền p và cực âm đặt lên miền n nh− hình 4.1.b thì c−ờng độ điện tr−ờng ngoài là ng−ợc chiều với điện → tr−ờng chuyển tiếp E j , đó làm giảm tác dụng nó Kết là dòng khuếch tán đ−ợc tăng lên so với dòng trôi và dòng tổng hợp đ−ợc xác định dòng khuếch tán và chảy theo chiều từ miền p sang n §iÖn tö tõ miÒn n khuÕch t¸n vµo miÒn p d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng ngoµi vµ trë thµnh phÇn tö t¶i kh«ng c¬ b¶n miÒn p Ng−îc l¹i lç trèng khuÕch t¸n tõ miÒn p sang n còng trë thµnh c¸c phÇn tö t¶i kh«ng c¬ b¶n miÒn nµy C¸c hiÖn t−îng nµy gäi lµ sù phun phÇn tö t¶i điện sang miền mà đó nó thành không còn dòng chảy qua miền tiếp giáp gọi là dßng phun hoÆc dßng ®iÖn thuËn Trong tr−êng hîp nµy ta nãi líp tiÕp gi¸p ®−îc ph©n cùc thuËn vµ dßng ®iÖn thuËn th−êng lín Ng−îc l¹i m¾c nguån ®iÖn ngoµi cho cùc ©m nèi víi miÒn p, cùc d−¬ng nèi víi miÒn n nh− h×nh 4.1.c th× tiÕp gi¸p ®−îc ph©n cùc ng−îc ChiÒu ®iÖn tr−êng ngoµi lóc nµy cïng chiÒu → víi tr−êng E j vËy lµm t¨ng t¸c dông cña nã KÕt qu¶ lµ cµng lµm gi¶m thµnh phÇn khuÕch t¸n cña dßng qua líp tiÕp gi¸p xuèng d−íi gi¸ trÞ øng víi tr¹ng th¸i c©n b»ng vµ lµm t¨ng thµnh phÇn trôi Dòng qua lớp tiếp giáp p-n lúc này đ−ợc xác định dòng trôi theo chiều ng−ợc với dòng điện thuận và gọi là dòng điện ng−ợc Vì nồng độ các phần tử tải không nhỏ nồng độ c¸c phÇn tö t¶i c¬ b¶n nªn dßng ®iÖn ng−îc lµ rÊt nhá so víi dßng ®iÖn thuËn Khi nèi hai ®iÖn cùc vµo hai miÒn p vµ n nh− vËy ta sÏ cã ®−îc mét dông cô gäi lµ diode b¸n dẫn có ký hiệu nh− hình 4.1.a ra, đó cực nối với miền p gọi là Anode (A) còn cực nối với miÒn n gäi lµ Kathode (K) I(mA) Sù phô thuéc cña dßng I d qua diode vào U d = UAK đặt Ge 40 - + ( ) + 30 trªn nã tÝnh theo c«ng thøc: I d = I s e Ud / UT − GaAs Si 20 (4.1) Trong đó: I S lµ dßng b·o hoµ hay dßng nhiÖt diode ®−îc ph©n cùc ng−îc; K lµ h»ng sè Boltzmann b»ng 1,38.10-23 J/K; 10 -30 -20 -10 UAK (V) 0,2 0,4 0,6 0,8 μA H×nh 4.2 §Æc tr−ng V-A cña diode b¸n dÉn T là nhiệt độ K; e0 là điện tích điện tử 1,6 10-19C và U T ≡ KT e0 gäi lµ thÕ nhiÖt T¹i nhiệt độ phòng UT cỡ 25,5 mV 53 4.2 øng dông cña diode b¸n dÉn Lớp tiếp giáp p-n có thể đ−ợc dùng nhiều mục đích nh− chỉnh l−u dòng điện, tách sóng tần số cao, biến đổi tín hiệu phi tuyến, v.v Vì có nhiều loại diode Diode đ−ợc phân loại theo nhiều đặc điểm khác tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo, phạm vi ứng dụng, v.v Còn tuú theo kÝch th−íc vµ cÊu t¹o mµ ph©n diode tiÕp mÆt vµ diode tiÕp ®iÓm KÝch th−íc cña diode tiếp điểm đ−ợc xác định diện tích lớp tiếp giáp p-n có đ−ờng kính nhỏ bề dày lớp nµy Diode tiÕp mÆt cã diÖn tÝch tiÕp gi¸p rÊt lín so víi bÒ dµy cña nã Diode tiÕp ®iÓm ®−îc dïng ë c¸c m¹ch ®iÖn tÇn sè cao Diode chØnh l−u ®−îc chÕ t¹o theo c«ng nghÖ chÊt b¸n dÉn Ge cã ®iÖn trë thuận nhỏ từ 1,5 đến lần so với diode Si, song điện áp ng−ợc mà nó có thể chịu đ−ợc thấp kh«ng qu¸ 400V diode Si cã thÓ chÞu ®−îc tíi mét vµi ngµn v«n v× cã dßng ng−îc rÊt nhá Diode Si còn có thể làm việc đ−ợc dải nhiệt độ khá rộng từ -60°C đến +150°C Cã thÓ liÖt kª vµi tham sè c¬ b¶n cña diode nh− sau: - Dòng điện chỉnh l−u trung bình cực đại: là dòng phân cực thuận trung bình cực đại cho phÐp ch¶y qua diode thêi gian sö dông dµi mµ diode kh«ng háng v× qu¸ nhiÖt - Điện áp ng−ợc cực đại: th−ờng 1/2 giá trị điện áp ng−ợc mà đó diode bị hỏng bị đánh thủng lớp tiếp giáp - Dòng điện ng−ợc: là trị số dòng điện ng−ợc diode ch−a bị đánh thủng, nó phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ - D¶i tÇn sè lµm viÖc: bÞ giíi h¹n chñ yÕu ®iÖn dung cña líp tiÕp gi¸p p-n, tÇn sè tÝn hiÖu v−ît qu¸ trÞ sè nµy th× diode kh«ng cßn thÓ hiÖn tÝnh dÉn ®iÖn mét chiÒu n÷a 4.2.1 Diode chØnh l−u ChØnh l−u lµ øng dông ®Çu tiªn cña líp tiÕp gi¸p p–n C¸c diode tiÕp mÆt th−êng ®−îc dïng cho mục đích chỉnh l−u các nguồn nuôi mạch điện tử đ−ợc cấp từ mạng điện công nghiệp • M¹ch chØnh l−u nöa sãng cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu tõ nguån ®iÖn c«ng nghiÖp 50 Hz cã s¬ đồ nh− hình 4.3.a Trong tính toán gần đúng bậc biên độ điện áp vào đủ lớn, có thể coi đặc tuyÕn cña diode lµ mét ®−êng gÊp khóc nh− h×nh 4.3.b cã ®iÖn trë th«ng lµ rd = ΔU d / ΔI d = const Do đó nửa chu kỳ d−ơng tín hiệu vào, diode đ−ợc phân cực thuận và trở nên thông cho dßng ®iÖn ch¶y qua trë t¶i Dßng ®i qua t¶i lµ mét d·y c¸c sãng nöa chu kú h×nh sin sÏ g©y nªn điện áp trên tải có cùng dạng với dòng Ta đ−ợc dạng chỉnh l−u UT = UK nh− đồ thị hình 4.3.c Id UA d A AC 50Hz K ~ t t RT Ud UT=UK 0V t t (a) 54 (b) H×nh 4.3 M¹ch chØnh l−u nöa sãng (c) • Mạch chỉnh toàn sóng có sơ đồ chỉnh l−u cầu đơn giản nh− trên hình 4.4 Trong nöa chu kú ®iÖn ¸p vµo d−¬ng, hai diode ë hai nh¸nh AB vµ DC ®−îc ph©n cùc thuËn đó trở nên thông, còn hai diode hai nhánh CB và DA đ−ợc phân cực ng−ợc và trở nên bị cấm Do vËy xuÊt hiÖn dßng dÉn ®i qua trë t¶i theo chiÒu tõ B sang D theo ®−êng: A - B - RT - D - C Trong nöa chu kú ©m, hai diode ë hai nh¸nh CB vµ DA lóc nµy ®−îc ph©n cùc thuËn hai diode ë hai nh¸nh AB vµ DC l¹i bÞ ph©n cùc ng−îc Do vËy xuÊt hiÖn dßng dÉn ®i qua trë t¶i còng theo chiÒu tõ B sang D nh−ng theo ®−êng: C - B - RT - D - A Kết là hai nửa chu kỳ ta có dòng qua trở tải tạo nên UT nh− đồ thị hình 4.4.b UA-C A t AC 50Hz B ~ D UB-D RT C t (a) (b) H×nh 4.4 M¹ch chØnh l−u toµn sãng • Lọc gợn sóng lối trên trở tải: Trong hai sơ đồ trên, điện áp trên tải là chiều nh−ng có biên độ còn biến đổi theo sóng hình sin Muốn có đ−ợc điện áp chiều có biên độ không đổi (bằng phẳng) phải mắc song song với tải tụ điện C có điện dung đủ lớn nh− hình 4.5.a Thùc chÊt ®©y lµ viÖc l¾p vµo mét bé läc th«ng thÊp RC ë lèi m¹ch chØnh l−u Trong tr−êng hîp kh«ng t¶i (RT = ∞), ®iÖn trë R ë ®©y chÝnh lµ ®iÖn trë thuËn rd cña diode V× phæ Fourier cña d¹ng sãng lèi sau chØnh l−u (gåm c¸c nöa chu kú sin) gåm thµnh phÇn mét chiÒu vµ c¸c sãng hµi h×nh sin cã tÇn sè 50 Hz, 100 Hz, nªn gi¸ trÞ cña tô C (tøc h»ng sè thêi gian RC) ph¶i ®−îc chän đủ lớn cho tần số cắt lọc đủ thấp qua thành phần chiều còn các thành phÇn kh¸c bÞ suy gi¶m hÕt d AC 50Hz ~ UT rd C ThÕ trªn t¶i cã tô ΔU ThÕ trªn t¶i kh«ng cã tô RT t (a) (b) H×nh 4.5 Läc gîn sãng trªn t¶i Khi m¾c t¶i th× ®iÖn trë t¶i còng sÏ tham gia vµo m¹ch läc nµy vµ ®iÖn trë t¶i cµng nhá hiÖu qu¶ läc cµng kÐm (sãng mÊp m« nhiÒu) Do vËy mçi m¹ch chØnh l−u cã m¾c tô chØ tho¶ m·n dải điện trở tải định Đôi ng−ời ta dùng mạch lọc LC nh−ng không có hiệu cao 55 kinh tế để chặn các hài bậc thấp đòi hỏi giá trị L lớn, cuộn cảm trở nên cồng kềnh và giá thµnh cao 4.2.2 Diode æn ¸p Trong chế độ phân cực ng−ợc, các diode Si có đặc điểm nh− sau: phân cực v−ợt quá giá trị nào đó thì xảy t−ợng đánh thủng lớp tiếp giáp p-n Lúc này trên diode hầu nh− không đổi dòng ng−ợc chảy qua nó thay đổi lớn Điều đó cho phép trì chế ổn áp trên trở tải mắc song song với diode Điện áp mà đó xảy t−ợng đánh thñng ®−îc gäi lµ ®iÖn ¸p æn UZ Có hai loại chế đánh thủng đ−ợc phân định ng−ỡng UZ = 5,6V: - Đánh thủng loại zener, cho ta các diode có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là ứng với điện áp định dòng qua diode giảm nhiệt độ tăng - Đánh thủng loại thác lũ, cho ta các diode có hệ số nhiệt độ d−ơng Dòng ổn áp cực đại bị hạn chế công suất cực đại chịu đ−ợc diode ổn áp Khi v−ợt quá công suất này, diode trở nên quá nóng và bị hỏng đánh thủng vì nhiệt Diode ổn áp đ−ợc dùng cho nhiều mục đích, thí dụ nh− tạo ổn áp thông số, hạn chế biên độ tín hiệu, v.v Hình 4.6.a là thí dụ đặc tr−ng V-A loại diode ổn áp có ổn áp UZ =9,8 V §Æc tr−ng thuËn UZ = -9,8V UV §Æc tr−ng ng−îc I(mA ) UZ RS t UV ΔIZ = 40mA ΔUZ = 0,2V RT ~ IZ UT UZ IZmax (a) t (b) Hình 4.6 Đặc tr−ng V-A diode ổn áp và mạch hạn chế biên độ Trong chế độ đánh thủng, dòng ng−ợc tăng lên đến 40 mA thay đổi không quá 0,2V Hình 4.6.b là sơ đồ ứng dụng diode ổn áp làm mạch hạn chế biên độ, đó RS là điện trë b¶o vÖ diode khái bÞ qu¸ dßng Nhìn vào đồ thị điện áp UT ta thấy: có khoảng thời gian nguồn tín hiệu có biên độ lớn mức ổn áp UZ nhiều nh−ng điện áp sụt trên tải lúc đó (cũng chính là điện áp phân cực ng−ợc diode) luôn UZ tính chất ổn áp diode miền đánh thủng Để đánh giá chất l−ợng ổn áp ng−ời ta hay dùng thông số hệ số ổn áp là tỷ số biến thiªn ®iÖn ¸p trªn ®iÖn ¸p t¶i tÝnh theo phÇn tr¨m ΔU T % Để đảm bảo hệ số ổn áp theo yêu cầu, UT th−ờng chọn dòng đánh thủng qua diode lớn gấp từ đến lần dòng qua tải 56 4.2.3 Diode biÕn dung Chiều dày lớp tiếp giáp p-n đ−ợc xác định độ sâu lớp ngăn các miền p và n Các phép tính chi tiết chứng tỏ độ thấm sâu lớp ngăn các miền p và n tỷ lệ ng−ợc với nồng độ tạp chất các miền Trong miền tiếp giáp p-n hình thành hai loại điện dung: - Điện dung điện tích đ−ợc xác định thay đổi điện tích khối (đ−ợc tạo các iôn d−ơng và âm lớp tiếp giáp p-n) thay đổi điện áp tác dụng từ ngoài Theo quan ®iÓm nµy th× líp tiÕp gi¸p p-n t−¬ng tù nh− mét tô ®iÖn ph¼ng cã ®iÖn dung b»ng: C =ε S Trong đó S là diện tích lớp tiếp giáp, ε là số điện môi chất bán dẫn δ vµ δ lµ bÒ dµy líp tiÕp gi¸p - §iÖn dung khuÕch t¸n thÓ hiÖn líp tiÕp gi¸p p-n ®−îc m¾c theo chiÒu thuËn vµ ®−îc xác định biến đổi điện tích miền p và miền n vì thay đổi số điện tử và lỗ trống phun vào các miền đó Dùa trªn nguyªn t¾c nµy ng−êi ta chÕ t¹o diode biÕn dung (varicap) cã ®iÖn dung cña líp tiếp giáp p-n phụ thuộc vào điện áp ng−ợc tác dụng lên nó nh− đặc tr−ng C-U trên hình 4.7.a Ký hiệu varicap đ−ợc vẽ trên sơ đồ ứng dụng hình 4.7.b (nF) CV = Cp-n Anten thu 200 C0 + - 100 Ung−îc 10 20 30 P L CV TÝn hiÖu (V) (a) (b) Hình 4.7 Đặc tr−ng Vôn-Fara diode biến dung và sơ đồ ứng dụng Đây là sơ đồ điều h−ởng tần số cộng h−ởng khung dao động LC hay đ−ợc dùng kỹ thuật phát truyền hình Thay vì cho việc sử dụng tụ điện biến đổi (tụ xoay) khí nh− kiểu cũ khung LC, diode biến dung CV đ−ợc vào vị trí đó Khi điều chỉnh vị trí chạy biến trở P, điện áp phân cực ng−ợc đặt vào diode thay đổi và làm thay đổi điện dung CV nó Điều đó cho phép điều h−ởng giá trị tần số dao động riêng khung ( ω = / LCV ) cho phù hợp với tần số nguồn tín hiệu cần thu để có đ−ợc t−ợng cộng h−ởng dòng khung nhằm chọn lọc tín hiệu đài phát có tần số tần số ω0 Tụ C0 sơ đồ có tác dụng ngăn thành phần chiều từ nguồn vào cuộn cảm L; giá trị nó đ−ợc chọn đủ lớn so với CV cho dải điều h−ởng, dung kháng nó (bằng 1/ ωC0) có thể coi b»ng kh«ng 4.2.4 Diode quang ®iÖn (photo diode) Diode quang ®iÖn lµ dông cô b¸n dÉn cã dßng ng−îc t¨ng nhanh ®−îc chiÕu s¸ng Khi chiÕu s¸ng diode b»ng bøc x¹ ¸nh s¸ng cã b−íc sãng thÝch hîp, dßng ng−îc nµy t¨ng sù t¹o 57 c¸c h¹t t¶i ®iÖn kh«ng c¬ b¶n c¸c miÒn p vµ n còng nh− sù ph¸t sinh c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng vùng tiếp giáp p-n Họ đặc tr−ng V-A diode quang điện với các quang thông φ khác chiÕu vµo nã ®−îc biÓu diÔn nh− h×nh 4.8.a Dßng ng−îc diode ch−a ®−îc chiÕu s¸ng (φ0 = 0) gäi lµ dßng tèi Khi φ ≠ 0, dßng quang ®iÖn lµ tæng cña dßng thµnh phÇn: dßng khuÕch t¸n cña c¸c ®iÖn tö miÒn p ®−îc sinh c¸c ph«-t«n s¸ng chiÕu vµo, dßng khuÕch t¸n cña quang lç trèng miÒn n vµ dßng ph¸t quang vïng tiÕp gi¸p p-n Diode quang ®iÖn ®−îc dùng các sơ đồ thu và chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Hình 4.8.b là ký hiệu diode quang điện và sơ đồ mạch ứng dụng phát các xung ánh sáng nó K +Vcc Id S φ3>φ2 >φ1 >φ0 φ0 φ1 φ2 d Bé khuếch đại Ud §iÖn ¸p RC φ3 (a) (b) Hình 4.8 Họ đặc tr−ng vôn-ampe với các quang thông khác (a) và sơ đồ øng dông cña diode quang ®iÖn thu nhËn c¸c xung ¸nh s¸ng (b) Các xung ánh sáng từ nguồn sáng S qua các khe đĩa quay K đ−ợc chiếu tới bề mặt diode quang ®iÖn d Nguån +Vcc cÊp ®iÖn ¸p ng−îc cho diode qua ®iÖn trë g¸nh RC Trong thêi kho¶ng kh«ng cã xung s¸ng chiÕu vµo, dßng ng−îc rÊt nhá, sôt thÕ trªn trë t¶i b»ng kh«ng Khi cã xung ¸nh s¸ng chiÕu vµo diode t¹o nªn dßng quang ®iÖn Id tû lÖ víi quang th«ng Dßng nµy g©y nªn các điện áp xung trên trở tải IdRC Điện áp này đ−ợc đ−a tới mạch khuếch đại công suất tải Đo tần số xung điện lối ta có thể xác định đ−ợc tốc độ quay đĩa, v.v 4.2.5 Diode ph¸t quang LED (light emitting diode) Diode phát quang là loại hoạt động với lớp chuyển tiếp p-n đ−ợc phân cực thuận Lúc này các ®iÖn tö c¬ b¶n tõ miÒn n ®−îc phun sang miÒn p vµ t¸i hîp víi lç trèng Ng−îc l¹i lç trèng ®−îc phun tõ miÒn p sang miÒn n vµ t¸i hîp víi ®iÖn tö Trong qu¸ tr×nh t¸i hîp, n¨ng l−îng ®−îc gi¶i phóng d−ới dạng tia xạ ánh sáng Do đó diode loại này đ−ợc gọi là diode phát quang LED Các đặc tr−ng quan trọng diode phát quang là: phổ ánh sáng phát xạ, hiệu suất và đáp ứng cña diode víi xung kÝch thÝch C¸c diode ph¸t quang th«ng dông gåm c¸c lo¹i ph¸t ¸nh s¸ng vïng kh¶ kiÕn vµ lo¹i ph¸t vïng hång ngo¹i Chóng ®−îc sö dông nhiÒu c¸c b¶ng chØ thÞ (display), các linh kiện ghép nối quang và nhạy quang (nh− optron) Thời gian đáp ứng chóng cã thÓ tõ cì mili gi©y tíi c¸c xung hÑp cì nan« gi©y Ngoµi c¸c linh kiÖn diode kÓ trªn cßn nhiÒu lo¹i kh¸c hiÖn ®ang ®−îc sö dông nhiÒu thùc tÕ nh− diode ®−êng hÇm (tunel), diode laser, diode siªu cao tÇn, v.v vµ c¸c diode c«ng suÊt lín hoạt động với phân cực ng−ợc và dòng lớn Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm kỹ thuật các diode loại này cùng các sơ đồ ứng dụng nó có thể xem thêm các giáo trình vật liệu, linh kiÖn b¸n dÉn 58 4.3 Transistor l−ìng cùc 4.3.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Transistor l−ìng cùc BJT (bipolar junction transistor) lµ mét linh kiÖn b¸n dÉn cã líp (miÒn) b¸n dÉn nèi tiÕp p-n-p hoÆc n-p-n Mçi líp nµy lÇn l−ît ®−îc gäi lµ líp ph¸t E (emitter), líp gèc B (base) vµ líp gãp C (collector) Mçi líp ®−îc nèi c¸c ®iÖn cùc t−¬ng øng lµ emitter, base vµ collector Sù s¾p xÕp gi÷a c¸c líp b¸n dÉn vµ bè trÝ c¸c ®iÖn cùc còng nh− ký hiÖu cña hai lo¹i transistor sơ đồ mạch nh− hình 4.9 Transistor hình (a) là loại pnp hay gọi là transistor thuận, loại hình (b) gọi là transistor ng−ợc npn Với cách xếp nh− vậy, đôi transistor ®−îc coi nh− diode m¾c nèi tiÕp nh− h×nh E p n p E C n p B B C B C n C C B B B E E E C E (a) (b) H×nh 4.9 Sù s¾p xÕp c¸c líp b¸n dÉn hai lo¹i transistor vµ ký hiÖu cña nã Nguyên lý hoạt động các transistor đã đ−ợc khảo sát kỹ các giáo trình linh kiện bán dẫn, đây ta điểm lại cách vắn tắt hoạt động transistor loại pnp để thấy tác dụng khuếch đại công suất nó đ−ợc mắc sơ đồ thích hợp, thí dụ nh− sơ đồ hình 4.10 Transistor ®−îc cÊp ®iÖn tõ hai n p p nguồn E1 << E2 Nhìn vào sơ đồ ta E C B thÊy, nguån E1 t¹o mét ph©n cùc thuËn K cho líp tiÕp gi¸p E-B nguån RB E2 t¹o mét ph©n cùc ng−îc trªn líp IE IC tiÕp gi¸p B-C Khi kho¸ K më, ®iÖn ¸p EV ~ IB UEB b»ng kh«ng cßn tiÕp gi¸p B-C l¹i + + ®−îc ph©n cùc ng−îc nªn dßng E2 E1 collector Ic hÇu nh− b»ng kh«ng (thùc Hình 4.10 Giải thích khuếch đại transistor pnp chØ cã mét dßng ng−îc rÊt nhá cña các phần tử tải điện không là các điện tử từ lớp C sang lớp B) Khi đóng công tắc K, tiếp giáp E-B ®−îc ph©n cùc thuËn tõ nguån E1 nªn cã mét dßng ®iÖn thuËn gåm c¸c lç trèng tõ líp E ®−îc phun vµo líp B Líp B ®−îc chÕ t¹o cho rÊt máng vµ phÇn tö t¶i c¬ b¶n ë ®©y lµ ®iÖn tö cã mËt độ thấp Vì số ít lỗ trống từ lớp E sang đ−ợc tái hợp với số điện tử lớp B và tạo dßng IB, cßn l¹i phÇn lín ®−îc khuÕch t¸n qua líp B vµ tr−ît tíi líp C Nguyªn nh©n lµ tíi lớp tiếp giáp B-C, chính điện tr−ờng mạnh nguồn E2 tạo đã làm tăng tốc lỗ trống và kéo chúng sang lớp C để tạo nên dòng IC chảy qua trở tải RT Tóm lại, nhờ có lớp tiếp giáp E-B đ−ợc phân cực 59 thuËn bëi nguån E1 t¹o mét dßng ®iÖn nhá IB mµ líp emitter cã thÓ phun ®−îc mét dßng lç trèng lín qua base sang líp collector t¹o nªn dßng ®iÖn Ic lín Dßng ®iÖn nµy d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng m¹nh g©y bëi E2 sÏ sinh c«ng lín trªn trë t¶i RT NÕu b©y giê m¾c nèi tiÕp víi E1 mét nguån tÝn hiÖu vµo nhá EV, thÝ dô nguån xoay chiÒu, th× dßng lèi IC vµ thÕ trªn t¶i UT kh«ng chØ phô thuéc vµo E1 mµ cßn biÕn thiªn theo quy luËt cña nguån tÝn hiÖu EV nµy nh−ng gi¸ trÞ biÕn thiªn ë lèi trªn t¶i lín h¬n gi¸ trÞ biÕn thiªn cña nguån tín hiệu vào nhiều Ta có khuếch đại tín hiệu nhờ transistor I (4.2) Tû sè α ≡ C ®−îc gäi lµ hÖ sè truyÒn dßng ®iÖn IE Theo ph©n tÝch trªn th× I E = I B + I C (víi Tû sè β ≡ I B << I C ) nªn α < IC đ−ợc gọi là hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh IB (4.3) Trong thực tế β th−ờng có giá trị từ vài chục đến vài trăm Mối quan hệ α và β nh− sau: α= β β= 1+ β α 1-α (4.4) 4.3.2 Các sơ đồ mắc transistor mạch khuếch đại Có cách mắc transistor các mạch khuếch đại Tuỳ theo emitter, base hay collector đ−ợc nối với điểm chung nguồn tín hiệu vào và sơ đồ t−ơng đ−ơng mà t−ơng øng cã c¸c c¸ch m¾c emitter chung CE (common emitter), base chung CB vµ collector chung CC nh− tr×nh bµy trªn h×nh 4.11 RT + E2 EV ~ E RB RT ≈ - EV ~ Uvµo Ura E + E1 EV ~ RT RB B - + - E1 + ≈ EV ~ Uvµo B RT Ura E2 C + E2 EV ~ RT RB - ≈ RT EV ~ Uvµo + E1 Hình 4.11 Ba cách mắc transistor và sơ đồ t−ơng đ−ơng 60 C Ura Sơ đồ t−ơng đ−ơng đ−ợc hình thành từ sơ đồ thực với thực tế tín hiệu đ−ợc truyền nối tắt qua c¸c nguån hoÆc tô ®iÖn truyÒn cã ®iÖn dung lín 4.3.3 Mạch cấp điện và các sơ đồ ổn định điểm làm việc • M¹ch cung cÊp ®iÖn M¹ch ®iÖn t¹o c¸c ®iÖn ¸p ban ®Çu cho transistor ch−a cÊp nguån tÝn hiÖu vµo gäi lµ m¹ch tạo thiên áp, và điểm trên các đặc tr−ng V-A t−ơng ứng với các giá trị và dòng tĩnh UBE0 và IB0, UC0 và IC0lúc đó gọi là điểm làm việc tĩnh nó Muốn transistor làm việc vùng tích cực th−ờng phải đảm bảo các yêu cầu nguồn điện nh− sau: lớp tiếp giáp E-B phải đ−ợc phân cực thuËn víi ®iÖn ¸p thÊp (cì trªn 0,3 V víi transistor chÕ t¹o theo c«ng nghÖ Ge vµ cì 0,7 V víi transistor Si), cßn líp tiÕp gi¸p C-B ®−îc ph©n cùc ng−îc víi ®iÖn ¸p cao Th−êng thay v× nguån nu«i E1 vµ E2 nh− trªn h×nh 4.10 ng−êi ta chØ dïng mét nguån EC cÊp chung cho hai tiếp giáp E-B và C-B nh− thí dụ sơ đồ emitter chung Collector transistor ®−îc cÊp nguån qua c¸c ®iÖn trë sôt ¸p RC, th−êng gäi lµ trë g¸nh (h×nh 4.12a) Khi cã nhiÒu transistor cïng dïng chung mét nguån th× c¸c tÇng th−êng ®−îc m¾c song song víi nguån cung cÊp §Ó gi¶m ghÐp ký sinh gi÷a c¸c tÇng, m¹ch th−êng m¾c c¸c m¹ch RLCL nh− thÊy h×nh §ã thùc chÊt lµ c¸c bé läc tÇn thÊp Nh− vËy, vai trß cña nguån EC cÊp cho m¹ch collector gièng nh− E2 Cßn thay v× E1, nguån Ecc cÊp cho m¹ch base mét ®iÓm lµm viÖc tÜnh UBE0 (điện áp định thiên) qua điện trở RB gọi là điện trở định thiên nh− trên hình 4.12b RL CL EC+ EC+ RC2 RC1 RC RB C2 Uvµo (a) C1 RT Ura (b) Hình 4.12 Mạch nuôi transistor npn sơ đồ emitter chung Hai tô C1 vµ C2 ®−îc m¾c m¹ch gäi lµ c¸c tô truyÒn (hay tô nèi tÇng) §iÖn dung cña chúng phải đủ lớn để tần số tín hiệu chúng có dung kháng nhỏ các giá trị trở kháng lân cận và có thể coi chúng đ−ợc đoản mạch với các tín hiệu tần số đó Còn nguồn nuôi, các tụ đó có tác dụng ngăn dòng điện chiều từ nguồn này vào nguồn tín hiệu vào lối vào tầng khuếch đại transistor tiếp sau Với các sơ đồ base chung và collector chung có các mạch t−¬ng tù chØ sö dông mét nguån nu«i kiÓu nh− vËy • Hiện t−ợng trôi điểm làm việc và các sơ đồ ổn định Do chất bán dẫn nhạy cảm với biến đổi nhiệt độ nên làm việc, d−ới tác dụng nhiệt môi tr−ờng xung quanh và chính dòng IC làm nóng transistor dẫn đến các thông số nó nh− hệ số khuếch đại α, β nh− các dòng và tĩnh trên base và collector thay 61 đổi, tức là điểm làm việc tĩnh bị trôi nhiệt Để đánh giá mức độ ảnh h−ởng điện áp trôi đến điện áp ra, th−ờng định nghĩa hệ số khuếch đại điện áp trôi là K tr ≡ ΔU C ΔU BE Do có t−ợng trôi nhiệt nên các sơ đồ cung cấp điện cho transistor th−ờng phải kèm thêm các mạch ổn định điểm làm việc tĩnh Đ−ợc dùng phổ biến là các sơ đồ dùng hồi tiếp âm chiều Hình 4.13 là sơ đồ hay đ−ợc dùng RC RC RB +EC +EC +EC RB RC RB R2 + R2 rBE RE - (a) (b) CE (c) Hình 4.13 Ba sơ đồ ổn định điểm làm việc Hình 4.13a là sơ đồ dùng mạch phân áp điện trở Khi chọn R2 << rBE là điện trở hai cực B và E transistor ta có dòng qua R2 lớn dòng IB0 Lúc đó điện áp UBE chủ yếu phụ thuộc vào R2 mà R2 lại là điện trở không phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nh− chất bán dẫn Do điểm làm việc UBE đ−ợc ổn định Th−ờng chọn dòng IR2 = đến lần IB0 Hình 4.13b là sơ đồ dùng mạch phản hồi collector và base điện trở RB đ−ợc mắc nh− hình Do nguồn nuôi mạch định thiên cho transistor tr−ờng hợp này không phải là E+ không đổi mà là UC0 biến đổi theo dòng IC0 Ta có UC0 = EC – IC0RC Nếu nhiệt độ tăng dẫn tới IB0 tăng làm IC tăng, đó UC0 giảm Do đó định thiên UBE giảm, dẫn tới dòng IB0 giảm bù lại tăng nó nhiệt độ Lý luận t−ơng tự cho tr−ờng hợp nhiệt độ transistor giảm dẫn tới ổn định IB0 nó phụ thuộc vào UC0 Hình 4.13c là sơ đồ dùng mạch phản hồi âm trở RE mắc cực emitter Khi nhiệt độ tăng dẫn tới dòng IC tăng, tức là dòng IE tăng Điều đó làm cho sụt áp URE = IERE trên trở RE tăng Điều nµy t−¬ng ®−¬ng víi t¸c dông cña ph¶n håi ©m vÒ dßng mét chiÒu vÒ lèi vµo UBE, dÉn tíi ®iÖn ¸p UBE giảm, dòng IB0 giảm và dẫn tới dòng IC giảm bù lại tăng nhiệt độ Để tránh tổn hao ph¶n håi ©m c¶ vÒ tÝn hiÖu xoay chiÒu trªn trë RE, th−êng ng−êi ta m¾c song song víi RE mét tô CE Muốn vậy, điện dung tụ phải đủ lớn để cho tần số tín hiệu ω phải đảm bảo dung kháng 1/ωCE << RE 4.3.4 Các họ đặc tuyến và đ−ờng tải transistor l−ỡng cực Transistor l−ỡng cực có các họ đặc tuyến tĩnh lối vào I B = f (U BE ) U lèi I C = f (U CE ) U BE =const CE =const và họ đặc tuyến nh− đ−ợc trình bày trên các hình 4.14 a và b Với đặc tuyến lối vào, không chú ý tới diện UCE ta thấy tiếp giáp base-emitter cho ta đặc tr−ng V-A còng gièng nh− mét diode th«ng th−êng 62 Với đặc tuyến lối ra, ta thấy đ−ờng họ nằm vùng rõ rệt: - Vïng b·o hoµ (vïng B) víi dßng IC ®−îc t¹o bëi c¸c ®iÖn tÝch mang phun tõ líp emitter Trong vïng nµy dßng collector ®−îc t¨ng lªn nhanh chãng t¨ng thÕ UCE - Vùng tích cực (vùng A): với UBE không đổi, UCE tăng đến giá trị nào đó tÊt c¶ c¸c ®iÖn tö mang ®−îc phun hÕt vµo líp collectorr vµ dßng IC kh«ng thÓ t¨ng ®−îc dù UCE có tăng Lúc này dòng IC tuý đ−ợc điều khiển biến đổi UBE hay dòng IB Đây là vùng làm việc đ−ợc sử dụng cho các khuếch đại dùng transistor - Vùng đánh thủng (vùng C): vùng này dòng IC đột ngột tăng mạnh theo UCE dẫn đến làm hỏng transistor IB (μA) IC(mA) IC (mA) ( A) B UCE = const 100 A 80 C 40 60 ΔUCE 30 40 ΔIB 20 20 ΔUBE 10 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE (V) ΔIC 680mV 25 660mV 20 15 640mV 620mV 10 12 IC0 S = ΔIC/ ΔUBE 10 600mV (a) UCE = const UBE= 700mV 50 UCE (V) UBE (V) 0,2 0,4 0,6 (b) 0,8 (c) Hình 4.14 Đặc tuyến lối vào (a), lối (b) và đặc tuyến truyền đạt (c) Từ hai đặc tuyến này thấy với thay đổi nhỏ điện áp vào dẫn tới thay đổi lớn dòng collector lối nh− trên đặc tuyến truyền đạt IC = f (U BE ) U CE = const t¹i h×nh 4.14c Giống nh− đặc tuyến vào, đặc tuyến truyền đạt có dạng hàm mũ: IC = I S (T ,UCE )eU BE / U T (4.5) Trong đó IS là dòng ng−ợc phụ thuộc nhiệt độ T và UCE Ngoài họ ph−ơng trình đặc tuyến tĩnh I C = f (U CE ) I B = const kÓ trªn, transistor ®−îc m¾c nèi tiÕp víi trë g¸nh RC nh− h×nh 4.12 nªn dßng IC cßn phô thuéc vµo nguån EC vµ trë g¸nh nh− sau: I C RC + U C = EC → IC = EC − U C RC (4.6) Nếu vẽ trên cùng đồ thị với họ đặc tuyến cña transistor th× ®©y lµ mét ®−êng th¼ng ®−îc gäi lµ ®−êng t¶i víi hai giao ®iÓm b»ng (EC / RC) trªn trôc tung vµ b»ng (EC) trªn trôc hoµnh nh− h×nh 4.15 Giao điểm đ−ờng tải với các đ−ờng đặc tuyến ứng với mçi dßng vµo IB lµ c¸c ®iÓm lµm viÖc cña transistor Nh− định nghĩa trên thì điểm làm việc tĩnh là giao IC EC/ RC IC0 IB0 UC0 EC UCE Hình 4.15 Họ đặc tuyến tĩnh và ®−êng t¶i cña transistor BJT 63 điểm đ−ờng tải với đ−ờng đặc tuyến ứng với IB = IB0 là dòng base không có tín hiệu vào 4.3.5 Các thông số transistor chế độ tín hiệu nhỏ Nãi chung, thÕ hoÆc dßng ®iÖn tÝn hiÖu t¹i ®iÓm lµm viÖc sÏ gåm tæng cña hai thµnh phÇn: thành phần chiều dc và thành phần biến đổi xoay chiều ac nh− hình 4.16 Thành phần dc th−ờng là để trì điểm làm việc transistor còn thành phần ac là tín hiệu cần khuếch đại Khi tÝn hiÖu vµo ac nhá, cã thÓ coi transistor lµ mét bé khuÕch s(t) s(t) đại tuyến tính hoạt động quanh ®iÓm lµm viÖc (IC0, UBE0) trªn h×nh dc 4.14c hay ®iÓm (IC0, UC0) h×nh ac 4.15 Khi tÝnh to¸n, ®−êng cong đặc tuyến nó đ−ợc thay t t b»ng tiÕp tuyÕn víi ®−êng cong t¹i H×nh 4.16 Hai thµnh phÇn dc vµ ac cña tÝn hiÖu ®iÓm lµm viÖc Lóc nµy cã thÓ coi transistor nh− mét tø cùc tuyÕn tÝnh vµ cã thÓ thiÕt lËp c¸c mèi quan hÖ gi÷a dßng, thÕ lèi vµo vµ lèi NÕu coi m¹ch lèi vµo cña transistor nh− mét t¶i nèi tiÕp víi nguån tÝn hiÖu thÕ, ng−êi ta ®−a vµo kh¸i niÖm ®iÖn trë vµo vi ph©n: ~ rBE ≡ ∂U BE ∂I B (4.7) U CE =const rBE th−ờng có giá trị từ vài trăm Ω đến vài trăm kΩ; Sự thay đổi dòng collector lối phụ thuộc vào lối vào đ−ợc đặc tr−ng độ hỗ dẫn: S≡ ∂I C ∂U BE (4.8) U CE = const Theo biÓu thøc (4.8) trªn th×: S= I S U BE / UT I C = e UT UT (4.9) Nhìn vào biểu thức ta thấy độ hỗ dẫn tỷ lệ với dòng collector IC Sự phụ thuộc điện áp collector-emitter vào dòng collector đ−ợc đặc tr−ng điện trở vi ph©n: rCE ≡ ∂U CE ∂I C (4.10) U BE = const rCE th−ờng có giá trị từ vài chục kΩ đến hàng MΩ Điện trở này tỷ lệ nghịch với độ lớn IC, nã sÏ gi¶m ®i dßng collector cµng lín Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh β = IC/ IB nh− đã nói mục trên không đổi ph¹m vi h¹n chÕ cña dßng collector nh− thÊy h×nh 4.17 V× vËy mét th«ng sè n÷a th−êng ®−îc đ−a vào đặc tr−ng cho độ khuếch đại điểm làm việc nào đó với tín hiệu nhỏ gọi là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân: 64 β' ≡ ∂I C ∂I B (4.11) U CE = const Sù phô thuéc nµy còng ®−îc cho thÝ dô trªn h×nh 4.17 300 Biết β và độ hỗ dẫn S có thể tính đ−ợc điện trở 200 β, β’ vµo: rBE β β’ 100 ∂U BE ∂U BE β βU T = = = = (∂I C / β ) S I C ∂I B (4.12) 10-6 10-5 Th−ờng thiết lập mối quan hệ các đại l−îng vµo vµ cña transistor I B = f (U BE ,U CE ) vµ dI C L−îng ∂I B ∂U CE tr×nh c¬ b¶n: ∂I B ∂U BE ∂I C = ∂U BE U CE ∂I B ∂U CE U BE U CE ∂I C + ∂U CE U BE dU BE + dU BE 10-3 10-2 10-1 IC(A) Hình 4.17 Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh và động vào dòng collector I C = f (U BE ,U CE ) b»ng c¸c vi ph©n toµn phÇn: dI B = 10-4 dU CE (4.13) dU CE gọi là truyền đạt ng−ợc th−ờng nhỏ nên có thể bỏ qua Do ta có ph−ơng UBE ⎧ ⎪ dI B = r dU BE ⎪ BE ⎨ ⎪ dI = S dU + dU BE CE ⎪⎩ C rCE (4.14) Th−êng viÕt (4.16) d−íi d¹ng ma trËn Y : ⎛ dI B ⎞ ⎛1 / rBE ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎝ dI C ⎠ ⎝ S ⎞ ⎛ dU BE ⎞ ⎟⎜ ⎟ 1/rCE ⎟⎠ ⎜⎝ dU CE ⎟⎠ (4.15) Bên cạnh đó còn có ma trận H nh− sau: ⎛ dU BE ⎞ ⎛ h11 h12 ⎞ ⎛ dI B ⎞ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ dI C ⎠ ⎝ h21 h22 ⎠ ⎝ dU CE ⎠ (4.16) Gi÷a c¸c phÇn tö c¸c ma trËn nµy tån t¹i c¸c quan hÖ: / rBE = y11 = / h11 S = y21 = h21 / h11 = β / rBE / rCE = y22 = (1 / h11 )(h11h22 − h21h12 ) ≈ h22 (4.17) 4.3.6 Phân tích loại khuếch đại dùng transistor chế độ tín hiệu nhỏ Ta phân tích transistor hoạt động tần số thấp tần số giới hạn (là tần số mà đó hệ số khuếch đại dòng điện giảm dB so với tần số thấp) các cách mắc Khi coi transistor nh− 65 tứ cực tuyến tính ta dùng ph−ơng pháp sơ đồ t−ơng đ−ơng với các thông số đ−ợc định nghĩa nh− trên để khảo sát loại sơ đồ khuếch đại transistor là sơ đồ emitter chung, collector chung vµ base chung • Sơ đồ emitter chung đơn giản: Sơ đồ thực (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng tín hiệu nhỏ (b) nó đ−ợc trình bày trên hình 4.18, đó cần chú ý các phần tử transistor nằm phạm vi vòng chấm chấm bên còn khuếch đại bao gồm các phần tử nằm vòng chấm chấm bên ngoài (thêm các điện trở mạch khuếch đại Rb và RC Các điện trở rn là thuộc điện trë néi cña nguån tÝn hiÖu vµ RT lµ ®iÖn trë t¶i Transistor lóc nµy ®−îc coi lµ gåm cã mét trë vµo rBE ®−îc m¾c nèi tiÕp víi nguån tÝn hiÖu vµ nguồn dòng βIB đ−ợc mắc song song lối với trở vi phân rCE Trong sơ đồ này hai tụ C1 và C2 lµ c¸c tô nèi tÇng Tô C1 ng¨n dßng mét chiÒu tõ nguån nu«i vµo nguån tÝn hiÖu vµo MÆt kh¸c nã đảm bảo cho điện áp UB0 điểm làm việc tĩnh không bị ảnh h−ởng điện trở rn nguồn tÝn hiÖu vµo Tô C2 ng¨n kh«ng cho thµnh phÇn mét chiÒu tõ tÝn hiÖu vµ dßng mét chiÒu cña nguồn nuôi vào tải (hay tầng khuếch đại tiếp sau) và cho thành phần tín hiệu xoay chiều lối tới tải Điện trở định thiên Rb xác định điểm làm việc cho transistor với dòng I B = EC − U BE Rb +EC Rb rn RC IB C B IC C2 C1 Un ~ ≈ RT Uv= UBE Un ~ Rb Ura rBE β IB rCE RC RT E Bộ khuếch đại Transistor (a) (b) Hình 4.18 Sơ đồ khuếch đại emitter chung (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b) Nguyên tắc hoạt động khuếch đại này nh− sau: đ−a l−ợng điện áp biến đổi ΔUv tới lối vào transistor, làm biến đổi ΔUBE = ΔUv, dẫn tới làm dòng base biến đổi l−ợng ΔIB Do đó dòng collector biến đổi l−ợng ΔIC lớn gấp β lần ΔIB Dòng biến đổi này ch¶y qua tô C2 tíi trë t¶i RT sÏ g©y nªn sôt ¸p ë lèi ΔUra = RTΔIC Ta tính các thông số khuếch đại nh− sau: Trở lối vào Rvào khuếch đại là trở đ−ợc “nhìn” từ phía nguồn tín hiệu khuếch đại (có tr−ờng hợp ng−ời ta tính tới ảnh h−ởng trở tải đ−ợc mắc lối khuếch đại) Nhìn vào sơ đồ 4.18.b ta thấy trở vào này trở lớp tiếp giáp rBE mắc song song với Rb Th−ờng để tạo điện áp thiên áp cho base, thực tế Rb cỡ từ vài trăm kΩ đến hàng MΩ nên là lớn so với rBE (cỡ vài trăm Ω đến kΩ) Do th−ờng trở vào khuếch đại tr−ờng hợp này đ−ợc tÝnh lµ b»ng rBE 66 Trở lối Rra khuếch đại là trở đ−ợc “nhìn” từ phía trở tải ng−ợc khuếch đại (có tr−êng hîp tÝnh tíi c¶ sù cã mÆt cña ®iÖn trë nguån tÝn hiÖu) Trong h×nh 4.18.b, trë nµy b»ng rCE m¾c song song víi trë g¸nh RC Th−êng trë g¸nh cì mét vµi kΩ rCE cì hµng tr¨m kΩ V× vậy, có thể coi trở khuếch đại tr−ờng hợp này R ≈ RC Tính hệ số khuếch đại Au khuếch đại đ−ợc định nghĩa tỷ số số gia điện áp lèi trªn t¶i trªn sè gia ®iÖn ¸p nguån tÝn hiÖu vµo Ký hiÖu thÕ hoÆc dßng tÝn hiÖu xoay chiÒu biÕn ~ ~ thiên nhỏ là U hay I , sơ đồ t−ơng đ−ơng 4.18.b ta thấy: ~ ~ U BE ~ ~ rBE = Un rn + rBE → Un = ~ U BE rBE /(rn + rBE ) = ~ I B rBE = I B (rn + rBE ) rBE /(rn + rBE ) vËy: ~ ~ ΔUra U T β I B (RC // rCE // RT ) Au ≡ ≡ ~ = ~ ΔUvao Un I B (rn + rBE ) =− β (RC // rCE // RT ) (rn + rBE ) = β (RC // rCE // RT ) ⎛ r ⎞ rBE ⎜⎜ + n ⎟⎟ rBE ⎠ ⎝ = S (RC // rCE // RT ) r 1+ n rBE (4.18) Có ng−ời ta đ−a dấu âm vào biểu thức bên vế phải để xác định là: tín hiệu trên collector biến đổi ng−ợc pha với tín hiệu vào trên base Nếu điện trở nguồn tín hiệu rn << rBE và RC , RT << rCE thì hệ số khuếch đại cực đại và b»ng: Au = − S (R C // R T ) V× S = IC UT nªn Au = − I C (RC // RT ) UT (4.19) Tính hệ số khuếch đại dòng điện Ai khuếch đại Ai ≡ ~ ~ I IT ~ I vµo ≈ ~ IB ~ = β I B (rCE // R C // R T ) RT ~ /I B =β (rCE // R C // R T ) RT (4.20) Xét hệ số méo phi tuyến: Hệ số méo phi tuyến đ−ợc định nghĩa là tỷ số biên độ trung bình các hài bậc cao trên biên độ hài bậc lối khuếch đại lối vào đặt tín hiệu điều hoà Nguyên nhân chủ yếu gây méo phi tuyến khuếch đại dùng transistor là đặc tuyến vào I B = f (U BE ) không tuyến tính Do ®iÖn ¸p tÝn hiÖu lµ ®iÒu hoµ, thÝ dô b»ng U0sinωt, ta cã: U BE = U BE + U0 sin ωt 67 Ph−ơng trình đặc tuyến vào là: I B ≈ I 0eU BE / U T với I ≈ I E (1 − α ) Thay UBE vµo biÓu thøc cña IB cã: I B = I0e §Æt I B ≡ I e U BE / U T U BE UT .e U0 sin ωt UT , khai triÓn thµnh cÊp sè víi c¸c sãng hµi: ⎡ ⎤ U U I B ≈ I B ⎢1 + sin ωt + (1 − cos 2ωt ) + ⎥ 4U T ⎢⎣ U T ⎥⎦ Do đó méo phi tuyến hài bậc gây nên là: k = U U / 4U T 100% = 100% 4U T U0 / UT (4.21) Vậy hệ số méo phi tuyến phụ thuộc vào biên độ điện áp tín hiệu lối vào U0 mà không phụ thuéc vµo vÞ trÝ ®iÓm lµm viÖc • Sơ đồ emitter chung có điện trở emitter, phản hồi âm dòng NÕu m¾c thªm trë RE t¹i emitter cña transistor nh− h×nh 4.19.a, ngoµi t¸c dông t¹o ph¶n håi ©m dòng chiều để ổn định điểm làm việc (hình 4.13.c) ta còn có phản hồi âm dòng tín hiệu xoay chiều qua nó Trong tr−ờng hợp này có sơ đồ t−ơng đ−ơng với tín hiệu xoay chiều nhỏ nh− h×nh 4.19.b Ta sÏ tÝnh c¸c th«ng sè thùc tÕ rCE >> RE, RC, RT vµ Rb >> rBE + RE Trở lối vào khuếch đại RV trở vào transistor đ−ợc mắc song song với Rb Do Rb vµ rCE rÊt lín nh− nãi trªn ta cã: ~ RV = ~ Uv ≈ ~ ~ ~ ⎛~ rBE I B + R E ⎜⎜ I B + I C ⎝ ~ rBE I B + R E I E ~ Iv = ⎞ ⎟⎟ ⎠ ~ IB IB ~ ⎞ ⎛~ I B + R E ⎜⎜ I B + β I B ⎟⎟ ⎝ ⎠ (4.22) ~ rBE = ~ = rBE + (1 + β )R E IB So s¸nh víi tr−êng hîp kh«ng cã trë RE, tr−êng hîp cã ph¶n håi ©m, trë kh¸ng vµo t¨ng thªm (1 + β )RE +EC Rb β IB RC rn C2 C1 Un ~ ≈ Uv RE RT Ura B IB C IC Un ~ Uv Rb RE IE rCE E (a) (b) Hình 4.19 Sơ đồ khuếch đại có trở phản hồi âm emitter (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b) 68 Ira rBE RC RT Rra ≈ RC Trë lèi ra: Hệ số khuếch đại thế: Nhận xét từ hai sơ đồ t−ơng đ−ơng 4.18b và 4.19b ta thấy việc dùng công thức (4.18) víi viÖc thay trë vµo tõ gi¸ trÞ b»ng rBE thµnh rBE + (1+β)RE lµ ®−îc: ~ Au = UT ~ = Un − β (RC // rCE // RT ) − S (RC // rCE // RT ) = rn + rBE + (1 + β )RE + rn + (1 + β ) RE rBE rBE (4.23) So với tr−ờng hợp không có trở RE hệ số khuếch đại bị giảm Hệ số khuếch đại dòng đ−ợc tính nh− tr−ờng hợp trên có: Ai ≡ ~ ~ I IT ~ Iv ≈ ~ ~ = β I B (rCE // R C // R T ) IB ~ =β RT I B rCE // R C // R T RT (4.24) Vì sơ đồ này hay đ−ợc dùng nên ta nêu thí dụ tính toán các linh kiện mạch nó Giả sử nguồn tín hiệu có điện trở nội rn = 10 kΩ, transistor có hệ số khuếch đại dòng tĩnh β = 250, nguån nu«i +15 V, h·y tÝnh c¸c gi¸ trÞ ®iÖn trë vµ tô ®iÖn m¹ch h×nh 4.20 víi trë t¶i 100 kΩ Ta chän dßng tÝn hiÖu t¹i collector kh«ng lớn để cho trở kháng vào xoay chiều không nhá h¬n 20 kΩ Trë kh¸ng nµy b»ng R1//R2//rBE (CE ®−îc chän cho cã dung kh¸ng coi nh− tần số làm việc, đoản mạch xuống đất, +15V RC=40kΩ R1=1,4MΩ rn=310kΩ Un ~ C2=100nF Ω C1=0,36μF Uv R2=330kΩ Ura RE=10kΩ RL=100kΩ CE=100μF ta sÏ tÝnh sau) NÕu chän IC = 200 μA, ta cã: rBE = βU T IC = 250 × 25,5.10 −3 200.10 −6 ≈ 32 kΩ H×nh 4.20 ThÝ dô tÝnh c¸c th«ng sè cña bé khuếch đại điện trở Xác định điểm làm việc không có tín hiệu: điểm làm việc càng ổn định sụt áp chiÒu trªn RE cµng lín (ph¶n håi ©m vÒ dßng mét chiÒu cµng lín) NÕu chän UE = 2V th× dßng collector thay đổi l−ợng ∂I C / ∂T o 2mV / o C = = 0,1% / 1o C là đạt yêu cầu ổn định IC 2V nhiÖt §Ó tr¸nh mÐo phi tuyÕn, ®iÖn ¸p collector kh«ng cã tÝn hiÖu còng ph¶i kh«ng ®−îc r¬i vµo vùng bão hoà UCE ≈ 0,3V, nh−ng không đ−ợc lớn quá vì hệ số khuếch đại nhỏ Giả sử tín hiệu cực đại lối cần có: UC > U E + UC + ΔUC max = 2V + 1V + V = V Ta chän UC = 7V vµ tÝnh c¸c gi¸ trÞ RC vµ RE cho tr−êng hîp nµy: 69 RE ≈ UE = = 10 kΩ IC 200.10 − RC = + VC − U C 15 − = = 40 kΩ IC 200.10 − ThÕ base kh«ng cã tÝn hiÖu cÇn chän cho sôt ¸p trªn RE kho¶ng 2V sôt ¸p trªn lớp tiếp giáp base-emitter cỡ UBE ≈ 0,6V Vậy trên base bằng: UB = UE + UBE = 2,6V Từ đó tÝnh dßng base: I B = IC / β = 200.10 −6 = 0,8 μA 250 Để ổn định, dòng chảy qua điện trở R2 phân áp R1, R2 phải lớn cỡ 10 lần dòng base và vËy b»ng 8μA Ta tÝnh ®−îc: R1 = 15 V − 2,6 V 15 − 2,6 = = 1,4 MΩ −6 μA + 0,8 μA 8.10 + 0,8.10 − R2 = 2,6 V 2,6 = = 330 kΩ μA 8.10 − TÝnh trë kh¸ng vµo: rV = rBE // R // R = 29 kΩ TÝnh trë kh¸ng ra, theo tµi liÖu kü thuËt víi dßng cùc gãp 200μA ta cã rCE = 500 kΩ VËy trë kh¸ng b»ng: rra = R C // rCE = 40 kΩ // 500 kΩ = 37 kΩ Ta sÏ tÝnh gi¸ trÞ cña c¸c tô ®iÖn, m¹ch cã bé läc th«ng cao nªn cÇn chän tÇn sè c¾t chúng thấp đến cỡ mong muốn, thí dụ là 20 Hz Khi đấu nối tiếp n lọc thông cao có tần số c¾t b»ng th× tÇn sè c¾t bé läc gÇn b»ng tÇn sè c¾t thµnh phÇn nh©n víi Do vËy cã: VËy: f CΣ = f Ci n → n f Ci = f CΣ / n = 20 Hz / = 11,5 Hz C1 = 1 = = 0,36 μF 2πf Ci (rn + rBE ) 2π × 11,5.(10.10 × 32.10 ) CE = IC S 200.10 − = = ≈ 100 μF 2πf Ci 2πf Ci U T 2π × 11,5 × 25,5 C2 = ≈ 100 nF 2πgf Ci (rra + R L ) • Sơ đồ collector chung: Sơ đồ thực và sơ đồ t−ơng đ−ơng khuếch đại này đ−ợc trình bày trên hình 4.21 Đây còn đ−ợc gọi là sơ đồ lặp lại emitter Đ−ợc gọi nh− vì điện áp lấy trên emitter lặp lại thay đổi điện áp lối vào trên base, hệ số khuếch đại sơ đồ gần Điện trở RE sơ đồ đóng vai trò nh− RC sơ đồ emitter chung 70 +EC Rb C1 ≈ C2 Un ~ IB rn Uv RT RE Un IE rBE Uv ~ E B β IB Rb Ura rCE RE RT C (a) (b) Hình 4.21 Sơ đồ khuếch đại collector chung (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b) Tính các thông số sơ đồ khuếch đại Trở lối vào Rv khuếch đại là trở vào transistor đ−ợc mắc song song với Rb Nếu ch−a tÝnh tíi Rb vµ th−êng rCE >> RE, RT ta cã: ~ RV = ~ Uv ≈ ~ ~ rBE I B + (R E // R T ) I E ~ Iv IB ~ ⎞ ⎛ rBE I B + (R E // R T ) ⎜⎜ I B ~ + β I B ⎟⎟ ⎝ ⎠ (4.25) ~ = ~ = rBE + (1 + β ) (R E // R T ) IB Nh− trở vào sơ đồ lặp lại emitter là lớn điện trở RE lớn và gấp cỡ β lần Khi tính Rb thì trở vào khuếch đại giảm và đ−ợc tính Rb // Rvào Trë lèi Rra ch−a tÝnh tíi rCE vµ RE th× ~ Rra = Ura ~ ~ (R // r ) I ≈ B n IB = + rBE I B ~ I v× ~ B IE IE 1+ β nªn R ≈ NÕu tÝnh tíi rCE vµ RE th× Rra ≈ (R B // rn ) + rBE 1+ β (RB // rn ) + rBE // r 1+ β CE // RE (4.26) Trong tr−êng hîp rn << RB , rBE vµ rCE >> RE th×: Rra ≈ rBE // RE 1+ β (4.27) Vậy khuếch đại lặp lại emitter có đặc điểm là trở lối vào lớn, trở lối nhỏ Đó là đặc điểm quý, cho phép dùng nó nh− phối hợp trở kháng tốt nguồn tín hiÖu cã ®iÖn trë nguån lín víi t¶i tiªu thô cã ®iÖn trë t¶i nhá NghÜa lµ nã cho phÐp truyÒn trÞ số sức điện động nguồn tín hiệu lên điện trở tải nhỏ điện trở nguồn tín hiệu nhiÒu víi hiÖu suÊt truyÒn rÊt cao 71 ~ Do rn << Rv nªn Au = Hệ số khuếch đại Au : ~ U ≈ Un U ~ Uv Khi ch−a tính đến Rb ta có thể tính hệ số này bằng: ~ Au ≈ (R E // R T ) I ~ E ~ = (R E // R T ) (1 + β ) I B ~ RV I B RV I B Thay gi¸ trÞ RV ë trªn ta cã: Au = (RE // RT ) (1 + β ) = rBE + (1 + β ) (RE // RT ) + Khi RE >> / S = β ≤1 rBE (1 + β ) (RE // RT ) (4.28) th× Au ≈ rBE Hệ số khuếch đại dòng: ~ Ai = vËy ~ ~ IT IT ≈ ~ IV ~ Ib ~ ~ ~ I b + I c + β I b − U T / rCE = , T¹i ®iÓm nót E , ta cã: = 1+ β ≈ 1+ β RT RT + 1+ R E rCE (do RE // rCE >> RT) (4.29) • Sơ đồ base chung: Sơ đồ thực và sơ đồ t−ơng đ−ơng khuếch đại này đ−ợc trình bày trªn h×nh 4.22 +EC Rb1 C1 Un ~ Rc β IB C2 rn RT RE ≈ Un ~ E Uv RE IE C rBE rCE Ic Rc RT Cb Rb2 B (a) (b) Hình 4.22 Sơ đồ khuếch đại base chung (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b) Tính hệ số khuếch đại Au : So sánh với sơ đồ emitter chung ta thấy điện áp tín hiệu vào đ−ợc đặt emitter và base, điện áp tín hiệu đ−ợc lấy trên emitter Do đó độ khuếch đại điện áp giống và từ các công thức (4.18) và (4.19) có thể suy các biểu thức tính hệ số khuếch đại điện áp cho sơ đồ mắc base chung nh− sau, với l−u ý đ−a dấu d−ơng vào vì biến thiên điện áp trên base là đồng pha với biến thiên điện áp vào trên emitter: 72 S (R C // rCE // R T ) r 1+ n rBE Au = Và rn << rBE và R C , R T << rCE thì hệ số khuếch đại cực đại và bằng: Au = − S (R C // R T ) I (R // R T ) IC nªn Au = − C C UT UT V× S = (4.30) Tính hệ số khuếch đại dòng điện Ai: ~ Ai ≡ I ~ ~ ≈ IV IT ~ = IE β 1+ β ≈1 (4.31) Trở kháng vào sơ đồ base chung nhỏ nhiều trở kháng vào sơ đồ emitter chung: ~ ~ R vµo = U vµo ~ ≈ U vµo IE ~ IC = R C rBE ⎛ 1 ⎜ + β ⎜⎝ R C rCE ⎞ rBE RC r U ⎟⎟ = ≈ BE = T β IC ⎠ β R C // rCE (4.32) Trở kháng sơ đồ giống nh− sơ đồ emitter chung và bằng: Rra = RC // rCE Khi hoạt động vùng tần số cao cần chú ý đến điểm khác biệt sơ đồ base chung và sơ đồ emitter chung điện dung lối vào Với sơ đồ emitter chung, điện dung vào là tổng CBE và điện dung ghép mạch và vào CCB tác động mạch vào C'CB = KuCCB Nó có trị số khoảng từ 10 đến 100 pF Với sơ đồ base chung, điện dung vào là điện dung base-emitter CBE có trị số vài pF Nh÷ng ®iÖn dung vµo nµy cïng víi trë néi nguån tÝn hiÖu t¹o thµnh m¹ch läc th«ng thÊp lµm giảm tần số giới hạn trên transistor Do sơ đồ base chung th−ờng đ−ợc dùng cho các khuếch đại làm việc các tần số cao các sơ đồ khác • Tóm tắt các tính chất loại sơ đồ Qua các khảo sát trên, ta có thể đánh giá khái quát các đặc điểm loại sơ đồ vừa phân tích theo các thông số sơ đồ nh− bảng sau: Emitter chung Collector chung Base chung Au lín nhá lín Ai lín lín nhá RV trung b×nh lín nhá Rra trung b×nh-lín nhá lín - Mạch emitter chung có hệ số khuếch đại công suất P = AuAi là lớn nhất, đó th−ờng hay ®−îc dïng Trë kh¸ng vµo vµ trë kh¸ng cã gi¸ trÞ trung b×nh v× vËy còng thuËn lîi cho viÖc ghÐp gi÷a t¶i vµ nguån tÝn hiÖu §iÖn trë t¶i thÝch hîp víi m¹ch nµy kho¶ng vµi kΩ 73 - Mạch collector chung có điện trở vào lớn, điện trở nhỏ nên th−ờng đ−ợc dùng để phối hợp trở kháng nguồn tín hiệu có trở kháng lớn và trở tải nhỏ Mạch này có hệ số khuếch đại nhỏ và gần nh−ng có hệ số khuếch đại dòng lớn - M¹ch base chung ®−îc dïng nhiÒu ë d¶i tÇn sè cao v× cã ®iÖn dung vµo nhá h¬n so víi m¹ch emitter vµ collector chung 4.3.7 Sơ đồ Darlington: Khi sử dụng lặp lại emitter mà độ khuếch đại dòng điện transistor ch−a đủ thì ng−ời ta th−ờng bổ sung thêm transistor nh− sơ đồ hình 4.23.a gọi là sơ đồ Darlington Hai transistor T1 và T2 lúc này có thể đ−ợc xem nh− transistor với các điện cực E', B', C' nh− hình vẽ Ta hãy tính các thông số sơ đồ Gọi hệ số khuếch đại dòng ®iÖn tÜnh cña hai transistor t−¬ng øng lµ β1 vµ β2 Trong tr−êng hîp C' B' hÖ β ' b»ng: B' T1 trë R'E rÊt lín (b»ng ∞) th× dßng emitter cña T1 chÝnh b»ng dßng base cña T2 nªn ta cã thÓ dÔ dµng thÊy đ−ợc hệ số khuếch đại dòng C' T2 R'E E' T1 T2 R'E E' (a) (b) Hình 4.23 Sơ đồ Darlington thông th−ờng (a) và kiểu bù (b) β ' = β1 β (4.33) Nhìn vào sơ đồ ta thấy, trở lớp tiếp giáp emitter-base rBE2 transistor T2 đóng vai trò nh− điện trở mắc vào emitter transistor T1 sơ đồ emitter chung có điện trở phản hồi âm emitter Do có thể áp dụng công thức (4.22) cho việc tính trở vào khuếch đại Darlington: R V = rBE + (1 + β )rBE ~ V× I C ≈ β IC nªn rBE = rBE 1 + β1 R V = rBE = β ' VËy: UT IC ' (4.34) Để có độ hỗ dẫn S' lớn th−ờng chọn dòng IB1 > IB2 cách đ−a vào emitter T1 nguồn dòng mắc thêm R'E nh− hình vẽ Điện trở này th−ờng đ−ợc chọn lớn rBE2 nhiều để cho ~ hÇu hÕt dßng tÝn hiÖu I E1 ®i vµo base cña transistor T2 Cũng có thể nối hai transistor khác loại để tạo thành sơ đồ Darlington kiểu bù nh− hình 4.23.b Transistor T1 lúc này là loại p-n-p không phải là loại n-p-n Các thông số sơ đồ nh− sơ đồ hình 4.23.a 74 4.3.8 Sơ đồ tạo nguồn dòng không đổi Nguồn dòng không đổi (gọi tắt là nguồn dòng) đảm bảo trên tải dòng không đổi, không phụ thuộc vào biến đổi trở tải Đặc điểm đoạn nằm ngang đặc tuyến transistor cho phép sử dụng nó làm nguồn dòng tốt Để có dòng lối không đổi trở tải thay đổi thì trở nội nguồn dòng phải lớn so với trở tải Hình 4.24.a là sơ đồ nguồn dòng ổn định có m¹ch ph©n ¸p + R1 ++ RL + Ira~=I~C= const R1 ++ RL Ira =IC UC + R1 RL Iv UC UB UD D RE R2 (a) RE + ++ UBE Ira (b) RL R1 Ira=βIB UC T2 UE IB RE R2 ++ (c) T1 RE (d) Hình 4.24 Sơ đồ nguồn dòng ổn định có mạch phân áp Đặc tính transistor cho sơ đồ có đặc điểm là có nội trở vi phân lớn (rra = dUra/dIra = dUC / dIC) néi trë tÜnh (Ura / Ira = UC / IC) nhá V× vËy dßng xoay chiÒu hÇu nh− kh«ng phô thuéc vµo trë t¶i RL §Ó tÝnh trë néi ri ta cã: dI = dI C , dU CE ≈ − dU , ri = − dI C = dI E + dI B , dU BE = − dI B ( R // R ) − dI E R E ⎡ ⎤ dU βR E = rCE ⎢1 + ⎥ dI ⎣ (R // R ) + rBE + R E ⎦ ThÝ dô, chän RE = kΩ, UE = 5V, ®iÖn trë ph©n ¸p (R1 / R2) = 10 kΩ, rCE = 100 kΩ, β = 300, rBE = βUT = 7,8 kΩ ta cã ri cì 6,7 MΩ Từ công thức trên thấy điện trở phân áp có ảnh h−ởng đến nội trở nguồn dòng, vì th−êng thay R2 b»ng mét diode æn ¸p nh− h×nh 4.24.b Hình 4.24.c là sơ đồ nguồn dòng "g−ơng dòng điện" Để bù trừ hiệu ứng nhiệt cực emitter (2mV/°C) ng−ời ta đấu nối tiếp điện trở R2 với diode D Khi đó ta có: I≈I= U B − U BE I v R + U D − U BE R = ≈ Iv RE RE RE Do dòng Ira tỷ lệ với dòng Iv nên sơ đồ này gọi là g−ơng dòng điện Để đảm bảo UD ≈ UBE, thay cho diode, ng−êi ta dïng mét transistor T1 cã cùc collector ®−îc nèi víi base nh− h×nh 4.24.d Trong sơ đồ này U CE = U BE > U CEbh (UCEbh là bão hoà), đó T1 bão hoà.Vì UBE1 = UBE2 nên chän ®−îc c¸c transistor thÝch hîp ta sÏ cã: 75 IB1 = IB = IB Lúc đó: I v = βI B + I B vµ IC = IC = β I B vµ I = βI B = β β +2 Iv ≈ Iv Nh− sơ đồ có khả làm việc điện trở cực phát bị đoản mạch 4.3.9 Hiện t−ợng trôi điểm không và sơ đồ khuếch đại kiểu cầu Trong quá trình hoạt động transistor khuếch đại, các thông số môi tr−ờng thay đổi (thí dụ, thay đổi nhiệt độ, thay đổi gía trị điện áp nguồn nuôi, v.v ) gây nên t−ợng trôi điểm không Thí dụ, ta biết chất bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ nên nhiệt độ môi tr−ờng thay đổi, nguyên tắc dù ít dù nhiều làm thay đổi dòng collector transistor mặc dù tín hiệu vào base không đổi Khi đó dù tín hiệu vào luôn không, thì sau thời gian tín hiệu khuếch đại biến đổi tới giá trị khác không nào đó Ta gọi đó là t−ợng trôi khuếch đại chiều Hiện t−ợng này gắn liền với chất vật lý các quá trình thăng giáng vật liệu bán dẫn d−ới tác động biến đổi chậm các thông số môi tr−ờng không ổn định các tham số transistor Với các khuếch đại liên kết các tầng b»ng tô ®iÖn hoÆc biÕn thÕ ph©n c¸ch th× kh«ng x¶y hiÖn t−îng nµy v× c¸c thÕ tr«i bÞ c¸c tô ®iÖn lo¹i bá Do đó độ trôi điểm không là thông số quan trọng với khuếch đại chiều Trong các khuếch đại này, không đ−ợc thiết kế cẩn thận thì tín hiệu trôi (đ−ợc coi nh− nguồn gây nhiễu) gần giống với tín hiệu biến đổi chậm cần khuếch đại Vì việc thiết kế các khuếch đại dùng transistor có khả triệt độ trôi cao là cần thiết Sơ đồ khuếch đại kiểu cầu là mét thÝ dô Sơ đồ khuếch đại chiều kiểu cầu đ−ợc xây dựng trên nguyên tắc cân cầu Wheatstonse nh− h×nh 4.25.a Khi tho¶ m·n ®iÒu kiÖn c©n b»ng R1 = R2, R3 = R4 th× thÕ ë ®−êng chÐo cña cÇu UCD kh«ng phô thuéc vµo thÕ nu«i cÇu UAB, tøc lµ UCD = víi mäi UAB Nãi c¸ch khác, các cặp điện trở R1, R2 và R3, R4 giống cấu tạo và trị số (công nghệ chế tạo, vËt liÖu chÕ t¹o gièng nhau) th× ®iÒu kiÖn c©n b»ng cÇu sÏ lu«n ®−îc tho¶ m·n c¸c th«ng sè cña môi tr−ờng nh− giá trị nguồn nuôi biến đổi A Rb3 R2 R1 UAB +EC Rb1 RC1 RC2 Ura C UCD D R4 R3 UV T1 T2 Rb2 B (a) (b) Hình 4.25 Cầu Weatstone và sơ đồ khuếch đại kiểu cầu 76 P Rb4 0V Dựa trên nguyên lý đó, mạch khuếch đại kiểu cầu đ−ợc thiết kế nh− hình 4.25.b Trong đó các linh kiÖn RC1, RC2 vµ c¸c transistor T1 vµ T2 gi÷ vai trß lµ c¸c nh¸nh cña cÇu NÕu chän c¸c cÆp nµy hoµn toµn gièng vÒ vËt liÖu vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o th× cho UV = 0, ®iÒu chØnh biÕn trë P cho Ura = 0, tr−ờng hợp lý t−ởng mạch luôn giữ đ−ợc trạng thái cân này dù nhiệt độ môi tr−ờng hay nguồn nuôi +EC thay đổi Thực vậy, nguyên là vì lúc đó biến đổi nhánh RC1, T1 hoàn toàn giống biến đổi nhánh RC2, T2 Tuy nhiên thực tế vì không thể chế tạo hoàn toàn chính xác các linh kiện này đ−ợc nên mạch còn độ trôi nào đó nh−ng nhá Bây tác động lối vào UV ≠ thì trở nội T1 thay đổi, cầu bị lệch cân và làm xuất lối Ura ≠ Trong vùng hoạt động tuyến tính T1, lối Ura biến đổi tuyến tính theo lối vào UV Đó là nguyên tắc hoạt động sơ đồ khuếch đại chiều kiểu cầu Nh−ợc điểm nó là chỗ có transistor T1 là làm nhiệm vụ khuếch đại còn transistor T2 đơn giữ vai trò là điện trở có đặc tính biến đổi giống "điện trở" T1 4.3.10 Sơ đồ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai có sơ đồ nh− hình 4.26 Sơ đồ này gần giống sơ đồ kiểu cầu đó thêm vào điện trở RE đ−ợc mắc điểm nối chung hai emitter các transistor tới nguồn thứ hai là VCC Gía trị RE đ−ợc chọn đủ lớn để dòng qua điện trở này đ−ợc xem nh− không đổi Về tính cân xứng để triệt độ trôi điểm không thì +Vcc khuếch đại này không khác nhiều so với khuếch đại kiểu cầu Nh−ng nguyên tắc khuếch đại tín hiệu có R R khác Đây là khuếch đại tín hiệu chiều đối U U U xøng, cã lèi vµo UV1, UV2 vµ lèi lµ hiÖu thÕ gi÷a T2 UC1 vµ UC2 T1 U C C1 Ura = UC1 − UC C C2 Uv2 v1 E TÊt nhiªn còng cã thÓ lÊy tÝn hiÖu tõ ®Çu so R víi ®iÓm chung lµ UC1 hoÆc UC2 -Vcc Nhờ có RE mà T1 và T2 tham gia khuếch đại tín hiệu Thực vậy, giả sử các linh kiện đối xứng Hình 26 Bộ khuếch đại vi sai m¹ch cã c¸c th«ng sè gièng hoµn toµn th× ë vÞ trÝ c©n b»ng Uv1 = Uv2 = ta cã Ura = NÕu gi÷ nguyªn UV2 vµ cho UV1 t¨ng th× IE1 vµ IC1 sÏ t¨ng dÉn tíi UC1 gi¶m MÆt kh¸c, dßng IE1 t¨ng sÏ lµm cho thÕ t¹i ®iÓm E lµ UE1 t¨ng V× UV2 = UB2 không đổi nên điều này làm giảm hiệu UBE2, dẫn tới làm giảm dòng IE2 và IC2 Vì IC2 giảm nên UC2 tăng Kết là nhờ có mặt RE mà tăng UV1 đã làm giảm UC1 và tăng UC2 tức là làm tăng gấp đôi biến đổi lối Ura (= UC1 - UC2) so với tr−ờng hợp sơ đồ kiểu cầu transistor T2 tham gia khuếch đại T−ơng tự có thể lý luận cho tr−ờng hợp giữ nguyên UV1 và biến đổi UV2 Đặc biệt UV1 và UV2 đ−ợc biến đổi theo h−ớng ng−ợc nhau, ta gọi là đã tác động lên lối vào tín hiệu vi sai (biến đổi ng−ợc pha nhau) thì biến đổi lối tăng gấp bội Còn tr−ờng hợp UV1 và E 77 UV2 biến đổi theo h−ớng cùng chiều (biến đổi đồng pha nhau) ta gọi là đã tác động lên lối vào tín hiệu đồng pha Lý luận cho thấy lối giữ nguyên các biến đổi đó là đồng pha và có độ lớn Tuy nhiên thực tế không thể chế tạo đ−ợc các linh kiện đối xứng hoàn toàn nên còn giá trị lối khác không nào đó nh−ng nhỏ Đó là đặc tính quý khuếch đại vi sai: nó cho phép khuếch đại nhạy với các tín hiệu vi sai và không nhạy với các tín hiệu đồng pha Bộ khuếch đại vi sai ít nhạy với biến đổi các thông số môi tr−ờng xung quanh (thí dụ nh− nhiệt độ môi tr−ờng bao quanh transistor làm thay đổi dòng collector nó) tác động chúng lên các lối vào khuếch đại có chất nh− các tín hiệu đồng pha Điện trở RE mắc emitter tạo nên phản hồi âm dòng làm tăng tính ổn định mạch khuếch đại Nếu chọn RE đủ lớn thì độ triệt tín hiệu đồng pha lớn (độ triệt các tạp âm đồng pha cao) và mạch ổn định dù nhiệt độ môi tr−ờng thay đổi Giống nh− mạch khuếch đại cầu, mức độ cân xứng khuếch đại vi sai phụ thuộc vào c©n xøng (hoµn h¶o) c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c cÆp T1, T2, RC1, RC2 Ta tính hệ số khuếch đại sơ đồ Ph©n biÖt ®iÖn ¸p tÝn hiÖu vµo thµnh thµnh phÇn: U + U v2 (4.35) - Điện áp đồng pha: U g ≡ v1 Ud ≡ - §iÖn ¸p ng−îc pha (cßn gäi lµ ®iÖn ¸p vi sai): Nh− vËy: Uv1 − Uv 2 Uv1 + Uv Uv1 − Uv + = Ug + Ud 2 U + Uv Uv1 − Uv = v1 − = U g − Ud 2 (4.36) Uv1 = Uv (4.37) ~ ~ Gäi K g ≡ U ~ là hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha và K d ≡ Ug hiÖu vi sai, ta cã: U ~ Ud ~ ~ ~ Kg = ~ U C1 = K g U g + K d U d ~ là hệ số khuếch đại tín ~ ~ U C2 = K g U g − K d U d ~ U C1 + U C ~ 2U g → ~ Kd = ~ (4.38) U C1 − U C ~ 2U d áp dụng các công thức với transistor hoạt động cách mắc emitter chung có trở RE emitter ta cã: Kg = rBE − β RC + (1 + β )RE − β RC Kd = rBE 78 (4.39) Từ kết trên ta thấy hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai không phụ thuộc vào RE và gần hệ số khuếch đại sơ đồ emitter chung Trong đó hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha lại phụ thuéc vµo RE Chän RE >> RC sÏ cho Kg << Râ rµng r»ng nÕu chän RE cµng lín th× cµng triÖt ®−îc tốt các can nhiễu đồng pha Giá trị điển hình Kd là từ 50 đến 100 còn Kg vào cỡ 0,001 Để đánh giá phẩm chất khuếch đại vi sai, ng−ời ta còn đ−a vào thông số hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha: Kd Kg G≡ (dB) , th−êng G cã gi¸ trÞ cì hµng tr¨m ngµn (4.40) ViÖc chän RE lín qu¸ g©y nªn sôt thÕ trªn nã t¨ng vµ lµm cho transistor r¬i vµo ®iÓm lµm viÖc phi tuyến dẫn tới giảm hệ số khuếch đại Để giải vấn đề này ng−ời ta có thể thay điện trở phần tử tích cực đóng vai trò là nguồn dòng Lý vì nguồn dòng có trở nội lớn nh−ng sụt trên nó (trở chiều) lại nhỏ Hình 4.27.a là sơ đồ khuếch đại vi sai với nguồn dòng Trị số dòng IE = IC3 có thể thay đổi đ−ợc nhờ điều khiển UB3 Bằng sơ đồ này có thể có đ−ợc G lên tới 60 đến 80 dB mà đảm bảo khuếch đại miền tuyến tính Trong thực tế còn nhiều sơ đồ dùng nguồn dòng phức tạp hơn, hình 4.27.b là thí dụ đó thay cho T3 là cụm linh kiện R1, R2, R3, R4, diode ổn áp d và transistor T3, T4 tạo thành nguồn dßng I0 Ta cã: U BE + I E R3 = U BE + I E R4 NÕu chän T3 vµ T4 gièng th× U BE = U BE NÕu chän R3 = R4 th× I E = I E Dòng IE3 đ−ợc tạo từ nguồn ổn áp UZ và các trở R2, R3 cố định nên luôn có giá trị cố định Do IE4 luôn cố định và I0 = IC4 luôn là dòng không đổi +Vcc +Vcc RC RC RC RC Ura Ura Uv1 Uv2 E T1 T2 IC3 UB3 Uv1 Uv2 E T1 T2 R1 R2 T4 T3 Uz T3 RE' R4 -Vcc (a) R3 IE4 d IE3 -Vcc (b) Hình 4.27 Sơ đồ khuếch đại vi sai với nguồn dòng Do có điện dung tiếp giáp B-C nên hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha tăng lên theo tần số vËy lµm gi¶m G §Æc tÝnh tÇn sè ®iÓn h×nh cña Kd vµ G cho nh− h×nh 4.28 Ta thÊy giíi h¹n cña G thấp nhiều Kd vì lúc đó điện trở phụ thuộc tần số là điện trở lớn nguồn dòng còn điện trở collector RC t−ơng đối nhỏ 79 Trong khuếch đại vi sai phân biệt trở kháng vào đồng pha ~ (dB) 100 ~ |G| Z vg ≡ U g / I v vµ trë kh¸ng vµo vi sai ~ ~ Z vd ≡ U d / I v Nếu vẽ sơ đồ t−ơng đ−ơng |Kd| 40 thấy chế độ khuếch đại vi sai, f, kHz nguån tÝn hiÖu m¾c nèi tiÕp víi c¸c ®Çu vµo cña transistor nªn trë kh¸ng vµo vi H×nh 4.28 §Æc tÝnh tÇn sè cña Kd vµ G sai tăng lên gấp đôi so với trở kháng vào mạch emitter chung Ng−ợc lại, trở kháng vào chế độ khuếch đại đồng pha giảm hai lần §iÖn trë cña m¹ch trªn mét transistor còng gièng nh− tr−êng hîp m¹ch emitter chung Ta xét thêm đặc tính truyền đạt IC = f(Ud) khuếch đại vi sai để đánh giá dải động m¹ch Trong tr−êng hîp hÖ sè e U BE / U T >> dßng collector cña hai transistor phô thuéc vµo thÕ base nh− sau: IC ≈ I E = I bh1eU BE / U T IC ≈ I E = I bh 2eU BE / U T Trong đó Ibh là dòng bão hoà emitter, UT là nhiệt cỡ 25,5 mV nhiệt độ phòng Nếu hai transistor có đặc tuyến tĩnh nh− và cùng nhiệt độ, ta có: I bh1 = I bh ≡ I bh I E = I E1 + I E Dòng qua RE không đổi và tổng hai dòng: I E − I E = I E = I bheU BE / U T Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: Thay vµo biÓu thøc dßng collector ta cã: IC ≈ I E = IC ≈ I E = 1+ e IE − (U BE −U BE ) / U T IE ( U BE −U BE ) / U T 1+ e Hình 4.29 là đặc tính truyền đạt hai transistor với hai đ−ờng đối xứng Ta thấy các đặc tính này có độ dốc lớn Ud = UBE1 - UBE2 = và bằng: dIC d (U BE − U BE ) U = d =0 IE 4UT 1,0 (4.41) 0,8 -6 Miền khuếch đại tuyến tính nằm kho¶ng -UT < Ud < +UT tøc lµ kho¶ng 50÷60 mV Nh×n vµo ®©y ta còng thÊy mÐo phi tuyÕn khuếch đại vi sai nhỏ so với mạch emitter chung nhiều vì có bù trừ đặc tuyến vµo cña hai transistor 80 -4 -2 IC2 IE I C1 IE 0,6 0,4 Miền khuếch đại tuyÕn tÝnh 0,2 -6 -4 -2 Ud Hình 4.29 Đặc tính truyền đạt tĩnh khuếch đại vi sai Trong khuếch đại vi sai xảy t−ợng trôi các tác nhân nh− nhiệt độ, nguồn nuôi, các tham số transistor không ổn định Các trị số điện gây nên các nguồn này tác động lên hai transistor nguyên tắc là các điện áp đồng pha nên không ảnh h−ởng đến tín hiệu Nh−ng thực tế vì mạch không hoàn toàn đối xứng nên có điện áp vi sai trôi (điện ¸p lÖch ®iÓm kh«ng) ΔU = ΔU BE1 − ΔU BE Víi c¸c transistor th«ng th−êng ®iÖn ¸p nµy cì mét vµi mV nhiệt độ thay đổi 1°C Trong tr−ờng hợp này tính đ−ợc điện áp lệch không đầu vào là: ΔU BE = U BE − U BE ≈ U T ln I C + I Ebh I = U T ln C I C + I Ebh I C2 Khi không có tín hiệu vào, trên các đầu vào hai transistor khuếch đại có dòng base HiÖu c¸c dßng mét chiÒu nµy gäi lµ dßng lÖch ®iÓm kh«ng (dßng off-set) Dßng nµy ch¹y qua c¸c điện trở vào cùng với không đối xứng tuyệt đối mạch gây nên điện áp lệch không đầu khuếch đại vi sai Th−ờng ng−ời ta triệt điện áp này thiết kế đặt điện áp lệch không có dấu ng−ợc lại truyền vào hai cửa vào khuếch đại Việc chọn chính xác giá trị điện áp bù đ−ợc thực việc tinh chỉnh giá trị biến trở đóng vai trò là mét bé ph©n ¸p Bộ khuếch đại vi sai có nhiều −u điểm nh− độ tuyến tính cao, chế độ hoạt động ổn định nhiệt độ thay đổi, triệt tiêu tốt các tạp âm đồng pha và giảm đ−ợc độ trôi Do nó đ−ợc dùng nhiều các ứng dụng phép đo chính xác cho các đại l−ợng nh− nhiệt độ, độ ẩm, c−ờng độ sáng, v.v Những đại l−ợng này qua các sensor đ−ợc biến đổi thành các tín hiệu điện Độ lớn tín hiệu đó th−ờng nhỏ (cỡ mV chí μV) và biến thiên chậm Chúng đ−ợc đ−a tới các lối vào khuếch đại vi sai để khuếch đại lên giá trị mong muốn Bộ khuếch đại vi sai th−ờng đ−ợc thiết kế làm các tầng khuếch đại vào khuếch đại thuật toán nh− đ−ợc trình bày sau Tất nhiên khuếch đại vi sai đ−ợc dùng tốt cho việc khuếch đại các tín hiệu biến thiên xoay chiÒu 4.3.11 Mạch ghép các tầng khuếch đại Trong thực tế cần phải ghép các tầng khuếch đại với để đạt đ−ợc mục đích nào đó Một số tr−ờng hợp cần phải tổ hợp hai số transistor để đ−ợc khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng đủ lớn, có trở kháng vào thích hợp hay để tránh đ−ợc t−ợng "trôi" v.v Nhìn chung, mạch ghép các tầng có nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu từ tầng này sang tầng tiÕp sau cho tæn hao trªn nã lµ nhá nhÊt Th−êng cã hai kh¶ n¨ng liªn kÕt gi÷a hai tÇng: - Liên kết xoay chiều, đó các phần tử liên kết (nh− tụ điện hay biến thế) cho tín hiệu xoay chiều qua mà ngăn cản các thành phần chiều hay tín hiệu biến đổi chậm Liên kết loại này dùng các khuếch đại xoay chiều và tránh đ−ợc t−ơng trôi - Liên kết chiều, đó các tầng đ−ợc nối trực tiếp với qua các phần tử điện trở Liên kết loại này dùng cho các khuếch đại chiều và phải chú ý đến tác động hiÖn t−îng tr«i H×nh 4.30 liÖt kª mét sè m¹ch ghÐp tÇng ®iÓn h×nh Ghép điện dung (hình 4.30.a) đ−ợc dùng rộng rãi các mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều (nh− khuếch đại âm tần) Tụ điện nối tầng C có điện dung đủ lớn để ngắn mạch đầu 81 tÇng tr−íc víi ®Çu vµo tÇng sau ThÕ collector tÇng tr−íc vµ thÕ thiªn ¸p base tÇng sau cã thÓ ®−îc chọn độc lập với vì đ−ợc phân cách chiều tụ nối tầng Nh−ợc điểm kiểu ghép tầng này là đáp ứng tần số bị suy giảm phía tần số thấp và gây dịch pha ảnh h−ởng đến tính ổn định khuếch đại C T1 R1 T1 T2 T2 T1 T2 R2 (a) (c) (b) Tr d T1 T2 T1 (d) T1 T2 T3 T1 (f) (e) T2 T3 T2 T4 T (h) (g) H×nh 4.30 Mét sè m¹ch ghÐp tÇng ®iÓn h×nh Ghép trực tiếp nh− hình 4.30.b là cách ghép đơn giản Về mặt lý t−ởng mạch ghép này kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè tÝn hiÖu ViÖc tÝnh to¸n phèi hîp gi÷a c¸c møc ®iÖn ¸p mét chiÒu lèi tầng tr−ớc với lối vào tầng sau cho đảm bảo chế độ khuếch đại là việc cần chú ý GhÐp ®iÖn trë nh− h×nh 4.30.c t¹o ®−îc mét møc dÞch ®iÖn ¸p gi÷a hai tÇng nh−ng còng g©y tæn hao trªn c¸c ®iÖn trë R1, R2 Trong thùc tÕ, ®iÖn dung vµo tÇng sau còng tham gia vµo m¹ch ghÐp tạo nên mạch RC lối trên C làm cho mạch ghép phụ thuộc vào tần số Do đó để truyền tốt c¸c tÝn hiÖu ë tÇn sè cao, th−êng m¾c song song víi R1 thªm mét tô ®iÖn GhÐp b»ng diode Zener d nh− h×nh 4.28.d thay cho ®iÖn trë R1 h×nh 4.30.c Lo¹i ghÐp nµy vÉn t¹o ®−îc mét møc dÞch 82 điện áp hai tầng nh−ng sụt áp trên diode lại không đáng kể vì điện trở vi phân diode Zener nhá GhÐp b»ng biÕn ¸p Tr nh− h×nh 4.30.e cho phÐp c¸ch ly ®−îc vÒ ®iÖn gi÷a ®Çu tÇng tr−íc vµ ®Çu vµo tÇng sau vµ còng dÔ phèi hîp trë kh¸ng gi÷a hai tÇng Tuy vËy, m¹ch nµy cã d¶i tÇn lµm viÖc hÑp, cã kÝch th−íc vµ träng l−îng lín (nhÊt lµ víi tÝn hiÖu ©m tÇn), kh«ng cho tÝn hiÖu mét chiều qua đ−ợc nên ít đ−ợc dùng Ghép transistor nh− hình 4.30.f đó cho phép có thể dịch mức điện áp dải rộng với cực tính tuỳ ý mà còn đ−ợc tăng thêm hệ số khuếch đại Sự đòi hỏi phối hợp các mức sai khác điện áp collector tầng tr−ớc và base tầng sau đ−ợc thực transistor T3 Sơ đồ hình 4.30.g là vận dụng cách ghép này dịch mức điện áp phía d−ơng khuếch đại vi sai T1, T2 gây đ−ợc bù lại nhờ khuếch đại vi sai bù T3, T4 và sôt ¸p trªn m¹ch lÆp l¹i emitter T5 GhÐp b»ng c¸c linh kiÖn quang-®iÖn nh− h×nh 4.30.h cã tÝnh chÊt c¸ch ly ®iÖn nh− ghÐp biÕn áp C−ờng độ sáng từ diode phát quang tỷ lệ với tín hiệu tầng tr−ớc gây các tín hiệu điện tác động lên tầng sau lối phần tử transistor nhạy quang Mạch ghép kiểu này có thể làm việc dải tần rộng từ chiều đến vài GHz Đặc biệt điện trở cách điện tầng có thể đạt cao, cho phÐp c¸ch ®iÖn víi hiÖu thÕ tíi vµi kV 4.3.12 Đáp ứng tần số khuếch đại điện trở Các khuếch đại có trở gánh là điện trở nh− kể trên thông dụng Ta khảo sát đáp ứng tần số hay dải tần làm việc khuếch đại điện trở lắp trên transistor T1 có ghép với tầng sau T2 qua điện dung C2 nh− hình 4.31.a Trong sơ đồ này, mạch điện transistor T2 là tải tầng khuếch đại T1 Trong thực tế, cần phải chú ý đến điện dung các lớp tiếp giáp p-n lối transistor T1 Cũng vậy, ngoài các phần tử tích cực ra, mạch tải T2 còn chứa đựng các phần tử nh− điện dung ký sinh, điện dung lắp ráp, v.v cần phải tính đến khảo sát dải tần làm việc khuếch đại T1 +EC Z1 RN Rb1 Rb2 RC1 C2 RC2 C2 Z2 C1 Un ε=KuUV ~ RT CTΣ T2 T1 ~ CCE1 (a) CKS CT (b) Hình 4.31 Mạch ghép nối tầng khuếch đại điện trở (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b) Nh− vậy, sơ đồ có các phần tử điện dung và điện trở nh− sau: CCE lµ ®iÖn dung gi÷a c¸c líp collector-emitter cña transistor; CKS lµ ®iÖn dung viÖc l¾p r¸p c¸c linh kiÖn vµ d©y ®i m¹ch g©y ra; CT lµ ®iÖn dung cña t¶i tÇng 1, chÝnh lµ ®iÖn dung lèi vµo tÇng 2; RT lµ ®iÖn trë t¶i tÇng 1, chÝnh lµ ®iÖn trë vµo tÇng 83 Ta có thể vẽ gọn sơ đồ t−ơng đ−ơng nh− hình 4.29.b đó CTΣ = CCE + CT + CKS và RN là điện trở nội nguồn suất điện động ε = Ku UV bao gồm transistor T1 và nguồn tín hiệu vào, với K u = − β RC1 / rBE1 Gäi trë kh¸ng cña c¸c côm RN, C2 vµ RT, CTΣ t−¬ng øng lµ Z1 vµ Z2, ta cã: U& = K& u U& V = K& u Z2 Z1 + Z2 Hệ số khuếch đại: Z2 U& & K& = = Ku = K& u ≡ Z1 + Z ⎛ ⎞ & UV ⎟ 1+ + j ⎜⎜ ωRN CTΣ − ωR T C2 ⎟⎠ ⎝ víi τ ≡ RN CTΣ K& u ⎛ ⎞ ⎟ j ⎜⎜ ωτ − ωτ ⎟⎠ ⎝ vµ τ ≡ RT C2 K& u K& = ⎛ ⎞ ⎟ + ⎜⎜ ωτ − ωτ ⎟⎠ ⎝ (4.42) Ta có đ−ờng đáp ứng tần số khuếch đại nh− hình 4.32 K/Kmax 0,7 ωt ωtb ω ωC Hình 4.32 Đáp ứng tần số khuếch đại điện trở T¹i ω = C2CTΣ RN RT K& u Cho K& = ≡ ωtb gäi lµ tÇn sè gi¶ céng h−ëng ta cã K& = K& u = K max → ⎛ ⎞ ⎟ = + ⎜⎜ ωτ − ωτ ⎟⎠ ⎝ ta t×m ®−îc hai tÇn sè giíi h¹n d−íi ωt vµ giíi h¹n trªn ωc cña m¹ch: Víi c¸c tÇn sè thÊp, bá qua ωτ ta cã: Víi c¸c tÇn sè cao, bá qua thµnh phÇn ω tτ ωτ = → ωt = (4.43) τ2 ta cã: ωcτ = → ωc = τ1 (4.44) Ta thấy hệ số khuếch đại bị suy giảm phía tần số thấp là giá trị điện dung C2 Giá trị này càng lớn thì tần số cắt càng đ−ợc thấp Về phía tần số cao, hệ số khuếch đại bị suy giảm là 84 điện dung tổng lối khuếch đại, các giá trị này càng nhỏ thì tần số cắt càng đ−ợc cao Với khuếch đại dùng transistor l−ỡng cực tần số cao thì nguyên nhân suy giảm hệ số khuếch đại còn là hệ số khuếch đại Ku transistor gây nên Trong miền tần số cao, chất vật lý các transistor, dòng khuếch tán các phần tử tải điện không theo kịp biến đổi điện tr−ờng mà dòng tín hiệu tần số cao sinh nên làm giảm hệ số khuếch đại dòng điện β 4.3.13 Một số mạch khuếch đại dùng transistor • Khuếch đại dải rộng Với các khuếch đại âm tần, dải hoạt động từ vài chục Hz đến vài chục ki-lô Hz là đủ Trong đó nhiều khuếch đại lại cần làm việc dải tần số rộng hơn, thí dụ khuếch đại thị tần máy thu hình cần dải tần làm việc rộng từ Hz đến 6,5 MHz Th−ờng các khuếch đại âm tần sử dụng các mạch ghép tầng tụ điện nh− vừa trình bày trên Chính các tụ ghép tầng này gây nên việc suy giảm hệ số khuếch đại miền tần số thấp và các điện dung ký sinh c¸c líp tiÕp gi¸p p-n t¹i transistor vµ ®iÖn dung l¾p r¸p còng nh− ®iÖn dung t¶i g©y nªn viÖc suy giảm hệ số khuếch đại miền tần số cao Vì việc thiết kế các khuếch đại có dải truyền réng h¬n lµ cÇn thiÕt Một cách tự nhiên muốn mở rộng dải truyền khuếch đại thì phải tăng điện dung C2 và gi¶m c¸c ®iÖn dung ký sinh Tuy nhiªn c¸ch nµy chØ cho phÐp më réng d¶i truyÒn ph¹m vi rÊt hạn chế Để mở rộng dải truyền phải dùng các mạch sửa Hình 4.33 là sơ đồ khuếch đại víi m¹ch söa phÝa tÇn sè thÊp vµ cao +EC RC1 RSt RV (b) CSt T1 LSc RSt CSt (a) Rb1 RC1 Rb2 RC2 C2 C1 UV ZC1 Ura RC1 T2 T1 CCE1 CKS CTΣ (c) CT RV LSC T1 Hình 4.33 Sơ đồ khuếch đại dải rộng (a), sơ đồ t−ơng đ−ơng trở gánh lèi cña T1 ë tÇn sè thÊp (b) vµ ë tÇn sè cao (c) Trong sơ đồ này, các linh kiện Rb1, Rb2, RC1, C1, C2 là thuộc mạch khuếch đại ch−a sửa Các linh kiÖn RST, CST lµ m¹ch söa phÝa tÇn sè thÊp C¸c linh kiÖn LSC1, LSC2 lµ c¸c linh kiÖn thuéc m¹ch söa tÇn sè cao Nhắc lại hệ số khuếch đại mạch không có sửa là tỷ lệ với trở gánh và bằng: Ku = − βRC rBE 85 XÐt t¸c dông cña m¹ch söa tÇn sè thÊp RSt, CSt ë vïng tÇn sè trung b×nh trë xuèng, trë kh¸ng cña cuén c¶m LSC1 lµ rÊt nhá vµ ®−îc coi nh− b»ng Chän gi¸ trÞ cña RST vµ CST cho tõ tÇn sè ω > ωt tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: R ST >> ω C ST Lúc đó, với các tần số ω > ωt dung kháng tụ CST nhỏ làm ngắn mạch RSt xuống đất, mạch sửa không có tác dụng vì trở gánh thực mạch là RC1 Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nh− ch−a söa, nh− kh«ng cã mÆt RSt Nh−ng víi c¸c tÇn sè ω < ωt th× kh¸c, gi¸ trÞ dung kh¸ng tụ CSt càng trở nên đáng kể và vô cùng tần số giảm xuống Lúc này trở gánh tầng khuếch đại T1 phải đ−ợc coi là RC1 mắc nối tiếp với trở kháng cụm gồm điện trở RSt đ−ợc m¾c nèi tiÕp víi ®iÖn trë g¸nh RC1 vµ tô CSt m¾c song song víi RSt (h×nh 4.33.b) Trë g¸nh thùc sù đ−ợc tăng thêm l−ợng RSt // (1/jωCSt) Tại tần số 0, trở này cực đại và RC1 + RST Do vậy, hệ số khuếch đại tầng T1 đ−ợc tăng lên phía tần số thấp ωt XÐt t¸c dông cña m¹ch söa tÇn sè cao Do dung kh¸ng t¹i d¶i tÇn sè nµy cña c¸c tô rÊt nhá nªn có thể bỏ qua ảnh h−ởng RSt, CSt và C2 sơ đồ t−ơng đ−ơng khuếch đại xoay chiều Giá trị cña cuén c¶m LSc ®−îc chän cho ë vïng tÇn sè trung b×nh trë xuèng, c¶m kh¸ng cña nã nhá không đáng kể và coi nh− Nh−ng vùng tần số ω > ωc, cuộn cảm này cùng trở gánh RC1 và ®iÖn dung tæng CTΣ t¹o thµnh mét khung céng h−ëng víi tæng trë ZC1 gi÷ vai trß trë g¸nh cho transistor T1 (h×nh 4.33.c) Trong công thức tính hệ số khuếch đại kể trên phải thay RC1 giá trị ZC1: ZC = RC + jωLSc × j ω CTΣ ⎛ ⎞ ⎟⎟ RC + j ⎜⎜ ωLSc − ωCTΣ ⎠ ⎝ Khung có trở kháng cực đại tần số ωch = (4.45) vµ tû lÖ víi trë kh¸ng g¸nh nªn hÖ LScCTΣ số khuếch đại mạch đạt cực đại tần số đó Đáp ứng tần số ch−a sửa (đ−ờng a) và có sửa (các đ−ờng b, c) mạch khuếch đại dải rộng có dạng nh− trên hình 4.34 Khi chọn các thông số mạch sửa đúng đắn nh− tr−ờng hợp đ−ờng đặc tuyến (b), dải truyền khuếch đại đ−ợc mở rộng từ (ωc - ωt) đến (ω'c - ω't) và không xuất vùng có dạng hệ số khuếch đại quá cao (dạng b−ớu) nh− đặc tuyến (c) NhËn thÊy r»ng ë phÝa d¶i tÇn thÊp kh«ng thÓ gi¶m ωt xuèng qu¸ giới hạn nào đó đ−ợc vì đáp øng sÏ xuÊt hiÖn d¹ng b−íu, v¶ l¹i tô C2 nªn vÒ nguyªn t¾c kh«ng thÓ gi¶m ωt xuèng tíi 0Hz Th−êng chän h»ng sè thêi gian cña m¹ch 86 K c Ku Ku/√2 b ω't ωt a ωtb b c ωC ω'C ωch ω Hình 4.34 Đáp ứng tần số khuếch đại dải rộng sửa tần thấp vào ωt mong muốn (τT = RSTCST = Tt = 2π/ωt ) Sau đó chọn RST ≤ 1,6 RC1 thì đ−ờng đáp ứng không xuất b−ớu Trong vùng tần số cao có thể xuất b−ớu nên viÖc chän gi¸ trÞ thÝch hîp cho hÖ sè phÈm chÊt Q = LSC lµ quan träng NÕu Q = 0,4 th× hÇu RC CTΣ nh− kh«ng cã b−íu cßn víi c¸c Q tõ 0,5 trë lªn ®−êng b−íi xuÊt hiÖn râ • Khuếch đại cao tần chọn lọc Trong th«ng tin v« tuyÕn ®iÖn, sãng cao tÇn cã tÇn sè cì hµng tr¨m kHz trë lªn C¸c m¹ch khuếch đại hoạt động dải tần số này gọi là khuếch đại cao tần Thông tin dải sóng này th−ờng đ−ợc thiết lập vùng tần số hẹp xung quanh tần số nào đó gọi là sóng mang Đó là các kênh thông tin các đài phát sóng phát Do đó yêu cầu thực tế là cần có các khuếch đại tín hiệu thu khuếch đại chọn lọc tín hiệu có tần số sóng mang và các tín hiệu lân cận, còn thì loại bỏ các tín hiệu có tần số xa tần số sóng mang Đó là các khuếch đại chọn lọc Các khuếch đại chọn lọc cao tần th−ờng dùng khung cộng h−ởng làm trở gánh nên còn đ−ợc gọi là khuếch đại cộng h−ởng Sơ đồ tầng khuếch đại cộng h−ởng giống nh− khuếch đại điện trở, có thay trë g¸nh RC b»ng mét khung céng h−ëng LC cã m¹ch ghÐp ®iÖn c¶m M lÊy thÕ lèi Ura1 nh− trªn h×nh 4.35.a hay còng cã thÓ trÝch thÕ lèi Ura2 qua tô C2 trªn h×nh Z Zmax + L C Zmaxx/√2 M L1 Rb1 Ura1 (b) ω C2 1/√LC C1 Ura2 Uv K Rb2 RE Kmax CE Kmaxx/√2 (c) (a) ω 1/√LC Hình 4.35 Bộ khuếch đại cộng h−ởng Tụ CE đ−ợc chọn đủ lớn cho tần số hoạt động có * đại mạch là: K = Z& C = ωt CE << R E , ta sÏ cã hÖ sè khuÕch − β ZC víi ZC lµ tæng trë cña khung céng h−ëng LC rBE ρ2 ⎞ ⎛ R + ⎜ ωL − ⎟ ωC ⎠ ⎝ R lµ trë tæn hao cña khung, ρ = víi R << ωL (4.46) L lµ trë kh¸ng sãng C 87 Nh− đã trình bày các ch−ơng tr−ớc, đặc tr−ng trở kháng - tần số khung có dạng đ−ờng cong cộng h−ởng nh− hình 4.35.b và đáp ứng tần số K = f(ω) mạch có dạng céng h−ëng nh− vËy trªn h×nh 4.35.c Hình 4.36.a là sơ đồ khuếch đại chọn lọc tầng khuếch đại sóng ngắn thu đ−ợc từ anten m¸y thu Transistor dïng ë ®©y ph¶i lµ lo¹i cao tÇn cã t¹p ©m néi nhá vµ tÇn sè giíi h¹n cì hàng trăm MHz trở lên Các trở Rb1, Rb2 định điểm làm việc cho các transistor Các tụ C1, C2 dùng để cách ly dòng chiều và đoản mạch dòng xoay chiều cao tần Chúng có trị số đủ lớn (hàng trăm đến ngàn pF), không ảnh h−ởng đến tính chất cộng h−ởng các khung dao động Tín hiÖu tõ khung céng h−ëng anten LC chØ ®−îc trÝch ®−a mét phÇn vµo cùc base cña transistor T1 qua liªn kÕt hç c¶m (biÕn thÕ) víi cuén ghÐp L1 Ýt vßng h¬n L ViÖc ghÐp nh− vËy nh»m phèi hîp trë kháng khung và lối vào transistor (cỡ kΩ) và tránh ảnh h−ởng đến độ phẩm chất khung Khung céng h−ëng ë m¹ch g¸nh transistor T1 lµ khung C vµ (L2 + L3 = L) V× trë kh¸ng cña T1 lớn trở kháng vào tầng sau T2 nhỏ nên sơ đồ dùng mạch ghép là cuộn cảm biến L4 cã t¸c dông nh− ë khung anten lèi vµo §Ó tr¸nh dßng mét chiÒu ch¶y qua cuén c¶m cña khung có lõi Fe-rit ảnh h−ởng đến từ thông nó, collector T1 đ−ợc ghép biến tự ngẫu với khung c¸ch nèi nã víi ®iÓm gi÷a L2 Ýt vßng h¬n cuén L3 Nh− vËy dßng mét chiÒu nu«i transistor chØ ch¶y qua L2 là phần cuộn cảm khung và sơ đồ hoạt động ổn định + C L3 Rb1 C L1 C1 C L L1 C1 L3 L4 Rb CE (a) T2 L2 C T2 C2 RE T1 L4 T1 L CCE Rb2 L2 +E (b) Hình 4.36 Một số sơ đồ khuếch đại chọn lọc dùng transistor Nh− trên đã nói, các sơ đồ base chung hay đ−ợc dùng cho các tầng khuếch đại cao tần Hình 4.36.b là sơ đồ thí dụ Trong sơ đồ này tụ C1 có điện dung lớn (cỡ hàng ngàn pF) nên coi nh− base đ−ợc ngắn mạch với đất sóng cao tần Điều này cho phép đ−a toàn tín hiệu cao tÇn tõ cuén L1 vµo lèi vµo base-emitter cña transistor T1 §iÖn dung lèi CCB ®−îc ghÐp song song víi ®iÖn dung C khung céng h−ëng t¹i collector §iÖn dung lèi vµo cña m¹ch gåm Cks vµ CBE Do tín hiệu trên collector đồng pha với với tín hiệu vào trên emitter nên điện dung CCE có tác dụng phản hồi d−ơng Tần số càng cao, phản hồi d−ơng càng lớn và hệ số khuếch đại càng tăng Điều này làm tăng giới hạn tần số khuếch đại Ngoài ra, vào đ−ợc truyền trực tiếp từ emitter đến collector qua CCE Các tác dụng này làm giảm điện dung lối vào T1 tầng khuếch đại base chung hay đ−ợc dùng cao tần, nhiên nó có nh−ợc điểm là trở vào nhỏ, dòng vào lớn nên thích hợp với các tín hiệu có công suất t−ơng đối lớn Nói cách khác độ nhạy cña m¸y thu kh«ng cao 88 • Khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ truyền công suất đủ lớn trên tải, có tới hàng trăm W Khi khuếch đại các tín hiệu lớn nh− các transistor không còn làm việc miền tuyến tính nữa, đó không thể dùng ph−ơng pháp sơ đồ t−ơng đ−ơng với tín hiệu bé mà phải dùng ph−ơng pháp xét toàn đồ thị các đặc tr−ng transistor Ngoài trở kháng vào cần phải lớn, trở kháng cần nhỏ để có khả truyền đạt công suất tải lớn (phối hợp trở kháng), hai thông số khuếch đại công suất cần đ−ợc chú ý là: P Hệ số khuếch đại công suất K P = là tỉ số công suất trên công suất vào Có thể PV dùng sơ đồ emitter chung để vừa có khuếch đại cao dòng và nh−ng có thể dùng sơ đồ base chung cho hệ số khuếch đại dòng lớn còn khuếch đại nhỏ vì trở tải nhỏ P HiÖu suÊt η ≡ lµ tØ sè gi÷a c«ng suÊt trªn c«ng suÊt nguån mét chiÒu cung cÊp cho P0 mạch Điều này đòi hỏi phải chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng tầng khuếch đại và tải Ngoài phải đảm bảo công suất tổn hao trên transistor nhỏ công suất tiêu tán cho phép Vấn đề là cần chọn chế độ hoạt động thích hợp để có công suất lớn, hiệu suất lớn mà không bị méo tÝn hiÖu Có số chế độ hoạt động tầng công suất dùng transistor Hình 4.39 minh hoạ các chế độ hoạt động này Chế độ A là chế độ có điểm làm việc đ−ợc chọn nằm phần tuyến tính đặc tr−ng IC = f (UBE) nên tín hiệu khuếch đại không bị méo Nh−ng vì điểm làm việc nằm đoạn tuyến tÝnh nªn chØ tËn dông ®−îc 1/2 d¶i réng cña ®o¹n Nh−îc ®iÓm n÷a lµ v× dßng tÜnh collector IC0 lu«n ~ lớn biên độ dòng tín hiệu ra, không có tín hiệu ( U BE = ) dòng tĩnh lớn khác 0, nên hiÖu suÊt thÊp (< 50%) Chế độ B có điểm làm việc đ−ợc xác định UBE = Do đó nửa chu kỳ d−ơng (hoặc âm) tín hiệu vào đ−ợc khuếch đại −u điểm chế độ này là dòng tĩnh nên hiệu suất cao và tận dụng đ−ợc tối đa đoạn tuyến tính đặc tr−ng Tuy nhiên khuếch đại đ−ợc nửa chu kỳ nên phải dùng sơ đồ đẩy kéo cho phép hai transistor hoạt động luân phiên, transistor khuếch đại nửa chu kỳ tín hiệu Nếu chọn điểm hoạt động nằm đoạn phi tuyến đặc tr−ng trên điểm không ta có chế độ AB Trong chế độ này tín hiệu có dòng IC0 nh−ng nhỏ, tín hiệu vào nhỏ, khuếch đại có thể hoạt động tuyến tính đ−ợc Còn tín hiệu vào lớn nó hoạt động nh− chế độ B Chế độ này cho hiệu suất cao chế độ A (đến 70%) Chế độ C là chế độ cho dòng collector xuất phần nửa chu kỳ tín hiệu Điểm hoạt động đ−ợc chọn là điểm C sau điểm Thế phân cực UBE < Chế độ này th−ờng đ−ợc dùng các khuếch đại cao tần có tải cộng h−ởng để có thể lọc đ−ợc các hài bậc 89 - Sơ đồ khuếch đại công suất đơn Các sơ đồ khuếch đại công suất đơn th−ờng đ−ợc thiết kế theo cách mắc emitter chung lặp lại emitter để đảm bảo có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ Th−ờng sử dụng chế độ A với điểm làm việc nằm đ−ờng đặc tr−ng tĩnh IC Tín hiệu chế độ A t A Tín hiệu chế độ B AB C Tín hiệu chế độ C B UBE TÝn hiÖu vµo Hình 4.37 Các chế độ hoạt động transistor tầng công suất + Sơ đồ khuếch đại công suất emitter chung Tải tầng khuếch đại công suất th−ờng đ−ợc mắc trực tiếp vào collector transistor công suất Th−ờng hay sử dụng mạch ghép qua biến áp có hiệu suất cao nh− hình 4.38.a Th−ờng tầng khuếch đại sử dụng chế độ A IC EC/ZC IC ICmax + ~ IC IC0 L1 ICmin L2 IC0 Rb UCE UCE0 t EC Uv UCE (a) (b) Hình 4.38 Sơ đồ khuếch đại công suất đơn ghép biến áp Từ họ đặc tr−ng tĩnh và đ−ờng tải (hình 4.38.b) xác định đ−ợc dòng IB0 và tính đ−ợc trở định thiên Rb Công suất cực đại tín hiệu hình sin đ−ợc xác định theo biểu thức: Pr max = 90 ^ 1^ I c max U c max ^ ^ I c max và U c max là biên độ cực đại dòng và trên collector C«ng suÊt nguån cung cÊp cho m¹ch lµ: P0 = T T ^ ⎛ ⎞ E C ⎜⎜ I C + I C sin ωt ⎟⎟ dt = E C I C ⎝ ⎠ ∫ ^ (4.47) ^ Để tận dụng tối đa công suất thì phải đảm bảo: U C max ≈ EC và I C max ≈ IC Do hiệu suất tối đa mà sơ đồ có thể đạt đ−ợc là: ηmax = Pr max = 50% P0 (4.48) ^ Khi chän U c b»ng mét nöa Ecc ta ®−îc c«ng suÊt tiªu t¸n trªn transistor nhá h¬n c«ng suÊt tiªu tán cực đại cho phép: PC = ICUCE ≤ Pc max Từ giá trị nguồn nuôi và công suất tiêu tán cực đại cho phép này ta tìm đ−ợc tải động tối −u m¹ch: RTop = EC2 (4.49) PC max Ta biÕt r»ng trë t¶i RT ®−îc chuyÓn sang m¹ch collector thµnh trë t−¬ng ®−¬ng R'T = n2RT Trong đó n là tỉ số biến Vậy từ công thức này có thể tính đ−ợc tỉ số biến n Do có −u điểm độ tuyến tính cao nh−ng hiệu suất nhỏ nên khuếch đại kiểu này th−ờng đ−ợc sử dông c¸c bé c«ng suÊt nhá + Sơ đồ khuếch đại công suất lặp lại emitter Sơ đồ lặp lại emitter đặc biệt thích hợp với tầng khuếch đại công suất Phần nó thích hợp vì phối hợp đ−ợc trở kháng nguồn tín hiệu với các trở tải nhỏ mà không cần qua biến Hình 4.39.a là sơ đồ mạch +EC Rb1 IC Uv EC/RT Rb2 RT = RE (a) IB0 IE0 +EC UCER Rb1 EC ~ IE UCE C1 C2 Uv Rb2 RE (c) RT (b) 91 Hình 4.39 Khuếch đại công suất dùng sơ đồ lặp lại emitter Để có tín hiệu lớn chọn chế độ hoạt động A Trên đ−ờng đặc tr−ng hình 4.39.c ta có: U CE = U CER + I E0 ≈ E C − U CER E C + U CER = 2 EC 2R T Biên độ điện áp và dòng điện cực đại là: ^ ^ U r max = U E max = EC − UCER Khi ®iÖn trë t¶i tèi −u b»ng: RTop = ^ Pr max ^ ^ I r max = I E Ecc − UCER ta ®−îc c«ng suÊt lín nhÊt: 2IE ^ (E − UCER )2 UE IE U E2 = = = C 2 RTop RTop (4.50) Khi coi Ic ≈ IE ta tÝnh ®−îc c«ng suÊt nguån mét chiÒu cÊp cho m¹ch: P0 = E C I C (4.51) Vậy hiệu suất cực đại mạch là: ηmax = (E − UCER )2 100% = EC − UCER 100% ≈ 25% Pr max 100% = C P0 RTop EC I E EC (4.52) Còng tÝnh ®−îc c«ng suÊt tæn hao trªn transistor: PC = P0 − Pra = P0 − T ∫ ^ ⎞ ⎛ ⎜ ^ I C2 ⎟ ⎛ ⎞ ⎟ R T ⎜⎜ I E + I C sin ωt ⎟⎟ dt ≈ P0 − R T ⎜ I E + ⎟ ⎜⎜ ⎝ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠ (4.53) Trong tr−ờng hợp không muốn dòng điện chiều chảy qua tải phải dùng sơ đồ lặp lại emitter ghép điện dung với tải nh− sơ đồ hình 4.39.b Tuy nhiên tính toán cho thấy chạy chế độ A, sơ đồ này có hiệu suất thấp (< 10%) nên ít đ−ợc dùng - Các sơ đồ đẩy kéo Các sơ đồ khuếch đại công suất kiểu đẩy kéo th−ờng hoạt động các chế độ B AB cho phép tăng đ−ợc công suất, hiệu suất và giảm méo phi tuyến Một tầng đẩy kéo thông th−ờng gồm transistor đ−ợc mắc chung với tải Mỗi transistor đ−ợc hoạt động nửa chu kỳ d−ơng âm tín hiệu Có thể phân biệt loại sơ đồ đẩy kéo Loại sơ đồ đẩy kéo song song, đó nguồn cung cấp cho các transistor đ−ợc mắc song song với nhau; loại này th−ờng dùng tải là biến có nửa bên sơ cấp để hoà tác động vào cuộn lối bên thứ cấp 92 Loại sơ đồ đẩy kéo nối tiếp, đó nguồn cung cấp điện cho các transistor đ−ợc mắc nối tiếp với nhau; lo¹i nµy cã ®Çu nèi lèi n»m ë gi÷a transistor + Sơ đồ đẩy kéo song song Hình 4.40.a là sơ đồ tầng công suất đẩy kéo song song dùng biến ¸p vµo vµ biÕn ¸p +EC IC2 Rb1 Tr1 L1 T2 Tr2 L2 L4 L3 L5 T1 L5 UBE3 RT D2 0,6V D3 - 0,6V T3 C UBE2 Rb2 IC3 (a) (b) Hình 4.40 Sơ đồ khuếch đại đẩy kéo song song Sơ đồ gồm tầng khuếch đại Tầng thứ gồm transistor T1 và biến Tr1 gọi là tầng khuếch đại đảo pha với biến Tr1 là biến đảo pha Nó gồm cuộn sơ cấp L1 và hai cuộn thứ cấp L2 và L3 Hai cuộn L2 và L3 đ−ợc cùng chiều, với điểm đ−ợc nối đất nhờ tụ C Với c¸ch cuèn d©y nh− vËy ta cã thÓ nhËn ®−îc tÝn hiÖu ng−îc pha trªn L2 vµ L3 tõ mét tÝn hiÖu trên L1 Hai transistor T2 và T3 hoạt động đẩy kéo Thế phân cực (điểm hoạt động) cho chúng cặp điện trở Rb1 và Rb2 tạo trên đặc tuyến IC = f(UBE) đ−ờng chấm chấm trên hình 4.40.b Cần chọn cho này t−ơng ứng với các điểm D2 và D3 (chế độ AB) Vì hai transistor T2 và T3 có cùng phân cực nên đoạn từ D2 đến D3 triệt tiêu và đặc tr−ng IC (UBE) T2 và T3 đ−ợc dịch lại và nhập chung nh− đ−ờng liền nét Nh− là T2 hoạt động nửa chu kỳ tín hiệu và T3 hoạt động nửa chu kỳ có dấu ng−ợc lại Nếu khuếch đại tín hiệu hình sin thì nửa dòng hình sin nµy sÏ ch¶y qua mét nöa cuén s¬ cÊp biÕn thÕ xuÊt Tr2 Do c¶m øng nªn kÕt qu¶ lµ bªn thø cÊp biÕn xuất tín hiệu hình sin tổng hợp đủ hai nửa chu kỳ xuất tải Tỉ số số vòng sơ cấp trên thứ cấp biến Tr2 đ−ợc tính toán cho nó đảm bảo đ−ợc nhiệm vụ phối hợp trở kháng tầng khuếch đại và tải Ta h·y tÝnh hiÖu suÊt cña m¹ch: Gäi n ≡ N1 lµ tû sè biÕn thÕ Tr2, víi N1 sè vßng cña nöa cuén s¬ cÊp vµ N2 lµ sè vßng cuén thø N2 cÊp Nh− vËy trë t−¬ng ®−¬ng cña mçi transistor lµ: R T' = n R v ^ VËy: IC = ^ U CE R T' ^ ^2 ^ vµ U CE = n U C«ng suÊt t¶i lµ: ^ U U CE Pra = = 2 RT n R T ^ Biên độ điện áp cực đại transistor: U CE max = UCE − UCER 93 Pra max = Vậy công suất cực đại: (UCE − UCER )2 (4.54) n RT Vì khuếch đại làm việc chế độ B nên dòng collector trung bình là: − IC = T ^ T ∫ I C (t )dt = IC π ^ P0 = VËy c«ng suÊt mét chiÒu cÊp cho m¹ch lµ: π ^ I C EC = U CE E C π n RT Thay P0 vµ Pra vµo ta tÝnh ®−îc c«ng suÊt tæn hao trªn collector cña transistor: ^ PC = P − P = ^ U CE E C π n RT − U CE (4.55) 2n R T ^ ^ PC thay đổi theo U CE và đạt cực đại khi: U CE = chế độ B, công suất tổn hao cực đại là: PC max = Vậy hiệu suất cực đại mạch là: ηmax = Pra max π 100% ≈ 100% ≈ 78,5% P0 max EC π π2 Pra max (4.56) Ta thấy hiệu suất khuếch đại đẩy kéo lớn khuếch đại đơn nhiều Bộ khuếch đại đẩy kéo hoạt động chế độ AB nên dòng tĩnh ban đầu nhỏ tức là không có tín hiệu thì các transistor hầu nh− không hoạt động và không tổn hao nhiệt, hiệu suất cao Hơn vùng hoạt động tuyến tính khuếch đại rộng gấp hai lần tr−ờng hợp khuếch đại đơn Nh−ng v× kÝch th−íc biÕn ¸p lín, gi¸ thµnh cao vµ d¶i tÇn lµm viÖc bÞ h¹n chÕ nªn ngµy cßn hay sö dụng các sơ đồ liên kết trực tiếp nh− d−ới đây + Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp Trong các khuếch đại âm thanh, việc chọn đ−ợc biến cho chất l−ợng dải truyền tần số đến các tần số cực thấp là khó Do vậy, sử dụng tầng khuếch đại đẩy kéo có liên kết trực tiếp cho phép khắc phục các nh−ợc điểm trên, đặc biệt đ−ợc dùng các khuếch đại đòi hỏi chất l−ợng cao Các sơ đồ này thuộc loại đẩy kéo nối tiếp sử dụng các transistor khác loại hay cùng loại Ta khảo sát sơ đồ điển hình sau Hình 4.41 là sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng transistor cùng loại +EC +EC If RC Rb1 UV T2 Ivf Ura T1 Rb2 UVf Rb2 T3 RE RC Rf1 T2 Iv Rf2 Uv T1 Ura RT T3 D -E C (a) (b) -EC Hình 4.41 Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng transistor cùng loại 94 RT T1 là tầng khuếch đại tín hiệu đảo pha để tạo các tín hiệu ng−ợc pha đ−a vào hai base các transistor T2, T3 Trong sơ đồ này thay cho nguồn cung cấp có điểm nối đất ng−ời ta dùng nguồn đối xứng ± Ec Có thể coi sơ đồ T2 mắc theo mạch collector chung, còn T3 mắc theo mạch emitter chung Ngoài nhiệm vụ đảo pha, T1 còn có nhiệm vụ định điểm làm việc cho T2 và T3 nhờ điện áp tĩnh trên base và emitter nó Trong thực tế, chọn RE cho đảm bảo yêu cầu độ mÐo vµ c«ng suÊt khã nªn ng−êi ta th−êng thay ®iÖn trë RE h×nh 4.41.a b»ng diode D nh− hình 4.41.b Diode làm nhiệm vụ hạn chế biên độ điện áp base-emitter T3, nhờ đó khắc phục đ−ợc t−ợng quá tải cho T3 Mạch phản hồi âm gồm Rf1, Rf2 để giảm méo phi tuyến Ta hãy tính hệ số khuếch đại có phản hồi Kf Với nút vào base transistor T1 ta có: I v = I vf + I f = Uv , U vf = I vf R f + U v Rv U rf = I f R f + U v = K u U v VËy: Kf = U raf U vf =− Rf1 Rf2 với Ku là hệ số khuếch đại không có phản hồi Ku Ku + + R f / R f + R f / Rv NÕu ph¶n håi ©m s©u ( K u >> + Rf1 Rf2 + Rf1 Rv ) th× K f ≈ − R f1 (4.57) Rf2 Hình 4.42 là sơ đồ tầng công suất đẩy kéo nối tiếp dùng các transistor khác loại đơn giản cùng đặc tr−ng tĩnh và đ−ờng tải các transistor IC +EC IEmax T1 Ura UV T2 IB0 Ira RT UCE EC Ura -EC (a) (b) Hình 4.42 Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng transistor khác loại C¶ hai transistor ®−îc m¾c theo kiÓu collector chung víi t¶i lµ RT §iÖn ¸p vµo base b»ng nªn điện áp trên các emitter Điện áp kích cho hai transistor là đồng pha và có biên độ Hệ số khuếch đại mạch Ku ≈ ^ Biên độ tín hiệu nằm khoảng: U = k (EC − UCER ) ; ^ I = kI E max Trong đó k là hệ số tỉ lệ lấy giá trị từ đến ^ ^ U I VËy c«ng suÊt cña mçi transistor lµ: Pra = = k (EC − UCER )I E max 2 C«ng suÊt nguån mét chiÒu cung cÊp cho mçi transistor lµ: (4.58) 95 P0 = EC T/2^ T ∫ k I sin ωtdt = π (4.59) EC I E max C«ng suÊt tæn hao trªn collector cña mçi transistor lµ: k2 (EC − UCER )I E max π Cho đạo hàm dPc / dk = ta tính đ−ợc giá trị k đó công suất tổn hao là cực đại: PC = P0 − Pra = kP max = k EC I E max − (4.60) EC ≈ π (EC − UCER ) π Vậy công suất tổn hao cực đại trên transistor là: PC max = EC2 I E max π (EC − UCER ) ≈ EC I E max π2 Vì PCmax và EC đã biết nên tính đ−ợc dòng emitter IEmax: I E max = π PC max (EC − UCER ) EC2 ≈ π PC max (4.61) EC Tõ ®©y còng tÝnh ®−îc c¸c th«ng sè kh¸c: ^ RT = U ^ = I PraΣ = P0 Σ = EC − UCER E2 = C I E max π PC max 2 k2 (EC − UCER )I E max = k π PC max (EC − U2CER ) ≈ k π PC max 2 EC 2k π EC I E max ≈ k 2πPC max VËy hiÖu suÊt cña m¹ch lµ: P π η = raΣ = k P0 Σ k = → η = π ≈ 78,5% (4.62) Giống sơ đồ nối tiếp cùng loại kể trên, sơ đồ này gặp phải méo phi tuyến làm việc chế độ B Tại các tín hiệu nhỏ điện áp thông lớp tiếp giáp E-B các transistor ngắt và ~ ~ quan hệ U theo U vào là không tuyến tính vùng gần gốc toạ độ Muốn khắc phục loại méo này phải dùng mạch phản hồi âm nh− nói trên Muốn khắc phục triệt để phải di chuyển điểm ~ làm việc cho UBE01 = UBE02 t−ơng ứng với mức điện áp vào U vào = Tức là phải đặt lên base các transistor các điện áp ban đầu thích hợp chế độ hoạt động AB Hình 4.43.a là sơ đồ đẩy kéo nh− Trong sơ đồ, T1 là tầng khuếch đại đảo pha mắc theo kiểu emitter chung Tải collector nó là hai điện trở R4 và R5 Trong đó R5 và hai diode d1, d2 tạo phân cực cho T2 và T3 hoạt động chế độ AB Khuếch đại đẩy kéo đ−ợc thực các transistor khác loại T2 (lo¹i n-p-n) vµ T3 (lo¹i p-n-p) Khi ch−a cã tÝn hiÖu, ®iÒu chØnh biÕn trë R2 cho Ub2 = 0,6V Khi cã tÝn hiÖu xoay chiÒu ë lèi vµo UV , trªn collector cña T1 sÏ xuÊt hiÖn dßng xoay chiÒu IC1 vµ thÕ 96 xoay chiều UC1 Trong nửa chu kỳ d−ơng UC1, T2 khuếch đại tín hiệu Trong nửa chu kỳ âm UC1, T3 khuếch đại Kết là dòng qua tải (loa) là dòng xoay chiều hình sin có dạng nh− tÝn hiÖu lèi vµo C¸c ®iÖn trë R6 vµ R7 lµm nhiÖm vô b¶o vÖ cho T2 vµ T3 Chóng cã trÞ sè nhá 0,5 Ω Trë cña T2 vµ T3 thùc chÊt ®−îc m¾c song song víi nhau, h¬n n÷a R5 = 1kΩ vµ hai diode d1, d2 m¾c ë lèi vµo nªn nã cã trÞ sè nhá so víi trë kh¸ng cña loa (vµi «m) +EC R1 +EC R4 R2 R3 T2 d1 d2 R5 T2' Ura R1 R6 T1 UV R7 R3 RE T2 d1 d2 d3 d4 RT T3 RT T3' UV T3 Ura T1 R2 -EC (a) (b) Hình 4.43 Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp công suất nhỏ (a) và công suất lớn (b) -EC Khi cần công suất lớn hơn, th−ờng dùng sơ đồ hình 4.43.b Trong đó T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất T1 là tầng kích cho tầng công suất hoạt động Các cặp T2, T2' và T3, T3' đ−ợc mắc theo sơ đồ Darlington nhằm đạt đ−ợc hệ số khuếch đại dòng lớn và trở nhỏ Để sơ đồ hoạt động ổn định, th−ờng mạch phản hồi âm đ−ợc thiết kế từ lối qua mạch RC đến lối vào T1 Điều cần chú ý lắp ráp sơ đồ là phải đảm bảo điều chỉnh đ−ợc tính cân xứng Khi không có tÝn hiÖu xoay chiÒu, thÕ mét chiÒu trªn t¶i ph¶i lµ v«n 4.4 Transistor tr−êng Transistor hiệu ứng tr−ờng hoạt động dựa trên tác động điện tr−ờng lên chuyển động c¸c h¹t t¶i ®iÖn mét kªnh b¸n dÉn lo¹i p hoÆc n Cã hai lo¹i transistor tr−êng: lo¹i JFET vµ lo¹i MOSFET 4.4.1 Transistor tr−êng lo¹i JFET Ch÷ JFET lµ viÕt t¾t cña côm tõ tiÕng Anh: Junction Field Effect Transistor cã nghÜa lµ transistor hiệu ứng tr−ờng có lớp chuyển tiếp p-n Cấu trúc và nguyên lý hoạt động transistor tr−êng lo¹i JFET ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 4.44.a Cã lo¹i JFET kªnh N vµ kªnh P Ta sÏ xÐt ®iÓn h×nh mét lo¹i kªnh N I (mA) D -VGS IDS Gate líp p ID Source 0V miÒn nghÌo Kªnh N RT Drain (a) H×nh 4.44 +VD UP - VGS (V) (b) Cấu trúc và đặc tính truyền đạt transistor tr−ờng JFET 97 Trªn mét b¸n dÉn silicon lo¹i n, ng−êi ta t¹o nªn mét kªnh dÉn ®iÖn N víi c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn c¬ b¶n lµ ®iÖn tö n ®−îc giíi h¹n bëi mét líp b¸n dÉn lo¹i p bao xung quanh Cã ®iÖn cùc đ−ợc gắn lên đó: cực nguồn S (source), cực cửa G (gate) và cực máng D (drain) Vị trí và nguồn ®iÖn cÊp cho c¸c cùc ®−îc cho nh− trªn h×nh Transistor JFET kªnh N gäi lµ N-JFET Khi ho¹t động, ta thấy lớp tiếp giáp p-n cực cửa G và cực nguồn S đ−ợc phân cực ng−ợc UGS, còn t¶i tiªu thô ®−îc m¾c nèi tiÕp víi kªnh dÉn vµ dßng qua t¶i chÝnh lµ dßng cùc m¸ng ID Nh− đã biết đặc tính lớp tiếp giáp p-n, biến đổi giá trị điện áp phân cực ng−ợc trên cực cửa UGS làm thay đổi độ rộng miền nghèo phần tử tải Điều đó dẫn đến làm thay đổi thiết diện ngang kênh dẫn N và làm thay đổi dòng cực máng ID chảy qua kênh Nh− dòng cực máng phụ thuộc vào cực cửa và đó cực cửa còn đ−ợc gọi là cực điều khiển Điện áp mà đó dòng cực máng ID nhận giá trị cực tiểu (≈ 0) gọi là điện áp ng−ỡng UP Đặc tuyến truyền đạt ⎛ U ®−îc m« t¶ bëi ph−¬ng tr×nh I D = I DS ⎜⎜ − GS UP ⎝ ⎞ ⎟ và có dạng nh− trên hình 4.44.b, đó IDS là ⎟ ⎠ dßng cùc m¸ng UGS = Transistor tr−êng ID (mA) vïng JFET có tác dụng khuếch đại nh− transistor vïng b·o hoµ tuyÕn tÝnh l−ỡng cực Họ đặc tr−ng lối transistor 10 U = 0V N-JFET cã d¹ng nh− h×nh 4.45 gåm vïng: - Vùng bão hoà (UD > Ubh): đó ID U = -0,5V kh«ng phô thuéc vµo UDS mµ chØ phô thuéc vµo UGS Đây là vùng sử dụng cho khuếch đại với U = -1,0V dßng ID ®−îc ®iÒu khiÓn bëi thÕ vµo UGS -1,5V -2,5V - Vùng tuyến tính (UD < Ubh): đó UD UDS (V) 10 cã gi¸ trÞ nhá vµ phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo ID Hình 4.45 Họ đặc tr−ng lối JFET - Vùng đánh thủng: đó dòng ID đột ngột tăng UDS đủ lớn để đánh thủng lớp tiếp giáp p-n gần điện cực máng Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động transistor tr−ờng P-JFET nguyên tắc giống nh− loại N-JFET Hình 4.46 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt hai loại này GS GS GS Ký hiÖu Cùc tÝnh UDS Đặc tuyến truyền đạt ID ID (mA) D NJ-FET IDS N-JFET G + + - S UP -4 ID (mA) D PJ-FET P-JFET G VGS (V) - - UGS (V) + S Hình 4.46 Ký hiệu và đặc tính truyền đạt hai loại transistor tr−ờng JFET 98 4.4.2 Transistor tr−êng lo¹i MOS-FET Ch÷ MOS-FET lµ viÕt t¾t cña côm tõ tiÕng Anh: Metal-Oxyt Semiconductor FET cã nghÜa lµ transistor hiÖu øng tr−êng cã cùc cöa c¸ch ®iÖn b»ng vËt liÖu «-xit kim lo¹i CÊu tróc cña mét transistor MOS-FET ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 4.47 +V Linh kiÖn còng gåm cã cùc: cùc nguån R +V +Ecc S vµ cùc m¸ng D nèi víi hai ®Çu kªnh dÉn, cùc G I D S cöa G nèi víi b¶n kim lo¹i ®−îc c¸ch ®iÖn cao N N víi kªnh qua mét líp c¸ch ®iÖn, th−êng lµ «-xit Kªnh N nh«m cã ®iÖn trë rÊt cao Víi cÊu tróc nh− vËy, §Õ P tån t¹i mét tô ®iÖn MOS n»m gi÷a cùc nguån vµ cùc m¸ng ThÝ dô, transistor MOS-FET H×nh 4.47 CÊu tróc cña transistor MOS-FET kênh N sử dụng đế silicon loại p, cực nguồn và cực máng là silicon N+ Một hiệu điện d−ơng đủ lớn đặt lên cực cửa làm đảo ng−ợc tính bán dẫn đế P và làm hình thành đế kênh dẫn N Các điện tử kênh dẫn chuyển dịch từ cực nguồn sang cực máng có hiệu d−ơng UDS đặt cực máng và cực nguồn Nh− cách biến đổi giá trị đặt vào cực cửa ta có thể biến đổi giá trị dòng chảy qua cực máng Transistor tr−ờng MOS-FET có thể dùng để khuếch đại dòng điện Do tính cách điện cao lớp ô-xit kim loại nên transistor MOS-FET có đặc điểm quý là có trở vào rÊt cao, dßng dß lèi vµo rÊt nhá Trong mçi lo¹i kªnh P hay N, transistor tr−êng MOS-FET cßn ®−îc ph©n biÖt thµnh lo¹i: - Loại kênh có sẵn (hoạt động enhancement-mode): đó UGS = đã tồn sẵn kênh dẫn N (nếu đế loại P) hay kênh dẫn P (nếu đế loại N) Khi UGS < làm nghèo nồng độ hạt tải kênh và giảm độ dẫn kênh, giảm dòng ID - Loại kênh không có sẵn (hoạt động deplete - mode): đó UGS = 0, độ dẫn kênh nhỏ, hầu nh− Chỉ đặt d−ơng (với loại kênh N, đế loại P) hay âm (với loại kênh P, đế loại N) hình thành kênh dẫn điện Sự tăng giảm UGS trên giá trị điện áp ng−ỡng làm thay đổi nồng độ hạt tải điện kênh, làm thay đổi độ dẫn kênh và t−ơng ứng là dßng cùc m¸ng ch¹y qua kªnh Hình 4.48 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt loại này GS T DS D Cùc tÝnh Ký hiÖu UDS ID UGS Đặc tuyến truyền đạt ID NMOS-FET kªnh cã s½n D + G + - S UGS ID D PMOS-FET kªnh cã s½n - G - + VGS S 99 ID NMOS-FET kªnh ch−a cã s½n D + G + + S PMOS-FET kªnh ch−a cã s½n UGS ID D - - - VGS G S Hình 4.48 Tóm tắt các ký hiệu và dạng đặc tính các loại transistor MOS-FET Nói chung các sơ đồ hoạt động transistor +Ecc tr−êng FET còng t−¬ng tù nh− transistor l−ìng cùc BJT, tức là có các sơ đồ mắc theo kiểu nguồn U C D G chung (source chung), cöa chung (gate chung) hay _ U S máng chung (drain chung) Riêng mạch định điểm + U <U lµm viÖc, thÝ dô cho mét transistor tr−êng N-JFET, R C R I th−ờng hay sử dụng sơ đồ dùng sụt áp qua trở mắc cực nguồn nh− trình bày trên hình 4.49 Trong sơ đồ nµy, dßng m¸ng ID gÇn b»ng dßng cùc nguån IS sÏ t¹o H×nh 4.49 §Þnh ®iÓm lµm viÖc cho transistor J-FET kªnh N qua trë cùc nguån RS nªn mét sôt ¸p trªn ®iÖn trë RS víi chiÒu nh− h×nh vÏ Sụt áp này đ−ợc truyền qua điện trở đặt cực cửa Rg (th−ờng có giá trị lớn cỡ mê-ga ôm) để t¹o mét ®iÖn ¸p ng−îc cÊp cho tiÕp gi¸p cöa - nguån G-S V G S g E S S 4.5 Thyristor vµ triac Thyristor vµ triac lµ c¸c linh kiÖn chuyÓn m¹ch b¸n dÉn §ã lµ v× chóng chØ n»m ë mét hai tr¹ng th¸i: cÊm hoµn toµn vµ th«ng ë møc b·o hoµ Trong thyristor hoạt động với nguồn điện chiều thì triac có thể hoạt động với nguồn ®iÖn xoay chiÒu 4.5.1 Thyristor: nh− trªn h×nh 4.50.a lµ cÊu tróc gåm líp b¸n dÉn ®−îc ghÐp liªn tiÕp víi n-p-n-p (h×nh a) hay p-n-p-n (h×nh b) cïng víi ®iÖn cùc nh− ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh gäi lµ a-nèt A (anode), ka-tèt K (kathode) vµ cùc cöa G (gate) Ký hiÖu cña thyristor nh− h×nh 4.50.b S¬ đồ cấp điện cho thyristor loại p-n-p-n với tải đ−ợc trình bày trên hình 4.50.c, đó ECC là nguồn cung cấp, UG là điều khiển đ−ợc đặt vào cực cửa với đất Với loại thyristor n-p-n-p thì cực tính ®iÖn ¸p nguån vµ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ®−îc m¾c ng−îc l¹i Họ đặc tr−ng I AK = f (U AK ) U G = const có dạng nh− hình 4.51 Ta thấy dạng này giống đặc tr−ng đèn chứa khí Với UG không đổi, UAK < Umồi, dòng qua thyristor hầu nh− kh«ng Thyristor ë vµo tr¹ng th¸i cÊm vïng (I) Khi thÕ UAK = Umåi, dßng qua thyristor b¾t đầu tăng lên cách đột ngột dẫn tới sụt mạnh trên anode làm cho UAK giảm, thyristor lúc nµy ë tr¹ng th¸i cã ®iÖn trë ©m (II) tøc lµ thÕ gi¶m-dßng t¨ng 100 IAK A (anode) A n G (gate) + p2 UG - J3 n2 p - ECC J2 G K + J1 n1 G RT p1 A p n UAK K K (kathode) (a) (b) H×nh 4.50 CÊu tróc, ký hiÖu vµ c¸ch m¾c thyristor (c) Sau đó tăng nguồn vào, dòng IAK tiếp tục tăng IAK rÊt nhanh, thyristor ë vµo tr¹ng th¸i th«ng vïng (III) (III UG1 > UG2> UG3 Ng−ợc lại, vùng thông, ta phải giảm dần UAK đến ) IH mức nào đó quá thì thyristor lại nhảy nhanh (II) chãng vÒ tr¹ng th¸i cÊm §−êng chÊm chÊm cho ta qu¸ tr×nh chuyển từ thông sang cấm đó Họ đặc tr−ng cho thấy, (I ) U U U U U U thÕ UG t¨ng th× ®iÖn ¸p måi Umåi gi¶m xuèng, tøc lµ thyristor UAK sÏ dÔ chuyÓn tõ tr¹ng th¸i cÊm sang tr¹ng th¸i th«ng h¬n H×nh 4.51 §Æc tr−ng V-A cña Vậy ngoài quá trình quá độ (vùng II), thyristor vào Thyristor hai trạng thái ổn định là cấm thông giống nh− mét c¸i chuyÓn m¹ch ®iÖn tö (c«ng t¾c) cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc ë mét hai tr¹ng th¸i kho¸ hoÆc më Do vËy tiÕng Anh, thyristor th−êng ®−îc gäi t¾t lµ SRC (silicon controlled rectifer) cã nghÜa lµ dông cô chØnh l−u cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu b¸n dÉn silic Kh¸c víi c¸c chuyển mạch điện - khí, ngoài đặc điểm có tốc độ chuyển mạch nhanh (tốc độ điện tử) −u điểm thyristor còn chỗ nó là chuyển mạch không có tiếp điểm Các quá trình xảy đó hoµn toµn b¶n chÊt vËt lý cña qu¸ tr×nh dÉn ®iÖn n»m vËt liÖu b¸n dÉn, nªn tr¸nh ®−îc viÖc đánh lửa không khí thời gian chuyển mạch quá độ các tiếp điểm khí Bằng cách ®iÒu chØnh gi¸ trÞ cña thÕ UG cã thÓ ®iÒu khiÓn cho thyristor chuyÓn tõ mét tr¹ng th¸i nµy sang tr¹ng th¸i kh¸c nhanh hay chËm h¬n víi c¸c thÕ UAK kh¸c Cã thÓ gi¶i thÝch nguyªn lý lµm viÖc cña thyristor lo¹i p-np-n trªn h×nh 4.50.c nh− sau: §Æt thyristor d−íi ®iÖn ¸p mét chiÒu ®−îc ph©n cùc nh− h×nh vÏ, tøc lµ anode ®−îc nèi víi cùc d−¬ng vµ kathode ®−îc nèi víi cùc ©m cña nguån ®iÖn Lóc nµy c¸c tiÕp gi¸p J1 vµ J3 ®−îc ph©n cùc thuận nh−ng tiếp giáp J2 đ−ợc phân cực ng−ợc Do gần nh− toàn điện áp nguồn đ−ợc đặt lên J2 Trong tr−êng hîp nµy, ®iÖn tr−êng ngoµi EC cïng chiÒu víi h−íng cña ®iÖn tr−êng néi t¹i EJ cña lớp tiếp giáp, tức là có chiều h−ớng từ lớp n1 sang p2 và đó làm vùng nghèo (cách điện) càng réng ng¨n kh«ng cho dßng ®iÖn ch¶y qua thyristor Thyristor ë vµo tr¹ng th¸i kho¸ NÕu cho mét xung d−ơng tác động vào cực điều khiển G thì làm cho các điện tử chạy từ vùng n2 sang p2 Một số ít các điện tử này tái hợp với lỗ trống miền p2 tạo thành dòng điều khiển IG, còn đại đa số chịu G1 m1 G2 m2 G3 m3 101 søc hót cña ®iÖn tr−êng tæng hîp trªn líp tiÕp gi¸p J2 lao vµo vïng chuyÓn tiÕp nµy Chóng ®−îc tăng tốc nên có động lớn va chạm với các nguyên tử Si và tạo nên điện tử tự Số ®iÖn tö nµy l¹i tham gia vµo qu¸ tr×nh b¾n ph¸ c¸c nguyªn tö Si vµ kÕt qu¶ cña ph¶n øng d©y chuyÒn nµy sÏ lµm xuÊt hiÖn ngµy cµng nhiÒu ®iÖn tö ch¶y vµo vïng n1 qua p1 tíi cùc d−¬ng cña nguån ®iÖn ngoµi g©y nªn hiÖn t−îng dÉn ®iÖn th¸c lò Líp tiÕp gi¸p J2 chuyÓn sang thµnh líp dÉn ®iÖn tõ mét điểm nào đó xung quanh cực G lan toàn lớp tiếp giáp với tốc độ nhanh cỡ 1cm/100μs Các thyristor đại cho tốc độ tăng dòng mở từ vài chục đến hàng ngàn A/μs Thực nghiệm cho thấy điện trở thyristor còn trạng thái khoá cỡ hàng MΩ đã trở thành khoảng phần trăm Ω trạng thái mở Do điện trở nội thyristor lúc mở nhỏ nh− nên trên đặc tr−ng V-A, thÕ UAK lóc më chØ cì hµng v«n Một thyristor đã mở thì diện tín hiệu điều khiển UG không còn tác dụng Thyristor sÏ chØ chuyÓn sang tr¹ng th¸i kho¸ gi¶m dßng ®iÖn IAK xuèng d−íi gi¸ trÞ dßng tr× IH (hình 4.51) đặt điện áp ng−ợc lên thyristor Khi đặt điện áp ng−ợc, lớp tiếp giáp J2 đ−ợc phân cực thuận nh−ng hai lớp J1 và J3 đ−ợc phân cực ng−ợc Những điện tử tr−ớc thời điểm đảo cực tính nguồn có mặt các miền p1, n1 và p2 đảo chiều hành trình và tạo nên dòng ®iÖn ng−îc ch¶y qua kathode vÒ cùc ©m nguån ®iÖn Lóc ®Çu dßng ®iÖn nµy kh¸ lín nh−ng råi sau đó J1 và J3 trở nên cách điện Chỉ còn lại ít điện tử bị giữ hai lớp n1 và p2 bị t−ợng khuếch tán làm ít dần đến hết Thời gian khoá tính từ bắt đầu xuất dòng điện ng−ợc dòng này không Đó là khoảng thời gian mà sau đó đặt điện áp thuận lên thyristor thì nó không mở ch−a có UG tác động Do không đ−ợc đặt thyristor d−ới điện áp thuận nó ch−a bị khoá hoàn toàn để tránh gây chập mạch điện nguồn Thời gian khoá cña c¸c thyristor th«ng th−êng cì vµi chôc μs Cũng có thể giải thích cách đơn giản quá trình chuyển nhanh chóng từ trạng thái khoá sang më cña thyristor nh− sau Víi bèn vïng b¸n dÉn ®−îc s¾p xÕp nh− vËy cã thÓ coi thyristor nh− lµ transistor kh¸c lo¹i ®−îc m¾c tæ hîp víi nh− h×nh 4.52 §Æc ®iÓm chÝnh cña tæ hîp lµ ë chç: lèi A cña transistor nµy l¹i ®−îc m¾c trùc tiÕp tíi lèi A vào transistor Nếu gọi hệ số khuếch đại p T I =I dßng cña hai transistor T1 vµ T2 trªn h×nh lÇn l−ît n là β1 và β2 ta thấy có tác động nào đó lên cực cửa thyristor thì quá trình biến đổi dßng ®iÖn nã sÏ x¶y theo qu¸ tr×nh th¸c lò ThËt vËy, nÕu dßng collector cña T1 t¨ng lªn mét l−îng ΔIC1 còng tøc lµ dßng base cña T2 t¨ng lªn mét l−îng ΔIb2 §iÒu nµy lµm dßng collector n G p p ∼ C1 G B2 T1 IB1 = IC2 n K K H×nh 4.52 Coi Thyristor nh− transistor ®−îc m¾c tæ hîp víi cña T2 t¨ng mét l−îng ΔIC2 = β2ΔIb2 = ΔIb1 (v× dßng IC2 còng chÝnh lµ dßng Ib1) Do vËy sù t¨ng dßng base nµy sÏ dÉn tíi lµm t¨ng dßng collector cña T1 lªn mét gi¸ trÞ míi lµ ΔI'C1 = β1ΔIb1 = β1β2ΔIb2 = β1β2ΔIC1 Nh− sau chu trình phân tích, dòng collector T1 đã tăng lên l−ợng: 102 ΔIC' = β1β lÇn Ph©n tÝch nh− vËy cho kÕt qu¶ lµ sau n chu tr×nh, dßng nµy sÏ t¨ng lªn rÊt nhanh ΔIC chãng theo hµm mò (β1β2)n lÇn Râ rµng qu¸ tr×nh nµy cho phÐp thyristor chuyÓn tr¹ng th¸i tõ kho¸ sang më rÊt nhanh 4.5.2 Triac: gièng nh− thyristor nh−ng cã IAK đặc điểm là cho phép dòng điện qua theo chiÒu tõ anode sang kathode vµ tõ kathode sang A anode thÕ U AK > Umåi Ký hiÖu cña triac vµ đặc tr−ng V-A nó đ−ợc trên hình 4.53 Thyristor vµ Triac th−êng ®−îc sö dông các sơ đồ chỉnh l−u công suất có điều khiển đ−ợc Đó là các sơ đồ dùng để điều khiển tốc độ các động cơ, điều khiển c−ờng độ ánh sáng, các biÕn tÇn, nghÞch l−u, v.v c¸c m¸y ®iÖn G K UAK H×nh 4.53 Ký hiÖu cña triac vµ đặc tr−ng V-A nó 4.6 Bộ khuếch đại thuật toán và các sơ đồ ứng dụng Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) nguyên tắc hoạt động giống nh− khuếch đại thông th−ờng nh−ng có khác là nó có phẩm chất cao có hệ số khuếch đại lớn (hàng trăm ngµn lÇn), trë kh¸ng vµo rÊt cao (dßng dß lèi vµo chØ cì pA) vµ trë kh¸ng thÊp, v.v Do vËy, các thông số khuếch đại thông th−ờng phụ thuộc vào sơ đồ cụ thể nó thì nh− đ−ợc trình bày sau, các đặc tr−ng KĐTT phụ thuộc vào mạch phản hồi lắp bên ngoài Do thời gian đầu, các khuếch đại kiểu này đ−ợc sử dụng làm các phần tử tính toán các máy tính analog nên từ đó mà có tên gọi là khuếch đại thuật toán (operational amplifier OPAM) Hiện nay, dựa trên công nghệ vi điện tử, các KĐTT đ−ợc chế tạo, sản xuất rộng rãi với kích th−ớc nhỏ gọn, giá thành rẻ d−ới dạng các vi mạch tích hợp đơn khối IC (integrated circuits) Th−ờng thì cần biết các đặc tr−ng chủ yếu KĐTT là có thể thiết kế đ−ợc mét m¹ch ®iÖn theo yªu cÇu, nh−ng còng cã tr−êng hîp ph¶i biÕt thªm c¶ cÊu tróc bªn cña bé K§TT n÷a ThiÕt kÕ bªn bé K§TT th−êng bao gåm c¸c m¹ch ®iÖn ®−îc l¾p trªn c¸c transistor với tầng tiền khuếch đại vi sai, tầng đệm, tầng khuếch đại vi sai tầng khuếch đại công suất cùng các mạch phản hồi nhằm tăng tính ổn định và thực số chức cần thiết Ngày nay, KĐTT đ−ợc sử dụng nhiều sơ đồ ứng dụng khác Hình 4.54 là ký hiệu KĐTT và sơ đồ t−ơng đ−ơng KĐTT lý t−ởng +Vcc UP P UN N + +Vcc + Ura _ UP + + _ UN _ _ (a) H×nh 4.54 -Vcc A(UP-UN) (b) Ký hiệu (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng KĐTT lý t−ởng (b) 103 Bộ KĐTT lý t−ởng có hệ số khuếch đại và trở lối vào là vô cùng Do tầng vào th−ờng là khuếch đại vi sai nên KĐTT có lối vào và th−ờng có lối Lối vào P gọi là lối vào thuận vì điện áp lối đồng pha với điện áp lối vào này (UP) tần số thấp Trên sơ đồ, lối vào thuận đ−ợc đánh dấu "+" Lối vào N là lối vào đảo vì điện áp lối ng−ợc pha với điện áp lối vào này (UN) tần số thấp Trên sơ đồ, lối vào đảo đ−ợc đánh dấu "-" HiÖu ®iÖn ¸p lèi vµo nµy gäi lµ ®iÖn ¸p vµo vi sai: U D ≡ U P − U N Điện áp nuôi KĐTT th−ờng là điện áp l−ỡng cực (thí dụ ±5V, ±15V) vì để đảm bảo cho nó hoạt động dải các tín hiệu d−ơng và âm so với điểm chung (đất) 4.6.1 Các đặc tr−ng kĩ thuật Hệ số khuếch đại vi sai, đ−ợc định nghĩa nh− sau: ⎧ ΔU ⎪ ΔU ΔU ΔU ⎪ P =⎨ = AD ≡ ΔU D Δ(U P − U N ) ⎪ ΔU − ⎪⎩ ΔU N víi U N = const (4.63) víi U P = const Hệ số này có trị hữu hạn và tần số thấp nó có giá trị khoảng từ 104 đến 105 Hệ số này còn đ−ợc gọi là hệ số khuếch đại riêng hay hệ số khuếch đại không có phản hồi hay hệ số khuếch đại mạch hở KĐTT Ura(V) Hình 4.55 là đặc tr−ng truyền đạt mô tả Uramax phô thuéc ®iÓn h×nh gi÷a ®iÖn ¸p vµ ®iÖn ¸p vµo vi sai Trong d¶i U < U < U max hÖ sè nµy phô thuéc hÇu nh− tuyÕn tÝnh vµo UD MiÒn này gọi là miền khuếch đại Hai miền còn lại là miền bão hoà Các giới hạn miền khuếch đại nằm cách giá trị biên độ điện áp nguồn nuôi cỡ v«n vµ tuú thuéc vµo tõng lo¹i vi m¹ch K§TT ThÕ lèi vµo lÖch kh«ng (thÕ offset) -50 U0 50 UD (mV) I0 Uramin Hình 4.55 Đặc tuyến truyền đạt KĐTT Đặc tuyến truyền đạt qua điểm "không" (đ−ờng liền nét) nh− trên hình đúng tầng lối vµo vi sai ®−îc chÕ t¹o hoµn toµn c©n xøng Trong tr−êng hîp nµy, kh«ng cã ®iÖn ¸p vµo UP = UN = ta sÏ cã c¸c dßng lèi vµo IP = IN = vµ dßng vµo lÖch kh«ng tÜnh I =| I P − I N |= Nh−ng thùc tÕ, c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c transistor vi sai lèi vµo bé K§TT kh«ng thÓ gièng tuyệt đối nên dù các lối vào không thì hai dòng lối vào khác Kết dẫn tíi r»ng, mÆc dï thÕ lèi vµo vi sai UD = th× ë lèi bé K§TT vÉn cã mét thÕ Ura kh¸c Nãi c¸ch khác đặc tuyến truyền đạt thực tế bị dịch khỏi điểm không nh− đ−ờng chấm chấm trên hình 4.55 Nh− vậy, để làm cho điện áp không thì cần đặt tới lối vào KĐTT hiệu điện áp nào đó ng−ợc dấu và có giá trị U0 nh− trên đặc tính truyền đạt thực tế để bù trừ nó Điện áp này gọi lµ thÕ vµo lÖch kh«ng hay thiªn ¸p kh«ng U0 (thÕ offset) ThÕ offset th−êng vµo kho¶ng mét vµi mV xuống d−ới chục μV tuỳ chất l−ợng IC và phụ thuộc vào các nhân tố nh− nhiệt độ môi tr−ờng, thời gian giµ ho¸ linh kiÖn, nguån nu«i, v.v ThÝ dô, vi m¹ch th«ng dông μA-741 cã thÕ offset cì 1mV 104 và độ trôi offset theo nhiệt độ là cỡ μV/1°C Th−ờng các vi mạch KĐTT đ−ợc thiết kế sẵn các đầu nối cho phép ng−ời dùng mắc các mạch chỉnh offset để điều chỉnh không Hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha: Do KĐTT không hoàn toàn là lý t−ởng nên nh− đã nói trên, đặt tới hai lối vào cùng tín Ura(V) hiệu có độ lớn và phân cực nh− nhau, gọi là U0 10 các tín hiệu đồng pha, thì lối không hoµn toµn b»ng kh«ng Tøc lµ hÖ sè khuÕch ΔU còng đại tín hiệu đồng pha A G ≡ UVG (V) ΔU G 10 -10 kh«ng hoµn toµn b»ng kh«ng §Æc tuyÕn truyền đạt điện áp theo tín hiệu vào -10 đồng pha trên hình 4.56 cho thấy với giá trị đủ lớn tín hiệu vào đồng pha, Hình 4.56 Điện áp phụ thuộc vào tín hiệu đồng pha tăng lên đáng kể Nh− vËy, tÝnh kh«ng lý t−ëng cña bé K§TT cã thÓ ®−îc biÓu thÞ bëi mét th«ng sè gäi lµ hÖ sè suy giảm tín hiệu đồng pha đ−ợc định nghĩa nh− sau: G≡ AD AG (4.64) Hệ số này th−ờng cỡ từ 104 đến 105 tuỳ thuộc chất l−ợng vi mạch KĐTT Chú ý sử dụng khái niệm hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha nh− trên thì phải hiểu chính xác hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai theo công thức sau: AD ≡ ∂Ura ∂U D U G = const Nh− vËy cã thÓ nhËn ®−îc biÓu thøc tæng qu¸t víi ®iÖn ¸p bé K§TT: ΔUra = ∂Ura ∂U D ΔU D + U G = Const ∂Ura ∂U G ΔU G U D = const ΔU = A D ΔU D + A G ΔU G hay: NÕu ΔU = th× G = AD ΔU G =− AG ΔU D (4.65) (4.66) U = const ý nghĩa biểu thức này chỗ: cần phải đặt điện áp vào vi sai UD bao nhiêu để bù trừ tín hiệu đồng pha ΔU G lối vào Thí dụ, KĐTT có G = 104, ΔU D = 10 −3V ; muốn cho Ura (hay không đổi) thì phải đ−a vào ΔU D = − ΔU G = 0,1 μV G NÕu chó ý tíi thÕ offset U0 th× cã thÓ viÕt thÕ lèi nh− sau: Ura = AD (UD − U0 ) + AGUG (4.67) Trë kh¸ng vµo bé K§TT 105 Các KĐTT thực tế có trở kháng vào hữu hạn Th−ờng phân biệt trở kháng vào tín hiệu vi sai và trở kháng vào tín hiệu đồng pha Hình 4.57 cho khái niệm các dòng lối vào vµ c¸c trë kh¸ng vµo t−¬ng øng nµy Víi c¸c bé K§TT dïng transistor l−ìng cùc ë lèi IP vào, trở kháng vào tín hiệu vi sai rD cỡ vài MΩ trở kháng vào tín hiệu đồng pha rG IV + rG + rD _ IN Ura lớn cỡ vài GΩ Dòng tín hiệu vào đ−ợc xác định các r I trë kh¸ng nµy cã trÞ sè vµo kho¶ng vµi nA dßng mét chiÒu cã gi¸ trÞ lín h¬n nhiÒu ch¶y qua lèi vµo KĐTT Dòng vào lúc không có tín hiệu là Hình 4.57 Sơ đồ t−ơng đ−ơng với trở kháng V IV = I V+ − I V− , G vào vi sai, đồng pha và các dòng vào cßn dßng vµo lÖch kh«ng lµ I = I V+ − I V− §èi víi c¸c bé K§TT cã transistor lèi vµo l−ìng cùc, dßng vµo ban ®Çu cì tõ 20 đến 200nA Còn các KĐTT có lối vào là transistor tr−ờng, dòng này khoảng vài nA Phản hồi âm sơ đồ KĐTT XÐt m¹ch K§TT cã m¾c m¹ch ph¶n håi ©m víi hÖ sè ph¶n håi β bªn ngoµi nh− h×nh 4.58 Gäi hệ số khuếch đại mạch có phản hồi là Af ta có lối có phản hồi âm là bằng: U = A D (U V − βU ) → Af = U AD = = U V + βAD V× AD rÊt lín nªn: A f ≈ UD = UV - βUra β+ β AD UV + Ura = Af UV AD β (4.68) Hình 4.58 Phản hồi với khuếch đại thuật toán Từ đây rút kết luận, hệ số khuếch đại KĐTT mắc mạch phản hồi đ−ợc định mạch phản hồi (hệ số β) mà không phụ thuộc vào thân KĐTT Chính tính chất quan trọng này dẫn tới các sơ đồ ứng dụng phong phó vµ thiÕt kÕ dÔ dµng cña bé K§TT coi nã lµ gÇn lý t−ëng Nh− phÇn sau sÏ thÊy, nÕu mạch phản hồi là phân áp điện trở thì ta có đ−ợc khuếch đại tuyến tính, mạch ph¶n håi lµ c¸c linh kiÖn RC ta sÏ cã mét m¹ch läc tÇn sè, nÕu m¹ch ph¶n håi gåm c¸c phÇn tö phi tuyến thì ta nhận đ−ợc tạo dạng sóng lối tuân theo các hàm số định (bộ tạo hàm), v.v Bé K§TT ®−îc m¾c c¸c m¹ch ph¶n håi ©m hoÆc d−¬ng sÏ cã c¸c tÝnh chÊt gièng nh− cã ë các khuếch đại thông th−ờng Thí dụ, phản hồi âm cho hệ số khuếch đại nhỏ so với hệ số khuếch đại hở mạch nh−ng lại làm tăng tính ổn định mạch và mở rộng dải truyền, v.v §¸p øng tÇn sè cña bé K§TT Th−ờng KĐTT đ−ợc chế tạo cho nhiều mục đích sử dụng nên để ổn định, ng−ời ta th−ờng thiết kế nó có đáp ứng tần số giống nh− lọc tần thấp bậc có tần số cắt thấp nh− h×nh 4.59 106 Hệ số khuếch đại vi sai phức có dạng: A& D = AD |AD| (dB) 100 (4.69) f 1+ j fC 80 60 Trong đó AD là giá trị hệ số khuếch đại dải tần số thấp t−ơng ứng với d¶i th«ng ë møc dB, fC lµ tÇn sè c¾t cña d¶i truyÒn 40 20 f (Hz) fC 102 10 103 104 105 106 107 H×nh 4.59 §¸p øng tÇn sè ®iÓn h×nh cña bé K§TT kh«ng cã m¹ch ph¶n håi TÇn sè c¾t fC cña d¶i truyÒn qua kh«ng cã m¹ch ph¶n håi ©m rÊt thÊp, chØ cỡ 10 Hz Ta hãy xác định dải truyền có mạch phản hồi mắc vào KĐTT, tức là xác định tần sè c¾t fCf cã ph¶n håi Nh− trên đã có A f = AD thay AD b»ng gi¸ trÞ phô thuéc tÇn sè, ta cã: + β AD AD 1+ j A& D A& f ( f ) = = + β A& D 1+ β f fC AD 1+ j 1/ β ≈ 1+ j f fC (4.70) f βA D f C A f max ta tÝnh ®−îc tÇn sè c¾t cã ph¶n håi nh− sau: Cho A& f ( f ) = 1/ β ⎛ f + ⎜⎜ ⎝ βA D f C ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⇒ f = βAD f C ≡ f Cf (4.71) Râ rµng d¶i truyÒn qua cã ph¶n håi ©m (fCf) lín gÊp βAD lÇn ch−a cã ph¶n håi (fC) V× Af ≈ β nªn: A f f Cf = A D f C ≡ f T = const KÕt qu¶ trªn cho thÊy tÝch cña hÖ sè khuếch đại nhân với bề rộng dải truyền là số không đổi fT Nói cách khác, m¾c m¹ch ph¶n håi víi bé K§TT nÕu chọn hệ số khuếch đại đ−ợc lợi bao nhiêu th× l¹i bÞ thiÖt bÊy nhiªu vÒ d¶i truyÒn qua H×nh 4.60 lµ kÕt qu¶ cña sù më réng d¶i tÇn lµm viÖc cña bé K§TT cã m¹ch ph¶n håi §¸p øng tÇn sè cña m¹ch cã (4.72) (dB) AD 100 M¹ch hë 80 M¹ch cã ph¶n håi 60 Af 40 20 fC 10 f (Hz) fCf 102 103 104 105 106 107 H×nh 4.60 Sù më réng d¶i tÇn lµm viÖc cña bé K§TT cã ph¶n håi ©m 107 phản hồi đ−ợc mở rộng bao nhiêu lần thì hệ số khuếch đại lại giảm xuống l−ợng t−ơng ứng 4.6.2 CÊu t¹o bªn cña bé K§TT Trong mét sè tr−êng hîp ng−êi thiÕt kÕ m¹ch cÇn biÕt cÊu tróc bªn cña bé K§TT cÇn dïng PhÇn nµy chØ tr×nh bµy nh÷ng nÐt c¬ b¶n nhÊt cña viÖc thiÕt kÕ bªn bé K§TT Víi c¸c thông số đã nêu trên, KĐTT cần có yêu cầu sau: - Dải tần mở rộng tới 0Hz phép khuếch đại tín hiệu xuống đến chiều - §iÖn ¸p lÖch kh«ng cµng nhá cµng tèt - Độ trôi và dòng lệch không theo nhiệt độ, điện áp nguồn, v.v càng nhỏ càng tốt - Trë kh¸ng vµo cao, trë kh¸ng thÊp - Hệ số khuếch đại lớn Muốn có hệ số khuếch đại cao phải ghép vài tầng khuếch đại Vì phải đảm bảo khuếch đại chiều nên phải sử dụng ghép trực tiếp Điều này dẫn tới phải dùng các sơ đồ dịch mức điện áp lối tầng này và lối vào tầng sau Để giảm độ trôi lệch không, các tầng lối vào th−ờng phải sử dụng khuếch đại vi sai, các tầng còn lại là khuếch đại không đối xứng để có điện áp lối không đối xứng so với điện áp không Hệ số khuếch đại điểm sơ đồ phần đối xứng và không đối xứng cần phải đủ lớn để độ trôi điện áp trên lối đủ nhỏ gia tăng độ trôi cña tÇng vµo g©y nªn Hình 4.61 là sơ đồ bên đơn giản mét bé K§TT §Ó ®iÓm lµm viÖc cña transistor T2 không rơi vào miền bão hoà khuếch đại tín hiệu th× thÕ trªn collector kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶i b»ng V+/2 TrÞ sè thÕ lèi kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶i Diode D có điện áp ổn định V+/2 0,6V đảm bảo việc dịch mức điện áp Nếu tín hiệu đồng pha lối vào không thì lựa chọn đúng các thông số sơ đồ, điện collector T2 có thể biến đổi từ đến V+ Dải biến đổi điện áp + + RC + T3 UP T1 T2 UN D Ura RE _ Hình 4.61 Sơ đồ KĐTT đơn giản khuếch đại đó vào khoảng ±V+/2 Khi xuất tín hiệu vào đồng pha d−ơng, dải biến động điện áp giảm đến trị số t−ơng ứng với tín hiÖu nµy miÒn ©m Hình 4.62 là sơ đồ nguyên lý đã đ−ợc đơn giản hoá KĐTT phổ biến là loại μA-741 Thực sự, KĐTT μA-741 gồm 20 transistor và điện trở, tụ điện đ−ợc tích hợp trên đơn tinh thể bán dẫn và đ−ợc đóng vỏ với chân tín hiệu (vỏ gốm, nhựa hình chữ nhật hay vỏ kim loại hình tròn nh− hình 4.62.b Tầng vào là khuếch đại vi sai T1, T2 Nguồn dòng T4 giữ vai trò là điện trở gánh cho T2 Transistor T3 kết hợp với T4 tạo thành "g−ơng dòng điện" Do đó dòng tầng vào có thể đ−ợc tính bằng: I K = IC − IC Nhờ tầng khuếch đại vi sai này mà các tín hiệu vào đồng pha và các tín hiệu dòng collector đồng pha đ−ợc suy giảm đáng kể Các cực emitter T3 và T4 đ−ợc 108 dẫn bên ngoài chân và vi mạch Chúng đ−ợc sử dụng để điều chỉnh điểm lệch không b»ng viÖc nèi víi ®Çu cña mét biÕn trë, ®Çu gi÷a biÕn trë ®−îc nèi xuèng nguån -VCC TÇng thø hai KĐTT gồm các transistor T5 và T6, tầng này mắc theo sơ đồ emitter chung và nguồn dòng đóng vai trò là trở gánh Tụ CK dùng để hiệu chỉnh đặc tính tần số Các transistor T7 và T8 là tầng lối ra, đ−ợc mắc theo sơ đồ lặp cực phát kiểu bù với dòng tĩnh nhỏ, đấu đẩy kéo chế độ AB + + + I2= 300 μA I1= 20 μA T7 CK = 30nF T1 UN T2 UP T8 IC2 IC1 T5 T6 IK T3 T4 offset offset 1kΩ 1kΩ _ _ offset +Vcc − − input out + + input _ offset -Vcc _ (a) (b) Hình 4.62 Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá μA-741 C¸c transistor ë tÇng vµo ®−îc thiÕt kÕ lµm viÖc víi dßng collector cì 10μA Hç dÉn S lóc nµy cỡ 0,4 mA/V Hỗ dẫn tầng vi sai khoảng nửa mức này Trong sơ đồ thực vì transistor vào lại gồm transistor đồng mắc nối tiếp nên trị số này còn giảm nửa Nh−ng nhờ sơ đồ g−ơng dòng điện nên trị số đó lại tăng lên gấp đôi Nói chung tổng hỗ dẫn tầng vào cỡ 0,2 mA/V Với các giá trị dòng tĩnh đã cho, trở kháng gánh t−ơng đ−ơng mạch đ−ợc tính cỡ MΩ Do đó hệ số khuếch đại tầng vào cỡ 400 Hỗ dẫn tầng khuếch đại víi dßng 300 μA t−¬ng øng víi gi¸ trÞ mA/V Víi trë kh¸ng g¸nh tÇng kΩ ta cã hÖ sè khuÕch đại tầng này cỡ 450 Vậy hệ số khuếch đại toàn KĐTT là AD = 400 ì 450 = 1,8.105 Khi cÇn cã dßng dß lèi vµo nhá, trë kh¸ng vµo lín ng−êi ta th−êng sö dông c¸c bé K§TT cã tầng lối vào các transistor tr−ờng Hình 4.63 là sơ đồ đơn giản hoá KĐTT LF-356 dùng các transistor tr−ờng JFET lối vào Hệ số khuếch đại vi mạch này t−ơng đ−ơng với vi m¹ch tr−íc B¶ng 4.1 d−íi ®©y cho c¸c th«ng sè ®iÓn h×nh cña bé K§TT th«ng dông: lo¹i μA-741 sö dông transistor l−ìng cùc ë ®Çu vµo vµ lo¹i LF-356 dïng transistor tr−êng JFET ë ®Çu vµo 109 + + + I5 + I1=240μA CK = 10nF UN T1 T2 T6 T7 UP T3 T4 Ura T8 T9 T5 I3 I2 I4 _ _ _ _ _ Hình 4.63 Sơ đồ đơn giản hoá vi mạch LF-356 B¶ng 4.1 Th«ng sè Ký hiÖu μA-741 LF-356 Hệ số khuếch đại vi sai AD 105 105 Hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha 105 G 3.10 D¶i th«ng m¹ch hë fC 10 Hz Tích hệ số khuếch đại - dải thông fT MHz MHz Trë kh¸ng vi ph©n lèi vµo rD 106 Ω 1012 Ω Trở kháng đồng pha lối vào rG 109 Ω 1014 Ω 30 nA 50 Hz Dßng vµo kh«ng cã tÝn hiÖu IV0 80 nA ThÕ offset U0 mV mV §é tr«i thÕ offset ΔU0/°C 6μV/°C 5μV/°C Hệ số suy giảm biến đổi điện áp nguồn ΔU0/ΔUCC 15 μV/V 10 μV/V Miền suy giảm tín hiệu đồng pha UGmax ± 13 V +15 V, -12 V Miền khuếch đại điện áp Uramax ± 13 V ± 13 V Dòng lối cực đại Iramax ± 20 mA ± 20 mA Trë kh¸ng rra kΩ 50 Ω Dßng tiªu thô ICC 1,7 mA mA 4.6.3 Các sơ đồ dùng phản hồi âm KĐTT Các sơ đồ khuếch đại dùng KĐTT th−ờng dùng mạch phản hồi âm vì với mạch hở (không có phản hồi) phản hồi d−ơng, cần điện áp vào chênh lệch nhỏ cỡ mV đã dẫn tới lối rơi vào miền bão hoà không khuếch đại đ−ợc Trong số tr−ờng hợp đặc biệt, ng−ời ta có dïng ph¶n håi d−¬ng nh−ng luîng ph¶n håi ©m ph¶i ®−îc thiÕt kÕ cho lu«n lín h¬n l−îng ph¶n hồi d−ơng Tuỳ thuộc vào điện áp cần khuếch đại đ−ợc đ−a tới lối vào thuận hay lối vào đảo mà ta có hai sơ đồ bản: khuếch đại không đảo và khuếch đại đảo Sơ đồ khuếch đại không đảo Sơ đồ đ−ợc trên hình 4.64.a với lối cùng pha với lối vào Hình 4.64.b và 4.64.c là hai tr−ờng hợp đặc biệt khuếch đại không đảo R = ∞ Lúc này ta có 110 khuếch đại lặp lại với phản hồi âm 100% và hệ số khuếch đại Giống nh− khuếch đại lặp lại emitter transistor, sơ đồ này có trở kháng vào cao, trở kháng thấp nên hay đ−ợc dùng làm các tầng đệm phối hợp trở kháng tầng tr−ớc có trở cao và tầng sau có trở vào thấp + UV Ura − + UV − + UV Ura Rf Ura − Rf Rf = 0; R1 = ∞ (a) (b) (c) Hình 4.64 Bộ khuếch đại không đảo • Ta hãy tính hệ số khuếch đại sơ đồ tr−ờng hợp KĐTT là lý t−ởng HÖ sè ph¶n håi β ë ®©y b»ng: β = R1 R1 + R f Do hệ số khuếch đại có phản hồi bằng: Af = β = R1 + R f R = 1+ f R1 R1 (4.73) Víi c¸c bé K§TT thùc cã thÓ tÝnh chÝnh x¸c h¬n: Ura = AD (UD − U0 ) + AGUG nÕu U = th× U G = U V U = A D U D + A G U V thay U D = U V − βU ta cã: U = A D (U V − βU ) + A G U V VËy: → U (1 + βAD ) = U V ( A D + A G ) 1+ U A D + A G G = = Af = UV + βAD +β AD (4.74) NÕu G >> vµ AD >> th× ta l¹i cã kÕt qu¶ nh− tr−êng hîp võa tÝnh cho bé K§TT lý t−ëng • Để xác định trở kháng vào cần thay sơ đồ nh− hình 4.65 Nhờ có phản hồi mà có điện áp nhỏ đặt lên trở kháng vào vi sai rD: UD = U U = V A D βA D Nh− vËy lµ chØ cã dßng U V / β AD rD ch¶y qua ®iÖn trë nµy Râ rµng trë kh¸ng vi ph©n lèi vµo nhê cã phản hồi âm mà đã đ−ợc tăng lên βAD lần Ta có công thøc víi tæng trë vµo: ΔU V rV = = βA D rD // rG ≈ rG ΔI V + UV (4.75) Ura IP rG − rD IN rG Rf R1 Hình 4.65 Sơ đồ khuếch đại không đảo có tính đến trở kháng vào 111 Ngay với các KĐTT thông th−ờng dùng transistor l−ỡng cực thì trở này đã v−ợt quá 10 Ω nh−ng nhớ đây là trở tín hiệu xoay chiều biến thiên nhỏ trị trung bình cña dßng vµo mét chiÒu th× lín h¬n nhiÒu Sơ đồ khuếch đại đảo Sơ đồ đ−ợc trên hình 4.66.a với lối ng−ợc pha với lối vào Rf R1 UV Rf IV − N − Ura Ura + + (a) (b) Hình 4.66 Sơ đồ khuếch đại có đảo (a) và sơ đồ biến đổi dòng thành (b) Để tính hệ số khuếch đại ta sử dụng quy tắc đ−ợc phát biểu nh− sau: có phản hồi âm; với độ chính xác đủ cao, miền khuếch đại tuyến tính KĐTT đảm bảo biến thiên cho điện áp hai lối vào UP và UD luôn Trong sơ đồ này lối vào không đảo đ−ợc nối với điểm không, điểm đất (UP = 0) nên theo quy tắc trên giá trị UN luôn miền khuếch đại mặc dù điểm N không đ−ợc nối với điểm đất Vì điểm N lối vào đảo th−ờng đ−ợc gọi là điểm đất ảo Viết ph−ơng trình Kirchhoff cho điểm nút N tr−ờng hợp coi KĐTT là lý t−ëng (dßng vµo b»ng 0): U V U + =0 R1 Rf → Af = Rf U =− UV R1 (4.76) Trong tr−ờng hợp KĐTT là thực, trị số UN khác không và U N = −U / AD Khi đó: Af = − (1 − β )AD + β AD (4.77) Khi βAD >> ta lại có giá trị hệ số khuếch đại tr−ờng hợp lý t−ởng Nh− độ sai lệch so với tr−ờng hợp lý t−ởng đ−ợc xác định hệ số βAD Trở kháng vào sơ đồ khuếch đại đảo có trị số gần R1 Hình 4.66.b là tr−ờng hợp đặc biệt ứng dụng sơ đồ khuếch đại đảo để biến đổi đại l−ợng dòng điện lối vào thành đại l−ợng điện áp lối KĐTT Đây là mạch phản hồi âm điện áp - song song Có thể tính hệ số truyền đạt mạch nh− sau: U D = R f I V + U = U N = đó: U = − R f I V (4.78) 4.6.3 C¸c biÖn ph¸p bï lÖch kh«ng cña bé K§TT Khi dùng KĐTT để khuếch đại các tín hiệu chiều có trị số nhỏ thì phải tính đến vào lÖch kh«ng vµ hiÖn t−îng tr«i ®iÓm kh«ng C¸c dßng ®iÖn tÜnh ë hai lèi vµo bé K§TT th−êng gÇn b»ng vµ th−êng ®−îc cho gi¸ trÞ trung b×nh c¸c tµi liÖu kÜ thuËt C¸c dßng nµy g©y nªn sôt ¸p trªn c¸c lèi vµo Do sù kh¸c cña c¸c ®iÖn trë lèi vµo mµ c¸c sôt ¸p nµy còng kh¸c gây nên hiệu điện chúng là điện áp lệch không khác Vì các sơ đồ thực tế cần 112 phải thiết kế cho điện áp lệch không này càng nhỏ càng tốt Thí dụ, sơ đồ khuếch đại đảo hình 4.67.a, điểm P lối vào thuận không đ−ợc nối trực tiếp xuống đất mà th−ờng đ−ợc nối qua điện trở R2 có giá trị đ−ợc tính cho giá trị điện trở vào trên lối vào đảo Nghĩa là chọn cho: R = R // R f = ( lµ I N R // R f ) ( R1 R f R1 + R f vµ I P R // R f Lóc nµy dßng tÜnh g©y trªn hai ®Çu vµo c¸c sôt ¸p t−¬ng øng ) b»ng UV R1 − N UV Ura R1 − − Ura + + + R4 IP R2 R3 − Ura + + P (a) UV Rf Rf R4 R2 R1 R3 − Rf R2 (b) (c) Hình 4.67 Các sơ đồ bù điện áp lối vào lệch không ( Trên lối vào KĐTT còn có thêm điện áp đồng pha U G = I t R // R f ) víi I t = I P +2 I N §iÖn ¸p lÖch kh«ng cßn g©y trªn lèi bé K§TT mét sai sè Cã thÓ tÝnh sai sè nµy dùa vµo ph−¬ng tr×nh dßng ®iÖn cho nót N U V − U U − U + =0 R1 Rf → U = − Rf ⎞ ⎛ ⎟U U V + ⎜⎜ + R1 R ⎟⎠ ⎝ Rf Từ đó có sai số điện áp lệch không bằng: Rf ⎞ ⎛ ⎟U0 Ura = ⎜⎜ + R1 ⎟⎠ ⎝ (4.79) Rõ ràng hệ số khuếch đại Af = Rf / R1 mạch càng lớn, sai số này càng lớn Trong thực tế ng−ời ta th−ờng dùng các sơ đồ bù điển hình nh− hình 4.67.b và 4.67.c đó việc chỉnh giá trị biến trở R4 cho phép bù chính xác lệch không Các sơ đồ này không cho phép bù lệch không mà số tr−ờng hợp đặc biệt có thể chỉnh điện áp ban đầu đến giá trị cần thiết khác 4.6.5 Các sơ đồ mạch ứng dụng KĐTT Nh− trên đã nói, tính chất đặc biệt KĐTT nên việc mắc các mạch phản hồi âm kh¸c vµo sÏ cho ta c¸c m¹ch ®iÖn øng dông kh¸c D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè m¹ch øng dụng đó với tính toán coi KĐTT là lý t−ởng Mạch lấy tổng đại số (cộng / trừ) Sơ đồ mạch nh− trên hình 4.68 Sử dụng quy tắc dòng điện nút N ta có thể tính đ−ợc lối nh− sau U v1 U v U U + + + + = R1 R2 Rn Rf 113 Rf Rf ⎞ ⎛Rf U = ⎜⎜ U v1 + U v + + U ⎟⎟ R2 Rn ⎠ ⎝ R1 Rf UV1 (4.80) Rf R (U v1 + U v + + U ) Ura + Rn UVn (4.81) − N R1 UV2 NÕu chän R1 = R2 = = Rn ≡ R ta cã: U = R1 H×nh 4.68 M¹ch lÊy tæng Mạch khuếch đại trừ (sơ đồ vi sai) Sơ đồ mạch khuếch đại trừ nh− hình 4.69 Ta chøng minh thÕ lèi Ura tû lÖ víi hiÖu cña hai thÕ lèi vµo Uv2 vµ Uv1 RN/αN − RP/αP Ta cã: Ura = k1Uv1 + k2Uv víi k1 vµ k2 lµ c¸c hÖ RP Hình 4.69 Mạch khuếch đại trừ k = −α N → Ura + UV2 số khuếch đại riêng tín hiệu vào Khi Uv2 = 0, tín hiệu Uv1 đ−ợc khuếch đại theo kiểu đảo: UraN = −α NUv1 RN UN UV1 Khi Uv1 = 0, tín hiệu Uv2 đ−ợc khuếch đại theo kiểu không đảo với hệ số khuếch đại 1+ RNα N nh−ng tÝn hiÖu nµy cßn bÞ qua bé ph©n ¸p gåm RP/αP vµ RP nªn: RN UraP = Uv RP RP + RP αP ⎡ α ⎤ VËy: Ura = UraN + UraP = ⎢ P (1 + α N )⎥ (Uv − Uv1 ) ⎣1 + αP ⎦ (4.82) Tr−ờng hợp đặc biệt α N = α P ≡ α → U = α (U v − U v1 ) (4.83) M¹ch tÝch ph©n Có vài sơ đồ cho phép tín hiệu lối tỷ lệ với tích phân theo thời gian tín hiệu vào - Sơ đồ tích phân đảo: nh− trình bày trên hình 4.70.a dB C UVao R − N + R1 (a) 114 Ura 100 80 60 40 20 -20 -40 AD 1/2πRC f(Hz) 10-1 100 101 102 103 104 (b) Hình 4.70 Mạch tích phân đảo và đặc tr−ng tần số 105 106 Ph−¬ng tr×nh cho dßng ®iÖn t¹i nót N: I V + I C = hay Từ đó có: U UV dU +C =0 R dt T 1 =− U V (t )dt = − U V (t )dt + U (t = 0) RC RC ∫ ∫ (4.84) Trong đó: T là thời gian lấy tích phân, U (t = 0) là lối thời điểm bắt đầu lấy tích ph©n (®iÒu kiÖn ®Çu) Dòng và vào lệch không nh− dòng dò tĩnh qua tụ C ảnh h−ởng đáng kể tới lối m¹ch tÝch ph©n Khi ch−a lÊy tÝch ph©n, dßng vµ c¸c th¨ng gi¸ng lèi vµo g©y nªn hiÖn t−îng tr«i thÕ lối và thời gian đủ lớn có thể lệch đến tận cực đại Để giảm ảnh h−ởng này có thể t¨ng gi¸ trÞ cña tô C, chän cã vËt liÖu c¸ch ®iÖn tèt, v.v Cßn gi¶m dßng tÜnh lèi vµo b»ng kü thuËt sơ đồ: không nối trực tiếp lối vào thuận với đất mà nối qua biến trở R1 Điều chỉnh chính xác giá trị R1 trở vào bên lối vào đảo (bằng trở R// trở dò qua C// trở vào KĐTT ≈ R) Đồ thị Bode đặc tuyến tần số tích phân điển hình nh− hình 4.70.b đó số tích phân τ = RC = 100μ s Đó là đ−ờng dốc 20 dB/ decad với hệ số khuếch đại cực đại mạch phản hồi cỡ 600 lần, nh− có thể đảm bảo độ chính xác phép tích phân đến 1/600 ≈ 0,2% Th−ờng điều kiện đầu đ−ợc chọn Trong tr−ờng hợp đó, mạch lấy tích phân đ−ợc thiết kế thêm vào các khoá K1 và K2 nh− sơ đồ hình 4.71.a Khi ch−a lấy tích phân các khoá vị trí 1, lối Các khoá đ−ợc chuyển sang vị trí bắt đầu lấy tích phân Sơ đồ này tránh đ−ợc hiÖn t−îng tÝch ph©n (tÝch luü) c¸c ®iÖn ¸p th¨ng gi¸ng tr«i ë lèi vµo bé K§TT ch−a lÊy tÝch ph©n Sơ đồ tích phân không đảo đ−ợc trình bày trên hình 4.71.b Viết ph−ơng trình dòng điện cho ®iÓm nót P: U V − U P U − U P CdU P + − =0 R R dt U vµ U P = U N nªn: U = U V (t )dt (4.85) RC Thực chất sơ đồ này là mạch tích phân RC đ−ợc ghép với KĐTT có phẩm chất cao ∫ Theo sơ đồ thì U N = R1 K2 R1 UV R K1 − N + − C Ura Ura + UV R R C R1 (a) (b) Hình 4.71 Sơ đồ mạch tích phân có khoá đặt lại (reset) và tích phân không đảo 115 M¹ch vi ph©n Sơ đồ mạch vi phân đ−ợc cho trên hình 4.72.a Viết ph−ơng trình dòng điện cho nút N ta có: dB R UV C N − Ura + (a) AD 100 80 60 40 20 -20 -40 1/2πRC f(Hz) 10-1 100 101 102 103 104 105 106 (b) Hình 4.72 Sơ đồ mạch vi phân và đặc tr−ng tần số U Q = I C dt nh−ng I C = − I R = − C C R dU V U = − RC (4.86) nªn: dt Đặc tr−ng biên độ - tần số (đồ thị Bode) theo thang lô-ga-rit là đ−ờng thẳng với độ dốc +20 dB trªn mét decade M¹ch ®iÒu khiÓn PID: lµ mét m¹ch hay ®−îc dïng kü thuËt ®iÒu khiÓn nh»m t¨ng ∫ UV = tính ổn định hệ thống dải tần rộng Lối mạch này đ−ợc thiết kế tỷ lệ với lối vào víi c¸c hÖ sè tû lÖ (Propotional), tÝch ph©n (Integration) vµ vi ph©n (Diffrentiation) kh¸c H×nh 4.73.a là sơ đồ mạch PID R2 R1 UV C1 N C2 log K − D I Ura P + log f f2 f1 (a) (b) Hình 4.73 Sơ đồ mạch PID (a) và đặc tr−ng tần số nó (b) ViÕt ph−¬ng tr×nh dßng ®iÖn cho nót N: dU V UV + C1 + I2 = dt R1 Ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p trªn nh¸nh ra: Ura = R2 I + Ta cã: 116 I 2dt C2 ∫ ⎛U dU U = −⎜⎜ + C1 dt ⎝ R1 ⎞ ⎟R − ⎟ C2 ⎠ ⎛ UV ∫ ⎜⎜⎝ R1 + C1 dU V dt ⎞ ⎟dt ⎟ ⎠ ⎛R C ⎞ − U = ⎜⎜ + ⎟⎟U V + R1C2 ⎝ R1 C2 ⎠ Hay ∫ U V dt + R C1 Nh×n vµo biÓu thøc (4.87) ta thÊy, ë tÇn sè thÊp ω << ω = bé tÝch ph©n, ë tÇn sè cao ω >> ω1 = dU V dt (4.87) m¹ch cã tÝnh chÊt nh− mét R C2 m¹ch cã tÝnh chÊt nh− mét bé vi ph©n, cßn d¶i tÇn R1C1 ω < ω < ω1 mạch giống khuếch đại thông th−ờng Do đáp ứng tần số mạch có dạng nh− h×nh 4.73.b Mạch khuếch đại lô-ga-rit Nhờ có việc mắc diode (hoặc transistor) vào mạch phản hồi KĐTT mà sơ đồ mạch nh− h×nh 4.74.a vµ 4.74.b cho phÐp ®iÖn ¸p lèi tû lÖ víi l«-ga-rit cña ®iÖn ¸p vµo Ta biết dòng chạy qua diode ID và điện áp đặt lên nó UD có mối quan hệ: I D = I S (eU D / U T − 1) UD R − UV UV Ura R − Ura + + (b) (a) Hình 4.74 Sơ đồ mạch khuếch đại lô-ga Trong đó IS là dòng ban đầu dòng ng−ợc và UT ≈ 25,5 mV nhiệt độ phòng gọi là nhiÖt NÕu I D >> I S th×: I D ≈ I S eU D / U T ⎛I hay U D = U T ln⎜⎜ D ⎝ IS ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Nh−ng N là đất ảo nên U = U D , ta có: U vµo = − I D = − I S e Ura / U T R ⎛U ⎞ U = −U T ln⎜⎜ vµo ⎟⎟ ⎝ RI S ⎠ → (4.88) Mạch đối lô-ga-rit (mạch lấy hàm e mũ): Do phép lấy e mũ là phép ng−ợc phép lấy lô-ga nên sơ đồ trên ta việc tráo vị trí diode transistor và điện trở là có mạch đối lô-ga nh− hình 4.75.a và 4.75.b R UV UD − + (a) R Ura UV − Ura + (b) Hình 4.75 Sơ đồ mạch khuếch đại đối lô-ga 117 Lý luËn t−¬ng tù nh− trªn ta sÏ cã: U = RI D = RI S e U D / U T (4.89) C¸c m¹ch so s¸nh tÝn hiÖu t−¬ng tù M¹ch so s¸nh cã nhiÖm vô so s¸nh mét ®iÖn ¸p vµo t−¬ng tù Uv víi mét ®iÖn ¸p chuÈn Uch §iÖn ¸p cña m¹ch so s¸nh sÏ ë møc thÕ thÊp hoÆc cao tuú vµo mèi t−¬ng quan gi÷a ®iÖn ¸p vµo và điện áp chuẩn Nếu dùng KĐTT để lắp mạch so sánh thì mức thấp và cao nó chính là mức ®iÖn ¸p lèi b·o hoµ Uramin vµ Uramax gÇn møc ®iÖn ¸p nguån cung cÊp -VCC vµ +VCC - So sánh ng−ỡng: vào đặc tuyến truyền đạt KĐTT, nguyên tắc có thÓ dïng nã lµm mét m¹ch so s¸nh chØ mét chªnh lÖch rÊt nhá gi÷a thÕ lèi vµo UP vµ UN (cì mV) gây nên b−ớc nhảy ngoài vùng khuếch đại tuyến tính và tới hai ng−ỡng Uramin Uramax Hình 4.76.a là KĐTT dùng nh− so sánh và đặc tuyến truyền đạt nã víi sù sai kh¸c gi÷a Uv vµ Uch lín Tốc độ chuyển mạch so sánh (từ Uramin sang Uramax ng−ợc lại) phụ thuộc vào việc các transistor IC thoát khỏi miền bão hoà nhanh hay chậm Tốc độ này gọi là tốc độ tăng tr−ởng và tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo và đ−ợc đo đơn vị V/μs Ura Uramax UV + UR − Ura Uch UV Uramin (a) (b) Hình 4.76 Bộ KĐTT nh− so sánh (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) - So s¸nh hai ng−ìng: cho phÐp thÕ lèi chØ thÞ hai tr−êng hîp thÕ lèi vµo lín h¬n mét mức điện áp chuẩn hay bé mức điện áp chuẩn khác Sơ đồ điển hình nó cho trên hình 4.77 X1 Uch2 + X1 U1v − Ura AND UV Uv + Uch1 X2 − X2 Ura Uch2 Uch1 (a) Uv (b) Hình 4.77 Bộ so sánh hai ng−ỡng (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) Sơ đồ sử dụng KĐTT và mạch lôgic số AND Mạch số AND có chức năng: lối ë møc thÕ cao vµ chØ c¶ thÕ lèi vµo ë møc cao Ta cã chøc n¨ng cña toµn m¹ch nh− biÓu thøc sau: Ura ë møc thÕ cao Uch1 < U v < Uch , Ura ë møc thÕ thÊp c¸c tr−êng hîp cßn l¹i 118 - Trig¬ smith: lµ mét bé so s¸nh cã møc chuyÓn m¹ch kh«ng trïng mµ kh¸c giá trị nào đó gọi là độ trễ Sơ đồ trigơ Smith đảo đ−ợc trình bày nh− hình 4.78.a đó cã mét m¹ch ph¶n håi d−¬ng qua ph©n ¸p R1, R2 Ura − UV Ura Uramax + R2 UP2 R1 UP1 UV Uramin (a) (b) Hình 4.78 Trigơ Smith (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) Khi U = U max th× thÕ ë ®iÓm P b»ng: U P1 = R1 U max R1 + R2 Nếu Uv tiến tới Uramax nh−ng nhỏ thì Ura không đổi Nh−ng U v ≥ U P1 thì lèi nh¶y xuèng møc Uramin Qu¸ tr×nh nµy x¶y rÊt nhanh v× cã ph¶n håi d−¬ng ThÕ t¹i ®iÓm P lóc nµy b»ng: U P = R1 U R1 + R2 Nếu muốn lối trở Uramax thì phải cho lối vào giảm xuống đến U v ≤ U P Vậy nh− h×nh 4.78.b ta thÊy cã mét vßng trÔ chuyÓn m¹ch hÖ lµ: ΔU v = U P1 − U P = R1 (U max − U ) R2 (4.93) M¹ch diode lý t−ëng vµ chØnh l−u nöa chu kú chÝnh x¸c Một diode thông th−ờng không thể chỉnh l−u chính xác đ−ợc các sóng có biên độ nhỏ mức thông diode (thí dụ, là 0,6 V với diode Silic) Muốn chỉnh l−u đ−ợc các sóng có biên độ nhỏ cỡ mV phải có diode lý t−ởng có đặc tr−ng V-A đã tuyến tính hoá nh− hình 4.79.a, đó mức th«ng cña diode (møc ng−ìng) ®−îc dÞch vÒ gÇn 0V M¹ch chØnh l−u chÝnh x¸c ®−îc dïng c¸c m¸y ®o l−êng, c¸c bé t¸ch sãng Dïng bé K§TT kÕt hîp víi mét diode th«ng th−êng cã thể cho sơ đồ tách sóng lý t−ởng Hãy so sánh mạch: chỉnh l−u nửa chu kỳ thông th−ờng với diode (h×nh 4.79.b) vµ chØnh l−u cã dïng bé K§TT (h×nh 4.79.c) IID(V) §Æc tr−ng lý t−ëng Ung−ìng ≈ 0V _ §Æc tr−ng thùc Ung−ìng = 0,6(V) UV ~ Ura UD + RT UV ~ Ura RT UO UD(V) 0,6 (a) (b) (c) H×nh 4.79 §Æc tr−ng V-A cña diode lý t−ëng (a), m¹ch chØnh l−u diode th−êng (b) và mạch chỉnh l−u chính xác với sơ đồ diode lý t−ởng (c) 119 Víi m¹ch chØnh l−u th−êng (h×nh 4.79.a) ta cã: U = U V − U D , thÕ Uvµo ph¶i lín h¬n møc ng−ìng lµ møc th«ng cña diode ®−îc ph©n cùc thuËn UD t (thÝ dô, 0,6V) th× Ura míi lín h¬n Víi m¹ch h×nh 4.79.c, ta cã: U = U Dt + U = A D (U V − U ) → U ≈ U V − U Dt / A D (4.91) Rõ ràng với sơ đồ diode lý t−ởng, mức ng−ỡng giảm AD lần Vì hệ số khuếch đại KĐTT lớn (hàng trăm ngàn lần) nên mức này có thể giảm xuống đến mV và đó sơ đồ cho phÐp chØnh l−u (t¸ch sãng) c¸c tÝn hiÖu vµo nhá tíi mV chø kh«ng ph¶i trªn 600 mV nh− b×nh th−ờng Sơ đồ hình 4.80.a là mạch chỉnh l−u nửa chu kỳ chính xác kiểu đảo Hình 4.80.b là sơ đồ chỉnh l−u chính xác kiểu không đảo R2 D1 R1 R2 D2 D1 Ura _ R1 D2 Ura _ UV + + UV (a) (b) Hình 4.80 Sơ đồ chỉnh l−u chính xác kiểu đảo (a) và không đảo (b) - Khi tÝn hiÖu vµo ©m, Uv < th× diode D1 th«ng, D2 cÊm, ta cã: U = −U v R2 R1 Theo sơ đồ ta thấy điện áp lối vào đảo KĐTT là: UN = Uv R2 R1 U + Ura − Dt = R1 + R2 R1 + R2 AD Trong đó UDt1 là điện áp thuận diode D1 thông bão hoà Do đó: Ura = −Uv R2 UDt ⎛ R1 + R2 ⎞ ⎜ ⎟ + R1 AD ⎜⎝ R1 ⎟⎠ Chó ý r»ng hÖ sè ph¶n håi cña m¹ch lóc nµy b»ng β = Ura = −Uv R2 U Dt + R1 β AD R1 ta cã: R1 + R (4.92) Điều này nói lên lối ra, điện áp thông diode đã giảm βAD lần làm cho đặc tuyến truyền đạt gần với dạng lý t−ởng U - Khi tín hiệu vào d−ơng, Uv > 0, diode D2 thông, D1 cấm Do đó U = − Dt ≈ AD Hình 4.81 là sơ đồ mạch chỉnh l−u nửa chu kỳ chính xác và đặc tuyến truyền đạt nó Đây còn gọi là tạo giá trị tuyệt đối tín hiệu vào 120 D2 D1 IT RT D3 R1 IT D4 _ UV + UV (a) (b) Hình 4.81 Mạch chỉnh l−u nửa chu kỳ chính xác (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) Khi ®iÖn ¸p vµo d−¬ng, dßng vµo ch¶y qua R1, diode D1, ®iÖn trë t¶i, diode D4 råi tíi ®Çu bé KĐTT và đất Khi điện áp vào âm thì dòng vào chạy từ đầu KĐTT, qua D2, qua tải, đến D3, qua R1 trë vÒ ®Çu vµo Nh− vËy dßng ch¶y qua t¶i lµ: IT = UV / R1 10 Mạch tách sóng đỉnh Hình 4.82.a là mạch chỉnh l−u giá trị đỉnh (mạch tách sóng điện áp đỉnh) Mạch này có chức này luôn cho lối giá trị đỉnh vào biến đổi theo thời gian U UV D + _ A1 I1 UC I2 IC K Ura + _ A2 Ura UV C t (a) (b) Hình 4.82 Mạch tách sóng đỉnh (a) và tín hiệu vào, theo thời gian (b) Khi Uv > UC thì diode D thông và dòng khuếch đại A1 nạp cho tụ C tới UC ≈ Uv đỉnh Nếu sau đó Uv giảm thì diode D cấm, tụ C phóng điện qua điện trở ng−ợc diode và trở lối vào khuếch đại A2 Vì điện trở ng−ợc diode nh− trở vào A2 là mạch khuếch đại lÆp l¹i cã gi¸ trÞ rÊt lín nªn ®iÖn ¸p trªn C hÇu nh− kh«ng suy gi¶m mÆc dï ®iÖn ¸p vµo gi¶m KÕt ta có đồ thị thời gian điện áp theo điện áp vào nh− hình 4.82.b Khoá K sơ đồ để ng¾n m¹ch tô C, t¹o ®−êng x¶ hÕt ®iÖn trªn tô cÇn ®o c¸c gi¸ trÞ míi 11 C¸c m¹ch läc tÝch cùc dïng bé K§TT Có nhiều loại mạch lọc đ−ợc phân biệt theo dải thông tần Δf trên đặc tr−ng tần số nh− minh ho¹ trªn h×nh 4.83: m¹ch läc th«ng thÊp (a), läc th«ng cao (b), läc th«ng d¶i (c) vµ läc chÆn d¶i (d) K/Kmax 1,0 Δf 0,7 |K| |K| K/Kmax 1,0 Δf 0,7 Δf 0,7 Δf fC (a) f ft ∝ f ft fC (b) (c) H×nh 4.83 Ph©n lo¹i c¸c m¹ch läc theo d¶i th«ng f ft fC f (d) 121 Các mạch lọc tần số cao hay đ−ợc thiết kế các phần tử thụ động RLC Tuy nhiên tần sè thÊp th× viÖc thiÕt kÕ nh− vËy gÆp ph¶i khã kh¨n c¸c gi¸ trÞ ®iÖn c¶m cÇn ph¶i qu¸ lín còng nh− hệ số phẩm chất mạch lọc dải tần này thấp Các lọc thụ động không thể có đ−ợc độ dốc lớn (gần vuông góc) vùng tần số cắt nh− đáp ứng lý t−ởng Vì hay sử dụng phần tử tích cực là KĐTT kết hợp với các phần tử RC để tạo nên các mạch lọc tích cực Hàm truyền đạt lọc thông thấp th−ờng đ−ợc biểu diễn nh− sau: K0 (4.93) K ( P) = Π + a i P + bi P i Trong đó : P≡ p ωc = ( ) jω ωc = j f = jΩ fc K0 là hệ số truyền đạt tần số thấp; vµ bi lµ nh÷ng sè thùc d−¬ng Bậc lọc đ−ợc định số mũ lớn P biểu thức, nó ảnh h−ởng đến độ dốc lọc quanh tần số cắt Dạng đáp ứng tần số xung quanh tần số giới hạn và dải thông tần còn đ−ợc xác định loại lọc Đó là các loại lọc Tschebyscheff, lọc Bessel và lọc Butterworth §Æc tÝnh cña c¸c m¹ch läc th«ng thÊp cña chóng ®−îc minh ho¹ trªn h×nh 4.84, đó thang tần số đ−ợc chuẩn theo tần số cắt (tần số cắt Ω = 1) Bộ lọc Butterworth (đ−ờng a) có đáp ứng phẳng vùng truyền qua nh−ng đặc tr−ng pha lại không tốt, đáp ứng biên độ có dạng: * K = (4.94) + ( f / f C )2 n Trong đó n là bậc lọc và fc là tần số cắt Bậc lọc xác định độ dốc đặc tuyến tần sè f > fc AD (dB) 10 -10 -20 -30 a b c -40 -50 -60 0,01 0,03 0,1 0,3 10 30 Ω H×nh 4.84 §¸p øng tÇn sè cña lo¹i bé läc th«ng thÊp bËc Bộ lọc Tschebyscheff (đ−ờng b) có độ dốc vùng tần số cắt cao nh−ng lại mấp mô vùng truyền qua Đáp ứng biên độ nó có dạng: 122 * K = (4.95) + ε Cn ( f / f C ) Trong đó ε là số định độ mấp mô vùng truyền qua và Cn là các hệ số đa thức Tschebyscheff bậc n Giống nh− trên, lọc này có đáp ứng pha không tốt Bộ lọc Bessel (đ−ờng c) có đáp ứng biên độ không tốt hai lọc trên, nó giảm từ vùng truyền qua đến vùng chặn nh−ng lại có đáp ứng pha tốt D−ới đây là vài sơ đồ mạch lọc tích cực đơn giản • Bé läc tÝch cùc th«ng thÊp vµ th«ng cao bËc mét Hàm truyền đạt lọc thông thấp bậc tr−ờng hợp tổng quát có dạng: K ( P) = K0 + a1 P Nh− đã biết, mạch thụ động RC lối trên C cho ta mạch lọc thông thấp đơn giản với hệ số truyền đạt: K(P) = 1/(1+pRC) = 1/(1+ωCRCP) Nếu bổ sung cho nó KĐTT có nhiệm vụ biến đổi trở kháng và khuếch đại tín hiệu nh− sơ đồ hình 4.85.a ta có mạch lọc tích cực thông thấp bậc một, đó hệ số truyền đạt tín hiệu chiều K0 = + R2/R3 C2 R1 UV Ura + _ C1 R1 _ R2 UV R2 Ura + R3 (a) (b) Hình 4.85 Sơ đồ mạch lọc thông thấp bậc Mạch hình 4.85.b sử dụng mạch RC làm vòng phản hồi cho KĐTT Hàm truyền đạt nã ®−îc tÝnh cã d¹ng: K ( P) = − R2 / R1 + ωc R2C1P (4.96) Th−ờng ng−ời ta cho tr−ớc tần số cắt ωc, hệ số truyền đạt chiều K0 và C1, tính đ−ợc: R2 = a1 / 2πf c C1 vµ R1 = − R2 / K Để có sơ đồ lọc thông cao bậc 1, cần thay hệ số P biểu thức (4.99) 1/P Do đó cần tráo vị trí C1 và R1 sơ đồ 4.85 là đ−ợc Sơ đồ lọc thông cao bậc có đảo nh− h×nh 4.86 R2 Hàm truyền đạt sơ đồ này có dạng: K ( P) = − C1 R2 / R1 1 1+ ωc R1C1 P (4.97) UV R1 _ Ura + TÝnh ®−îc c¸c trÞ sè linh kiÖn: R1 = / 2πfc a1C1 vµ R2 = − R1K∞ Hình 4.86 Sơ đồ lọc thông cao bậc có đảo 123 • C¸c bé läc tÝch cùc th«ng thÊp vµ th«ng cao bËc cao Với lọc thông thấp bậc ta có hàm truyền đạt tổng quát: K ( P) = K0 + a1 P + b1 P Hình 4.87 là sơ đồ lọc tích cực thông thÊp bËc cã ph¶n håi ©m dïng bé K§TT Hàm truyền đạt nó đ−ợc tính nh− sau: C1 R2 R1 R3 _ UV R2 / R1 K ( P) = − ⎛ R R ⎞ + ωc C1 ⎜⎜ R2 + R1 + ⎟⎟ P + ωc2C1C2 R2 R3 P R1 ⎠ ⎝ (4.98) Ura + C2 H×nh 4.87 Bé läc tÝch cùc th«ng thÊp bËc Giống nh− lọc bậc 1, để thực lọc thông cao bậc có thể dùng tất các sơ đồ lọc thông thấp với điều kiện đổi chỗ vị trí R và C Hình 4.88 là sơ đồ lọc thông cao bậc có mạch phản hồi d−ơng Hàm truyền đạt nã cã d¹ng: α K ( P) = 1+ R2 (C1 + C2 ) + R1C2 (1 − α ) 1 + R1 R2C1C2ωc P R1R2C1C2ωc2 P (4.99) Nếu đặc tính biên độ lọc bậc còn ch−a đủ dốc thì có thể xây dựng các R2 C1 C1 C2 läc cã bËc cao h¬n Muèn thÕ ph¶i m¾c nèi + UV Ura tiÕp c¸c m¾t läc bËc hoÆc bËc víi _ R1 Đặc tính toàn lọc là tích các đặc (α-1)R3 tÝnh cña c¸c m¾t läc thµnh phÇn Tuy nhiªn R3 lóc nµy bËc cña bé läc kh«ng ph¶i lµ tÝch c¸c bËc thµnh phÇn vµ tÇn sè c¾t còng sÏ kh¸c Do H×nh 4.88 Bé läc tÝch cùc th«ng cao bËc đó nguyên tắc phải cho các hệ số các mắt lọc cho kết nhân các đặc tính tần số chúng cho loại lọc mong muốn ViÖc s¾p xÕp thø tù c¸c m¾t läc tuú thuéc vµo trë g¸nh cña tõng m¾t (m¾t läc cã tÇn sè c¾t nhá nhÊt ®−îc chän lµ m¾t thø nhÊt), tuú thuéc vµo møc t¹p ©m cña bé läc (m¾t läc cã tÇn sè c¾t nhá nhÊt l¹i nên đ−ợc đặt khâu cuối cùng), v.v • Bé läc tÝch cùc th«ng d¶i NÕu m¾c mét m¾t läc th«ng thÊp vµ mét m¾t läc th«ng cao, ta cã thÓ nhËn ®−îc mét bé läc th«ng d¶i XÐt mét bé läc th«ng d¶i bËc ®−îc thiÕt kÕ tõ viÖc m¾c liªn tiÕp m¾t läc thông thấp và thông cao bậc nh− sơ đồ hình 4.89 124 αR + UV C C Ura _ R/α H×nh 4.89 Bé läc th«ng d¶i bËc Đáp ứng tần số nó là tích đáp ứng khâu lọc riêng rẽ Kết ta có hàm truyền đạt nh− sau: K ( P) = αpRC 1 = + (1 / αpRC ) + ( pRC / α ) + [ (1 + α ) / α ] pRC + ( pRC )2 (4.100) Nếu gọi ωr ≡ / RC là tần số cộng h−ởng ta có dạng hàm truyền đạt đ−ợc chuẩn hoá: K ( P) = αP (4.101) + [ (1 + α )2 / α ] P + P HÖ sè phÈm chÊt cña bé läc lµ: Q = α Với α = 1, Q đặt cực đại và 0,5 Để có phẩm 1+α chất lớn phải thực các mạch đặc biệt Hình 4.90 là mạch lọc thông dải có phản hồi âm phøc t¹p C R2 C R1 _ UV R3 Ura + H×nh 4.90 Bé läc th«ng d¶i cã ph¶n håi ©m Hàm truyền đạt nó có dạng: − R2 R3 Cωr P R1 + R3 K ( P) = R1R3 RR R 1+ Cωr P + C 3ωr2 P R1 + R3 R1 + R3 (4.102) TÇn sè céng h−ëng cña bé läc lµ: fr = 2πC HÖ sè phÈm chÊt: Q = R1 + R R1 R R R (R1 + R ) = πR Cf r R1 R D¶i th«ng cña bé läc lµ: f B= r = Q πR C (4.103) (4.104) (4.105) • Bé läc tÝch cùc chÆn d¶i Để chặn dải tần số nào đó ta phải cần lọc có hệ số truyền đạt tần số nào đó còn các vùng tần số thấp và cao hơn, hệ số truyền đạt tăng đến giá trị không đổi nào đó Mạch lọc thụ động cầu chữ T kép (hình 4.91.a) có đặc tính biên độ - tần số K(Ω) và pha - tÇn sè ϕ(Ω) nh− h×nh 4.91.b T¹i tÇn sè céng h−ëng (Ω = 1) hÖ sè truyÒn b»ng vµ cã pha b»ng ±90° Kết hợp với KĐTT cho ta mạch lọc chặn dải tích cực nh− sơ đồ hình 4.91.c 125 |K| 0,5R C C Ura UV R UV Ω R R _ R 90° (k-1)R1 2C (a) Ura + ϕ 0,5R 2C C C Ω R1 -90° (b) (c) H×nh 4.91 M¹ch läc tÝch cùc chÆn d¶i sö dông cÇu ch÷ T kÐp Các tín hiệu có tần số xa tần số cộng h−ởng chạy qua cầu chữ T kép không bị thay đổi và kUv T¹i tÇn sè céng h−ëng f r = /( 2πRC) ®iÖn ¸p b»ng kh«ng Lóc nµy cÇu ch÷ T kÐp t−¬ng đ−ơng với trở R/2 nối đất Hàm truyền đạt lọc có dạng: K (P) = k (1 + P ) (4.106) + 2( − k ) P + P Q= HÖ sè phÈm chÊt cña m¹ch lµ: 2(2 − k ) (4.107) Việc điều chỉnh điện trở cho đạt tối −u giá trị tần số cộng h−ởng và hệ số truyền đạt bé läc cÇu ch÷ T kÐp lµ khã kh¨n Do vËy ng−êi ta cßn sö dông m¹ch läc dïng cÇu Viªn (h×nh 4.92.a) lµm m¹ch ph¶n håi cho bé K§TT §Æc tr−ng tÇn sè cña cÇu Viªn còng gièng nh− cÇu ch÷ T kép Sơ đồ mạch lọc tích cực chặn dải dùng cầu Viên nh− hình 4.92.b Giá trị độ phẩm chất läc nµy kh«ng h¬n g× cÇu ch÷ T kÐp nh−ng dÔ ®iÒu chØnh h¬n Hàm truyền đạt nó có dạng: [ β /(1 + α )](1 + P ) + [ /(α + 1) / P ] + P TÇn sè céng h−ëng lµ: fr = 2πR C K ( P) = − Hệ số truyền đạt K = − β (4.108) (4.109) vµ hÖ sè phÈm chÊt Q = 1+α 1+α (4.110) R1/α UV R1 2R1 R Ura UV C R1/β R2 _ _ + R C R1 126 Ura + C (k-1)R1 R2 (a) R3 (b) H×nh 4.92 Bé läc chÆn d¶i tÝch cùc dïng cÇu Viªn 2R3 Ch−¬ng Các mạch tạo dao động điện 5.1 Các khái niệm chung mạch tạo dao động Mạch điện tử để tạo điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu thì đ−ợc gọi là mạch dao động điện từ (hay là mạch tạo sóng) Mạch tạo dao động có thể tạo dao động có dạng điều hoà (dao động hình sin) hay các dao động có dạng khác sin nh−: xung chữ nhật, xung tam giác, xung c−a tạo xung đơn riêng biệt Các mạch dao động điều hòa th−ờng đ−ợc dùng các hệ thống th«ng tin, c¸c m¸y ®o, m¸y kiÓm tra, c¸c thiÕt bÞ y tế v.v Các mạch dao động điều hòa có thể làm việc tốt dải tần từ vài Hz hàng nghìn MHz Để tạo dao động, có thể dùng các phần tử tích cực nh−: đèn điện tử, transistor l−ỡng cực (BJT), transistor tr−ờng (FET), các khuếch đại thuật toán các phần tử đặc biệt nh−: diode Tunel, diode Gunn Các đèn điện tử chân không còn đ−ợc dùng yêu cầu công suất lớn Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số thấp đến phạm vi tần số cao phạm vi tần số thấp và trung bình th−ờng dùng khuếch đại thuật to¸n, cßn ë ph¹m vi tÇn sè cao vµ rÊt cao th× dïng transistor l−ìng cực và transistor tr−ờng các loại diode đặc biệt Các tham số mạch tạo dao động gồm: tần số tín hiệu ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất và hiệu suất Có thể tạo dao động điều hòa theo nguyên tắc sau: - Tạo dao động khuếch đại có hồi tiếp d−ơng - Tạo dao động ph−ơng pháp tổng hợp mạch C¸c m¹ch t¹o xung th−êng ®−îc dïng c¸c thiÕt bÞ ®o l−êng, kiÓm tra hoÆc ®−îc dïng truyÒn th«ng sè 5.2 Nguyên tắc tạo các dao động điện từ Để xét nguyên tắc tạo các dao động điện dùng sơ đồ khối hình 5.1, đó khối (1) là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K& = K e jϕ K và 127 khối (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt (hay hệ số hồi tiếp) β& = β e jϕ β Vì mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp gồm các phần tử điện kháng nên hệ số truyền đạt chúng là đại l−ợng phức đây : K là mô-đun hệ số khuếch đại (độ lớn hệ số khuếch đại) ϕ K là độ di pha khuếch đại (góc lệch pha tín hiệu lối so với tín hiệu lối vào khuếch đại) β là mô-đun hệ số hồi tiếp (độ lớn hệ số hồi tiếp) ϕ β là độ di pha hồi tiếp, là góc lệch pha tín hiệu lối vµ lèi vµo cña bé håi tiÕp Để xác định xem sơ đồ với m¹ch håi tiÕp kÝn cã t¹o tÝn hiÖu xoay chiÒu hay kh«ng ta m¾c mét ®iÖn trë RV vµo lèi cña m¹ch håi tiÕp cña bé t¹o dao động hở mạch có trị số điện Hình 5.1 Sơ đồ khối mạch tạo dao trở lối vào mạch khuếch đại động theo nguyên tắc hồi tiếp §iÖn trë RVht lµ ®iÖn trë lèi vµo cña bé håi tiÕp Nếu đặt tới lối vào mạch khuếch đại tín hiệu X& V và giả thiÕt K& β& = th×: X& ht = X& r β& = X& V K& β& = X& V đây X& r là tín hiệu lối mạch khuếch đại, X& ht là tín hiệu lèi cña m¹ch håi tiÕp Tín hiệu vào mạch khuếch đại X& V và tín hiệu mạch hồi tiếp X& ht biên độ và pha nên có thể nối a và a’ với nhau, ngắt tín hiệu đ−a tới lối vào mạch khuếch đại, tín hiệu không đổi Lúc này ta có sơ đồ mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiÕp Trong sơ đồ này trì dao động mà tần số nó thỏa m∙n ®iÒu kiÖn sau: 128 K& β& = (5.1) Vì K& và β& là số phức, nên (5.1) có thể viết lại nh− sau: j (ϕ +ϕ ) K& β& = K β e K β = (5.2) Cã thÓ t¸ch biÓu thøc (5.2) thµnh hai biÓu thøc: Mét biÓu thøc viÕt theo m«-®un vµ mét biÓu thøc viÕt theo pha Kβ = (5.3a) ϕ = ϕ K + ϕ β = 2nπ víi n = 0, ±1, ±2 (5.3b) ϕ là tổng độ dịch pha mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp Quan hệ (5.3a) đ−ợc gọi là điều kiện cân biên độ Nó cho thấy mạch có thể tạo dao động trì mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại bù đ−ợc tổn hao mạch hồi tiếp gây Quan hệ (5.3b) ®−îc gäi lµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha, cho thấy dao động có thể phát + sinh tín hiệu hồi tiếp đồng − Ur R • R2 pha víi tÝn hiÖu vµo (håi tiÕp • d−¬ng) U1 C • M * L * Uht R1 §Ó minh häa ta xÐt m¹ch t¹o dao động trên hình 5.2 Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ khuếch Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi đại thuận có hệ số khuếch đại: K =1+ tiÕp R2 Vì trở kháng khuếch đại nhỏ, nên mạch R1 mắc thêm điện trở R để giảm ảnh h−ởng trở kháng đến trở kh¸ng cña khung céng h−ëng LC Điện áp hồi tiếp khuếch đại U ht = M U = βU L M lµ hÖ sè hç c¶m cña c¸c cuén d©y; (5.4) L lµ ®iÖn c¶m cña khung dao động Điện áp khuếch đại: U r = K U ht (5.5) 129 Để xác định điện áp ra, viết ph−ơng trình dòng điện nút 1: U r − U1 dU 1 −C − U dt = dt R L ∫ (5.6) Thay (5.4) và (5.5) vào (5.6) và biến đổi ta đ−ợc (5.7) d 2U r dt − − Kβ dU r + Ur = RC dt LC (5.7) Để đơn giản, đặt: α= − Kβ ; RC ω o2 = LC Khi đó (5.7) đ−ợc viết lại nh− sau: d 2U r dt + 2α dU r + ω o2 U r = dt (5.8) NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh vi ph©n (5.8) nh− sau: U r = U ro e − αt cos ω o2 − α t (5.9) Từ nghiệm (5.9) có thể phân biệt ba tr−ờng hợp đặc tr−ng: α > , nghĩa là Kβ < , biên độ điện áp giảm dần theo quy luật hàm mũ, mạch có dao động tắt dần α = , nghÜa lµ Kβ = , ®iÖn ¸p lµ ®iÖn ¸p h×nh sin cã tÇn sè ωo = và biên độ không đổi LC α < , nghĩa là Kβ > , biên độ điện áp tăng dần theo quy luật hµm mò Từ các tr−ờng hợp trên đây, có thể rút kết luận, để có dao động trì thì đóng mạch Kβ phải lớn làm cho biên độ dao động tăng dần khuếch đại chuyển sang làm việc trạng thái b∙o hòa, hệ số khuếch đại giảm dần cho Κβ = Lúc này dao động đ−ợc trì nh−ng không phải hình sin Để có dao động h×nh sin ph¶i ®iÒu chØnh hÖ sè khuÕch đại cho Κβ = và xác lập tr−ớc khuếch đại chuyển sang tr¹ng th¸i b∙o hßa Tại các tần số đủ cao, dễ dàng có thể thực các khung dao động có phẩm chất cao Khi đó điện áp trên khung dao động lúc khuếch đại b∙o hòa sâu, trên thực tế có dao động hình sin Vì các sơ đồ tạo dao động cao tần th−ờng không dùng các biện 130 pháp đặc biệt để điều chỉnh biên độ tín hiệu khuếch đại, còn điện áp lấy trực tiếp trên khung dao động 5.3 ổn định biên độ vμ tần số dao động 5.3.1 ổn định biên độ dao động Khi đóng mạch, có xung dòng chạy qua các phần tử mạch Phổ xung là liên tục có tần số từ không đến vô cùng Nếu điều kiện cân pha (5.3b) đ−ợc thỏa m∙n tần số nào đó, đồng thời Κβ > thì mạch tăng c−ờng dao động tần số đó, mạch trạng thái quá độ và biên độ dao động tăng dần Đến trạng thái xác lập hay trạng thái dừng biên độ dao động không đổi ứng với Κβ = Để đảm bảo ổn định biên độ trạng thái xác lập, có thể thực b»ng c¸c biÖn ph¸p sau: - Hạn chế biên độ điện áp cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp chiều thích hợp Biết biên độ đỉnh đỉnh điện áp xoay chiều cực đại trên lối mạch khuếch đại luôn nhỏ giá trị điện áp chiều cung cấp cho tầng khuếch đại đó - Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển phần tử khuếch đại - Dïng m¹ch håi tiÕp phi tuyÕn hoÆc dïng phÇn tö ®iÒu chØnh, vÝ dô: điện trở nhiệt, điện trở thông thuận diode để ổn định biên độ Tïy thuéc vµo m¹ch cô thÓ cã thÓ ¸p dông mét nh÷ng biÖn ph¸p trªn 5.3.2 ổn định tần số độ dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện c©n b»ng pha Khi độ dịch pha điện áp hồi tiếp và điện áp lối vào thay đổi, dẫn đến thay đổi tần số dao động Trong ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha (5.3b), nÕu cho n = 0, ta cã: ϕ = ϕK + ϕβ = (5.10) Gãc pha ϕ K vµ ϕ β phô thuéc vµo tham sè c¸c phÇn tö cña m¹ch vµ phụ thuộc vào tần số Do đó có thể viết điều kiện (5.10) cách tổng qu¸t nh− sau: 131 ϕ K ( m , ω ) + ϕ β ( n, ω ) = (5.11) Trong đó m và n đặc tr−ng cho tham số các phần tử mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp Lấy vi phân toàn phần biểu thức (5.11) và biến đổi, ta nhận đ−ợc biểu thøc (5.12) dω = (∂ϕ K ∂m ).dm + (∂ϕ β ∂n).dn (∂ϕ K ∂ω ) + (∂ϕ β ∂ω ) (5.12) Từ (5.12) có thể suy biện pháp để nâng cao độ ổn định tần số mạch tạo dao động: a) Thực các biện pháp để ổn định tham số mạch khuếch đại dm vµ tham sè cña m¹ch håi tiÕp dn b»ng c¸ch: - Dïng nguån nu«i mét chiÒu lµ nguån æn ¸p - Dïng c¸c phÇn tö cã hÖ sè nhiÖt nhá - Giảm ảnh h−ởng tải đến mạch dao động cách mắc thêm tầng đệm lối mạch tạo dao động - Dïng c¸c phÇn tö bï nhiÖt b) Thực các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham sè cña m¹ch, nghÜa lµ gi¶m ∂ϕ β ∂ϕ K vµ b»ng c¸ch chän m¹ch dao ∂m ∂n động thích hợp (ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, ghép biến áp ) c) Thực các biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi góc pha theo tÇn sè tøc lµ t¨ng ∂ϕ β ∂ϕ K vµ xung quanh tần số dao động Cụ thể là ∂ω ∂ω sö dông c¸c phÇn tö cã phÈm chÊt cao nh− th¹ch anh vµ sö dông c¸c phần tử tích cực có hệ số khuếch đại cao Thông th−ờng không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt, thì độ không ổn định tần số t−ơng đối Δf tạo dao động điều hòa có fo thể đạt đ−ợc khoảng 10 −2 ữ 10 −3 Khi dùng các biện pháp ổn định có thể đạt đ−ợc độ không ổn định tần số t−ơng đối tới 10 −4 nhỏ hơn, tr−ờng hợp mạch dao động dùng thạch anh có thể đạt 10 −6 ữ 10 −8 5.4 Bộ tạo dao động sóng cao tần hình sin LC 132 5.4.1 Vấn đề ổn định biên độ các các tạo dao động cao tÇn LC 1) Chế độ dao động mềm và dao R1 RC Để ổn định biên độ các tạo dao động cao tần LC th−ờng lµm viÖc cña c¸c phÇn tö tÝch cùc §iÖn trë RE trªn h×nh (5.3) lµm nhiÖm vụ đó ë ®©y R1, R2, RE ph©n cùc cho CP2 • CP1 dïng ph−¬ng ph¸p di chuyÓn ®iÓm o + EC • động cứng o • R2 C1 L • RE CE C2 • Hình 5.3 Sơ đồ máy phát ba điểm điện dung (Sơ đồ Colpit) transistor b»ng dßng emitter (tù phân cực) Khi đóng mạch, biên độ dao động nhỏ, mạch làm việc với góc cắt θ = 180 o t−ơng ứng chế độ dao động mềm, độ dốc trung bình lân cận điểm làm việc khá lớn, đó Κβ > Trong quá trình quá độ, biên độ dao động tăng dần, điểm làm việc chuyÓn sang vïng phi tuyÕn, bé khuếch đại chuyển sang làm việc chế độ b∙o hòa, ứng với góc cắt θ < 90 o , t−ơng ứng chế độ dao động cứng Đồng thời độ dốc trung bình giảm, làm cho hệ số khuếch đại giảm, tích Kβ tiến tới chế độ xác Hình 5.4 Mạch tạo dao động định thiªn tù cÊp RBCB lập Cũng có thể dịch chuyển điểm làm việc cách thay đổi định thiªn tù cÊp trªn ®iÖn trë RB cña m¹ch base trªn h×nh 5.4 2) Hiện t−ợng dao động ngắt quãng NÕu chän RE CE (h×nh 5.3) hoÆc RB CB (h×nh 5.4) qu¸ lín th× mạch trạng thái quá độ điện áp Base-Emitter đ∙ quá âm làm cho transistor ngắt và dao động Sau đó CE phóng điện qua RE (còng nh− vËy, CB phãng ®iÖn qua RB), ®iÖn ¸p base-emitter t¨ng dÇn Sau thời gian nào đó mạch dao động trở lại Quá trình lặp lặp lại và mạch có dao động ngắt qu∙ng Ng−ợc lại chọn RE CE (RB CB) quá 133 nhỏ thì mạch có dao động tăng dần (Κβ > 1) Vì cần chọn trị số RECE (RB CB) thích hợp lấy để mạch luôn luôn có dao động và mạch làm viÖc ë tr¹ng th¸i x¸c lËp Κβ = 5.4.2 Mạch tạo dao động cao tần LC ghép hỗ cảm (ghép biến áp - sơ đồ Maisnơ) + EC + EC M M * R1 L w2 R1 * L C C w1 * * Ur Ur C2 C2 R2 UZ C1 CE RE RE CE Hình 5.5 Bộ tạo dao động cao tần LC Hình 5.6 Bộ tạo dao động LC ghép biến ghÐp biÕn ¸p áp, dùng diode ổn áp để ổn định điện (Sơ đồ Maisnơ) phân cực dòng ¸p mét chiÒu cña base Emitter Đặc điểm tạo dao động theo sơ đồ Maisnơ là: hồi tiếp đ−ợc thùc hiÖn nhê mét biÕn ¸p Cuén s¬ cÊp cña nã kÕt hîp víi tô ®iÖn lµm thành khung dao động định tần số dao động tạo dao động Trên hình 5.5 đến 5.7 vẽ ba biến thể tạo dao động transistor o+E C * L mắc theo sơ đồ emitter chung Bộ khuếch C * đại, khuếch đại điện áp lối vào có tần số b»ng tÇn sè céng h−ëng cña khung dao động ω o = LC , trªn cùc Collector cña RE CE transistor, điện áp có biên độ cực đại và dÞch pha 180o Mét phÇn ®iÖn ¸p nµy lÊy tõ H×nh 5.7 Bé t¹o dao cuộn thứ cấp dùng để hồi tiếp Để thỏa m∙n động LC ghép biến áp, hoạt điều kiện cân pha, biến áp cần bảo đảm động chế độ B viÖc quay pha tÝn hiÖu o håi tiÕp 180 NÕu cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp cña biÕn ¸p cã cïng chiều cuốn, thì để quay pha, phải đấu các 134 cuén d©y ng−îc ®Çu nhau, tøc lµ ®iÖn ¸p trên đầu cuối cuộn thứ cấp đồng pha với điện áp trên collector DÊu (*) ë gÇn cuén d©y biÕn ¸p chØ râ c¸c ®Çu cña cuén d©y cã điện áp đồng pha Hệ số biến áp đ−ợc chọn cho tần số cộng h−ởng, hệ số khuếch đại vòng Κβ lớn Nhờ đó mà đấu nguồn nuôi xuất dao động có biên độ tăng theo hàm mũ lúc tầng khuếch đại bị quá tải Do bị quá tải mà hệ số khuếch đại trung bình tầng khuếch đại bị giảm đi, quá trình giảm tiếp tục trị số Κβ = Lúc đó biên độ dao động đ−ợc xác lập b»ng mét h»ng sè SÏ ph©n biÖt d¹ng qu¸ t¶i lµ qu¸ t¶i lèi vµo vµ qu¸ t¶i lèi Qu¸ t¶i lèi xuÊt hiÖn tiÕp gi¸p collector base cña transistor mở Trong các sơ đồ hình 5.5 và 5.6 xuất điện áp trên collector nhá h¬n ®iÖn ¸p trªn base Với độ sâu hồi tiếp lớn có thể xuất quá tải lối vào Nó xuất vì các tín hiệu vào lớn bắt đầu đ−ợc tách sóng tiếp giáp base emitter transistor Tụ C1 bắt đầu nạp và đó transistor đ−ợc më nöa chu kú d−¬ng cña ®iÖn ¸p vµo Trong sơ đồ hình 5.5, bỏ điện trở R2, lúc đó transistor đ−ợc phân cực dòng cố định, với biên độ dao động nhỏ, tụ C1 đ−ợc nạp nhanh đến điện áp âm, lúc đó transistor bị khóa và chấm dứt dao động Bộ tạo dao động đ−ợc kích (dao động) điện áp trên base-emitter với số thời gian R1C1 đủ lớn, để tăng đến +0,6V Khi đó điện áp c−a đ−ợc tạo trên tụ C1 Sơ đồ nh− đ−ợc gọi là tạo dao động tự triệt, hay là tạo dao động nghẹt (Blocking) Để tránh t−ợng tự triệt tạo dao động, tr−ớc hÕt ph¶i gi¶m qu¸ t¶i lèi vµo b»ng c¸ch chän hÖ sè biÕn ¸p thÝch hîp Ngoµi ra, m¹ch thiªn ¸p mét chiÒu cho base sÏ ®−îc chän cã ®iÖn trë càng nhỏ càng tốt Trong sơ đồ hình 5.3 bỏ R2, giảm điện trở R1 làm cho dòng Base lớn đó không thể thực đ−ợc Vì thế, hợp lý là định điểm làm việc hồi tiếp âm dòng điện, sơ đồ hình 5.5 có điện trở R2, nh− các sơ đồ hình 5.6 và 5.7 Để xét điều kiện cân biên độ, tính K và β Hệ số khuếch đại: K = −SZ c ë ®©y (5.13) Zc lµ trë kh¸ng cña khung céng h−ëng cña m¹ch collector; 135 S là độ dốc đặc tr−ng truyền đạt transistor Trong đó: 1 n2 = + + Zc Rtd h11e zt (5.14) Rt® lµ trë kh¸ng cña khung céng h−ëng t¹i tÇn sè céng h−ëng R tđ = L cr (5.15) L : §iÖn c¶m cña khung céng h−ëng; C : §iÖn dung cña khung céng h−ëng; r : §iÖn trë tæn hao cña khung céng h−ëng; Zt : Trë kh¸ng cña t¶i S= h21e h11e (5.16) HÖ sè håi tiÕp: u& M β& = − B = − = −n u&C L (5.17) LËp tÝch Kβ ≥ (5.18) Thay (5.13) (5.17) vµo (5.18) nhËn ®−îc: n − n.h21e + Trong đó Z = Rtd // Z t h11e ≤0 Z (5.19) Cho vÕ ph¶i cña biÓu thøc b»ng kh«ng, gi¶i ph−¬ng tr×nh ta ®−îc: n 1, = h 21e h ⎛h ⎞ ± ⎜ 21e ⎟ − 11e 2 ⎝ ⎠ (5.20) §¹o hµm (5.19) vµ xÐt dÊu, ta thÊy (5.19) ≤ Khi n2 ≤ n ≤ n1 (5.21) VËy nÕu hÖ sè håi tiÕp n tháa m∙n ®iÒu kiÖn (5.21) m¹ch cã dao động Mạch có dao động hình sin (ở trạng thái xác lập) n1 , n2 Xác định trị số các linh kiện qua hệ số hồi tiếp n theo (5.17) và qua tần số dao động mạch: f dđ ≈ f ch = 5.4.3 2π LC (5.22) Bộ dao động ba điểm (Máy phát ba điểm) Còng nh− m¸y ph¸t ghÐp hç c¶m, m¸y ph¸t ba ®iÓm còng gåm mét tầng khuếch đại cộng 136 h−ëng vµ m¹ch håi tiÕp d−¬ng Sù kh¸c chØ ë m¹ch håi tiÕp §èi víi m¸y ph¸t ghÐp hç c¶m, m¹ch håi tiÕp d−¬ng ®−îc thùc hiÖn bëi m¹ch hç cảm, còn các sơ đồ máy phát ba điểm mạch hồi tiếp d−ơng đ−ợc thực hiÖn b»ng ®iÖn c¶m hoÆc ®iÖn dung Khái niệm ba điểm đây, sơ đồ dùng transistor là điểm nối các cực emitter E, base B, collector C vào mạch, còn transistor tr−êng lµ ba ®iÓm nèi cöa cùc nguån S, cùc m¸ng D, cùc cöa G vµo m¹ch Trong thực tế các sơ đồ máy phát ba điểm đ−ợc sử dụng nhiều hơn, lµ vïng tÇn sè rÊt cao, v× linh kiÖn Ýt, dÔ l¾p r¸p v.v 1) Nguyªn t¾c thiÕt lËp m¹ch ba ®iÓm Các mạch tạo dao động LC nói chung có thể đ−a kết cấu chung theo hình 5.8.a Trong đó K1 là khuếch đại có thể dùng transistor, transistor tr−ờng, khuếch đại thuật toán v.v Bộ khuếch đại này có thể biểu diễn theo sơ đồ t−ơng đ−ơng (hình 5.8.b) Trong đó Ud là điện áp vào, K1 là hệ số khuếch đại ch−a có hồi tiếp, rr là điện trở tầng khuếch đại Theo h×nh 5.8.a ta cã: − HÖ sè håi tiÕp: β& = K1 + Z1 Z1 + Z C o Z3 (5.23) •B Z t = Z //( Z1 + Z ) Z2 o C rr K1U d Z1 Hệ số khuếch đại có tải: u& Zt K& = r = − K1 u& d rr + Z t Ur (a) E (b) (5.24) Hình 5.8 Sơ đồ tổng quát mạch tạo dao (5.25) động ba điểm (a), sơ đồ t−ơng đ−ơng LËp tÝch K& β& vµ thay (5.23) khuếch đại K1 (b) (5.25) vµo ta cã: K& β& = − K1 Z Z1 rr ( Z1 + Z + Z ) + Z ( Z1 + Z ) (5.26) Trong chế độ dao động giả thiết trở kháng Z1, Z2, Z3 là kháng Z = jX ; Z = jX ; Z = jX Thay vµo (5.26) ta cã: Kβ = − K X X1 rr ( X + X + X ) + X ( X + X ) (5.27) 137 Khung dao động gồm các phần tử X1, X2, X3 Th−ờng tần số dao động gần tần số cộng h−ởng riêng khung, nên tần số dao động phÇn ¶o cña trë kh¸ng b»ng kh«ng: X1 + X + X = (5.28) Do đó từ (5.27) suy ra: Kβ = − K X1 X1 + X3 (5.29) Tõ (5.28) suy ra: X1 + X = − X Do đó từ (5.29) suy ra: Kβ = K X1 X2 (5.30) Từ điều kiện cân pha, để có hồi tiếp d−ơng, tổng di pha mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp gây phải không, tức là Kβ > Do đó từ (5.30) suy ra: X X > và X3 phải nhỏ không, hay nói cách khác là X3 trái dấu với X1, X2 Từ đó suy ra: - M¹ch ba ®iÓm ®iÖn c¶m: X X > vµ X < (5.31) (trong đó X1, X2 là điện cảm và X3 là điện dung) - M¹ch ba ®iÓm ®iÖn dung: X X < vµ X > (5.32) (trong đó X1, X2 là điện dung và X3 là điện cảm) 2) M¹ch ba ®iÓm ®iÖn c¶m (m¹ch Harley) Mạch tạo dao động ba điểm điện cảm, t−ơng tự nh− mạch dao động ghép hỗ cảm Nó khác chỗ biến áp đ−ợc thay đổi cuộn cảm có đầu phụ Cuộn cảm cùng tụ điện mắc song song với nó định tần số dao động tạo dao động Hình 5.9.a trình bày sơ đồ mạch tạo dao động ba điểm điện cảm dùng transistor m¾c theo kiÓu emitter chung §iÖn ¸p håi tiÕp lÊy trªn cuén L1 qua tô C1 ®−a vÒ base cña transistor ng−îc pha víi ®iÖn ¸p trªn collector chÝnh lµ ®iÖn ¸p trªn cuén L2, nh− vËy m¹ch tháa m∙n ®iÒu kiện cân pha Hình 5.9.b trình bày sơ đồ mạch tạo dao động ba điểm 138 ®iÖn c¶m dïng transistor m¾c theo kiÓu base chung §iÖn ¸p håi tiÕp lÊy trªn L1 qua tô C, ®−a vÒ emitter cïng pha víi ®iÖn ¸p trªn collector lÊy trªn L1 vµ L2 Nh− vËy m¹ch tháa m∙n ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha B R1 C1 w1 L1 w2 E L2 • o + EC L1 C • • R1 E U t® C L2 C1 o Ur U t® • • C2 • • R2 C2 RE CE RE o + EC B• C C • • R2 • • (a) (b) Hình 5.9 Mạch ba điểm điện cảm (mạch Harlay): sơ đồ emitter chung (a), sơ đồ base chung (b) Xét theo điều kiện (5.31), các sơ đồ hình 5.9, X1 là điện kháng base vµ emitter, X2 lµ ®iÖn kh¸ng gi÷a collector vµ emitter mang tÝnh ®iÖn c¶m, cßn X3 lµ ®iÖn kh¸ng gi÷a collector vµ base mang tÝnh ®iÖn dung Do đó mạch thỏa m∙n điều kiện cân pha Xét điều kiện cân biên độ (5.3a) Ta tính cho mạch hình 5.9.a: U& L β& = − B = − = −n (5.33) L2 U& C Vµ h K& = − SZ C = − 21e h11e h11e ⎤ ⎡ ⎢ P Rth // n ⎥ ⎣ ⎦ (5.34) Trong đó P là hệ số ghép transistor và mạch P= U CE L2 = U tđ L1 + L (5.35) Thay (5.33) (5.35) vµo (5.3a) ta ®−îc: (1 + n ) h 11e + n R tđ − nR tđ h 21e ≤ (5.36) Nh− vËy (5.36) hoµn toµn trïng hîp víi (5.19) nªn c¸c kÕt qu¶ (5.20), (5.21) đúng tr−ờng hợp này Tần số dao động mạch đ−ợc xác định theo (5.37): f dđ ≈ f ch = π ( L + L )C (5.37) 139 Trong tr−ờng hợp dùng mạch base chung nh− hình 5.9.b để tạo dao động tần số cao, cho kết nh− vậy, nh−ng các biÓu thøc trªn ph¶i thay h11e vµ h21e bëi h11b vµ h21b , vµ hÖ số hồi tiếp β đ−ợc xác định theo (5.38), và hệ số ghép transistor và m¹ch theo (5.39) U& L β& = − & BE = − =n L1 + L2 U CB P= & U CB =1 & U tđ (5.38) (5.39) 3) M¹ch ba ®iÓm ®iÖn dung (m¹ch colpits) Mạch ba điểm điện dung mắc theo sơ đồ emitter chung nh− trên hình 5.10.a Còn mắc theo sơ đồ base chung nh− trên hình 5.10.b (b) (a) Hinh 5.10 Mạch ba điểm điện dung mắc theo sơ đồ emitter chung (a),và sơ đồ base chung (b) X = X BE = − <0 ωC X = X CE = − <0 ωC1 X = X CB = ωL > Nh− vËy m¹ch tháa m∙n ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha Đối với sơ đồ hình 5.10.a, hệ số hồi tiếp: U& C β& = − & BE = − C1 U CE (5.40) Đối với sơ đồ hình 5.10.b, hệ số hồi tiếp: U& C β& = − & BE = − C1 + C U CE 140 (5.41) Đặc điểm sơ đồ ba điểm điện dung là dùng điện dung để phân áp Tần số dao động mạch đ−ợc xác định theo (5.42) f dđ ≈ f ch = (5.42) C1 C 2π L C1 + C 4) Bộ tạo dao động LC ghép emitter Sơ đồ tạo dao động LC ghép emitter đơn giản trình bày hình 5.11, thực trên sở tầng khuếch đại vi sai Vì điện áp trên base transistor T1 đồng pha víi ®iÖn ¸p trªn collect¬ cña Hình 5.11 Bộ tạo dao động transistor T2, nên hồi tiếp xuất đấu LC ghÐp emitter chóng trùc tiÕp lµ håi tiÕp d−¬ng Bộ khuếch đại dùng để xây dựng nên dao động ghép emitter và tầng cuối với biên độ tín hiệu điều chỉnh đ−ợc đ∙ đ−ợc h∙ng Motorola chÕ t¹o d−íi d¹ng vi m¹ch ký hiÖu MC - 1648, nã cã thÓ tạo tín hiệu có tần số đến 200MHz 5.4.4 Các mạch tạo dao động dùng thạch anh 1) TÝnh chÊt vµ m¹ch t−¬ng ®−¬ng cña th¹ch anh Trong nhiều tr−ờng hợp, độ ổn định tần số dao động LC dùng các biện pháp ổn định nh− đ∙ trình bày mục 5.3.2 là không đủ Độ ổn định tần số phụ thuộc vào nhiệt độ, hệ số điện cảm và điện dung Để đạt độ ổn định tần số cao th−ờng dùng thạch anh để ổn định tần số Thạch anh có tính chất vật lý đáng quý nh− độ bền học cao, ít chịu tác động nhiệt độ, độ ẩm và tác dụng hóa học Th¹ch anh cã tÝnh chÊt ¸p ®iÖn, nghÜa lµ d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−ờng thì sinh dao động học và ng−ợc lại có dao động học thì sinh điện tích, đó có thể dùng thạch anh nh− khung cộng h−ởng Ký hiệu thạch anh trên hình 5.12.a; sơ đồ t−ơng đ−ơng thạch anh điện hình 5.12.b, đó Lq, Cq, rq phụ thuộc vào kích th−íc vµ c¸ch c¾t khèi th¹ch anh 141 Th¹ch anh cã kÝch th−íc cµng nhá th× Lq, Cq vµ rq cµng nhá vµ tÇn sè céng oA oA h−ởng càng cao, Lq, Cq, rq có tính ổn định Lq cao, còn Cp là điện dung giá đỡ có độ Cp ổn định kém Cq Sau ®©y lµ c¸c gi¸ trÞ ®iÓn h×nh cña các tham số sơ đồ t−ơng đ−ơng đối víi mét th¹ch anh 4MHz: rq oB (a) oB (b) Lq = 100mH , rq = 100Ω H×nh 5.12 Ký hiÖu th¹ch anh C q = 0,015 pF , C p = 5pF (a), sơ đồ t−ơng đ−ơng điện cña th¹ch anh (b) §é phÈm chÊt Q = 25.000 V× gi¸ trÞ cña rq rÊt nhá, nªn tÝnh to¸n cã thÓ bá qua Trë kh¸ng t−¬ng đ−ơng thạch anh lúc đó là điện kháng t−ơng đ−ơng đ−ợc xác định theo (5.43) 1 ) jωC q jωC p ω Lq C q − = j Zq = X q = 1 ω (C p + C q − ω Lq C q C p ) + jωLq + jω C q jωC p ( jωLq + (5.43) Tõ (5.43) suy th¹ch anh cã hai tÇn sè céng h−ëng: Mét tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp f q øng víi Z q = vµ mét tÇn sè céng h−ëng song song f p øng víi Z q = ∞ Tõ (5.43) suy ra: fq = 2π Lq C q fp = 2π C p + Cq Lq C p C q (5.44) = fq 1+ Cq Cp (5.45) §iÖn dung Cp cµng lín so víi Cq th× tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp f q càng gần với tần số cộng h−ởng song song f p Từ biểu thức (5.43) và đặc tÝnh ®iÖn kh¸ng cña th¹ch anh h×nh 5.13, th¹ch anh xuÊt hiÖn miÒn cã tÝnh chÊt ®iÖn kh¸ng lÇn l−ît lµ: ë vïng tÇn sè f < f q th¹ch anh t−¬ng 142 ®−¬ng nh− mét dung kh¸ng, ë vïng tÇn sè f q < f < f p th¹ch anh t−¬ng ®−¬ng nh− mét c¶m kh¸ng, ë vïng tÇn sè f > f p th¹ch anh t−¬ng ®−¬ng nh− mét dung kh¸ng Hai tÇn sè f q vµ f p cña th¹ch Xt® anh rÊt gÇn chØ c¸ch vµi chôc kHz Th−êng s¶n xuÊt c¸c thạch anh với tần số f q = 1kHz đến fq f fp hµng tr¨m MHz C¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n vÒ ®iÖn Zt® cña th¹ch anh • §é phÈm chÊt cao: Q = 10 ÷ 10 • Tû sè L q C q rÊt lín nªn trë kh¸ng t−¬ng ®−¬ng cña th¹ch anh fq H×nh 5.13 §Æc tÝnh ®iÖn kh¸ng R t a = Lq Cq rq rÊt lín • f fp cña th¹ch anh Với khung dao động dùng thạch anh có thể đạt đ−ợc độ không ổn định tần số t−ơng đối: Δf = 10 −6 ÷ 10 −10 fo Để thay đổi tần số cộng h−ởng cña bé céng h−ëng th¹ch anh ph¹m vi hÑp, nh− m« t¶ ë h×nh 5.14 ng−êi ta m¾c nèi tiÕp víi th¹ch Hình 5.14 Một biện pháp để thay đổi tÇn sè anh tụ biến đổi CS Lóc nµy trë kh¸ng t−¬ng ®−¬ng céng h−ëng cña th¹ch anh cña m¹ch: Z q' = C q + C p + C S − ω Lq C q (C p + C S ) j ωC S C p + C q − ω Lq C q C p (5.46) Do đó tần số cộng h−ởng nối tiếp mạch: f q' = f q + Cq C p + CS (5.47) 143 Ngoài vì CP ổn định kém, để giảm ảnh h−ởng CP ng−ời ta mắc tụ Co song song với CP , lúc đó trở kháng t−ơng đ−ơng mạch: Zq = j ω L q Cq − (5.48) ω [C p + Co + Cq − ω Lq Cq (C p + Co )] Khi đó tần số cộng h−ởng song song: f p = fq + Cq (5.49) Co + C p Khi Co >> Cq th× f p ≈ f q Do m¾c thªm tô Co nªn tÇn sè céng h−ëng song song f p gi¶m xuèng gÇn b»ng tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp f q vµ f p hÇu nh− kh«ng phô thuéc vào CP và Co Nh−ng vì mà độ phẩm chất mạch Q = L r C gi¶m, v× C t¨ng 2) Bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng nối tiếp Có thể ổn định tần số cộng h−ởng tạo dao động LC, mạch hồi tiếp dùng cộng h−ởng thạch anh Để đảm bảo yêu cÇu vÒ tÇn sè, th¹ch anh m¾c nèi tiÕp víi CS , ë tÇn sè céng h−ëng nèi tiếp thạch anh, tín hiệu hồi tiếp là lớn Khi đó thiết kế để điện trở mạch ngoài (đấu nối tiếp mạch hồi tiếp) nhỏ điện trở tổn hao cña th¹ch anh cµng nhiÒu cµng tèt NÕu kh«ng lµm ®−îc ®iÒu nµy, thì độ phẩm chất thạch anh giảm, và độ phẩm chất càng giảm thì độ dốc đặc tính pha gần tần số cộng h−ởng thạch anh càng nhỏ Lúc đó dịch pha ký sinh ảnh h−ởng nhiều đến tần số céng h−ëng (a) 144 (b) Hình 5.15 Bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng nối tiÕp: ®iÓm ®iÖn c¶m (a) vµ ®iÓm ®iÖn dung (b) DÔ dµng thùc hiÖn ®−îc ®iÒu kiÖn ®iÖn trë nèi tiÕp nhá m¹ch cộng h−ởng thạch anh, tạo dao động LC đ−ợc xây dựng trên các transistor mắc theo sơ đồ base chung đ−ợc mô tả trên hình 5.15 Các sơ đồ mô tả trên hình 5.15 là tạo dao động có khung cộng h−ởng LC Để cho dao động xuất phải điều chỉnh tần số cộng h−ởng khung céng h−ëng LC ë tÇn sè cña bé céng h−ëng th¹ch anh TÇn sè céng h−ởng khung dao động có thể chọn bội số nguyên tần số cộng h−ởng thạch anh, và dao động đ−ợc kích thích hài bội t−ơng ứng Ph−ơng pháp này thuận lợi dùng để tạo các tần số lớn h¬n 10MHz Khi sö dông th¹ch anh ë tÇn sè céng h−ëng c¬ b¶n cña nã th× cã thÓ bỏ không dùng khung dao động phụ Trên hình 5.16 trình bày sơ đồ t−ơng ứng dùng để kích cộng h−ởng nối tiếp thạch anh Để không làm giảm độ phẩm chất thạch anh, sơ đồ kích thích phải có điện trở đủ nhỏ Muốn ng−ời ta dùng lặp lại emitter transistor T1 Dòng chạy qua cộng h−ởng thạch anh, đ−ợc khuếch đại g−¬ng dßng ®iÖn trªn transistor T2 vµ diode D1 T¹i tÇn sè céng h−ëng nối tiếp, trị số dòng này đạt cực đại Hệ số khuếch đại dòng đ−ợc chọn cho tần số này thỏa m∙n điều kiện tự kích sơ đồ Điện trở R3 đ−ợc chọn nhỏ để điện áp xoay chiều trên cộng h−ởng thạch anh không v−ợt quá 10 mV Khi đó công suất tiêu thụ trên thạch anh nhỏ đến mức nó không ảnh h−ởng đến độ ổn định tần số cộng h−ëng Thay cho ®iÖn trë R3 , tèt h¬n c¶ lµ chän mét phÇn tö ®iÒu khiÓn ®−îc vÒ mÆt ®iÖn, ch¼ng h¹n nh− transistor tr−ờng Khi đó trị số điện trở kênh transistor tr−ờng đ−ợc xác lập sơ đồ điều khiển tự động biên độ tín hiệu Giải pháp này đảm bảo kích thích tin cậy cho cộng h−ởng thạch anh, và đảm bảo độ méo nhỏ cho điện áp hình sin sơ đồ 145 Sơ đồ hình 5.16 có thể bảo đảm đ−ợc khả kÝch thÝch cho m¹ch céng h−ëng ë c¸c sãng hµi béi Muèn thÕ tô C1 sÏ ®−îc thay khung dao động, ®iÒu chØnh t¹i tÇn sè t−¬ng ứng Sơ đồ dao động có phần tử điều chỉnh biên độ ®iÖn ¸p trªn bé céng h−ëng th¹ch anh ®ang xÐt ®∙ ®−îc Hình 5.16 Bộ tạo dao động dùng thạch anh H∙ng Plessey chÕ t¹o d−íi víi tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp kh«ng cã d¹ng vi m¹ch víi ký hiÖu SL- khung dao động LC 680C Vi m¹ch nµy cho phÐp nhËn ®−îc ®iÖn ¸p cã tÇn số đến 150MHz Độ không ổn định tần số t−ơng đối sơ đồ này vào khoảng 10−9 đến 10−7 3) Bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng song song M¹ch ®iÖn trªn h×nh 5.17.a lµ mét d¹ng m¹ch ®iÖn ba ®iÓm ®iÖn dung Nh¸nh cã th¹ch anh m¾c nèi tiÕp víi tô CS t−¬ng ®−¬ng nh− mét ®iÖn cảm, nghĩa là tần số dao động mạch phải thỏa m∙n điều kiện (5.50) vµ tô CS ph¶i tháa m∙n ®iÒu kiÖn (5.51) f q < f dđ < f p (5.50) < ω dđ L td ω dđ C S (5.51) Trong đó, Lt là điện cảm t−ơng đ−ơng thạch anh Để giảm ảnh h−ởng điện dung ra, điện dung vào đến tần số dao động mạch: C1 , C >> C S Tần số dao động mạch có thể xác định gần đúng nh− sau: 146 (5.52) f dđ ≈ f p (5.53) Với sơ đồ hình 5.17.b là mạch điện ba điểm điện dung, nhánh có th¹ch anh m¾c nèi tiÕp víi tô CS t−¬ng ®−¬ng nh− mét ®iÖn c¶m, ®iÖn dung base và emitter transistor và tụ biến đổi C2 tạo thành mạch hồi tiếp Giá trị C2 thay đổi, làm thay đổi hệ số hồi tiếp Các mạch tạo dao động dùng thạch anh hình 5.17 sử dụng tần số céng h−ëng song song Điều kiện biên độ đ−ợc xét nh− mạch ba điểm điện dung thông th−êng (a) (b) Hình 5.17 Bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng song song 5.5 Bộ tạo dao động RC 5.5.1 Khái quát chung các tạo dao động RC Để tạo các dao động tần số thấp (có tần số từ 10 Hz đến 30 kHz), việc sử dụng dao động LC là bất cập, vì cần trị số L, C lớn Cấu tạo dao động cồng kềnh và giá thành đắt Hơn L, C lớn thì điện trở tổn hao lớn, đó độ phẩm chất Q mạch nhỏ và độ ổn định tần số thấp Vì tạo dao động RC th−ờng đ−ợc dùng phạm vi tần số thấp thay cho các tạo dao động LC Trong các tạo dao động RC không có cuộn cảm, đó có thể chế tạo nó thuận tiÖn d−íi d¹ng vi m¹ch Với cùng điện dung biến đổi, có thể điều chỉnh đ−ợc tần số dao động tạo dao động RC phạm vi rộng so với tạo dao động LC Vì tạo dao động RC tần số dao động tỉ lệ với C , còn tạo dao động LC, tần số tỉ lệ với C 147 Mạch hồi tiếp tạo dao động RC bao gồm các phần tử RC, nghÜa lµ nã kh«ng cã tÝnh céng h−ëng t¹i tÇn sè c¬ b¶n nh− c¸c tạo dao động LC, vì để giảm méo phi tuyến, yêu cầu khuếch đại làm việc chế độ A 5.5.2 Bộ tạo dao động RC dùng mạch di pha mạch hồi tiếp Đối với tạo dao động RC gồm tầng khuếch đại dùng transistor mắc theo sơ đồ emitter chung, điện áp lối lệch pha so với điện áp lối vào 180o Do đó để thỏa m∙n điều kiện cân pha, m¹ch håi tiÕp ph¶i t¹o mét gãc di pha 180o (m¹ch nhanh pha) hoÆc −180o (m¹ch chËm pha) Nh− ®∙ biÕt c¸c phÇn trªn, m¹ch RC lèi trên R có hàm truyền đạt đ−ợc xác định nh− sau: R K& = jωC R+ (5.54a) Gãc lÖch pha: ϕ = arctg ωRC (5.54b) Theo (5.54b) mét m¹ch RC lèi trªn R chØ cã thÓ t¹o mét gãc di pha ϕ < 90o R và C khác không Vì muốn đảm bảo điều kiện cân b»ng pha m¹ch håi tiÕp ph¶i cã tèi thiÓu ba m¾t läc RC lèi trªn R m¾c nèi tiÕp nhau, mçi m¾t läc thùc hiÖn mét gãc di pha b»ng 60o NÕu dïng bèn m¾t läc th× mçi m¾t läc thùc hiÖn mét gãc di pha b»ng 45o Có thể dùng các mắt lọc RC có trị số khác nhau, nh−ng để đơn giản th−êng chän cã trÞ sè b»ng Trªn h×nh 5.18.a tr×nh bµy bé t¹o dao động RC dùng mạch di pha mạch hồi tiếp, các linh kiện thỏa m∙n ®iÒu kiÖn (5.55) R1 // R2 // rBo = R 148 (5.55) C o • U& C = U& V R o (a) C • • • o U& B = u& r R R • C • o (b) Hình 5.18 Mạch tạo dao động dùng mạch di pha mạch hồi tiếp (a); M¹ch håi tiÕp dïng ba m¾t läc RC (b) Để tính hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp, viết ph−ơng trình dòng điện cho nút 1, 2, hình 5.18.b, dùng ph−ơng pháp để giải, ta xác định đ−ợc: β& = U& B = & U C − 5α − jα (6 − α ) (5.56a) Trong đó α = ωRC Từ đó suy độ lớn hệ số hồi tiếp: β= (1 − 5α ) + α (6 − α ) 2 (5.56b) Vµ gãc pha cña m¹ch håi tiÕp: α (6 − α ) − 5α Víi m¹ch di pha nµy, ϕ β = π α = ϕ β = arctg (5.57) Do đó: ωdđ = RC (5.58) Thay α = vào (5.56b) xác định đ−ợc giá trị hồi tiếp tần số dao động: β= 29 (5.59) Nh− theo điều kiện cân biên độ (5.3a), hệ số khuếch đại tÇng K ≥ 29 Bằng cách t−ơng tự, tính đ−ợc tần số dao động và hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp gồm 149 m¾t läc RC nh− sau: ϕβ = π ωdđ = 10 RC β= vµ 18,4 Ng−ời ta thấy số mắt lọc mạch hồi tiếp càng tăng thì đạo hµm ∂ϕ β ∂ω càng lớn, đó càng thuận lợi yêu cầu độ ổn định tÇn sè Trong sơ đồ hình 5.18, mạch hồi tiếp dùng mạch lọc thông cao (mạch nhanh pha), thùc tÕ cã thÓ dïng m¹ch håi tiÕp dïng m¹ch läc th«ng thÊp (m¹ch chËm pha) h×nh 5.19 o U& V o R • R • C C R • U& r C • • o • o (b) (a) Hình 5.19 Bộ tạo dao động RC dùng mạch chậm pha (trễ pha) mạch hồi tiÕp (a); m¹ch håi tiÕp dïng m¹ch th«ng thÊp, trÔ pha (b) §èi víi m¹ch håi tiÕp dïng m¾t läc th«ng thÊp RC, cã thÓ tÝnh ®−îc: ϕβ = −π ω dđ = RC và tần số dao động β = Víi bèn m¾t läc th«ng thÊp RC th× ϕ β = − π ωdđ = dao động β = 10 RC 29 vµ t¹i tÇn sè 18,4 5.5.3 Bộ tạo dao động dùng mạch lọc cầu chữ T vμ T-kép m¹ch håi tiÕp M¹ch läc T vµ T-kÐp ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 5.20 150 R o (a) C o • C U& V U& r • (b) o U& V o o • R R o • o C C R R 2C • • U& r o H×nh 5.20 M¹ch läc cÇu ch÷ T (a); vµ ch÷ T-kÐp (b) Với mạch lọc T viết ph−ơng trình dòng điện cho nút và nút 2, từ đó xác định đ−ợc hệ số truyền đạt: U& α − + j 2α β& = r = U& V α − + j 3α Trong đó α = (5.60) ωRC Vậy độ lớn hệ số truyền đạt và góc pha: β= (α − 1) + 4α (α − 1) + 9α (5.61a) ϕ β = arctg α (1 − α ) (α − 1) + 6α 2 (5.61b) VËy ϕ β = α = tøc ωdđ = RC Thay α = vào (5.61a) đ−ợc hệ số truyền đạt có giá trị nhỏ β = β = (5.61c) Với mạch lọc T-kép, để tính hệ số truyền đạt, viết ph−ơng trình dßng ®iÖn cho nót 1, vµ 3: Nót 1: Nót 2: Nót 3: §Æt α = u& V − u1 u& r − u&1 + − u1 jωC = R R 2u& (u& V − u& ) jωC + (u& r − u& ) jωC − = R u&1 − u& r (u& − u& r ) jωC + =0 R , khö u&1 , u& ta ®−îc hÖ sè truyÒn: ωRC 151 β& = U& r α2 −1 = U& V (α − 1) + j 4α (5.62) §é lín cña hÖ sè truyÒn: β= α −1 (α − 1) + 16α (5.63a) vµ gãc pha: ϕ β = arctg − 4α 4α = arctg α −1 1−α (5.63b) Khi α = th× ω dđ = π vµ ϕ β = ± RC Thay α = vào (5.63a) ta đ−ợc hệ số truyền đạt nhận giá trị nhỏ nhÊt: β = β = (5.63c) Trong mạch lọc T-kép , với α = , ωdđ = 1/ RC hệ số truyền đạt, đạt giá trÞ tèi thiÓu β = , vµ gãc pha ϕ β = §©y lµ tr−êng hîp m¹ch cÇu kÐp ch÷ T lÖch c©n b»ng hay đ−ợc dùng tạo dao động Ta thấy tần số ωdđ = 1/ RC , ( α = ) hệ số truyền đạt hai mạch trên đạt cực tiểu Vì các mạch T và mạch lọc T-kép phải đ−ợc mắc vào khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn, và mắc nhánh hồi tiếp âm khuếch đại làm nhiệm vụ chọn lọc tần số Để mạch có thể tạo đ−ợc dao động ổn định khuếch đại phải có thêm nhánh hồi tiếp d−ơng không phụ thuộc vào tần số, cho mạch tạo dao động có tần số mà hệ số hồi tiếp ©m qua m¹ch T vµ T-kÐp nhá nhÊt, tøc lµ ω = ωdđ = 1/ RC Trªn h×nh 5.21 trình bày mạch dao động dùng khuếch đại thuật toán có mạch T m¹ch håi tiÕp ©m 152 Theo h×nh 5.21, m¹ch håi tiÕp d−¬ng gåm R1, R2 M¹ch håi tiÕp ©m lµ m¹ch T T¹i tÇn sè ω = ωdđ = 1/ RC th× hÖ sè håi tiÕp ©m β − = Do bé khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại Ko lớn, nên để có Hình 5.21 Mạch tạo dao động dùng dao động ổn định hệ số hồi tiếp K§TT d−¬ng β + ≥ β − cã m¹ch T m¹ch håi tiÕp ©m HÖ sè håi tiÕp d−¬ng: β+ = R2 ≥ R1 + R2 (5.64) Từ đó suy điều kiện (5.65) là điều kiện cân biên độ: R2 ≥ R1 (5.65) T−ơng tự nh− có thể thay mạch T hình 5.21 mạch Tkép và tính điều kiện cân biên độ mạch Bộ tạo dao động RC dùng mạch T-kép có độ ổn định tần số cao dïng m¹ch T 5.5.4 Bộ tạo dao động RC dùng mạch cầu Viên mạch hồi tiÕp M¹ch cÇu Viªn ®−îc t¹o nªn bëi m¹ch U& V Hệ số truyền đạt mạch: β& = U& r = U& V R1 C2 1+ + + j (ωR C − ) R C1 ωR C R1 o läc th«ng d¶i cã d¹ng nh− trªn h×nh 5.22 • C1 • o U& r R2 C2 o (5.66) • • o H×nh 5.22 M¹ch läc th«ng d¶i Từ (5.66) xác định đ−ợc độ lớn hệ số truyền đạt: β= ⎛ R C ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ + + ⎟ + ⎜ ωR C − ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ R C ω R ⎠ C1 ⎠ ⎝ ⎝ (5.67a) Vµ gãc pha: 153 ϕ β = −arctg ωR1C2 − 1+ ωR2C1 R1 C2 + R2 C1 (5.67b) C1 = C2 = C vµ R1 = R2 = R Trong thùc tÕ th−êng chän: Ta cã: β= ⎞ ⎛ + ⎜ ωRC − ⎟ ω RC ⎝ ⎠ = ⎛1 ⎞ + ⎜ −α ⎟ α ⎝ ⎠ (5.68a) ϕ β = arctg Vµ 1 − +α ωRC = arctg α 3 − ωRC + (5.68b) Trong đó α = ωRC Khi α = tøc lµ ω = ω dđ = th× ϕ β = RC Thay α = vào (5.68a) ta đ−ợc hệ số truyền đạt, đạt giá trị cực đại: β = β max = (5.68c) Tại tần số dao động, mạch có hệ số truyền đạt (hệ số hồi tiếp) lớn và góc di pha không, đó có thể dùng mạch cầu Viên làm mạch hồi tiếp d−ơng tạo dao động RC dùng transistor với hai tầng khuếch đại Sơ đồ trình bày trên hình 5.23 là tạo dao động RC dùng transistor víi m¹ch cÇu Viªn m¹ch håi tiÕp C2 HÖ sè håi tiÕp d−¬ng β = , R E1 C3 R4 R E2 đó để thỏa m∙n điều kiện cân biên độ, hệ số khuếch đại cña bé khuÕch đại: K = K1.K ≥ K1, K2 lµ hÖ sè 154 Hình 5.23 Bộ tạo dao động RC dùng mạch cÇu Viªn m¹ch håi tiÕp khuếch đại tầng thứ và thứ hai Để tăng độ ổn định tÇn sè m¹ch sö dông håi tiÕp ©m xoay chiÒu trªn RE1 , RE2 5.5.5 Bộ tạo dao động RC dùng mạch cầu Viên - Rôbinxơn Về nguyên tắc, tạo dao động RC có thể xây dựng theo sơ đồ t−ơng tự nh− sơ đồ hình 5.2, ta thay khung dao động lọc thông dải thụ động RC Khi khảo sát các mạch lọc thụ động, ng−ời ta đ∙ chứng minh đ−ợc, lọc thụ động RC độ phẩm chất lớn bị hạn chế giá trị Dao động hình sin nhận đ−ợc các tạo dao động này có độ ổn định tần số thấp Điều này đ−ợc suy từ đặc tÝnh pha - tÇn sè cña c¸c bé läc kh¸c vÏ trªn h×nh 5.24 §èi víi bé lọc tần số thấp thụ động với độ phẩm chất Q = , thì dịch pha tần sè b»ng mét nöa tÇn sè céng h−ëng sÏ vµo kho¶ng 27o NÕu dÞch pha bæ sung bëi bé khuếch đại, chẳng hạn −27 , thì (ϕ) 180 o 120 dao động, phù hợp với điều 60 kiện cân pha, tổng độ dịch pha ϕ = , sÏ ®−îc kÝch t¹i tÇn sè (f/f0) 0,1 0,2 0,5 10 -60 b»ng mét nöa tÇn sè céng h−ëng cña bé läc tÇn thÊp Nh− -120 -180 để nhận đ−ợc độ ổn định tần số cao phải có mạch hồi tiếp, đặc tÝnh pha - tÇn sè cña m¹ch håi tiếp phải có độ dốc lớn điểm Hình 5.24 Sự phụ thuộc độ dịch pha vµo tÇn sè: ®−êng 1: CÇu Viªn-R«binx¬n; đ−ờng 2: Khung dao động với Q = 10, ®−êng 3: Bé läc th«ng d¶i víi Q = qua kh«ng TÝnh chÊt nh− vËy tån t¹i c¸c khung dao động có độ phẩm chất cao và cÇu Viªn - R«binx¬n M¹ch 155 cÇu Viªn-R«binx¬n ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.25 Khác với lọc thông dải, đặc tính biên độ - tần số hệ số truyền đạt tần số cộng h−ởng là cực tiểu Cầu Viên - Rôbinxơn dùng để triệt tiêu tín hiệu miền tần số định, điện áp U& D đ−ợc xác định theo biểu thức (5.69) U& V o R C R1 • o • U1 jΩ U& D = U& V − U& V + jΩ − Ω • o • o • R1 R C ë ®©y: Ω = ωRC = U& D (5.69) ω gäi lµ tÇn sè gãc chuÈn ωo hãa • Từ đó ta có hệ số truyền đạt: 1 − Ω2 + jΩ − Ω H×nh 5.25 CÇu Viªn - β& ( jΩ) = R«binx¬n (5.70) M«-®un cña cã hÖ sè truyÒn: β= − Ω2 (1 − Ω ) + 9Ω Gãc pha: ϕ = arctg 3Ω Ω2 − (5.71) (5.72) §å thÞ cña β vµ ϕ phô thuéc vµo tÇn sè ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh (526) Tuy nhiªn, ®iÖn ¸p cña cÇu Viªn - R«binx¬n t¹i tÇn sè céng h−ëng không, vì nó không thể dùng trực tiếp các sơ đồ tạo dao động Để thiết lập sơ đồ tạo dao động, ng−ời ta thay đổi cầu Viên Rôbinxơn đôi chút nh− mô tả hình 5.27 Trị số ε là số d−ơng nhỏ nhiều Dễ dàng tính đ−ợc đặc tính pha - tần số cầu Viên Rôbinxơn cải biến, tần số cao và thấp so với tần số cộng h−ởng U1 = Khi đó điện áp U& D = − U V 156 (độ) |β| 90 0,3 45 0,2 0,1 0,2 0,5 10 Ω −45 0,1 0,2 0,5 10 Ω ϕ −90 H×nh 5.26 §å thÞ Bode cña cÇu Viªn - R«binx¬n DÞch pha t¹i c¸c tÇn sè nµy b»ng U& V ± 180 o o o • R C T¹i tÇn sè céng h−ëng U& = U& V , v× vËy ⎞& ε ⎛1 U& D = ⎜ − ⎟U V ≈ U& V ⎝3 3+ε ⎠ U1 R1 • o • o • R1 2+ε R C • U& D • H×nh 5.27 CÇu Viªn - R«binx¬n c¶i Nh− vËy t¹i tÇn sè céng h−ëng, ®iÖn áp U& D đồng pha với điện áp vào U& V biÕn Để định l−ợng c¸c tham sè cña ®−êng h×nh 5.24, tr−íc tiªn ta viÕt hµm truyÒn đạt cầu Viên - Rôbinxơn: −1 (1 + P ) − ε P U& D = U& V + ε + [(9 + ε )(3 + ε )].P + P ë ®©y P = p ω o : TÇn sè gãc phøc chuÈn hãa; p = jω + σ : TÇn sè gãc phøc Bỏ qua các ε có bậc cao, ta có công thức để xác định đặc tính pha tần số: ϕ = arctg 3Ω(Ω − 1)(3 + 2ε ) (Ω − 1) (3 + ε ) − 9εΩ Đ−ờng cong này đ−ợc vẽ hình 5.24 với ε = 0,01 Nh− ta thấy rõ từ đồ thÞ cña hµm nµy, pha cña ®iÖn ¸p cña cÇu Viªn - R«binx¬n c¶i biÕn, dải tần số nhỏ thay đổi từ + 90 o ữ −90 o Dải này càng nhỏ nÕu chän ε cµng nhá V× vËy cÇu Viªn - R«binx¬n cã thÓ so s¸nh víi khung dao động có độ phẩm chất cao 157 Ưu điểm sơ đồ này là: dịch pha không bị hạn chế trị số ± 90o mà tăng lên ± 180o , có độ lệch tần lớn Việc này dẫn đến việc suy giảm tốt các hài bậc cao thành phần tín hiệu Nh−ợc điểm sơ đồ cầu Viên - Rôbinxơn là suy giảm tín hiệu tÇn sè céng h−ëng cµng m¹nh ε cµng nhá TrÞ sè suy hao t¹i tÇn sè céng h−ëng b»ng: UD ε =β ≈ UV (5.73) Nh− thí dụ xét, trị số này vào khoảng 900 Để đảm bảo điều kiện cân biên độ, cần phải bù suy hao này khuếch đại Trên hình 5.28 mô tả sơ đồ tạo dao động với cầu Viên Rôbinxơn R1 R khuếch đại vi phân KD, thì để • thùc hiÖn ®iÒu kiÖn c©n b»ng biên độ K D β = , cần phải chọn • C Nếu khuếch đại có hệ số UN • C R gi¸ trÞ ε ε = 9β = K D Nếu ε lớn, thì biên độ dao động bắt đầu tăng, tăng còn tiếp diễn nào bé khuÕch + • UD R2 • T → • • − C3 R3 • UG D1 R4 • o Uo R5 • C1 o C2 D2 R6 • Hình 5.28 Bộ tạo dao động đơn giản với cÇu Viªn - R«binx¬n TÇn sè céng h−ëng: f = 2πRC đại ch−a vào miền b∙o hòa NÕu trÞ sè ε rÊt nhá, hoÆc thËm chí là âm, thì dao động kh«ng tù kÝch Tuy nhiên, không thể chọn các điện trở R1 và R1 ( + ε ) với độ chính xác đủ để đảm bảo độ ổn định biên độ tín hiệu, vì các trị số này cần phải đ−ợc điều chỉnh tự động, tùy thuộc vào biên độ điện áp Muốn thế, sơ đồ hình 5.28 ta sử dụng transistor tr−ờng T Đối với transistor tr−ờng, điện trở kênh RDS nó, trị số UDS đủ nhỏ, phụ thuộc vào điện áp điều khiển UGS Một phần điện áp U& N đặt trên điện 158 trở R2 Việc đấu nối tiếp điện trở R2 với RDS để tạo điện trở R1 ( + ε ) Giá trị tối thiểu điện trở kênh RDS RDS mở Do đó trị số điện trë R2 cÇn ph¶i chän nhá h¬n R1 − RDS më Khi đấu nguồn nuôi cho dao động, đầu tiên U GS = , RDS = RDS mở Khi tháa m∙n ®iÒu kiÖn lùa chän trÞ sè R2, th× ®iÖn trë m¹ch nèi tiÕp gi÷a điện trở R2 và RDS nhỏ (1 2).R1 Khi đó, tần số cộng h−ởng, điện áp UD cầu Viên - Rôbinxơn có trị số đủ lớn Dao động xuất và biên độ bắt đầu tăng Điện áp tạo dao động đ−ợc chỉnh l−u béi ¸p bËc trªn c¸c diode D1 vµ D2 §iÖn ¸p trªn cùc cöa cña transistor tr−ờng trở thành âm, và trị số điện trở RDS tăng lên, biên độ tín hiệu còn tăng điều kiện sau đây đ−ợc thỏa m∙n: RDS + R2 = R1 R1 = + ε + (9 K D ) (5.74) Hệ số méo phi tuyến điện áp tạo dao động phụ thuộc vào độ tuyến tính đặc tính transistor tr−ờng Độ tuyến tính này có thể đ−ợc nâng cao đáng kể phần điện áp cực m¸ng vµ cùc nguån cña transistor tr−êng ®−îc céng víi c¸c ®iÖn ¸p cực cửa Muốn ta dùng các điện trở R3, R4 sơ đồ Tụ C3 dùng để ngăn dòng chiều đến lối vào N tầng khuếch đại, dòng này có thÓ lµm lÖch ®iÓm kh«ng cña ®iÖn ¸p Th−êng ng−êi ta chän R3 ≈ R4, B»ng c¸ch ®iÒu chØnh chÝnh x¸c trÞ sè cña ®iÖn trë R3 cã thÓ gi¶m ®−îc hệ số méo phi tuyến đến giá trị nhỏ Trên thực tế hệ số này đạt kho¶ng 0,1% Nếu R là chiết áp, thì có thể thay đổi từ từ tần số cộng h−ởng sơ đồ Đặc tr−ng góc quay các chiết áp kém đồng nhất, thì sơ đồ điều chỉnh tự động biên độ điện áp càng cần phải có hiệu Trị số cực đại điện trở R phải đ−ợc chọn cho sụt áp dòng vào tĩnh khuếch đại thuật toán gây trên nó là không đáng kể Trong tr−ờng hợp ng−ợc lại có thể dẫn đến việc làm sai lệch điểm làm việc khuếch đại Để đảm bảo khả điều chỉnh tần số giới hạn 1:10 thì phải đấu nối tiếp với chiết áp điện trở cố định có giá trị R 10 Nếu lắp thêm phận làm chuyển đổi điện dung C thì sơ đồ có thể bao dải tần số từ 10Hz đến 1MHz Để 159 điều chỉnh tự động biên độ không gây méo tần số thấp nhÊt, th× h»ng sè thêi gian n¹p vµ phãng cña tô lµ R5C1 vµ R6C2 ph¶i ®−îc x¸c lËp lín h¬n Ýt nhÊt 10 lÇn chu kú dao động lớn tạo dao động Biên độ điện áp phụ thuộc vào tham số transistor tr−ờng T Độ ổn định biên độ không thể đặc biệt cao, vì có thay đổi theo điện trở kênh transistor tr−ờng T, thì cần phải có biến đổi định biên độ điện áp Có thể khắc phục nh−ợc điểm này dùng tầng đệm, để khuếch đại điện áp điều khiển transistor tr−ờng Sơ đồ tạo dao động nh− trình bày trên hình 5.29 Từ lối chỉnh l−u, trị số tuyệt đối điện áp xoay chiều tạo dao động đ−ợc đặt lên điều chỉnh tổ hợp tỷ lệ cải biến (thực khuếch đại thuật toán 2) Bộ điều chỉnh xác lập ®iÖn ¸p trªn cùc cöa cña transistor tr−êng T, cho gi¸ trÞ trung bình điện áp vào khuếch đại thuật toán không Khi đó giá trÞ trung b×nh c¸c ®iÖn ¸p U& r b»ng ®iÖn ¸p chuÈn Uch • H»ng sè thêi gian o C cña bé ®iÒu chØnh cÇn dao động, tr−êng bëi v× + đó dẫn đến méo nghiêm träng ®iÖn ¸p V× vËy nªn c¶i biÕn mét chút sơ đồ khuếch đại b»ng c¸ch đấu song song víi ®iÖn trë R6 mét tô ®iÖn, tô nµy c¶ víi tÇn sè 160 − R2 ng−îc l¹i, hÖ sè khuÕch qua tõng chu kú §iÒu K§TT • R hîp đại nó thay đổi C2 C1 • C Ur R1 R phải đủ lớn so với chu kú o T C3 R5 Bé chØnh l−u + R3 R4 = R6 • − K§TT − R5 + • U ch Hình 5.29 Bộ tạo dao động dùng cầu Viên Rôbinxơn có điều chỉnh biên độ tín hiệu chính xác Biên độ tín hiệu: U r ≈ π U ch làm việc thấp tạo dao động làm giảm bớt sụt áp trên trở R6 Khi đó điểm uốn đặc tính biên độ tần số điều chỉnh n»m d−íi d¶i tÇn sè lµm viÖc 5.6 Các mạch điện tạo dao động xung Ngoài các tạo dao động điều hoà còn có các tạo tín hiệu xung Kü thuËt xung sè bao gåm c¸c lÜnh vùc kh¸ réng vµ quan träng cña ngµnh ®iÖn tö - tin häc Ngày b−ớc phát triển nhảy vọt kỹ thuật tự động hóa, nã mang ý nghÜa lµ mét kh©u then chèt, lµ mét c«ng cô kh«ng thÓ thiếu đ−ợc công nghệ hay kỹ thuật , nâng cao độ tin cậy hay hiÖu qu¶ cña chóng 5.6.1 Kh¸i niÖm chung TÝn hiÖu xung vµ c¸c tham sè Tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian có hai dạng b¶n: Liªn tôc hay rêi r¹c (gi¸n ®o¹n) T−¬ng øng víi chóng tån t¹i hai lo¹i hÖ thèng gia c«ng, xö lý tÝn hiệu có đặc điểm kỹ thuật khác nhau, mang −u nh−ợc điểm kh¸c lµ hÖ thèng liªn tôc (analog) vµ hÖ thèng rêi r¹c (digital) Nhiều đặc điểm phát triển và để phát huy đầy đủ −u lo¹i, ta gÆp thùc tÕ hÖ thèng lai ghÐp kÕt hîp c¶ viÖc gia c«ng xö lý hai lo¹i tÝn hiÖu trªn Trong phần này đề cập tới loại tín hiệu rời rạc theo thời gian gäi lµ tÝn hiÖu xung D¹ng cña tÝn hiÖu xung th−êng gÆp ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.30 TÝn hiÖu cã thÓ lµ mét d∙y xung tuÇn hoµn theo thêi gian víi chu kú lÆp lại T, hay là xung đơn xuất lần, xung có thể có cực tính d−ơng, âm, l−ỡng cực, cực tính thay đổi Các tham số là: biên độ, độ rộng xung, độ rộng s−ờn tr−ớc và sau, độ sụt đỉnh 161 Biên độ xung Um xác định b»ng gi¸ trÞ lín nhÊt cña ®iÖn U ¸p tÝn hiÖu xung thêi gian Um tx tng tån t¹i (a) §é réng s−ên tr−íc vµ sau o (ttr và ts) xác định khoảng U thêi gian t¨ng vµ gi¶m cña biªn độ xung khoảng giá trị 0,1 Um o Um đến 0,9 Um T tq Độ rộng xung tx xác định b»ng kho¶ng thêi gian xung cã t T t tng U biên độ trên mức 0,1 Um (hay mức 0,5 Um) (b) (c) o T t H×nh 5.31 chØ mét xung vuông thực tế, với các đoạn đặc tr−ng: s−ờn tr−ớc, đỉnh, s−ờn sau Độ sụt đỉnh xung thể H×nh 5.30 C¸c d¹ng tÝn hiÖu xung D∙y xung vu«ng (a) D∙y xung tam gi¸c, r¨ng c−a (b) D∙y xung hµm mò, xung kim (c) mức giảm biên độ xung đoạn đỉnh xung ΔU Với d∙y xung tuần hoàn, còn có các tham số đặc tr−ng sau (cụ thể víi d∙y xung vu«ng): - Chu kú lÆp l¹i xung T (hay tÇn sè xung f = / T ) lµ kho¶ng thêi gian gi÷a c¸c ®iÓmt−¬ng øng cña hai xung kÕ tiÕp 162 - Thêi gian nghØ h×nh U 5.30(a) lµ thêi gian trèng gi÷a hai Um ΔU 0,9 Um xung liªn tiÕp - HÖ sè lÊp ®Çy γ lµ tØ sè gi÷a 0,1 Um độ rộng xung tx và chu kỳ T γ= o Tx T t t® tS ttr - Chu kú xung T = t x + t ng , vµ đó γ < H×nh 5.31 D¹ng xung vu«ng thùc tÕ Trong kü thuËt xung sè, ng−êi ta th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p sè các tín hiệu xung, quy −ớc chØ cã hai tr¹ng th¸i ph©n biÖt: - Trạng thái có xung (khoảng tx) với biên độ lớn mức ng−ìng UH gäi lµ møc cao hay møc “1” møc UH th−êng ®−îc chän cì b»ng ®iÖn ¸p nguån cung cÊp - Trạng thái không có xung (khoảng tng) với biên độ nhỏ møc ng−ìng UL gäi lµ møc thÊp hay møc “0” møc UL ®−îc chän tïy theo phần tử khóa (transistor, khuếch đại thuật toán) - C¸c møc ®iÖn ¸p d¶i UL < Ura < UH lµ tr¹ng th¸i cÊm Chế độ khóa transistor Transistor làm việc chế độ khóa, hoạt động nh− khóa điện tử, đóng mở mạch với tốc độ nhanh (từ 10−9s đến 10−6s), có nhiều đặc điểm khác với chế độ đ∙ xét các ch−ơng tr−ớc Yêu cầu với transistor chế độ khóa là điện áp lối cã hai tr¹ng th¸i riªng biÖt • Ura ≥ UH Uvµo ≤ Uvµo ≥ UL • Ura ≤ UL ⎫ ⎬ ⎭ (5.75) UH Chế độ khóa transistor đ−ợc xác định chế độ điện áp hay dòng điện chiều cung cấp từ ngoài qua mạch nào đó Việc chuyÓn tr¹ng th¸i cña khãa, ®−îc thùc hiÖn nhê mét tÝn hiÖu xung cã 163 cực tính thích hợp tác động tới lối vào Cũng có tr−ờng hợp khóa tự động chuyển đổi trạng thái cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp d−ơng nội bộ, đó, không cần xung điều khiển, khảo sát m¹ch t¹o xung tiÕp sau o +EC Để đ−a đặc điểm chủ yếu chế độ khóa, h∙y xét mạch cụ thể RC RB h×nh 5.32 M¹ch thùc hiÖn ®−îc ®iÒu o kiÖn (5.75), lùa chän UH, UL còng nh− UV UBE UCE Rt Ura c¸c gi¸ trÞ RB , RC thÝch hîp Ban ®Çu UV = (hay UV < UL), transistor ë Hình 5.32 Mạch khóa (đảo) dùng tr¹ng th¸i cÊm, dßng IC = 0, nÕu kh«ng transistor cã t¶i Rt: Ura = +Ea Lóc ®iÖn trë t¶i nhá nhÊt RC = Rt (víi Rt lµ ®iÖn trë vµo cña tÇng sau nèi với lối sơ đồ), U = (1 / 2) EC , là mức nhỏ điện áp mức trạng thái cao H, để phân biệt chắn, ta chọn U H = (1 / 2) EC (chẳng h¹n UH = 2,5V EC = 5V) Phèi hîp víi ®iÒu kiÖn (5.75), ®iÖn ¸p vµo n»m d−íi møc UL (®−îc hiÓu lµ điện áp vào lớn nhất, để transistor bị khóa chắn UL = UV max), với transistor Silic ng−êi ta chän UL = 0,4V Khi cã xung ®iÒu khiÓn cã cùc tÝnh d−¬ng ®−a tíi ®Çu vµo Uvµo ≥ UH transistor chuyển sang trạng thái mở (b∙o hòa), điện áp đó tháa m∙n ®iÒu kiÖn Ura ≤ UL §iÖn trë RC chän thÝch hîp để thời gian qỳa độ đủ nhỏ và dòng IC không quá lớn, chẳng hạn: RC = 5kΩ Xác định RB để UV = UH = 1,5V điện áp Ura ≤ UL = 0,4V Muốn dßng colect¬ b∙o hßa I Cbh = EC = 1mA , RC với hệ số khuếch đại dòng β = 100, đó dòng bazơ IBbh = 10μA §Ó transistor b∙o hµo v÷ng ch¾c chän IB = 100μA cã: RB = (1,5 − 0,6)V = 9kΩ 100μA ë ®©y 0,6V lµ ®iÖn ¸p th«ng thuËn gi÷a base vµ emitter cña transistor Đặc tính truyền đạt sơ đồ với tham số nh− đ−ợc tr×nh bµy trªn h×nh 5.33 164 Để đánh giá mức tin cậy khóa, ta định nghĩa các tham Ura ( V ) Vïng b·o hßa Vïng cÊm 2,5 SH = Ura khãa - UH SL = UL - Ura më (5.76) sè dù tr÷ chèng nhiÔu ë møc cao SH vµ ë møc thÊp SL ë ®©y Ura khãa vµ Ura më lµ c¸c ®iÖn ¸p thùc tÕ t¹i lèi cña transistor lóc khãa hay lóc SL Vïng khãa (c¾t dßng) UH 0,4 0,2 U CE Bh SL UL U vµo (V ) Hình 5.33 Đặc tuyến truyền đạt transistor khãa më t−¬ng øng Víi tr−êng hîp cô thÓ trªn: SH = 2,5V - 1,5V = 1V (lóc UV ≤ UL) SL = 0,4V - 0,2V = 0,2V (lóc UV ≥ UH) ë ®©y ®iÖn ¸p gi÷a collector vµ emitter cña transistor b∙o hßa UCE bh ≈ 0,2V Nh− dự trữ chống nhiễu mức cao SH = 1V, còn dự trữ chống nhiễu mức thấp SL = 0,2V Tõ c¸c kÕt trªn, cã thÓ nhËn xÐt nh− sau: - Có thể dễ dàng đạt đ−ợc mức SH lớn cách chọn EC và các điện trë RB, RC thÝch hîp - Do SL th−ờng nhỏ, cần phải quan tâm đặc biệt tới việc nâng cao tÝnh chèng nhiÔu víi møc thÊp V× trÞ sè cña ®iÖn ¸p nhá nhÊt U r = U CEbh thùc tÕ kh«ng thÓ gi¶m ®−îc, muèn SL t¨ng cÇn ph¶i t¨ng møc UL (theo 5.76) Muèn vËy ng−êi ta ®−a vµo m¹ch base mét hoÆc vµi diode là nối vào đó mạch phân áp (hình 5.34) Nh÷ng biÖn ph¸p nªu trªn, nhÊt thiÕt ph¶i tu©n theo sö dông c¸c transistor Gecmani làm phần tử khóa Bởi vì chúng điện áp base - emitter cña transistor më, nhiÒu tr−êng hîp nhá h¬n UCE bh §èi với sơ đồ hình 5.34.a điện trở R2 để nối mạch dòng ng−ợc tiếp giáp base – collector và mạch 5.33(c) điện trở R2 nối với nguồn âm để transistor ®−îc khãa ch¾c h¬n kh«ng cã xung ®iÒu khiÓn ë lèi vµo 165 o + EC o +EC RC R1 RC o D o T UV o +EC R1 Ur o o T UV R2 RC o Ur o R1 o T UV o Ur o R2 R2 o - EC (a) (c) (b) H×nh 5.34 C¸c biÖn ph¸p n©ng cao SL Mét ®iÓm cÇn chó ý lµ sö dông transistor lµm phÇn tö khãa cÇn chú ý đến các tính chất động (quá độ) mạch và yêu cầu cần nâng cao tính tác động nhanh khóa Khi đó biện pháp là ngăn ngõa hiÖn t−îng b∙o hßa cña transistor b»ng c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt m¹ch Th«ng th−êng tÝnh chÊt tÇn sè cña khãa biÓu thÞ bëi c¸c tham sè trung b×nh vÒ thêi gian trÔ tÝn hiÖu, tr×nh bµy trªn h×nh 5.35 C¸c gi¸ trÞ τ1, τ2 th−êng nhá U vµo (từ 10−8s đến 10−9s) nh−ng không Um thể bỏ qua, đặc biệt là τ2 liên quan đến thời gian hồi phục ®iÖn trë ng−îc chuyÓn 50% t U transistor tõ më sang khãa, quan tâm đến tính làm việc đồng các khối các sơ đồ khác nhau, thực hiÖn mét nhiÖm vô xö lý th«ng tin cô thÓ, ®iÒu nµy 50% τ2 τ1 Hình 5.35 Xác định thời gian trễ cµng quan träng c¸c hÖ mạch khóa, đó τ1 là thời gian trễ thèng ®iÒu khiÓn, tÝnh to¸n s−ên tr−íc τ2 lµ thêi gian trÔ s−ên sau, gi÷a c¸c khèi, c¸c m¹ch Thêi gian trÔ tæng céng b»ng tæng thêi gian trÔ cña c¸c m¹ch thành phần Từ sơ đồ hình 5.32 ta thÊy r»ng: møc H nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn ¸p nguån nu«i vµ phô thuéc rÊt m¹nh vµo 166 đ−ợc tính mức biên độ 50% giá trị cực đại t ®iÖn trở gánh và trở tải, để khắc o + EC phục nh−ợc điểm này sơ đồ, RC cã thÓ nh− m¹ch m« t¶ trªn h×nh 5.36, ng−êi ta m¾c thªm mét m¹ch lÆp l¹i emitter vµo sau sơ đồ khóa T2 R1 o T1 UV o D o Ur o R2 Khi đó các nh−îc ®iÓm ®∙ nªu trªn ®−îc kh¾c phôc, møc UH ®−îc n©ng Hình 5.36 Sơ đồ khóa transistor với mạch lên Với đặc tính điện dung lÆp dïng T2 g¸nh, UV ≥ UH T1 më b∙o hßa, ®iÖn ¸p trªn collector cña T1 gÇn b»ng kh«ng, còng chÝnh lµ ®iÖn ¸p trªn base cña T2 Do đó dòng phóng điện dung gánh qua mạch sơ đồ (có qua base - emitter cña T2 ph©n cùc ng−îc), sÏ rÊt nhá VËy m¹ch ®∙ m¾c thªm diode D, diode nµy nèi m¹ch phãng cña ®iÖn dung g¸nh qua transistor mở T1, làm quá trình xảy nhanh Tuy nhiên lúc đó điện áp khóa trạng thái thấp tăng đến 0,8V (UDT điện áp thuận trªn diode b»ng 0,6V vµ ®iÖn ¸p më b∙o hßa UCE1 ≈ 0,2V) T−¬ng tù cã thÓ dïng transistor tr−êng FET lµm phÇn tö khãa Khi làm việc chế độ xung, khuếch đại thuật toán hoạt động nh− khóa điện tử đóng, mở nhanh, điểm làm việc luôn nằm vùng 167 b∙o hòa đặc tr−ng truyền đạt Ura = f(Uvào) Khi đó điện áp có giá trị hai mức b∙o hòa U r+max và U r−max ứng với các biên độ UV đủ lớn Nguyên lý hoạt động IC khóa đ∙ đ−ợc khảo sát ch−ơng khuếch đại thuật toán 5.6.2 Các mạch không đồng hai trạng thái ổn định Các mạch có hai trạng thái ổn định đầu (còn gọi là mạch trigger) là các mạch số có hồi tiếp d−ơng Nó khác các sơ đồ tuyến tính có hồi tiếp d−ơng (hệ tự dao động) chỗ điện áp chúng không biến đổi từ từ, mà nhảy từ giá trị điện áp không đổi này đến giá trị không đổi khác, xảy đặt tới lối vào thích hợp nó các xung điện áp có biên độ và cực tính thích hợp Trigger đối xứng dùng transistor (Trigger RS) Hình 5.37 trình bày sơ đồ nguyên lý trigger RS đối xứng Thực chất đây là hai mạch đảo dùng T1 và T2 ghép liên tiếp các vßng håi tiÕp d−¬ng b»ng c¸c cÆp ®iÖn trë R1, R3 vµ R2, R4 Nguyên lý hoạt động: Mạch có hai trạng thái ổn định bền là: T1 mở T2 khóa ứng với mức ®iÖn ¸p Q = 1, Q = hay T1 khãa T2 më øng víi tr¹ng th¸i Q = 0, Q = Các trạng thái còn lại: T1 và T2 cùng mở là không ổn định Khi đóng m¹ch nguån nu«i, qua c¸c ®iÖn trë RC, R1, R2, mét ®iÖn ¸p d−¬ng sÏ ®−îc đặt vào base T1, T2 đó lúc đầu hai transistor cùng mở, nh−ng tính chất đối xứng không lý t−ởng mạch, cần chênh lÖch v« cïng bÐ cña dßng ®iÖn trªn hai nh¸nh (IB1 ≠ IB2 hay IC1 ≠ IC2), thông qua các mạch hồi tiếp d−ơng, độ chênh lệch này tăng lên nhanh chóng tới mức sơ đồ chuyển o + EC hai trạng thái ổn định bền ®∙ nªu trªn (Ch¼ng h¹n ®Çu tiªn IB1 > IB2, dẫn đến IC1 > IC2, điện áp trên collector T1 gi¶m xuèng, cßn trªn collector T1 t¨ng lªn, qua m¹ch RC R2 R1 RC o Q o Q T1 T2 R3 R4 o o S R phân áp R2, R4 và R1, R3 dẫn đến IB1 >> IB2 vµ kÕt qu¶ lµ T1 më b∙o hßa, T2 168 Hình 5.37 Trigger đối xứng kiểu RS dïng transistor khãa) NÕu ng−îc l¹i lóc ®Çu IB1 < IB2 thì dẫn đến T1 khóa T2 mở Trạng thái hai transistor khóa là kh«ng xÈy Để lối đơn trị, tức là điện áp hai lối đảo (một lối cã møc ®iÖn ¸p cao, lèi có mức điện áp thấp), điện áp hai lối vào không đồng thời mức cao, nghÜa lµ R = S = §ã lµ tr¹ng th¸i kh«ng cho phÐp, hay ®iÒu kiÖn cÊm R S = Muốn chuyển trạng thái, tác động tới lối vào transistor khóa xung điện áp d−ơng, có biên độ thích hợp.Giả sử T1 mở, T2 khóa, đó điện áp trên collector T1 coi nh− không Sơ đồ o + EC để tính điện áp lối vào R trình bày RC trªn h×nh 5.38 §Ó më T2 ®iÖn ¸p U BE2 ≈ 0,6V U BE2 Mµ R4 o T R R2 = U VR = 0,6V R2 + R4 (5.77) R2 o Q U BE Hình 5.38 Sơ đồ xác định biên Biên độ xung d−ơng tác dụng vào lối vµo R độ điện áp để mở T2 ⎛ R ⎞ U VR = ⎜⎜1 + ⎟⎟.0,6V ⎝ R2 ⎠ (5.78) Tõ viÖc ph©n tÝch trªn, rót b¶ng tr¹ng th¸i cña trigger RS, cho phép xác định trạng thái đầu nó ứng với tất các khả cã thÓ cña c¸c xung ë ®Çu vµo ë b¶ng 5.1 B¶ng 5.1: B¶ng tr¹ng th¸i cña trigger RS §Çu vµo §Çu Rn Sn Qn +1 Q n +1 0 Qn Qn 1 0 1 x x ë ®©y chØ sè n thÓ hiÖn tr¹ng th¸i hiÖn t¹i, cßn chØ sè n+1 chØ tr¹ng th¸i tiÕp theo Lèi vµo R b»ng th× lèi Q b»ng không, đó lối vào R là lối vào xóa (Reset) Cßn lèi vµo S b»ng th× lèi Q b»ng 169 1, đó lối vào S là lối vào xác lập hay lối vào đặt (Set) BiÓu thøc logic cña lèi Q: Qn+1 = S n + R n Qn (5.79) Qua biÓu thøc 5.79, cho thÊy tr¹ng th¸i lèi cña trigger RS kh«ng chØ phô thuéc vµo tr¹ng th¸i lèi vµo, mµ cßn phô thuéc vµo tr¹ng th¸i tr−ớc, nh− mạch có tính chất nhớ, đó đ−ợc sử dụng làm ô nhớ có thể ghi và đọc thông tin d−ới dạng nhị phân Trigger Smith dïng transistor Để lật trạng thái lối trigger RS, phải đặt xung điện áp d−ơng, có biên độ thích hợp tới base transistor bị khóa để mở nó (ở ®©y chØ xÐt víi quy −íc logic d−¬ng) Cã thÓ sö dông chØ mét ®iÖn ¸p vµo nhÊt cã cùc tÝnh vµ h×nh dạng tùy ý với biên độ thích hợp để lật trạng thái lối trigger Lo¹i m¹ch nµy ®−îc gäi lµ trigger Smith, ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c transistor hay IC tuyÕn tÝnh Trigger Smith dùng để làm so sánh với hai ng−ỡng, đó tránh ¶nh h−ëng cña nhiÔu vµ ®−îc gäi lµ bé so s¸nh cã trÔ §ång thêi còng đ−ợc sử dụng để biến đổi điện áp hình sin thành điện áp xung vuông có biên độ xác định Vì mạch đ−ợc dùng để tạo dạng xung truyÒn th«ng sè Hình 5.39 trình bày sơ đồ nguyên lý trigger Smith dùng transistor và đặc tuyến truyền đạt nó Có thể giải thích nguyên lý hoạt động mạch nh− sau: XÐt tr−êng hîp lóc ®Çu ®iÖn ¸p vµo cã gi¸ trÞ ©m lín, T1 khãa, T2 më (do T2 đ−ợc phân cực thiên dòng cố định từ EC qua RC tới base nó), lúc đó U r = U CE2bh = U r o + EC RC R1 T1 Ur RC • U r max o T2 Ur U r o R2 o oU V UV ng¾t (a) 170 (b) U Vđóng UV Hình 5.39 Sơ đồ nguyên lý trigger Smith dùng transistor (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) Tăng điện áp vào, điện áp giữ không đổi U r = U r UV ≥ UV đóng, T1 mở, qua mạch hồi tiếp d−ơng ghép trực tiếp từ collector T1 đến base T2, làm đột biến T1 mở b∙o hòa T2 khóa Điện áp lật trạng th¸i tíi U r = U r max TiÕp tôc t¨ng ®iÖn ¸p vµo, ®iÖn ¸p vÉn gi÷ kh«ng đổi U r = U r max Tr−êng hîp lóc ®Çu ®iÖn ¸p vµo cã gi¸ trÞ d−¬ng lín, T1 më, collector T1 nèi trùc tiÕp víi base T2 U CE1 = U BE2 ≈ , đó T2 khóa U r = U r max Giảm điện áp vào, điện áp không đổi, UV ≤ UV ng¾t T1 khóa, qua các mạch hồi tiếp d−ơng, đột biến T2 mở b∙o hòa U r = U r Tiếp tục giảm điện áp vào, điện áp không đổi Các giá trị UV đóng, UV ngắt phụ thuộc vào các giá trị RC , R1, R2 HiÖn t−îng trªn cho phÐp dïng trigeer Smith nh− mét bé t¹o xung vu«ng, nhê håi tiÕp d−¬ng mµ qua tr×nh lËt tr¹ng th¸i xảy tøc thêi UV biến đổi từ từ Hình 5.40 mô tả ví dụ biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông nhê trigger Smith Giá trị UV đóng - UV ngắt gọi là độ trễ chuyển mạch Trị số độ trễ chuyển UR mạch càng nhỏ (đó là điều U R max mong muèn) nÕu hiÖu cña ®iÖn UV đóng ¸p U r max vµ U r cµng nhá, hay U R o lµ hÖ sè suy gi¶m tÝn hiÖu U R max U R t UV ng¾t UV g©y bëi ph©n ¸p R1, R2 cµng lín TÊt c¶ mäi cè gắng h−íng Hình 5.40 Giản đồ thời gian biến đổi tín hiệu đến làm giảm độ trễ chuyển h×nh sin thµnh xung vu«ng nhê trigger mạch làm giảm độ sâu hồi Smith tiếp d−ơng và có thể dẫn đến việc sơ đồ không cßn hai trạng thái ổn định Khi R1 → ∞, sơ đồ biến thành khuếch đại hai tầng thông th−ờng 171 §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm trªn, ng−êi ta dïng trigger Smith ghÐp emitter nh− h×nh 5.41 Mạch hình 5.41(a) là tầng khuếch đại vi sai có hồi tiếp d−ơng qua R1, R2 vµ cã håi tiÕp ©m dßng ®iÖn qua RE B»ng c¸ch lùa chän tham số thích hợp, có thể đạt đ−ợc trạng thái: Khi sơ đồ lật trạng thái dòng IC các transistor hoàn toàn truyền đến transistor vµ tr¹ng th¸i b∙o hßa kh«ng xÈy bÊt kú mét transistor nµo Khi đó sơ đồ chuyển trạng thái, thời gian trễ gần không, sơ đồ n©ng cao ®−îc tÇn sè giíi h¹n cña chuyÓn m¹ch Ur o + EC RC U r max RC o R1 o T1 T2 Ur o U r UV o RE R2 (a) (b) o U V ng¾t U V đóng U V Hình 5.41 Trigger Smith ghép emitter (a) và đặc tuyến truyền đạt sơ đồ (b) Trigger Smith có thể dùng khuếch đại thuật toán, các sơ đồ này đ∙ đ−ợc khảo sát ch−ơng khuếch đại thuật toán 5.5.3 Mạch không đồng trạng thái ổn định Đây là loại mạch có trạng thái ổn định bền Trạng thái thứ hai nó tồn thời gian ổn định nào đó phụ thuộc vào tham số mạch, sau đó lại quay trạng thái ổn định bền ban đầu Vì mạch đ−ợc gọi là trigơ trạng thái ổn định hay đa hài đợi 1) Đa hài đợi dùng transistor Hình 5.42.a trình bày sơ đồ nguyên lý và hình 5.42.b trình bày giản đồ điện áp thời gian, minh họa nguyên lý hoạt động mạch đa hài đợi dïng transistor 172 τx Uv U B1 Ec T vµo t R1 +E U B2 C 0,6V Ura T1 t T2 UB1 t Rc R Rc t2 to R2 -Ec UB2 tx Ura Uvµo T Ec (b) (a) to t2 t Hình 5.42 Sơ đồ nguyên lý mạch đa hài đợi dùng transistor (a) và giản đồ ®iÖn ¸p theo thêi gian (b) Thực chất mạch điện hình 5.42(a) là trigger RS, đó các điện trở hồi tiếp d−ơng đ−ợc thay đổi tụ điện Nhờ ®iÖn trë R nhá T2 më b∙o hßa U BE1 ≈ U CE ≈ nªn T1 khãa Trạng thái ban đầu T2 mở T1 khóa là trạng thái ổn định bền hay gọi là trạng thái đợi Tại thời điểm t = to có xung điện áp d−ơng lối vào với biên độ thích hợp mở T1, điện áp trên collector T1 thực b−ớc nhảy âm từ giá trị EC T1 cấm đến gần không T1 mở b∙o hòa, b−ớc nhảy điện áp này qua mạch lọc thông cao RC đặt toàn đến base T2 làm điện áp đó đột biến từ mức thông (khoảng 0,6V) đến mức 0,6V - EC ≈ -EC , đó T2 bị khóa Khi T2 bị khóa nguồn + EC qua RC, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng R1, R2 lµm T1 ®−îc tr× ë tr¹ng th¸i më c¶ ®iÖn ¸p lèi vµo b»ng kh«ng Tô C ®−îc tÝch ®iÖn, m¹ch tÝch ®iÖn từ +EC, qua R, C, collector- emitter T1 xuống đất Tụ C đ−ợc tích điện, ®iÖn ¸p ë base cña T2 t¨ng lªn theo quy luËt: ⎡ ⎛ t ⎞⎤ U B2 = EC ⎢1 − exp⎜ − ⎟⎥ ⎝ RC ⎠⎦ ⎣ (5.80) Víi ®iÒu kiÖn ban ®Çu U B2 (t = t o ) ≈ − EC Vµ ®iÒu kiÖn cuèi U B2 (t → ∞) ≈ + EC T2 bị khóa lúc t = t1, điện áp UB2 đạt giá trị +0,6V (gần đúng cho UB2 = 0) Khoảng thời gian này định độ rộng xung tx 173 t1 - to = tx = RC ln ≈ 0,7RC (5.81) Sau ®iÓm t = t1, T2 më vµ qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng qua R1, R2 ®−a mạch trạng thái ban đầu, đợi xung vào tiếp sau Những điều trình bày trên đúng với điều kiện: T > tx > τ x (5.82) đây τx là độ rộng xung vào, T là chu kỳ xung vào Nếu ®iÒu kiÖn (5.82) tháa m∙n th× chu kú cña xung b»ng chu kú xung vµo Để thực đ−ợc điều kiện (5.82) mạch lối vào đa hài đợi ng−ời ta dùng mạch vi phân để biến đổi xung lối vào có độ rộng lớn thành xung có độ rộng nhỏ Mạch đa hài đợi đ−ợc sử dụng để tạo xung có độ rộng theo yªu cÇu kh«ng phô thuéc vào độ rộng xung lối vào 2) Mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán Hình 5.43.a trình bày dạng sơ đồ nguyên lý mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán Hình 5.43.b là giản đồ điện áp - thời gian giải thích nguyên tắc hoạt động mạch Để đơn giản, giả thiết khuếch đại thuật toán đ−ợc cung cấp nguồn đối xứng ±EC và đó U r max = U r = − U r max Ban đầu, đóng mạch cấp nguồn, ch−a có điện áp tới lối vào UV = 0, diode D thông nối đất (bỏ qua sụt áp thuận trªn diode), UN = UC ≈ §iÖn ¸p Ur = −Ur max, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng R1, R2 ®iÖn ¸p ®Çu vµo P: U p = − βU r max Víi β= R1 lµ hÖ sè håi tiÕp R1 + R2 Đây là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi mạch) Tại thời điểm t = t1 có xung d−ơng có độ rộng xung nhỏ đ−a tới đầu vào P Nếu biên độ xung lớn − βU r max điện áp lối vào Ud = UP - UN đổi dấu, ®iÖn ¸p lËt tr¹ng th¸i tõ Ur = −Ur max tíi Ur = Ur max, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng ®iÖn ¸p lèi vµo P: U p = βU r max Sau thêi ®iÓm t1 ®iÖn ¸p Ur max qua ®iÖn trë R n¹p ®iÖn cho tô C lµm cho UC = UN t¨ng lªn, cho tíi thêi ®iÓm t = t2 đó U N ≥ βU r max , điện áp hiệu Ud lối vào đổi dấu, điện áp đột biÕn lËt tr¹ng th¸i tíi Ur = −Ur max Trong kho¶ng thêi gian tõ t1 ÷ t2 ®iÖn 174 ¸p UN = UC > 0, nªn diode bÞ ph©n cùc ng−îc, cã ®iÖn trë lín coi nh− kh«ng tham gia vµo m¹ch C D R + C N - - P + R - o Ura C1 o Uvµo o Uvµo Cg R1 o Ura + R2 D R1 + Eo (a) (c) Uvµo UN t1 β Ura max Uc = UN uN t3 t2 t1 o t T vµo β Ura Ura max Up Eo o t Ura Eo o t τx tx Ura t Up Ura Ura max o t1 Ura max t2 t t Ura -U (b) (d) Hình 5.43 Sơ đồ nguyên lý đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán khởi động b»ng xung cùc tÝnh d−ơng (a) và xung cực tính âm (c) Giản đồ thời gian minh họa t−ơng ứng (b) và (d) Sau thêi ®iÓm t = t2 tô C phãng ®iÖn qua ®iÖn trë R tíi lèi cña khuếch đại thuật toán, h−ớng điện áp lúc đó là −Ur max Tô C phãng ®iÖn cho tíi lóc t = t3, UC = UN = −0,6V ≈ 0, diode D më ghim møc ®iÖn áp đầu vào đảo giá trị này, mạch quay trạng thái ban đầu (trạng thái đợi) Nếu dùng xung khởi động UV có cực tính âm có thể dùng sơ đồ hình 5.43.c Độ rộng xung đ−ợc thay đổi biến trở R Hoạt động mạch đ−ợc minh họa trên đồ thị hình 5.43.d Với hình 5.43.a và hình 175 5.43.b cho thấy độ rộng lối tx = t2 - t1 chính là thời gian tụ C nạp từ mức đến møc βUr max víi quy luËt: U C ( t ) = U N ( t ) = U r max (1 − e −t RC ) (5.83) Thay gi¸ trÞ U C ( t =t1 ) = vµ U C ( t =t2 ) = βU r max vµo (5.83) ta cã: ⎛ t x = t − t1 = RC ln⎜⎜ ⎝1− β ⎛ R ⎞ ⎞ ⎟⎟ = RC ln⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎠ ⎝ R2 ⎠ (5.84) Gäi t3 - t2 = th ph lµ thêi gian håi phôc vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu cña s¬ đồ, liên quan đến quá trình phóng điện tụ C từ mức βUr max mức h−íng tíi lóc x¸c lËp U C ( ∞ ) = −U r max , xuÊt ph¸t tõ ph−¬ng tr×nh: [ ] ⎛ t ⎞ U C ( t ) = U C ( ∞ ) − U C ( ∞ ) − U C ( o ) exp⎜ − ⎟ ⎝ RC ⎠ ⎛ Cã kÕt qu¶: t hph = RC ln (1 + β ) = RC ln⎜⎜1 + ⎝ (5.85) R1 ⎞ ⎟ R1 + R2 ⎟⎠ (5.86) So sánh hai biểu thức xác định t x và t hph thấy β < nên t x >> t hph Ng−ời ta cố gắng chọn các thông số và cải tiến mạch để nâng cao độ tin cậy mạch có d∙y xung tác động tới đầu vào Khi đó cần tu©n theo ®iÒu kiÖn: t x + t hph < Tvµo = Tra (5.87) Tvào là chu kỳ d∙y xung khởi động lối vào Các biểu thức (5.84) và (5.86) cho phép xác định các thông số quan trọng mạch 5.6.4 Mạch không đồng hai trạng thái không ổn định (đa hμi) §a hµi dïng transistor Nếu thay hai điện trở hồi tiếp d−ơng sơ đồ trigger RS hai tụ điện, đó nhận đ−ợc mạch đa hài tự dao động (gọi tắt là đa hài), sơ đồ nguyên lý đ−ợc trình bày trên hình 5.44.a và giản đồ điện áp - thời gian trên hình 5.44.b 176 Ura1 +Ec τ1 UB1 to t t1 t2 t 0,6V Ec R2 Rc + R1 - - T1 + C1 C2 Ura1 UB1 U B2 -Ec Ura2 +Ec Rc Ura2 τ2 t UB2 t 0,6V T2 t3 -Ec (b) (a) Hình 5.44 Sơ đồ nguyên lý đa hài tự dao động (a) và giản đồ điện áp - thời gian(b) Tr¹ng th¸i c©n b»ng cña m¹ch (mét transistor më, mét transistor khóa) ổn định thời gian hạn chế nào đó, tự động lật sang tr¹ng th¸i kia, vµ ng−îc l¹i Hai tr¹ng th¸i nªu trªn cña m¹ch ®a hài tự dao động còn đ−ợc gọi là các trạng thái chuẩn cân Những thay đổi điện áp và dòng điện các điểm sơ đồ dẫn đến trạng thái tới hạn nào đó, mà đủ điều kiện để tự động chuyển đột ngột từ trạng thái này sang trạng thái Nếu tác động tới các lối vào điện áp nào đó, có chu kỳ gần nh−ng nhỏ chu kỳ điện áp tự dao động, quá trình chuyển trạng thái xảy sớm hơn, t−ơng ứng lúc đó ta có chế độ làm việc đồng đa hài tự dao động Điện áp tác động vào (có biên độ và cực tính thích hợp) gọi là điện áp đồng Đặc điểm chính chế độ lµm viÖc ®ồng bé lµ chu kú cña xung b»ng chu kú cña điện áp đồng và độ rộng xung các thông số RC mạch định Nguyên lý hoạt động mạch hình 5.44.a có thể tóm tắt nh− sau: ViÖc h×nh thµnh xung vu«ng ë c¸c lèi ®−îc thùc hiÖn nh− sau: lối (1) khoảng thời gian τ1 = t1 - t0, còn lối (2) khoảng thời gian τ2 = t2 - t1 nhờ các quá trình đột biến chuyển trạng thái sơ đồ các thời điểm t0, t1, t2 177 Giả sử lúc đầu đóng mạch nguồn nuôi chiều, hai transistor T1, T2 mở vì đ−ợc hai bazơ chúng qua các điện trở R1, R2 nối với nguån +EC VÝ dô ®iÖn ¸p trªn base T2 lín h¬n ®iÖn ¸p trªn base T1 (sù thăng giáng này chắn xảy vì hai vế mạch không đối xứng lý t−ởng) qua các mạch hồi tiếp d−ơng T2 đột biến mở b∙o hoà Điện áp trên collector T2 thực b−ớc nhảy âm, từ +EC đóng m¹ch (hoÆc qu¸ tr×nh tr−íc T2 c¾m) xuèng gÇn b»ng kh«ng T2 më b∙o hoà B−ớc nhảy âm điện áp qua mạch lọc thông cao C1R1 đặt toàn đến base T1, điện áp base T1 nhảy đột biến từ 0,6V lúc T1 mở đến mức 0,6V - EC ≈ -EC đó T1 khoá T1 khoá T2 mở, tụ C1 đ∙ đ−ợc nạp ®Çy ®iÖn tÝch tr−íc lóc t0 phãng ®iÖn qua T2, qua nguån EC qua R1 theo đ−ờng +C1 → T2 → R1 → - C1 làm điện áp trên base T1 thay đổi theo hình 5.43(b) §ång thêi thêi gian nµy tô C2 ®−îc n¹p ®iÖn tõ nguån EC theo đ−ờng +EC → RC → C2 → base-emitter T2 xuống đất làm điện trên collector T1 và base T2 thay đổi theo hình 5.43(b) Vì các điện trở R1, R2 >> RC đó quá trình nạp điện tụ C2 nhanh so với quá tr×nh phãng ®iÖn cña tô C1 Tô C1 phãng ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn base T1 t¨ng dần thời điểm t = t1 điện áp base T1 UB ≈ 0,6V xảy quá trình đột biÕn lÇn thø nhÊt, qua c¸c m¹ch håi tiÕp d−¬ng T1 më b∙o hoµ §iÖn ¸p trªn collector T1 l¹i thùc hiÖn mét b−íc nh¶y ©m tõ +EC T1 kho¸ tíi mức không, T1 mở b∙o hoà, qua các mạch lọc thông cao C2R2 đặt toàn đến base T2 làm điện áp base T2 đột biến từ 0,6V T2 mở đến 0,6V - EC ≈ -EC lµm T2 kho¸ T1 më, T2 kho¸, tô C2 phãng ®iÖn, tô C1 n¹p ®iÖn, t−ơng tự nh− quá trình đ∙ phân tích trên, đến thời điểm t = t2 thì UB2 = 0,6V T2 mở lại xảy đột biến lần thứ hai, sơ đồ trạng thái ban đầu T1 kho¸ T2 më C¸c tham sè chñ yÕu cña xung vu«ng ë c¸c ®Çu dùa trªn viÖc phân tích nguyên lý vừa nêu trên, cho thấy độ rộng xung τ1 và τ2 liên quan trực tiếp đến số thời gian phóng điện tụ C1 và tụ C2 Ta cã: τ = R1C1 ln ≈ 0,7 R1C1 τ = R2C ln ≈ 0,7 R2C ⎫ ⎬ ⎭ (5.88) Nếu chọn R1 = R2, C1 = C2, T1 giống T2 ta có: τ1 = τ2 và nhận đ−ợc sơ đồ đa hài đối xứng, ng−ợc 178 lại ta có đa hài không đối xứng (τ1 ≠ τ2) Chu kỳ xung vuông: T = τ1 + τ (5.89) Biên độ xung gần giá trị nguồn chiều cung cấp EC Trong thùc tÕ cã thÓ ®−a nhËn xÐt nh− sau: §Ó t¹o c¸c xung có tần số thấp 1000Hz, giá trị tụ C1, C2 phải lớn, còn để tạo c¸c xung cã tÇn sè cao h¬n 10kHz ¶nh h−ëng qu¸n tÝnh cña transistor làm giảm chất l−ợng xung vuông Do đó, để tạo xung vuông vùng tần số thấp và cao ng−ời ta sử dụng khuếch đại thuËt to¸n Đa hài dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT) Hình 5.45.a và 5.45.b là sơ đồ nguyên lý đa hài đối xứng dùng KĐTT và giản đồ điện áp - thời gian giải thích hoạt động sơ đồ UN=UC Umax Uvng¾t t2 t1 t t3 Uvđóng -Umax UP Ung¾t t1 R t2 Ura Urmax N P BUmax t -BU max Uđóng C t3 U ra2 + Umax t1 R2 t2 t -Umax τ R1 t3 -U rmax Tra (b) (b) H×nh 5.45 Đa hài dùng KĐTT (a) và giản đồ điện áp - thời gian đa hài dïng K§TT (b) đây sơ đồ gồm KĐTT có mạch hồi tiếp d−ơng với R1, R2 nh− trigger Smith Điện áp lối có hai giá trị Urmax và -Urmax Do đó điện áp lèi vµo thuËn t−¬ng øng Up = βUrmax vµ -βUrmax 179 β= R1 R1 + R2 lµ hÖ sè håi tiÕp d−¬ng cña m¹ch Mạch hồi tiếp âm gồm điện trở R và tụ C, định tần số xung Nguyên lý hoạt động có thể giải thích nh− sau: đóng mạch nguån nu«i mét chiÒu, gi¶ sö ®iÖn ¸p hiÖu Ud = UP - UN lµ d−¬ng, ®iÖn ¸p Ur = Urmax, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng ®iÖn ¸p lèi vµo thuËn UP = βUrmax, ®iÖn ¸p Urmax ë lèi qua ®iÖn trë R tÝch ®iÖn cho tô C Tô C tÝch ®iÖn, ®iÖn ¸p UN = UC tăng thời điểm t = t1, UN = UC ≥ UP = βUrmax = Uvngắt Điện áp hiệu Ud đổi dấu, điện áp đột biến lật trạng thái tới Ur = Urmax Khi đó điện áp trên lối vào thuận UP = -βUrmax, tụ C phóng điện từ +C → R → lối KĐTT → đất → -C Tụ C phóng điện, điện áp trên tụ C giảm thời điểm t = t2 UN = UC ≤ UP = -βUrmax = Uvđóng Điện áp hiệu Ud đổi dấu, điện áp lại lật trạng thái tới Ur = Urmax Quá trình tiếp tục tạo xung vuông lối ra, giản đồ điện áp - thời gian ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.45.b Ph−ơng trình vi phân để xác định điện áp UN(t) có dạng: dU N U −U N = ± r max dt RC (5.90) với điều kiện ban đầu: UN(t=0) = Uvđóng = -βUrmax cã nghiÖm: ⎡ ⎛ t ⎞⎤ U N (t ) = U r max ⎢1 − (1 + β ) exp⎜ − ⎟⎥ ⎝ RC ⎠⎦ ⎣ (5.91) UN đạt tới ng−ỡng lật trigơ Smit sau khoảng thời gian τ ®−îc tÝnh theo (5.92): ⎛ 2R ⎞ ⎡1 + β ⎤ = RC ln⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎥ R2 ⎠ ⎣1 − β ⎦ ⎝ τ = RC ln ⎢ (5.92) Từ đó ta có chu kỳ xung ra: ⎛ 2R ⎞ Tra = 2τ = RC ln⎜⎜1 + ⎟⎟ R2 ⎠ ⎝ NÕu chän R1 = R2 ta cã: (5.93) Tra = 2,2 RC (5.94) Tõ c¸c biÓu thøc (5.93) (5.94) cho thÊy: 180 Chu kú cña xung ë lèi chØ phô thuéc vµo th«ng sè m¹ch ngoµi R1, R2 (m¹ch håi tiÕp d−¬ng) vµ R, C (m¹ch håi tiÕp ©m) C¸c hÖ thøc trªn cho phép xác định các tham số mạch Khi thiết kế các mạch đa hài cần độ ổn định tần số cao và có kh¶ n¨ng ®iều chØnh tÇn sè ra, ng−êi ta sö dông m¹ch phøc t¹p h¬n (vÝ dụ so sánh ng−ỡng, dùng IC định thời 555) Trong thực tế có tr−ờng hợp cần xung không đối xứng Sơ đồ mạch đa hài không đối xứng đ−ợc trình bày trên hình 5.46, đ−ợc sử dụng với đặc điểm tạo không đối xứng mạch phóng điện tụ C qua R3, diode D2 và mạch nạp qua R4, diode D1 với R3 ≠ R4 đó: D2 R3 U Ura UC(t) Umax R4 C _ D1 • + UV ng¾t t Ura UV đóng R1 R2 -Umax τ1 (a) τ2 (b) Hình 5.46 Mạch đa hài không đối xứng (a) ; giản đồ điện áp - thời gian giải thích hoạt động mạch (b) ⎛ τ = R4C ln⎜⎜1 + ⎝ ⎛ τ = R3C ln⎜⎜1 + ⎝ R1 ⎞ ⎟ R2 ⎟⎠ R1 ⎞ ⎟ R2 ⎟⎠ Khi đó chu kỳ xung ra: ⎛ 2R ⎞ T = τ + τ = C (R3 + R ) ln⎜⎜1 + ⎟⎟ R2 ⎠ ⎝ (5.95) Diode D1, D2 cã nhiÖm vô kho¸ ng¾t nh¸nh t−¬ng øng nh¸nh lµm viÖc hoÆc ng−îc l¹i 5.6.5 Đa hμi, đa hμi đợi dùng IC555 Vi mạch định thời IC555 và họ nó đ−ợc ứng dụng rộng r∙i lÜnh vùc ®iÖn tö d©n dông còng nh− ®iÖn tö c«ng nghiÖp V× nÕu kÕt hîp víi c¸c linh kiÖn RC rêi bªn ngoµi mét c¸ch thÝch hîp th× nã cã 181 thể thực nhiều chức nh− định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiÖu kÝch hay ®iÒu khiÓn c¸c linh kiÖn b¸n dÉn c«ng suÊt nh− transistor, SRC, triac, v.v Trong phần này giới thiệu cấu trúc, nguyên lý hoạt động IC555 vµ c¸c øng dông c¬ b¶n cña nã CÊu tróc cña IC555 Hình 5.47 trình bày sơ đồ cấu R tróc cña IC555, gåm mét m¹ch ph©n ¸p víi ®iÖn trë R (5kΩ) nèi víi ch©n ë ®©y ch©n bao gåm KΩ + Q (1) Sd R KΩ c¶ nguån nu«i cña c¸c bé so s¸nh, - c¸c cæng l«gic m¹ch §iÖn (2) + ¸p +EC nèi víi ch©n cã gi¸ trÞ tõ R +5V ữ +25V tuỳ theo mức biên độ KΩ cña xung ë lèi M¹ch gåm hai bé so s¸nh (1) vµ (2) §iÖn ¸p lèi thuËn cña bé so s¸nh thø nhÊt cã Q Sd T RB Hình 5.47 Sơ đồ cấu trúc IC – 555 møc ®iÖn ¸p b»ng E C , ®iÖn ¸p ë lối vào đảo so sánh hai b»ng thø EC Lèi cña hai bé so s¸nh ®−îc nèi víi lèi vµo cña Trigger RS, Trigger RS sö dụng mạch này dùng các cổng NAND, đó mức tác động là mức thÊp Ch©n ®−îc nèi víi lèi vµo cña mét cæng NAND cã t¸c dông ®iÒu khiển hoạt động cña trigger, ®iÖn ¸p ch©n ë møc cao (møc “1”) trigger hoạt động bình th−ờng, còn điện áp chân mức thấp (mức “0”) cấm trigơ hoạt động Lối Q trigger RS đ−ợc đ−a qua cổng NOT tới lối chân 3, đồng thời Q qua điện trở RB nối base transistor T M¹ch ®a hµi dïng IC - 555 182 Sơ đồ nguyên lý mạch ®a hµi dïng IC - 555 ®−îc R tr×nh bµy trªn h×nh 5.48 ë ®©y C1 cïng víi ®iÖn trë R C1 KΩ R1 + Q (1) Sd - Ur P1 R nèi víi nguån +EC t¹o nªn KΩ - m¹ch läc th«ng thÊp, nh»m ổn định điện áp lối vào +E C (2) thuËn cña bé so s¸nh thø + R2 R KΩ Q Sd T RB C và lối vào đảo H×nh 5.48 M¹ch ®a hµi dïng IC - 555 so s¸nh thø hai Lóc ®Çu đóng m¹ch nguån nu«i mét chiÒu, tô C ch−a kÞp n¹p ®iÖn, ®iÖn ¸p trên tụ UC = 0, đó điện áp cña bé so s¸nh (1) Rd =1, ®iÖn ¸p cña bé so sánh (2) S d = , dẫn đến Q=1, Q = và ur = Tụ C tích điện, mạch tích điện từ +EC , qua R1, P1, R2, qua C xuống đất, tụ C nạp điện với số tời gian: τn¹p = (R1 + P1 + R2).C Tô C n¹p ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn tô C t¨ng lªn, u c ≥ EC , ®iÖn ¸p cña bé so s¸nh (1) R d = , Q = , ur = Q = lµm cho transistor T th«ng, tô C phãng ®iÖn, m¹ch phãng ®iÖn tõ +C, qua R2, qua collector- emitter T xuống đất đến −C Tụ C phóng điện víi h»ng sè têi gian: τphãng = (R2 + RCE) C ë ®©y RCE lµ ®iÖn trë gi÷a collector vµ emitter cña transistor T Tô C phóng điện đến điện áp trên tụ uc ≤ E C , ®iÖn ¸p cña bé so s¸nh (2) R d = , dẫn đến Q = 1, Q = , ur = Q = transistor T bị cấm, tụ C lại ®−îc n¹p ®iÖn, qu¸ tr×nh ®−îc lÆp l¹i nh− cò HiÖn t−îng nµy tiÕp diÔn liªn tôc vµ tuÇn hoµn L−u ý: Khi đóng điện nguồn tụ C nạp từ V đến phãng ®iÖn tõ EC , sau đó tụ 1 EC xuống EC , lại nạp, từ EC đến EC 3 3 183 Thêi gian n¹p vµ phãng cña tô ®−îc tÝnh theo c«ng thøc (5.96) vµ (5.97) UC (2-6) Ec Ec + Thêi gian n¹p: t tn¹p = τn¹p ln tn¹p = 0,7 ((R1 + P1 + R2) C UD (7) n¹p phãng (5.96) + Thêi gian phãng: t tphãng = τphãng ln2 ≈ 0,7 (R2 + RCE) C (5.97) Ur (3) Ec + Chu kú cña xung ë lèi ra: T = tn¹p + tphãng Urmin t (5.98) D¹ng tÝn hiÖu ë c¸c cùc cña m¹ch ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.49 H×nh 5.49 D¹ng ®iÖn ¸p t¹i c¸c ch©n Do thêi gian phãng, n¹p kh«ng b»ng nhau, nªn xung vu«ng cña m¹ch ®a hµi dïng IC - 555 không đối xứng Mạch đa hài đợi dùng IC - 555 Hình 5.50 trình bày sơ đồ nguyên lý mạch đa hài đợi dùng IC - 555 Trong sơ đồ hình 5.50, tụ C1 tác dụng cùng điện trở R tạo thành mạch lọc thông thấp Điện trở R4 đ−ợc chọn cỡ 10kΩ, để đảm bảo điện áp ë lèi vµo thuËn cña bé so s¸nh (2) lín h¬n EC Khi đóng mạch nguồn ®iÖn, lóc ®Çu tô C ch−a tÝch ®iÖn uC = 0, tô C tÝch ®iÖn, m¹ch tÝch ®iÖn tõ +EC qua R1, P1, R2, qua C xuống đất Tụ C tích điện, điện áp uC tăng lên, u c ≥ EC , điện áp so sánh (1) R d = , dần đến Q = , ur = Vì Q = nên cho transistor T mở, tụ C phóng điện qua R2 , qua collector emitter xuống đất Tụ C phóng điện đến uC = Đây là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi) mạch 184 +E C R KΩ R1 + Q (1) C1 Sd - P1 R KΩ D R4 (2) UV + C2 Q Sd R2 R T KΩ RB C H×nh 5.50 Ur Mạch đa hài đợi dùng IC - 555 Khi cã xung vu«ng ®−a tíi lèi vµo, qua m¹ch vi ph©n C2(R4 // D), ë ch©n cã xung vi ph©n, ®∙ h¹n chÕ xung d−¬ng t¸c dông cña diode D Nếu biên độ xung vào đủ lớn, điện áp so sánh (2) R d = , đó Q = và Q = , ur = bắt đầu thời gian kéo dài xung lối Vì Q = nªn T cÊm, tô C tÝch ®iÖn, m¹ch tÝch ®iÖn tõ +EC , qua R1, P1, R2, qua C xuèng đất, tụ C nạp điện với số thời gian: τn¹p = (R1 + P1 + R2) C Tụ C tích điện, điện áp uC tăng, uc ≥ EC , so sánh (1) ud đổi dấu, điện áp R d = , dẫn đến Q = , ur = chấm dứt thời gian kÐo dµi xung ë lèi V× Q = , T më, tô C phãng ®iÖn, qua R2, qua T xuống đất, uC = 0, trở lại trạng thái ban đầu Khi tô C tÝch ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn tô C t¨ng theo quy luËt hµm mò: ⎡ ⎛ t uC = E C ⎢1 − exp⎜ − ⎜ ⎢⎣ ⎝ τ nap ⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦ Thời gian tụ nạp từ điện áp 0V đến t − x ⎛ uC = EC ⎜⎜1 − e τ ⎝ Suy ra: − e t − x τ nap = (5.99) EC ®−îc tr×nh bµy nh− sau: ⎞ ⎟ = EC ⎟ ⎠ 185 tx − τ = e nap ; hay lµ e tx τ nap Uv =3 t x = τ nap ln = 1,1 τn¹p t x = 1,1( R1 + P1 + R2 ).C t0 t1 t2 t3 t Uv ch©n (5.100) Trong m¹ch trªn cã thÓ 0,6V giảm giá trị R2 đến không t Giản đồ điện áp - thời gian minh häa ho¹t động cña Ura tx Ura max mạch đa hài đợi dùng IC - 555 ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.51 t 5.6.6 Bộ tạo dao động Hình 5.51 Giản đồ điện áp - thời gian Blocking m¹ch Blocking hay gäi lµ bé dao động nghÑt lµ mét đa hài đợi dùng IC - 555 tÇng khuếch đại đơn hay đẩy kéo, cã håi tiÕp d−¬ng m¹nh qua mét biÕn ¸p xung, ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.52, nhê đó tạo các xung có độ rộng hẹp (cỡ 10−3 ữ 10−6s) và có biên độ lớn UC t1 t2 t3 t4 t5 t6 t ECC UB Ec + + Wt D1 WB RB - C Tr + WK t ECC nB Rt R1 Ut ECC nT R o D2 T UC C n¹p C1 t C phãng t iB -ECC iBbh t (b) 186 iM (a) Hình 5.52 Sơ đồ nguyên lý Blocking tự dao động (a) ; giản đồ điện áp - thời gian minh họa hoạt động Blocking (b) Blocking th−ờng đ−ợc dùng để tạo các xung điều khiển các hệ thống số Blocking có thể làm việc các chế độ khác nhau: chế độ tự dao động, chế độ đợi, đồng hay chế độ chia tần Hình 5.52.a là sơ đồ nguyên lý Blocking tự dao động, có transistor T m¾c emitter chung, víi biÕn ¸p xung Tr gåm cuén WK lµ cuén s¬ cÊp, WB vµ Wt lµ cuén thø cÊp Qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng thùc hiÖn tõ WK qua WB, nhê cùc tÝnh ng−îc cña chóng §iÖn trở R để hạn chế dòng base Ngoài điện trở R còn tham gia mạch phóng tụ điện C transistor T khóa Diode D1 để loại bỏ xung cực tính âm trên tải sinh transistor chuyển chế độ từ mở sang khóa Mạch R1, D2 để bảo vệ transistor khỏi bị quá áp Các hệ số biến áp xung là nB và nt đ−ợc xác định (5.101) nB = WK ; WB nt = WK Wt (5.101) Quá trình dao động xung liên quan đến thời gian mở và đ−ợc tr× ë tr¹ng th¸i b∙o hßa nhê m¹ch håi tiÕp d−¬ng cña transistor KÕt thóc viÖc t¹o xung lµ lóc transistor khái tr¹ng th¸i b∙o hßa vµ chuyển đột biến sang trạng thái khóa nhờ hồi tiếp d−ơng Trong kho¶ng thêi gian < t < t1, T khãa ®iÖn ¸p n¹p trªn tô C, (ph©n cùc ng−îc líp tiÕp gi¸p base - emitter) Tô C phãng ®iÖn tõ +C qua R, RB , nguån nu«i EC qua cuén d©y WB tíi −C, tíi thêi ®iÓm t = t1 , uC = Trong kho¶ng thêi gian t1 < t < t2 , uC chuyÓn qua gi¸ trÞ kh«ng, xuất quá trình đột biến Blocking thuận nhờ mạch hồi tiếp d−ơng qua WB , dần đến transistor mở b∙o hòa Trong kho¶ng thêi gian t2 < t < t3, T b∙o hßa s©u, ®iÖn ¸p trªn cuén WB gần trị số EC , đó là giai đoạn tạo đỉnh xung, có tích lũy n¨ng l−îng tõ c¸c cuén d©y cña biÕn ¸p, t−¬ng øng ®iÖn ¸p håi tiÕp qua WB lµ: uWB = EC nB (5.102) 187 Vµ ®iÖn ¸p trªn cuén d©y Wt lµ: uWt = EC nt (5.103) Lúc này tốc độ thay đổi dòng collector giảm nhỏ, nên sức điện động cảm ứng trên WK, WB giảm, làm dòng base giảm theo, đó làm giảm mức b∙o hòa transistor T, đồng thời tụ C đ−ợc dòng base IB nạp qua mạch diode, tiếp giáp emitter - base T, R, C, cuộn WB, đất Lúc đó IB giảm tới giá trị tới hạn: I B = I Bbh = IC β = I Cbh β , Lóc nµy xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng theo h−íng ng−îc l¹i (qu¸ tr×nh Blocking ng−îc): T tho¸t khái tr¹ng th¸i b∙o hßa IC gi¶m làm cho IB giảm, đ−a T đột ngột sang trạng thái khóa, dòng IC = 0, nhiªn qu¸n tÝnh cña cuén d©y trªn collector, xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn động tự cảm chống lại giảm đột ngột dòng điện, đó hình thành mức điện áp âm, biên độ lớn (quá giá trị nguồn EC), đây lµ qu¸ tr×nh tiªu t¸n n¨ng l−îng tõ tr−êng ®∙ tÝch lòy tõ tr−íc, nhê dßng thuËn ch¹y qua D2 R1, lóc nµy cuén Wt c¶m øng ®iÖn ¸p ©m lµm D1 cấm và tách mạch tải khỏi sơ đồ Sau đó tụ C phóng điện trì T khóa uC = lập lại nhịp làm việc §é réng xung Blocking tÝnh ®−îc lµ: t x = t − t1 = ( R + rv ).C ln βRt n B ( Rt + rv ) (5.104) Trong đó rv là điện trở vào transistor lúc mở Trë t¶i xoay chiÒu trªn m¹ch collector: Rt ~ = nt2 Rt (5.105) β là hệ số khuếch đại dòng tĩnh transistor T Thêi gian håi phôc t4 ÷ t6 h×nh 5.52.b, thêi gian phãng ®iÖn cña tô định và đ−ợc xác định (5.106) ⎛ ⎞ t hph = t − t = RB C ln⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ nB ⎠ (5.106) NÕu bá qua c¸c thêi gian t¹o s−ên tr−íc vµ s−ên sau cña xung th× chu kú xung: Tx = t x + t hph 188 (5.107) vµ tÇn sè cña d∙y xung: f = t x + t hph (5.108) Sơ đồ Blocking có thể xây dựng từ hai transistor mắc đẩy kéo, làm việc với biến áp xung b∙o hòa từ để tạo các xung vuông, với hiệu suÊt n¨ng l−îng cao vµ chÊt l−îng tham sè xung tèt Khi Blocking làm việc chế độ đồng cần chọn chu kỳ d∙y xung đồng TV nhỏ chu kỳ d∙y xung Blocking tạo TX, còn chế độ chia tần cần tuân theo điều kiện TX >> TV và đó cã d∙y xung ®Çu cã chu kú lÆp l¹i lµ: Tra = nTV (h×nh 5.53.a vµ 5.53.b víi n lµ hÖ sè chia Uvµo Uvµo t t Tvµo Tvµo Ura Ura Tx=4Tvµo t UB t UB t Tx t Tx (b) (a) Hình 5.53 Blocking chế độ Tx > Tvào (a) và chế độ chia tần với Tx >> Tvào Tra = nTvµo víi n = 4.(b) 5.6.7 M¹ch t¹o xung r¨ng c−a Khái niệm mạch tạo xung c−a (dao động tích thoát) Mạch tạo dao động tích thoát là mạch tạo các xung có dạng hình r¨ng c−a (xung tam gi¸c) Xung nµy ®−îc sö dông lµm tÝn hiÖu quÐt các dao động ký, máy thu hình, máy tính Nó còn đ−ợc sử dụng kỹ thuật đo l−ờng hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuÈn hai chiÒu biªn độ và thời gian, có vai trò không thể thiếu đ−ợc hầu nh− hệ thống điện tử đại 189 H×nh 5.54 ®−a d¹ng xung tam gi¸c lý t−ëng víi c¸c tham sè chñ yÕu U0 Umax sau: Biên độ Umax, mức điện áp U0 K t tq chiÒu ban ®Çu uq(t = 0) = uo, chu kú lÆp l¹i tng T T (víi xung tuÇn hoµn) Thêi gian quÐt thuËn tq vµ thêi gian quÐt ng−îc tng H×nh 5.54 Xung tam gi¸c lý t−ëng (thông th−ờng tq >> tng), tốc độ quét thuËn: K = du q (t ) dt hay độ nghiêng vi ph©n cña ®−êng quÐt Để đánh giá chất l−ợng Uq thực tế so với lý t−ởng, có hệ số không đ−ờng thẳng ε đ−ợc định nghĩa nh− sau: du q ( t =0 ) dt ε= − du q ( t = t q ) du q ( t =0) dt = u q(o) − u q( tq ) u q(o) (5.109) dt Ngoài còn các tham số khác nh−: tốc độ quét trung bình: K TB = η= u max vµ hiÖu suÊt n¨ng l−îng: tq u max EC Từ đó có hệ số phẩm chất uq là : Q= η ε (5.110) Nguyªn lý t¹o xung tam gi¸c dùa trªn viÖc sö dông qu¸ tr×nh n¹p hay phóng điện tụ điện qua mạch nào đó Khi đó quan hệ dòng điện qua tụ và điện áp trên tụ biến đổi theo thời gian có d¹ng: I C ( t ) = C du C (t ) dt (5.111) Trong đó C là điện dung tụ điện, là số, muốn quan hệ uC(t) lµ tuyÕn tÝnh th× dßng ®iÖn qua tô ph¶i lµ h»ng sè 190 Cã hai d¹ng xung r¨ng c−a c¬ b¶n lµ: thêi gian quÐt thuËn uq t¨ng tuyÕn tÝnh theo thêi gian nhê qu¸ tr×nh n¹p cho tô tõ nguån mét chiều nào đó và Uq giảm tuyến tính theo thời gian nhờ quá trình phóng điện tụ điện qua mạch nào đó Yêu cầu chung là tq >> tng §Ó ®iÒu khiÓn tøc thêi c¸c m¹ch phãng n¹p, th−êng sö dông c¸c khóa điện tử (transistor, hay IC) đóng mở theo xung điều khiển bên ngoài Trên thực tế để ổn định dòng điện nạp hay dòng điện phóng tụ cần khối tạo nguồn dòng, đó điện áp Uq tăng hay giảm tuyến tÝnh theo thêi gian Về nguyên lý có ba ph−ơng pháp sau để tạo xung c−a: a) Dùng mạch tích phân đơn giản, mạch RC lối trên C, để nạp điện cho tô tõ nguån E h×nh 5.55.a, quá trình phóng nạp đ−ợc khóa điện tử điều khiển Khi đó độ phẩm chất mạch thấp, độ phi tuyến cao Rn K K in E + Rn if Rt - E + C - Rt M¹ch phãng (a) (b) H×nh 5.55 C¸c ph−¬ng ph¸p t¹o Uq b) Dùng phần tử để ổn định dòng kiểu thông số, có điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt trên nó Rn = f (u Rn ) làm điện trở nạp cho tụ C Để giữ cho dòng nạp không đổi, điện trở Rn giảm điện áp trên nó giảm lúc đó: ε= u max víi Et® =In¹p Ri Etd (5.112) Ri là điện trở nội nguồn dòng, có giá trị lớn, đó Etd lớn vµ cho phÐp n©ng cao umax víi møc mÐo phi tuyÕn cho tr−íc, h×nh 5.55(b) c) Thay nguồn E cố định đầu vào nguồn biến đổi e(t ) = E + k (U C − U o ) hay e(t ) = E + kΔu C (5.113) 191 víi k lµ h»ng sè tØ lÖ nhá h¬n vµ k = de(t ) < víi h×nh 5.56.a dU c Nguån bæ sung kΔU c bï l¹i møc gi¶m cña dßng n¹p nhê mét m¹ch khuếch đại có hồi tiếp thay đổi theo điện áp trên tụ UC, đó mức méo phi tuyÕn: U ε = max (1 − k ) (5.114) E Giá trị này thực tế nh vì k ≈ Do đó dù Umax lớn xấp xỉ E làm tăng hiÖu suÊt cña m¹ch mµ ε vÉn nhá, h×nh 5.56 R R E K.ΔuC in + E - - + K=1 - C + C + K 1+ K Δ Uc - - + + K>>1 - (b) (a) H×nh 5.56 Ph−¬ng ph¸p Bootstrap t¹o Uq M¹ch t¹o xung r¨ng c−a dïng transistor Hình 5.57 là các sơ đồ dùng transistor thông dụng để tạo xung c−a đó (a) là sơ đồ đơn giản, (b) là mạch dùng phần tử ổn dòng (ph−ơng pháp Miller) và (c) là mạch bù có khuếch đại bám kiểu Bootstrap +EC R3 +EC R1 R1 R T2 Dz R2 T Uvµo C • R2 C1 T1 Uvµo (a) 192 RE C1 (b) Ura C +EC a) Khảo sát sơ đồ hình D 5.57.a Ban ®Çu ch−a cã tÝn hiÖu vµo R1 N më b∙o hoµ nhê ®iÖn trë R1 R2 M §iÖn ¸p Ura = UC ≈ 0V Trong cùc tÝnh kh«ng) ©m ®−a (hoÆc tíi lèi C0 R Uv = 0, transistor T thêi gian cã xung vu«ng cã + T2 E2 T1 Uvµo C1 b»ng Ura C RE (c) vµo, transistor T bÞ kho¸, tô C ®−îc n¹p ®iÖn tõ +EC qua RC , C H×nh 5.57 C¸c m¹ch t¹o xung r¨ng c−a th«ng dông nhÊt xuống đất, điện áp trên tụ C t¨ng theo qui luËt: U c (t ) = E c ⎛⎜1 − e − t / RC ⎞⎟ ⎝ (5.115) ⎠ Điện áp Ura(t) = UC(t) gần đúng bậc theo t với hệ số phi tuyÕn ε= Víi I (o ) ≈ I (o) − I (t q ) I (o) EC vµ R = Um EC I (t q ) = (5.116) EC − U m lµ dßng n¹p ban ®Çu vµ cuèi R Khi hÕt xung ®iÓn khiÓn (hoÆc xung ®iÒu khiÓn ë møc ®iÖn ¸p cao), transistor T l¹i më b∙o hoµ, tô C phãng ®iÖn nhanh qua T, Ura ≈ 0V, m¹ch trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu Trong m¹ch, lèi vµo cã ®iÖn trë R2 m¾c song song với tụ C1, điện trở R2 để hạn chế dòng base T và cho thành phần tần số thấp qua, tụ C1 để tác động nhanh tới base T Tõ biÓu thøc hÖ sè phi tuyÕn ε (5.116) thÊy râ, muèn sai sè bÐ cÇn chän nguån EC lín vµ biªn độ xung c−a Um nhỏ Đây là nh−ợc điểm sơ đồ đơn giản này b) Víi m¹ch h×nh 5.57.b, transistor T2 m¾c theo kiÓu base chung cã t¸c dông nh− mét nguån dßng cã bï nhiÖt diode æn ¸p Dz (ë ®©y diode æn áp có điện ỏp ổn áp trên 6V, có hệ số nhiệt d−ơng) Dòng IC2 ổn định nạp cho tô C thêi gian xung vu«ng ®iÒu khiÓn lèi vµo b»ng kh«ng 193 (hoÆc cã cùc tÝnh ©m) lµm kho¸ T1, ta cã: t q IC U = U C ( t ) = ∫ I C dt = t Co C (5.117) Mạch hình 5.57.b cho phép tận dụng toàn nguồn EC để tạo xung c−a với biên độ nhận đ−ợc Um ≈ EC Tuy vậy, có tải nối song song trực tiếp với C, thì có phần dòng qua Rt và Um giảm, đó sai số ε tăng §Ó sö dông tèt cÇn cã biÖn ph¸p n©ng cao Rt, hay gi¶m ¶nh h−ëng cña Rt với mạch sơ đồ Để thực đ−ợc điều trên, lối dùng tầng khuếch đại lặp lại (dùng transistor l−ỡng cực hay transistor tr−ờng, KĐTT), đó giảm ảnh h−ởng trở tải c) Víi m¹ch h×nh 5.57.c, T1 lµ phÇn tö kho¸ th−êng më nhê ®iÖn trë R1 vµ chØ kho¸ xung ®iÒu khiÓn ë møc kh«ng (hoÆc cã cùc tÝnh ©m), T2 là tầng khuếch đại lặp lại (làm tầng đệm) Ban ®Çu ch−a cã xung ®iÒu khiÓn, T1 më b∙o hoµ nhê ®iÖn trë R1, E c qua T1 , ®iÖn ¸p trªn tô diode D më, qua ®iÖn trë R vµ cã dßng I = o R+R D C: u C = U CBbh ≈ ë ®©y RD lµ ®iÖn trë cña diode D diode më Qua T2 tô nhËn ®−îc Ura ≈ Tô C0 n¹p tíi ®iÖn ¸p U N − U E ≈ EC , víi cùc tÝnh nh− m¹ch Trong thêi gian cã xung vµo ©m T1 bÞ kho¸, tô C ®−îc n¹p ®iÖn qua D, R lµm ®iÖn ¸p t¹i ®iÓm M (còng lµ ®iÖn ¸p base cña T2) t¨ng lªn, lµm T2 më, gia sè ΔUC qua T2 vµ qua C0 (cã ®iÖn dung lín) gÇn nh− ®−îc ®−a toµn bé điểm N bù thêm với giá trị sẵn có N giữ ổn định dòng qua R nạp cho tô C Khi dßng h i tiÕp qua C0 vÒ N cã trÞ sè b»ng EC/R th× kh«ng cßn dßng qua diode D, dẫn tới cân động, nguồn EC nh− tách khỏi mạch, lúc nµy tô C n¹p nhê nguån EC ®−îc n¹p tr−íc cho C0 Sơ đồ có −u điểm là biên độ Um xấp xỉ giá trị nguồn EC hệ số phi tuyÕn ε gi¶m vµ ¶nh h−ëng cña trë t¶i Rt m¾c ë emitter cña T2 Ýt ¶nh h−ởng đến quá trình nạp tụ C Các sơ đồ hình 5.57 có thể dùng xung điều khiển với cực tính d−¬ng, ta bá ®iÖn trë R1 vµ chuyÓn m¹ch T1 ®−îc thiÕt kÕ ë d¹ng th−êng kho¸ 194 Cã thÓ t¹o xung tam gi¸c (xung r¨ng c−a) dïng K§TT nh− c¸c m¹ch tÝch ph©n dßng K§TT 5.6.8 Bộ tạo các tín hiệu có dạng đặc biệt (bộ tạo hμm số) Tõ nh÷ng kh¶o s¸t ë c¸c phÇn trªn thÊy r»ng: t¹o tÝn hiÖu h×nh sin tần số thấp, hầu nh− luôn cần phải sử dụng ổn định biên độ điện áp §Ó t¹o ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã d¹ng tam gi¸c ®−îc thùc hiÖn trªn mét s¬ đồ đơn giản nhờ tích phân và trigger Smith dùng KĐTT Tiếp theo, b»ng c¸ch sö dông khèi t¹o hµm sin tõ c¸c ®iÖn ¸p h×nh tam gi¸c Bằng ph−ơng pháp này có thể đồng thời tạo điện áp tam giác, vuông góc và hình sin, cho nên tạo dao động làm việc theo nguyên tắc này cã thÓ ®−îc gäi lµ bé t¹o hµm sè Sơ đồ khối tạo dao động nh− đ−ợc trình bày Trigger Smith trªn h×nh 5.58 UR Bé t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c Bé t¹o tÝn hiÖu h×nh sin Bé tÝch ph©n UD US Hình 5.57 Sơ đồ khối dao động hàm và vuông góc đơn giản sè Bé t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c vµ vu«ng gãc gãc ®−îc t¹o b»ng c¸ch m¾c nèi tiÕp mét bé tÝch ph©n víi R1 R2 R C mét trigger Smith ®−îc tr×nh bµy trªn + - - h×nh 5.59 + UR Bé tÝch ph©n lÊy ®iÖn ¸p trªn lèi K§TT(1) UD K§TT(2) cña trigger Smith Khi ®iÖn ¸p H×nh 5.59 Bé t¹o h×nh tam gi¸c vµ tích phân đạt ng−ỡng lật vuông góc đơn giản trigger Smith th× ®iÖn ¸p cña trigger Smith thay đổi cách đột biến dấu nó (lật trạng thái ë lèi ra) §iÖn ¸p cña bé tÝch ph©n l¹i thay đổi theo h−ớng ng−ợc lại, thay đổi tiếp diễn nào đạt ng−ỡng lật trigger Smith Bằng cách thay đổi số tích phân RC có thể thay đổi đ−ợc tần số điện áp dải rộng, biên độ điện áp tam giác UB phụ thuộc vào hai ng−ỡng lật 195 trigger Smith Theo điều trình bày trên biên độ xung tam gi¸c: Um = R1 R2 U r max ë ®©y Uramax vµ -Uramax lµ hai tr¹ng th¸i lèi cña trigger Smith Chu kỳ dao động dài gấp đôi thời gian cần thiết để điện áp tích phân biến đổi từ -UDm đến +UDm Từ đó suy chu kỳ: R T = RC R2 (5.118) Nh− vËy lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu kh«ng phô thuéc vµo møc giíi h¹n b∙o hoµ ±Uramax cña bé K§TT Bé t¹o hµm sè cã ®iÒu khiÓn tÇn sè tÝn hiÖu Trong các tạo hàm số, có thể đảm bảo việc điều khiển tần số điện áp các ph−ơng pháp t−ơng đối đơn giản Muốn ng−ời ta m¾c nèi tiÕp víi trigger Smith mét bé chuyÓn m¹ch analog H×nh 5.60 trình bày sơ đồ minh hoạ giải pháp này R3 C R +U - e R3 + + 0y1 R2 + - R4 R1 - 0y2 0y3 Ue > D R5 UD UR Hình 5.60 Bộ tạo hàm số có chuyển mạch analog dùng khuếch đại thuật to¸n Tuú theo cùc tÝnh cña tÝn hiÖu cña trigger Smith mµ trªn lèi vµo cña bé tÝch ph©n cã ®iÖn ¸p Ue hay -Ue Lúc đó, tốc độ tăng điện áp UD trên lối tích ph©n b»ng: ⎛U ⎞ ⎛ ΔU D ⎞ ⎜ ⎟ = ±⎜ e ⎟ ⎝ Δt ⎠ ⎝ RC ⎠ (5.119) Nh− phÇn kh¶o s¸t vÒ trigger Smith cho thÊy: ®iÖn ¸p cña trigger Smith lËt tr¹ng th¸i ®iÖn ¸p tam gi¸c UD v−ît hai ng−ìng ± R1 U r max (đối với trigger Smith với lối vào đảo) Trong sơ đồ này R1 + R2 tần số dao động mạch điện: 196 f = R1 + R2 U e R1 RC U r max (5.120) Nh− tần số dao động liên hệ với điện áp lối vào Ue Vì sơ đồ này chính là sơ đồ biến đổi điện áp thành tần số NÕu trÞ sè cña ®iÖn ¸p Ue cho b»ng: U e = U eo + ΔU e (5.121) thì có thể điều khiển tần số điện áp thay đổi tuyến tính Khi cần phải có độ ổn định cao biên độ và tần số tín hiệu ra, ng−êi ta thay trigger Smit b»ng trigger Smith chÝnh x¸c (trigger Smith cã hai bé so s¸nh, IC 555) Bé chuyÓn m¹ch analog m« t¶ trªn h×nh 5.60 chØ cã thÓ lµm viÖc ë tÇn sè kh«ng cao l¾m §èi víi c¸c tÇn sè cao h¬n 10 kHz tèt nhÊt lµ dïng bé chuyÓn m¹ch transistor h×nh 5.61 - U1 = +Ue + R4 0y4 Ue > T1 R3 R R2 R1 C R3 T2 + + 0y3 U2 = -U e + 0y2 UD - 0y1 UR H×nh 5.61 Bé t¹o hµm sè víi bé chuyÓn m¹ch b»ng transistor Tuú theo tr¹ng th¸i cña trigger Smith mµ c¸c transistor T1 vµ T2 sÏ có điện áp +Ue -Ue đặt trên lối vào tích phân (điều kiện |Ue| < Urmax) Trong tr−êng hîp nµy c¸c transistor lµm viÖc nh− tÇng lÆp l¹i emitter kiÓu bï vµ cã sôt ¸p trªn c¸c tiÕp gi¸p më b»ng vµi mi-li v«n 5.7 Dùng biến đổi số - t−ơng tự D/A để tạo dao động 197 Dùa trªn tiÕn bé kü thuËt cña X(t) năm gần đây, đặc biệt lÜnh vùc kü thuËt sè, ng−êi t ta cã thÓ x©y dùng mét m¸y ph¸t tÝn hiÖu h×nh sin dùa trªn nguyªn t¾c xÊp xØ hãa tõng ®o¹n kÕt hîp với lấy mẫu theo thời gian H×nh 5.62 XÊp xØ hãa tõng ®o¹n tÝn hiÖu h×nh sin b»ng c¸c tÝn hiÖu bËc h×nh 5.62 thang Sơ đồ khối tạo dao động h×nh sin b»ng ph−¬ng ph¸p sè ®−îc m« t¶ trªn h×nh 5.63 Tx C DFC ADC LTT Hình 5.63 Sơ đồ khối tạo dao động hình sin ph−ơng pháp số Trong đó khối đầu tiên là khối tạo xung nhịp Tx; C là đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá trị tức thời đối số; DFC là biến đổi tần số - hàm, để tạo các giá trị tín hiệu hình sin (ở dạng số); DAC là biến đổi số - t−ơng tự để biến đổi tín hiệu từ dạng số (ë ®Çu cña DFC) thµnh d¹ng tÝn hiÖu t−¬ng tù Cuèi cïng lµ bé läc thông thấp để từ tín hiệu t−ơng tự dạng bậc thang thành tín hiệu hình sin §é mÐo tÝn hiÖu h×nh sin phô thuéc vµo sè l−îng mÉu lÊy chu kỳ Nếu số mẫu lấy càng lớn (đ−ợc xác định tần số xung nhịp) thì hình sin có độ chính xác càng cao Tuy nhiên điều này phụ thuéc vµo giíi h¹n tÇn sè lµm viÖc cña c¸c bé DFC vµ DAC V× vËy ph−ơng pháp này không thể ứng dụng tần số cao để tạo tín hiệu hình sin với độ méo nhỏ đ−ợc 198 Ch−¬ng c¸c m¹ch ®iÒu chÕ vμ gi¶i ®iÒu chÕ 6.1 C¸c kh¸i niÖm vÒ ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ Trong thực tế tin tức th−ờng là các dao động có tần số thấp (nh− tần số sóng âm từ 16 Hz đến 20 kHz) nên khó có thể truyền xa đ−ợc Tin tức miền tần số thấp cần đ−ợc chuyển sang miền tần số cao để truyền xa nhờ quá trình điều chế Quá trình tạo sóng điện từ và truyền từ nguồn nào đó gọi là quá trình xạ Từ trở bøc x¹ cña anten lµ Rbx ®−îc tÝnh b»ng biÓu thøc: ⎛h⎞ Rbx = ⎜ ⎟ ⎝λ⎠ (6.1) ë ®©y h lµ chiÒu cao hiÖu dông cña anten, λ lµ b−íc sãng Anten bøc x¹ tèt nhÊt R bx ≈ , tần số tín hiệu là 10 kHz thì anten phải có chiều cao h = λ = 30 km, đó là điều không thể chấp nhận đ−ợc thực tế Tần số càng cao kích th−ớc anten càng giảm Đó là lý để truyÒn sãng ph¶i sö dông tÇn sè cao Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi thông số nào đó (ví dụ: biên độ, tần số, góc pha, ) dao động cao tần theo tin tức Tin tức đ−ợc gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần đ−ợc gọi là tải tin hay là sóng mang, dao động cao tần mang tin tức là dao động cao tần đã đ−ợc điều chế Ng−ời ta th−ờng phân biệt hai loại điều chế: điều chế biên độ và điều chế góc, điều chế góc gồm điều tần và điều pha Khi tải tin là tín hiệu xung có điều chế PAM (biên độ xung), PWM (độ rộng xung), PPM (vị trí xung) thay đổi theo quy luật tin tức Trong thông tin số còn sử dụng c¸c lo¹i ®iÒu chÕ xung m· PCM, DPCM Điều chế là quá trình đ−ợc thực nơi phát sóng Tại nơi thu, để có tin tức thì phải thực hiÖn qu¸ tr×nh ng−îc l¹i lµ gi¶i ®iÒu chÕ hay gäi lµ t¸ch sãng TÝn hiÖu sau t¸ch sãng ph¶i gièng d¹ng tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ban ®Çu Thùc tÕ, tÝn hiÖu sau qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ, truyÒn, gi¶i ®iÒu chÕ kh¸c với tín hiệu ban đầu Vì yêu cầu quá trình tách sóng là yêu cầu vÒ mÐo phi tuyÕn T−¬ng øng víi c¸c lo¹i ®iÒu chÕ, ng−êi ta còng ph©n biÖt c¸c lo¹i t¸ch sãng sau ®©y: t¸ch sãng biên độ (tách sóng điều biên) và tách sóng tần số (tách sóng điều tần) 6.2 §iÒu biªn vµ t¸ch sãng ®iÒu biªn 6.2.1 Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo quy luật tin tức Trong tr−ờng hợp đơn giản, tin tức uS và tải tin ut là dao động điều hòa, tần số tin tức biến thiên từ ω S ữ ω S max , còn tải tin có tần số không đổi ωt , ta có: u S = U S cos ω S t 179 ut = U t cos ω t t ; víi ωt >> ωS Do đó tín hiệu điều biên: u đb = ( U t + U S cos ωS t ) cos ω t t = U t (1 + m cos ω S t ) cos ω t t Trong đó m = (6.2) US gọi là hệ số điều chế hay là độ sâu điều chế Thông th−ờng chọn hệ số điều Ut chÕ m ≤ NÕu m > 1, x¶y hiÖn t−îng qu¸ ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu ®iÒu biªn sÏ bÞ mÐo trÇm träng nh− hình 6.1.c áp dụng biến đổi l−ợng giác biểu thức (6.2) nhận đ−ợc: u đb = U t cos ω t t + m m U t cos(ω t + ωS ) t + U t cos(ω t − ω S )t 2 (6.2b) VËy ngoµi thµnh phÇn t¶i tin, tÝn hiÖu ®iÒu biªn cã hai biªn tÇn: biªn tÇn trªn cã tÇn sè tõ (ω t + ω S ) đến (ω t + ω S max ) và biên tần d−ới có tần số từ (ω t − ω S max ) đến (ω t − ω S ) H×nh 6.1.b minh häa phæ cua tÝn hiÖu ®iÒu biªn uS uS (a) t o ωS o U ®b ωS max ω U®b (b) t ωt - ωS max ωt - ωS ωt ωt + ωS max ωt + ωS ω m<1 U ®b (c) t m>1 Hình 6.1 Tín hiệu điều biên Đồ thị thời gian và phổ tin tức (a); đồ thị thời gian và phổ tín hiệu điều biên (b) ; đồ thị thời gian tín hiệu điều biên, m > (c) 6.2.2 Quan hÖ n¨ng l−îng gi÷a c¸c thµnh phÇn cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn Trong tÝn hiÖu ®iÒu biªn, c¸c biªn tÇn chøa tin tøc, cßn t¶i tin kh«ng mang tin tøc §Ó n¨ng cao hiệu quá trình truyền thông tin, cần xem xét l−ợng đ−ợc phân bố nh− nào các thành phần phổ tín hiệu đã điều biên C«ng suÊt cña t¶i tin lµ c«ng suÊt trung b×nh mét chu kú cña t¶i tin: P~t ~ U t2 180 C«ng suÊt cña mét biªn tÇn lµ: ⎛ mU t ⎞ P~ bt ~ ⎜ ⎟ /2 ⎝ ⎠ Công suất tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình chu kỳ tín hiệu điều chế: ⎛ m2 ⎞ ⎟ P~ đb = P~ t + 2P~ bt = P~ t ⎜⎜1 + ⎟⎠ ⎝ (6.4) Tõ biÓu thøc (6.4) cho thÊy r»ng: c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn tØ lÖ víi hÖ sè ®iÒu chÕ m HÖ sè ®iÒu chÕ cµng lín th× c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn cµng lín Khi hÖ sè ®iÒu chÕ m = 1, th× cã quan hÖ gi÷a c«ng suÊt hai biªn tÇn vµ t¶i tÇn nh− sau: P~bt = P~t (6.5) §Ó gi¶m mÐo phi tuyÕn cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn, th× hÖ sè ®iÒu chÕ m th−êng chän nhá h¬n Do đó công suất hai biên trên thực tế 1/3 công suất tải tần Nghĩa là phần lớn công suất ph¸t x¹ ®−îc ph©n bè cho thµnh phÇn phæ kh«ng mang tin tøc (t¶i tin), cßn c¸c thµnh phÇn phæ chứa tin tức chiếm phần nhỏ công suất tín hiệu điều biên, đó là nh−ợc điểm tín hiệu điều biên so với tín hiệu đơn biên 6.2.3 C¸c chØ tiªu c¬ b¶n cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn HÖ sè mÐo phi tuyÕn Hệ số méo phi tuyến ký hiệu là k và đ−ợc định nghĩa nh− biểu thức sau: k= I (ωt ± 2ωS ) + I (ωt ±3ω S ) + I ( ω t ±ω S ) (6.6) Trong đó: I (ωt ± nω S ) ; n ≥ là biên độ thành phần dòng điện ứng với hài bậc cao tín hiệu điều chế I (ωt ±ω S ) là biên độ thành phần biên tần Để đặc tr−ng cho méo phi tuyến mạch điều biên, ng−ời ta sử dụng đặc tuyến điều chế tÜnh h×nh 6.2 Đặc tuyến điều chế tĩnh cho biết quan hệ biên độ tín hiệu đầu và giá trị tức thời tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lèi vµo §Æc tuyÕn ®iÒu chÕ tÜnh lý t−ëng lµ ®−êng th¼ng tõ It A C đến A Đặc tuyến điều chế thực tế là không thẳng, làm cho l−ợng biến đổi biên độ dao động cao tần ®Çu so víi gi¸ trÞ ban ®Çu (®iÓm B) kh«ng tØ lÖ tuyÕn B tính với giá trị tức thời điện áp điều chế Do đó trên ®Çu ra, tÝn hiÖu ®iÒu biªn, ngoµi hai biªn tÇn h÷u Ých cßn cã c¸c thµnh phÇn hµi bËc cao kh«ng mong muèn C US khác Trong đó, đáng l−u ý là các thành phần với tÇn sè ωt ± 2ωS rÊt gÇn c¸c biªn tÇn kh«ng thÓ läc ®−îc H×nh 6.2 §Æc tuyÕn ®iÒu chÕ tÜnh A− giá trị cực đại B− tải tin ch−a điều chế §Ó gi¶m mÐo phi tuyÕn, cÇn h¹n chÕ ph¹m vi lµm viÖc 181 điều chế đoạn tuyến tính đặc tuyến tĩnh Muốn phải giảm độ sâu điều chế HÖ sè mÐo tÇn sè Để đánh giá méo tần số vào đặc tuyến biên độ - tần số điều chế m = f (FS ) U S = const Hệ số méo tần số đ−ợc xác định theo biểu thức: M= mo hoÆc MdB = 20 log M m (6.7) Trong đó mo là hệ số điều chế lớn ; m là hệ số điều chế tần số xét (hình 6.3) MÐo tÇn sè xuÊt hiÖn chñ yÕu c¸c tầng khuếch đại âm tần để khuếch đại tín hiÖu ®iÒu chÕ, nh−ng còng xuÊt hiÖn c¸c tÇng ®iÒu chÕ, sau ®iÒu chÕ, m¹ch lọc đầu các tầng này không đảm bảo d¶i truyÒn cho phæ tÝn hiÖu (2FS max) m mo m FS Hình 6.3 Đặc tuyến biên độ - tần số điều chế 6.2.4 C¸c m¹ch ®iÒu biªn C¸c m¹ch ®iÒu biªn ®−îc x©y dùng dùa trªn hai nguyªn t¾c sau ®©y: - Dùng phần tử phi tuyến, cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến phần tử phi tuyến - Dïng phÇn tö tuyÕn tÝnh cã tham sè ®iÒu khiÓn ®−îc (dïng bé nh©n t−¬ng tù): nh©n t¶i tin vµ tín hiệu điều chế nhờ phần tử truyến tính đó §Ó thùc hiÖn ®iÒu biªn theo nguyªn t¾c thø nhÊt, cã thÓ dïng mäi phÇn tö phi tuyÕn, nh−ng nÕu dùng transistor thì cùng với điều biên còn có thể có khuếch đại tín hiệu Về mạch điện ng−ời ta phân biệt các loại mạch điều biên: mạch điều biên đơn, mạch điều biên cân bằng, mạch điều biên vßng Các mạch điều biên đơn Các mạch điều biên đơn là mạch dùng phần tử tích cực để điều chế Mạch điều biên đơn dùng phần tử phi tuyến, tùy thuộc vào điểm làm việc đ−ợc chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số đặc tr−ng cho phần tử phi tuyến có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor chế độ làm việc mạch là chế độ A, t−ơng ứng góc cắt θ = 180o phân tích theo chuỗi Fourier, chế độ làm việc mạch là chế độ AB, B, C t−ơng ứng θ < 180o a) Tr−êng hîp 1: θ = 180o m¹ch ®iÒu biªn dïng diode h×nh 6.4 ë ®©y ®iÖn ¸p mét chiÒu Eo phân cực thuận cho diode, th−ờng chọn điểm làm việc ban đầu gần điểm uốn đặc tr−ng Vonampe diode Nếu các tín hiệu vào thỏa mãn điều kiện (6.8) thì mạch làm việc chế độ A: U t + U S < Eo (6.8) Hàm số đặc tr−ng cho phần tử phi tuyến xung quanh điểm làm việc biểu diễn chuỗi Taylor: i D = a1u D + a u D2 + a3 u D3 + Víi u D = E o + U t cos ω t t + U S cos ω S t Thay uD vµo biÓu thøc (6.9) ta ®−îc: 182 (6.9) i D = a1 ( E o + U t cos ω t t + U S cos ω S t ) + a ( Eo + U t cos ω t t + U S cos ω S t ) + + a3 ( Eo + U t cos ω t t + U S cos ω S t ) + (6.10) Khai triÓn biÓu thøc 6.10 bá qua c¸c sè h¹ng bËc cao n ≥ 4, cã kÕt qu¶ mµ phæ cña nã ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.4.c Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn tr−êng hîp nµy gåm thµnh phÇn h÷u Ých (ωt ± ωS) cßn cã c¸c thµnh phÇn phô kh«ng mong muèn C¸c thµnh phÇn phô nµy b»ng kh«ng khi: (n = 1, 2, 3, ) a3 = a4 = a5 = = a2n+1 = iD iD D CB t + - E0 UD E0 ωs UD a) b) t c) H×nh 6.4 Điều biên chế độ A Mạch điện dùng diode (a) Đặc tuyến diode, đồ thị thời gian tín hiệu vào/ (b) Phổ tín hiệu điều biên đơn làm việc chế độ A (c) Nghĩa là đ−ờng đặc tính phần tử phi tuyến là đ−ờng cong bậc hai thì tín hiệu điều biên không bị méo phi tuyến Phần tử phi tuyến có đặc tính gần với dạng lý t−ởng là transistor tr−êng (FET) Để thỏa mãn mạch làm việc chế độ A, thì tải tin và tín hiệu điều chế phải nhỏ, nghĩa là phải hạn chế độ sâu điều chế, dẫn đến hạn chế công suất phát tín hiệu điều biên Vì lí đó nên ít dùng điều biên chế độ A b) Tr−ờng hợp 2: θ < 180o , tức là mạch làm việc chế độ AB, B, C Nếu biên độ điện áp đặt vào diode đủ lớn, thì có thể coi đặc tuyến nó là đ−ờng gấp khúc hình 6.5.a Ph−ơng trình biểu diễn đặc tuyến diode tr−ờng hợp này nh− sau: ⎧0 ID = ⎨ ⎩SU D u D ≤ u D > (6.11) 183 S: Hỗ dẫn truyền đạt Chän ®iÓm lµm viÖc ban ®Çu khu cÊm cña diode, tøc lµ víi ®iÖn ¸p ph©n cùc ng−îc cho diode (ứng với chế độ C) Dòng qua diode đó là xung hình sin hình 6.5, nên có thể biểu diÔn dßng iD theo chuçi Fourier nh− sau: iD = Io + i1 + i2 + i3 + iD = I o + I1 cosω t t + I cos 2ω t t + + I n cos nω t t iD (6.12) D t UD θ D UD Ut CB - + US(t) E0 Us U t (t) (b) (a) t Hình 6.5 Điều biên chế độ C (tín hiệu vào lớn) Đặc tuyến diode, đồ thị thời gian tín hiệu vào/ (a) Mạch điện điều chế (b) Trong đó Io là thành phần dòng chiều, I1 là biên độ thành phần dòng điện tải tin, I2, I3 là biên độ thành phần dòng điện hài bậc cao tải tin: Io, I1, I2 In đ−ợc tính theo biểu thức xác định hệ số chuỗi Fourier Io = I1 = θ ∫i π π D .dω t t o θ ∫i D cos ω t t.dω t t o In = π θ ∫i o D cos nω t t.dω t t ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭ (6.13) Theo biÓu thøc 6.11: I D = S U D = S ( Eo + U S cos ω S t + U t cosω t t ) 184 (6.14) Khi ωtt = θ thì iD = 0, đó ta có thể viết biểu thức 6.14 nh− sau: = S ( Eo + U S cos ω S t + U t cos θ ) (6.15) LÊy biÓu thøc (6.14) trõ (6.15) ta cã: iD = S U t (cosω t t − cosθ ) (6.16) Biểu thức (6.16) là dạng khác (6.14) nó biểu diễn phụ thuộc iD vào chế độ công tác (góc cắt θ) Thay biểu thức (6.16) vào (6.13) xác định đ−ợc các biên độ dòng điện Io, I1, , In Trong đó biên độ thành phần (thành phần có ích): I1 = θ S U (cos ω t − cosθ ) cos ω t.dω t = π∫ t t t t o S U t ⎛ ⎞ ⎜θ − sin 2θ ⎟ π ⎝ ⎠ (6.17) Do đó giá trị tức thời thành phần bản: i1 = S U t ⎛ ⎞ ⎜θ − sin 2θ ⎟ cos ω t t π ⎝ ⎠ (6.18) Từ biểu thức (6.15) ta xác định đ−ợc: cosθ = − Eo + U S cosω S t Ut (6.19) Từ biểu thức (6.18), (6.19) biên độ thành phần dòng tỉ lệ với tín hiệu điều chế US Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi Thùc chÊt cña qu¸ tr×nh nµy lµ qu¸ tr×nh nh©n tÝn hiÖu Bé nh©n t−¬ng tù h×nh 6.6 ®ược sö dông để điều biên thuộc loại này Trong m¹ch ®iÖn quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p uđb vµ ®iÖn ¸p vµo u t lµ quan hÖ tuyÕn tÝnh Tuy nhiên uS biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác, làm cho biên độ tín hiệu thay đổi để có điều biên C¨n cø vµo tÝnh chÊt cña m¹ch nh©n ta viÕt biÓu thøc ®iÖn ¸p ra: uđb = (E o + U S cos ωS t ).U t cos ω t t hoÆc uđb = E o U t cos ω t t + U t US UU cos(ω t + ωS ).t + t S cos(ω t − ω S ).t 2 (6.20) U ®b Eo US = ~ U S3 K U ®b U S2 U S1 ~ ~ Ut Ut (a) (b) Hình 6.6 Điều biên dùng nhân t−ơng tự (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn dïng bé nh©n t−¬ng tù gåm cã t¶i tin vµ hai biªn tÇn Mạch nhân t−ơng tự còn dùng điều chế số ASK, FSK, PSK Trong đó tín hiệu điều chế là 185 tÝn hiÖu sè, sãng mang lµ tÝn hiÖu ®iÒu hßa, lµ mét phÇn quan träng MODEM ghÐp víi m¸y tính các thiết bị số để truyền tín hiệu số mạng điện thoại công cộng M¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng Nh− đã xét trên, các mạch điều biên đơn dùng phần tử phi tuyến, dòng điện tải ngoµi thµnh phÇn h÷u Ých (c¸c biªn tÇn) cßn cã nhiÒu thµnh phÇn kh«ng mong muèn kh¸c (t¶i tÇn vµ các hài bậc cao) Đó là đặc điểm mạch điều biên đơn Trong tr−ờng hợp dùng transistor l−ỡng cực, transistor tr−ờng, đèn điện tử để điều biên, ng−ời ta ph©n biÖt c¸c lo¹i ®iÒu biªn sau ®©y: ®iÒu biªn base, ®iÒu biªn collector, ®iÒu biªn cöa, ®iÒu biªn m¸ng, ®iÒu biªn an«t, ®iÒu biªn l−íi C¸c lo¹i ®iÒu biªn cã tªn gäi t−¬ng øng víi cùc mµ ®iÖn ¸p điều chế đặt vào Các mạch điều biên có thể phân loại theo mạch điện, chế độ, −u nh−ợc điểm v.v §Ó gi¶m mÐo phi tuyÕn, dïng m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng Trªn h×nh 6.7 tr×nh bµy m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng dïng diode vµ transistor l−ìng cùc U1 i1 CB US • U ®b CB U2 U CC Ut US - Ut ωS U ®b CB i2 (a) + (b) ωt − 3ω S 3ω S ωt ωt + 3ω S 2ω t ω (c) H×nh 6.7 M¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng: Dïng diode (a) Dïng transistor (b) Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn (c) Trên hình 6.7.a, điện áp đặt lên các diode D1 và D2 lần l−ợt: u = U S cos ωS t + U t cos ω t t u = −U S cos ω S t + U t cosω t t ⎫ ⎬ ⎭ (6.21) ⎫ ⎬ ⎭ (6.22) Dßng ®iÖn qua c¸c diode ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor: i1 = a o + a u1 + a u12 + a u13 + i2 = − a o + a1 u2 + a u + a u + 2 186 i = i1 − i2 Dßng ®iÖn (6.23) Thay 6.21 vµ 6.22 vµo 6.23 vµ chØ lÊy bèn vÕ ®Çu, ta nhËn ®−îc biÓu thøc dßng ®iÖn ra: i = A cosω S t + B cos 3ω S t + C [cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] + + D[cos(2ω t + ω S )t + cos(2ω t − ω S )t ] (6.24) Trong đó: ⎛ ⎞ A = U S ⎜ 2a1 + 3a3U t2 + a3U S2 ⎟ ⎝ ⎠ a U 33 ; D = a 3U S U t B= ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭ C = 2a2U SU t (6.25) T−¬ng tù nh− vËy cã thÓ chøng minh kÕt qña cho m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng dïng transistor h×nh 6.7.b M¹ch ®iÒu biªn vßng Mét d¹ng kh¸c cña m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng lµ m¹ch ®iÒu biªn vßng, thùc chÊt ®©y lµ hai mạch điều biên cân có chung tải Khi đó tín hiệu điều biên đã loại bỏ đ−ợc nhiều thành phÇn phô kh«ng mong muèn Sơ đồ mạch điều biên vòng đ−ợc trình bày trên hình 6.8 D1 CB D3 US CB U®b D4 D2 (a) Ut ωt ω (b) H×nh 6.8 M¹ch ®iÒu biªn vßng (a) vµ phæ tÝn hiÖu (b) Gäi dßng ®iÖn cña m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng gåm D1, D2 lµ iI , vµ dßng ®iÖn cña m¹ch ®iÖn c©n b»ng gåm c¸c diode D3, D4 lµ iII Theo biÓu thøc 6.24 ta cã : iI = A cos ω S t + B cos 3ω S t + C [cos(ωt + ω S )t + cos(ωt − ω S )t ] + + D[cos(2ωt + ω S )t + cos(2ωt − ω S )t ] ; i II = i D − i D (6.26) (6.27) Trong đó: i D = a o + a1u + a u 32 + a3 u 33 + i D = a o + a1u + a u 42 + a3 u 43 + ⎫ ⎬ ⎭ (6.28) Với u3 và u4 là điện áp đặt lên D3 và D4 đ−ợc xác định nh− sau: 187 u3 = −U t cos ωt t − U S cos ω S t u = −U t cos ωt t + U S cos ω S t ⎫ ⎬ ⎭ (6.29) Thay biÓu thøc (6.28) vµ (6.29) vµo (6.37) ta ®−îc: iII = − A cos ω S t − B cos 3ω S t + C [cos(ωt + ω S )t + cos(ωt − ω S )t ] − − D[cos(2ωt + ω S )t + cos(2ωt − ω S )t ] (6.30) Các giá trị A, B, C, D hai biểu thức (6.26) và (6.30) đ−ợc xác định biểu thức (6.25) Tõ biÓu thøc (6.26) vµ (6.30) ta ®−îc : i đb = i I + i II = 2C[cos(ω t + ωS ) t + cos(ω t − ωS ) t ] (6.31) Nh− là sử dụng mạch điều chế vòng đã khử đ−ợc các hài bậc lẻ ωS, và các biên tần 2ωt; đó độ méo phi tuyến nhỏ Mạch điều chế vòng có thể coi nh− mạch nhân 6.2.4 Tách sóng biên độ (giải điều chế biên độ) C¸c tham sè c¬ b¶n a) HÖ sè t¸ch sãng Tín hiệu vào tách sóng là tín hiệu cao tần đã điều biên: uVTS = U VTS (t ) cos ω t t = U (ω S t ) cos ω t t Trong đó UVTS biến thiên theo quy luật tin tức Biên độ tín hiệu tách sóng: URTS(t) = KTS UVTS ë ®©y KTS lµ hÖ sè tØ lÖ vµ ®−îc gäi lµ hÖ sè t¸ch sãng K TS = U RTS (t ) U VTS (t ) Trong đó URTS(t) và UVTS(t) gồm có thành phần chiều và thành phần tần số thấp (tỉ lệ víi tin tøc) U VTS (t ) = U o' + u S' U RVTS (t ) = U o'' + u S'' Đối với quá trình tách sóng, cần quan tâm đến các thành phần tần số thấp (mang tin tức), đó th−ờng xác định hệ số tách sóng nh− sau: K TS = u S" u S' (6.32) Trong đó u S'' và u S' đặc tr−ng cho thành phần tần số thấp tỉ lệ với tin tức lối ra, và lối vào cña bé t¸ch sãng HÖ sè t¸ch sãng cµng lín th× hiÖu qu¶ t¸ch sãng cµng cao NÕu qu¸ tr×nh t¸ch sãng KTS = const, nghÜa lµ hÖ sè t¸ch sãng chØ phô thuéc vµo m¹ch t¸ch sãng, mµ kh«ng phô thuéc vµo biên độ điện áp vào, thì u S' ' tỉ lệ với u S' Do đó điện áp tách sóng biến thiên cùng quy 188 luật với biên độ điện áp vào Lúc đó tách sóng không gây méo phi tuyến và đ−ợc gọi là tách sãng tuyÕn tÝnh b) Trở kháng vào tách sóng là tỉ số biên độ điện áp cao tần và biên độ dòng điện cao tÇn ë lèi vµo cña bé t¸ch sãng ZVTS = U VTS U (ωt ) = IVTS I (ωt ) (6.33) Trị số trở kháng vào tách sóng cho biết ảnh h−ởng tách sóng đến nguồn tín hiÖu vµo Thông th−ờng mạch vào tách sóng gồm các phần tử điện kháng, đó điện áp và dßng ®iÖn cã dÞch pha: v× vËy trë kh¸ng vµo lµ mét sè phøc: Z VTS = 1 = YVTS g VTS + jbVTS (6.34) gVTS làm giảm hệ số phẩm chất mạch nguồn tín hiệu, còn bVTS làm thay đổi tần số cộng h−ởng riªng cña nã c) MÐo phi tuyÕn Giống nh− khuếch đại, méo phi tuyến tách sóng đ−ợc xác định nh− sau: γ = I 22 ωS + I 32 ωS + I ωS .100% (6.35) Trong đó I ωS , I 2ωS lần l−ợt là biên độ thành phần dòng điện bậc nhất, bậc hai tín hiÖu ®iÒu chÕ đây không cần quan tâm đến các dòng điện cao tần (tải tần và hài bậc cao nó) vì m¹ch ®iÖn cña bé t¸ch sãng dÔ dµng läc bá c¸c thµnh phÇn nµy Mạch điện tách sóng biên độ Cũng t−ơng tự nh− phần điều chế biên độ Để tách sóng biên độ có thể dùng hai ph−ơng pháp là: dùng các phần tử phi tuyến là dùng các phần tử tuyến tính có tham số thay đổi đ−ợc Tách sóng biên độ dùng các phần tử phi tuyến đ−ợc thực nhờ mạch chỉnh l−u a) Tách sóng biên độ mạch chỉnh l−u Có hai sơ đồ tách sóng dùng mạch chỉnh l−u: sơ đồ tách sóng nối tiếp và sơ đồ tách sóng song song Trong sơ đồ tách sóng nối tiếp hình 6.9.a, diode tách sóng đ−ợc mắc nối tiếp với tải, còn sơ đồ tách sóng song song diode tách sóng mắc song song với tải hình 6.9.b o U ®b = U S' D C o C o R U o (a) o '' S U ®b = U S' o D o R U S'' o (b) Hình 6.9 Sơ đồ tách sóng biên độ mạch chỉnh l−u; Tách sóng nối tiếp (a) ; tách sóng song song (b) Nếu tín hiệu vào đủ lớn, cho diode làm việc đoạn t−ơng đối thẳng đặc tuyến, 189 đó có thể coi đặc tuyến diode nh− đ−ờng gấp khúc nh− trên hình 6.10.a thì ta có quá trình t¸ch sãng tÝn hiÖu lín §Æc tr−ng V-A cña diode ®−îc biÓu diÔn theo ph−¬ng tr×nh 6.36 ⎧Su iD = ⎨ D ⎩0 Khi uD ≥ Khi uD < (6.36) Trong các sơ đồ hình 6.9, diode thông nửa chu kỳ d−ơng dao động cao tần đầu vào Hình bao dao động cao tần nhận đ−ợc nhờ phóng nạp tụ C (hình 6.10) Sau đây ta phân tích và tính toán sơ đồ tách sóng nối tiếp hình 6.9(a) Theo biÓu thøc (6.36) ta viÕt ®−îc biÓu thøc dßng ®iÖn qua diode vµ hoÆc iD = S (u db − uC ) (6.37) u đb = U t (1 + m cos ωS t ) cos ω t t (6.38) u đb = U đb cos ω t Trong đó Uđb = U t (1 + m cos ωS t ) (6.39) Thay biÓu thøc (6.38) vµo (6.37) ta cã: i D = S( U đb cos ω t t − u C ) (6.40) BiÕt r»ng ωt t = θ th× iD = thay vµo (6.40) ta ®−îc (6.41) = S( U db cos θ − u C ) (6.41) Tõ biÓu thøc (6.41) suy gãc dÉn ®iÖn cña diode cos θ = uC U đb (6.42) iD iD t UD 0 U db t H×nh 6.10 Qu¸ tr×nh t¸ch sãng tÝn hiÖu lín nhê m¹ch chØnh l−u dïng diode Tõ biÓu thøc (6.40) vµ (6.41) ta suy ra: 190 i D = SU db (cos ω t t − cos θ) (6.43) MÆt kh¸c v× dßng qua diode lµ mét d·y xung (h×nh 6.10) nªn cã thÓ khai triÓn iD theo chuçi Fourier nh− sau: i D = I o + I o cos ω t t + I cos 2ω t t + (6.44) Theo chuçi Fourier, ta tÝnh ®−îc: Io = θ i π∫ D dωt t o In = π θ ∫ i D cos nωt t.dωt t o ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ víi n = 1, 2, 3, (6.45) Thay biÓu thøc (6.43) vµo (6.45) råi lÊy tÝch ph©n, ta nhËn ®−îc c¸c kÕt qu¶ sau: Io = SU db (sin θ − θ cos θ) π (6.46a) In = SU db (θ − sin θ cos θ) π (6.46b) Io xác định từ biểu thức (6.46a) có chứa thành phần chiều túy: vµ thµnh phÇn biÕn thiªn chËm: SU t π SU t π (sin θ − θ cos θ ) m(sin θ − θ cos θ ) cos ω S t chÝnh lµ thµnh phÇn h÷u Ých (tin tøc) Từ dòng chiều Io xác định đ−ợc điện áp trên tải: uC = RI o = RS π U db (sin θ − θ cos θ ) (6.47) Thay biÓu thøc (6.47) vµo (6.42) ta cã: cos θ = hay RS π tgθ = θ = (sin θ − θ cos θ ) π (6.48) SR Theo (6.48) gãc dÉn ®iÖn θ chØ phô thuéc vµo tham sè S, R cña m¹ch ®iÖn mµ kh«ng phô thuộc vào tín hiệu vào, Từ đó kết luận là tách sãng tÝn hiÖu lín kh«ng g©y mÐo phi tuyÕn ( h×nh 6.11) NÕu gi¶ thiÕt θ = I1 = π th× I o = SU db , π UC UC t H×nh 6.11 §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p uC trªn t¶i bé t¸ch sãng nèi tiÕp SU db Vµ biÓu thøc cña dßng qua diode cña m¹ch t¸ch sãng viÕt d−íi d¹ng chuçi Fourier π tr−êng hîp 90 o 191 ⎛1 ⎞ ∞ (−1) n cos 2nω t t ⎟⎟ i D = SU db ⎜⎜ + cos ω t t − ∑ π n =1 4n − ⎝π ⎠ Thay (6.39) vµo ta cã: ⎡1 ⎤ ∞ (−1) n iD = SU t (1 + m cos ω S t ) ⎢ + cos ωt t − ∑ cos 2nωt t ⎥ π n=1 4n − ⎣π ⎦ (6.49) Tõ biÓu thøc (6.49) ta nhËn thÊy r»ng: Phæ cña dßng ®iÖn iD gåm cã c¸c thµnh phÇn mét chiÒu, ωt , ωS, ωt ± ωS , nωt ± ωS Th«ng th−êng ωt >> ωS , nªn c¸c thµnh phÇn ωt , ωt ± ωS vµ nωt ± ωS ®−îc läc rÊt dÔ dµng nhê m¹ch läc th«ng thÊp, chØ cßn thµnh phÇn h÷u Ých mSU db cos ωS t π Mét lÇn n÷a l¹i thÊy r»ng bé t¸ch sãng tÝn hiÖu lín kh«ng g©y mÐo V× vËy tr−íc t¸ch sãng ng−ời ta th−ờng khuếch tín hiệu đủ lớn, thông th−ờng tr−ớc tách sóng dùng tầng khuếch đại cộng h−ởng, có hệ số khuếch đại lớn tần số cộng h−ởng, đó loại đ−ợc nhiễu, đảm bảo chế độ t¸ch sãng tuyÕn tÝnh iS = Trong các sơ đồ hình 6.9 phải chọn số thời gian τ = RC đủ lớn cho dạng điện áp ph¶i gÇn víi d¹ng h×nh bao cña ®iÖn ¸p cao tÇn ë ®Çu vµo Tuy nhiªn kh«ng thÓ chän ®iÖn dung qu¸ lớn, để tránh méo điện dung tải gây Điều kiện tổng quát để chọn τ: 1 << R << ωt C ωS C (6.50) Tr−êng hîp chän tô C qu¸ lín, lµm cho vế thứ hai bất đẳng thức (6.50) không tháa m·n th× ®iÖn ¸p kh«ng biÕn thiªn kÞp với biên độ điện áp vào, gây méo tín hiệu h×nh 6.12 §Ó tr¸nh hiÖn t−îng nµy ph¶i chän trị số tụ C cho tốc độ biến thiên điện áp uC tối thiểu tốc độ biến thiên biên độ điện áp vào tr−ờng hợp tụ C phãng ∧ UC U®b UC U®b t H×nh 6.12 HiÖn t−îng mÐo tÝn hiÖu t¸ch sãng ®iÖn dung t¶i qu¸ lín Thùc tÕ th−êng chän RC theo ®iÒu kiÖn (6.51): 10 <R< ωt C ω S max C C (6.51) Muốn dễ dàng thỏa mãn (6.51) phải đảm o o CB b¶o ωt ≥ 100ω S max Trong hai sơ đồ trên hình 6.9, sơ đồ tách sãng nèi tiÕp cã ®iÖn trë vµo RV = R / lín điện trở vào sơ đồ tách sóng song 192 R D • U S'' o + UCC Hình 6.13 Sơ đồ tách sóng song song ghép với tải tÇng tr−íc (Ng¨n ®iÖn ¸p mét chiÒu t¶i t¸ch sãng) song RV = R / Ngoài trên tải sơ đồ tách sóng song song còn có điện áp cao tần, đó phải dùng lọc để lọc bỏ nó Vì lý đó, nên sơ đồ tách sóng song song dùng tr−ờng hợp cần ngăn thành phần chiều từ tầng tr−ớc đ−a đến hình 6.13 b) Tách sóng biên độ dùng phần tử tuyến tính tham số §Ó dÔ hiÓu, xÐt bé t¸ch sãng ®iÒu biªn dïng m¹ch nh©n t−¬ng tù h×nh 6.14 TÝn hiÖu ®iÒu biªn ®−a vµo mét ®Çu vµo cña bé U®b o ur nh©n t−¬ng tù U®b = U t (1 + m cos ωS t ) cos ω t t (6.52) Trªn ®Çu vµo thø hai ®−a vµo t¶i tin ut = U t cos(cos ωt t + ϕ ) K ut o (6.53) o Hình 6.14 Tách sóng đồng dïng m¹ch nh©n t−¬ng tù Trªn ®Çu cña bé nh©n sÏ cã tÝn hiÖu: u r = u đb u t K K lµ hÖ sè nh©n cña m¹ch nh©n t−¬ng tù: ur = KU 2t ⎛ + m cos ωS t ⎞ (1 + m cos ωS t ) cos ϕ + KU 2t ⎜ ⎟ cos(2ω t t + ϕ) 2 ⎠ ⎝ (6.54) Dïng m¹ch läc th«ng thÊp ta t¸ch thµnh phÇn h÷u Ých: u S'' = KU t2 (1 + m cos ω S t ) cos ϕ (6.55) Tõ biÓu thøc (6.54) vµ (6.55) cã thÓ rót nh÷ng nhËn xÐt sau ®©y: - Trong phổ điện áp không có thành phần tải tần Thực tế mạch nhân không hoàn toàn đối xứng, nên phổ điện áp có chứa tải tần với biên độ nhỏ - Muèn t¸ch sãng b»ng m¹ch nh©n ph¶i cã tÝn hiÖu tÇn sè b»ng tÇn sè cña t¶i tin cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn ®−a vµo ®Çu vµo thø hai cña bé nh©n - Biên độ điện áp đầu tách sóng phụ thuộc vào góc pha ϕ, với ϕ là góc lệch pha tín hiệu cần tách sóng và tải tin phụ (đ−a vào đầu thứ hai nhân) Khi pha ϕ = 0, π biên độ điện áp đầu tách sóng đạt cực đại, ϕ = ± π biên độ không Nh− tách sóng vừa vừa có tính chất chọn lọc biên độ, vừa có tính chất chọn lọc pha Nói cách khác đó là tách sóng biên độ – pha Do đó để tách sóng có hiệu cần phải đồng tín hiệu vào và tải tin phụ tần số lẫn pha Vì tách sóng này cần có tên gọi là tách sóng đồng So với tách sóng dùng diode, thì tách sóng đồng chứa ít thành phần tổ hợp đầu Trên hình 6.15 là ví dụ tách sóng đồng đ−ợc chế tạo d−ới dạng vi mạch Nó đ−ợc dùng để tách sóng tín hiệu hình máy thu hình Khi tách sóng tín hiệu hình cần đặc biệt l−u ý đến méo phi tuyến, vì tải tần màu 4,43MHz và tải tần đ−ờng tiếng 5,5MHz trộn với t¹o tÇn sè 1,07MHz vµ c¸c hµi n 1,07MHz sÏ g©y nhiÔu cho ®−êng h×nh M¹ch t¸ch sãng này có thể loại bỏ các nhiễu đó 193 Vμo ChuyÓn m¹ch o Bé h¹n chÕ Läc th«ng thÊp Läc th«ng d¶i o (a) o 12V R3 R4 R8 R9 D1 o C1 L1 T8 D2 T9 T10 T11 o U11 T1 T2 T3 T6 T4 T7 T12 R10 T13 R11 o U12 R13 R1 R2 R5 R6 R7 (b) R12 R14 o Hình 6.15 Bộ tách sóng đồng dạng vi mạch Sơ đồ khối (a) ; Sơ đồ nguyên lý (b) Đầu vào tách sóng là tín hiệu trung tần hình đã đ−ợc điều biên, (từ tín hiệu cao tần qua trén lµm tÇn sè sãng mang gi¶m xuèng miÒn trung tÇn) Phæ cña nã ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc tæng qu¸t sau: m ⎡1 ⎤ utg (t ) = U tg ⎢ cos ωtg t + cos(ωtg + ω S )t ⎥ ⎣2 ⎦ (6.56) (gåm t¶i tin vµ biªn tÇn trªn) Trong đó: ωtg tần số tải tin (tần số trung gian); ωS là tần số điều chế; m là hệ số điều chế Tín hiệu vào trung gian đ−ợc đồng thời đ−a đến hạn biên và chuyển mạch Qua hạn biªn vµ m¹ch läc th«ng d¶i sÏ t¸ch ®−îc t¶i tÇn ch−a ®iÒu chÕ utgo = KU tg cos ωtg t (6.57) K lµ hÖ sè tØ lÖ, phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña bé h¹n biªn vµ bé läc utgo điều khiển chuyển mạch, cho điện áp vào utg đ−ợc truyền hoàn toàn đến đầu chuyển mạch đ−ợc ngắt theo đúng nhịp tải tần Nh− vËy ®Çu cña bé chuyÓn m¹ch cã ®iÖn ¸p: u (t ) = u tg (t ).S (t ) 194 S(t) là hàm số đặc tr−ng cho chuyển mạch th−ờng là dãy xung chữ nhật hình 6.16 S (t) S (t) π ωt 2π (b) A ωt π 2π (a) H×nh 6.16 Hai d¹ng kh¸c cña hµm chuyÓn m¹ch BiÓu diÔn to¸n häc cña hµm S(t) trªn h×nh 6.16: S1 (t ) = A 2A ⎛ 1 ⎞ + ⎜ cos ω tg t − cos 3ω tg t + cos 5ω tg t + ⎟ π ⎝ ⎠ (6.58a) S (t ) = 4A ⎛ 1 ⎞ ⎜ cos ω tg t − cos 3ω tg t + cos 5ω tg t + ⎟ π ⎝ ⎠ (6.58b) §iÖn ¸p sau tÇng chuyÓn m¹ch: AU tg [cos ω tg t + m cos(2ω tg + ω s )t ] (6.59a) 1 ⎡ ⎤ + AU tg ⎢1 + m cos ω s t + cos 2ω tg t + m cos(2ω tg + w s ).t − m cos(2ω tg − ω s ).t ⎥ 2π ⎣ ⎦ u1 (t ) = utg = u2 (t ) = utg S = ⎡ AU tg ⎢1 + m cos ω S t + cos 2ω tg t + m cos(2ω tg + ω S )t − π ⎣ 1 ⎤ − m cos(2ω tg − ω S )t ⎥ ⎦ (6.59b) Khi dïng hµm S1(t), ®iÖn ¸p ngoµi thµnh phÇn mong muèn ω s cßn cã c¸c thµnh phÇn mét chiÒu, t¶i tÇn ω tg , biªn tÇn trªn ω tg + ω s ; hµi bËc hai cña t¶i tÇn ω tg cïng c¸c biªn tÇn ω tg ± ω s NÕu dïng hµm S2(t), ®iÖn ¸p kh«ng chøa t¶i tÇn ω tg vµ biªn tÇn trªn ω tg + ω s , c¸c thµnh phÇn cßn lại có biên độ lớn gấp đôi so với tr−ờng hợp dùng S1(t) Trong hai tr−ờng hợp, dùng lọc thông thÊp ë ®Çu dÔ dµng bäc bá ®−îc c¸c thµnh phÇn kh«ng mong muèn H×nh 6.15 (b) cho mét vÝ dô vÒ vi m¹ch (A.240, TDA440) lµm viÖc theo nguyªn t¾c nªu trªn, điện áp vào utg đ−a đến khuếch đại lặp lại emitter T1 và T2, lối tầng T1, T2 đ−a tới lối vào tầng khuếch đại vi sai gồm T3, T4 đây T5 đóng vai trò tạo nguồn dòng Điện áp trên R3, R4 tầng khuếch đại vi sai đ−ợc hạn chế biên độ nhờ diode D1, D2 Diode D1 và D2 mắc song song víi khung céng h−ëng L1, C1 nh»m läc bá c¸c hµi bËc cao, lÊy t¶i tÇn ch−a ®iÒu chÕ Utg0 ®−a vµo tầng lặp lại emitter T6, T7 đến chuyển mạch gồm T8ữT14 Tầng khuếch đại vi sai T12, T13 làm nhiệm vụ khuếch đại Utg Nhờ các điện trở R10, R11 mắc mạch emitter để mở rộng phạm vi lµm viÖc tuyÕn tÝnh cña m¹ch 195 Hai tầng khuếch đại vi sai T8, T9 vµ T10 T11 ®−îc ®iÒu khiÓn bëi t¶i tin ch−a ®iÒu chÕ Utg0 ®−a tõ bé h¹n chÕ đến Vì biên độ Utg0 khá lớn nên các khuếch đại vi sai này làm việc chế độ khoá, T14 là nguồn dòng Nguyên lý hoạt động tầng chuyển mạch đ−ợc minh hoạ sơ đồ t−ơng ®−¬ng h×nh 6.17 Do m¾c chÐo collector cña T9 vµ T10 nªn tÇng chuyÓn m¹ch cã hµm truyền đạt S2(t) dãy xung chữ II T8 T12 R8 Tg U tg I T14 U tg0 R9 T 11 T 13 U(t) T10 Hình 6.17 Sơ đồ t−ơng đ−ơng tầng chuyển mạch tách sóng biên độ hình 6.15 nhật có cực tính thay đổi nh− biểu diễn trên hình 6.16(b) Điện áp u(t) lấy trên R9 không đối xứng Sụt áp trên R8 không đ−ợc dùng đến đó thực tế kh«ng cÇn m¾c R8 m¹ch Khi thay đổi chiết áp R14 thì dòng điện nguồn dòng T14 thay đổi, nhờ đó có thể thay đổi møc tr¾ng cña tÝn hiÖu video Hiện t−ợng phách và t−ợng chèn ép tách sóng biên độ Tr−ờng hợp trên đầu vào tách sóng biên độ có hai dao động cao tần (tín hiệu và nhiễu), thì bé t¸ch sãng x¶y hiÖn t−îng ph¸ch vµ hiÖn t−îng chÌn Ðp a) HiÖn t−îng ph¸ch Giả thiết các điện áp đặt vào tách sóng biên độ: u1 = U cos ω1t → ω2 U2 u = U cos ω t Do đó điện áp tổng cộng → u(t ) = u1 (t ) + u2 (t ) = U (t ) cos[ω1 t + ϕ (t )] U Δω o‘ → U1 ϕ (t ) Vì u1 và u2 có tần số không cố định, nên biên độ véc tơ tổng không cố định Tại thời điểm bất kỳ, ta có r vÐc t¬ tæng u nh− trªn h×nh 6.18 r r Nếu coi u1 đứng yên thì u quay quanh O’ với vận tốc góc là ω2, đó Δω = ω −ω ω1 o H×nh 6.18 §å thÞ vÐc t¬ cña ®iÖn ¸p vào tách sóng biên độ ¸p dông hÖ thøc tam gi¸c th−êng, ta t×m ®−îc: U (t ) = U 12 + U 22 + 2U 1U cos Δωt ϕ (t ) = arctg U sin Δωt U + U cos Δωt Vì tách sóng biên độ không có phụ thuộc vào pha điện áp vào nên để xét kết điện áp tách sóng không cần quan tâm đến ϕ (t ) Nếu giả thiết tách sóng không có 196 quán tính tần số hiệu Δω , nghĩa là định nghĩa: ΔωC >> R th× ®iÖn ¸p trªn t¶i cña bé t¸ch sãng theo U RTS = K TS U VTS = K TS U (t ) = K TS U 1 + U 22 U + 2 cos(Δω t ) U1 U1 (6.60) Nh− vËy ®iÖn ¸p biÕn thiªn theo tÇn sè hiÖu Δω §ã lµ hiÖn t−îng ph¸ch Hiện t−ợng phách đ−ợc ứng dụng điện báo đẳng biên Tín hiệu điện báo đẳng biên sau tách sóng là điện áp chiều, đó nó không có tác dụng tai nghe Vì để tách sóng tín hiệu điện báo đẳng biên có tần số ω cần đ−a thêm tín hiệu ngoại sai có tần số ω vào tách sóng, cho Δω = ω − ω1 nằm phạm vi âm tần để tai có thể nhận biết đ−ợc b) HiÖn t−îng chÌn Ðp Tr−ờng hợp hai dao động tác động lên tách sóng có biên độ chênh lệch nhiều thì t−îng ph¸ch trë thµnh hiÖn t−îng chÌn Ðp Trong biểu thức (6.60) đặt: x= U 22 2U + cos Δωt U 12 U NÕu gi¶ thiÕt U << U th× x << áp dụng biểu thức gần đúng, ta viết biểu thức (6.60) nh− sau: ⎛ U2 U ⎞ U (t ) = K TS U 1 + X ≈ K TS U ⎜⎜1 + 22 + cos Δωt ⎟⎟ ⎝ U1 U1 ⎠ ⎛ ⎞ U2 = K TS ⎜⎜U + + U + ⎟⎟ 2U ⎝ ⎠ (6.61) Từ (6.61) suy tín hiệu tín hiệu vào u1 và u U RTS = K TS U đó K TS = K TS U RTS = K TS Do đó K TS = K TS U 22 = K TS 2U 2U U2 2U Vì U1 >> U nên K TS >> K TS , nghĩa là trên đầu vào tách sóng biên độ có hai dao động cao tần biên độ khác nhiều thì quá trình tách sóng có t−ợng tín hiệu lớn chèn ép tín hiệu bé Hiện t−ợng này biểu tính chọn lọc theo biên độ tách sóng Vậy nhiễu có biên độ nhỏ nhiễu so với biên độ tín hiệu hữu ích thì rõ ràng tác dụng chọn lọc có lợi Tuy nhiên tín hiệu nhỏ nhiễu phải chú ý nâng cao mức tín hiệu để tránh t−ợng tín hiệu bÞ nhiÔu chÌn Ðp 197 6.3 Điều chế và giải điều chế đơn biên 6.3.1 Khái niệm điều chế đơn biên Nh− đã biết, phổ dao động điều biên gồm tải tần và hai biên tần, đó có các biên tần là mang tin tức Vì hai dải biên tần mang tin tức nh− (về biên độ và tần số) nên cần truyền biên tần là đủ thông tin tin tức Tải tần cần dùng để tách sóng, đó có thể nén toµn bé hay mét phÇn t¶i tÇn tr−íc truyÒn ®i Qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ nh»m t¹o mét d¶i biªn tÇn gọi là điều chế đơn biên Điều chế đơn biên (với phần d− tải tần) mang ý nghĩa thực tế lớn Điều chế đơn biªn víi m¹ch phøc t¹p, tèn kÐm nh−ng l¹i cã nhiÒu −u ®iÓm quan träng h¬n h¼n ®iÒu biªn th«ng th−êng: - §é réng dµi tÇn gi¶m mét nöa - Công suất phát xạ yêu cầu thấp với cùng cự ly thông tin, vì đã tập trung công suất cña t¶i tÇn vµ mét biªn tÇn cho biªn tÇn cßn l¹i - T¹p ©m t¹i bé t¸ch sãng gi¶m d¶i tÇn cña tÝn hiÖu hÑp h¬n Do −u điểm trên, nên điều chế đơn biên ngày càng đ−ợc dùng nhiều thông tin nói chung (ë d¶i sãng ng¾n vµ sãng trung) vµ th«ng tin qu©n sù nãi riªng Từ biểu thức (6.3) có thể rút biểu thức tín hiệu điều chế đơn biên nh− sau: u db (t ) = U t m cos(ω t + ω S )t ωS (6.62) Us Trong biÓu thøc (6.62), m kh«ng mang ý nghÜa độ sâu điều chế và đ−ợc gọi là hệ số nén tải tin m= Ut US Ut U®b ωt m có thể nhận giá trị từ đến ∞ Hình 6.19 Đồ thị véc tơ dao động Đồ thị véc tơ tín hiệu đơn biên đ−ợc biểu điều chế đơn biên (có phần d− tải tin) diÔn trªn h×nh (6.19) Ta thấy véc tơ đặc tr−ng cho dao động điều chế đơn biên thay đổi biên độ lẫn góc pha, nghĩa là điều chế đơn biên kèm theo điều chế pha Tải tin bị nén phần hay bị nén → → hoàn toàn, đó véc tơ tải tin U t có thể nhỏ véc tơ biên tần U S Trong kỹ thuật truyền hình, tÝn hiÖu ®iÒu chÕ video mét phÇn lµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn (khi f S ≤ 0,75MHz ), phÇn cßn l¹i ( 0,75MHz ≤ f S ≤ MHz ) là tín hiệu điều chế đơn biên hình 6.20 Bằng cách đó có thể giảm đ−ợc dải tần tín hiệu điều chế video Nếu cắt bỏ hoàn toàn biên tần thì vấn đề lọc dải khó khăn, xuất sai pha 198 5,5MHz f th − 1,25 f th + f th f th + 5,5 = f tt f (MHz ) f th − 0,75 Hình 6.20 Đặc tính biên độ tín hiệu hình (fth: tải tần hình; ftt: tải tần tiếng) 6.3.2 Các ph−ơng pháp điều chế đơn biên Ng−ời ta phân biệt ba ph−ơng pháp điều chế đơn biên: ph−ơng pháp lọc, ph−ơng pháp quay pha, ph−¬ng ph¸p läc vµ quay pha kÕt hîp Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc Tõ sù ph©n tÝch phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn, râ rµng muèn cã tÝn hiÖu ®iÒu biªn, ta chØ cÇn läc bớt dải biên tần Nh−ng thực tế không làm đ−ợc nh− Với tải tần cao tần vấn đề lọc để tách mét d¶i biªn tÇn gÆp khã kh¨n ThËt vËy, gi¶ thiÕt tÇn sè thÊp nhÊt cña tin tøc f S = 200 Hz , lúc đó khoảng cách hai biên tần Δf = f = 400 Hz (hình 6.1b) Nếu tải tần có tần số f t = 10MHz th× hÖ sè läc cña bé läc X = Δf = 4.10−5 kh¸ nhá Sù ph©n bè cña hai biªn tÇn gÇn ft đến mức, dùng mạch lọc thạch anh khó lọc đ−ợc biên tần mong muốn Do đó ph−ơng pháp lọc, ng−ời ta dùng biến đổi tần số trung gian để có thể hạ thấp yêu cầu lọc Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc đ−ợc biểu diễn trªn h×nh 6.21 vµ phæ cña tÝn hiÖu trªn ®Çu cña tõng khèi biÓu diÔn trªn h×nh 6.22 Us(t) a §CB1 ft1 T¹o dao động f t1 ± f S b Läc f t1 + f S c §CB2 f t ± ( f t1 + f S ) Läc f t2 + f t1 + f S d U®b ft2 T¹o dao động Hình 6.21 Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên ph−ơng pháp lọc Trong sơ đồ khối trên, tin tức đ−ợc dùng điều chế tải tin trung gian, có tần số f t1 khá thấp so với tải tần yêu cầu, cho hệ số lọc tăng lên, để có thể lọc bỏ biên tần dễ dàng Trên đầu cña bé läc thø nhÊt sÏ nhËn ®−îc mét tÝn hiÖu cã d¶i phæ b»ng d¶i phæ cña tÝn hiÖu vµo Δf S = f S max _ f S nh−ng lÖch ®i mét l−îng b»ng f t1 trªn thang tÇn sè (h×nh 6.22c) TÝn hiÖu nµy đ−ợc đ−a đến điều chế cân thứ 2, mà trên đầu nó là tín hiệu có phổ hai biên tần c¸ch mét kho¶ng Δf ' = 2( f t1 + f S ) cho viÖc läc lÊy mét d¶i biªn tÇn nhê bé läc thø 199 thùc hiÖn ®−îc mét c¸ch dÔ dµng Bé ®iÒu chÕ c©n b»ng th−êng dïng m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng hoÆc mạch điều biờn vòng Trong sơ đồ khối trên đây, tải tần yêu cầu tổng hai tải tần phụ f t = f t1 + f t S(f) (a) fsmin fsmax f fsmin S(f) (b) f ft1 S(f) (c) ft1 f ft1 S(f) fsmin (d) ft2 ft1 + ft2 f H×nh 6.22 Phæ tÝn hiÖu cña c¸c khèi trªn h×nh 6.21 Phæ tÝn hiÖu vµo (a); Phæ tÝn hiÖu bé ®iÒu biªn c©n b»ng (b); Phæ tÝn hiÖu trªn ®Çu bé läc (c); Phæ tÝn hiÖu cña bé läc (d) Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp quay pha Nguyên tắc tạo tín hiệu đơn biên ph−ơng pháp quay pha đ−ợc minh hoạ trên đồ thị véc tơ hình 6.23 và sơ đồ khối hình 6.24 1.2 α α α I I II II 4 ω S t = 00 α ωSt = α Hình 6.23 Đồ thị véc tơ dao động điều chế đơn biên ph−ơng pháp quay pha Tín hiệu điều chế và tải tin thông qua mạch quay pha, đ−ợc đ−a đến hai điều chế cân (mạch điều biờn vòng) lệch pha 900, đó các biên tần trên hai điều chế cân lệch pha 180, còn các biên tần d−ới đồng pha Nếu lấy hiệu hai điện áp hai điều biên c©n b»ng ta ®−îc biªn tÇn trªn, ng−îc l¹i nÕu lÊy tæng c¸c ®iÖn ¸p ta sÏ nhËn ®−îc biªn tÇn d−íi Có thể chứng minh điều đó biểu thức toán học sau đây: giả thiết tín hiệu vào hai điều biªn c©n b»ng lÖch pha 90o, nÕu biÓu thøc cña tÝn hiÖu cña c¸c bé ®iÒu biªn c©n b»ng: 200 00 uS 900 M¹ch tæng hoÆc m¹ch hiÖu U®b 00 ut 900 Hình 6.24 Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên ph−ơng pháp quay pha uCB1 = U CB cos ω S t cos ω t t = U CB [cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] u CB = U CB sin ωS t sin ω t t = U CB [− cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] đó u đb = u CB1 − u CB = U CB cos(ω t + ωS )t (6.63) Ph−¬ng ph¸p nµy cã thÓ më réng cho tr−êng hîp hÖ thèng ®iÒu chÕ cã sè l−îng bé ®iÒu chÕ n ≥ , lúc đó có n mạch quay pha, với góc quay pha π n Trong ph−¬ng ph¸p nµy yªu cÇu hai bé ®iÒu chÕ c©n b»ng ph¶i hoµn toµn gièng nhau, c¸c ®iÖn áp phải có biên độ nh− và góc pha phải chính xác Đây là khó khăn lớn vì thực quay pha chính xác với tín hiệu có dải tần rộng ( ω S ữ ω S max ) không phải đơn giản Điều chế đơn biên ph−ơng pháp lọc và quay pha kết hợp Hình 6.25 là sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc – quay pha kết hợp TÝn hiÖu cña hai bé ®iÒu chÕ c©n b»ng: u ' CB1 = U CB cos ωS t cos ω t t = u"CB1 = U CB cos ωS t sin ω t t = U CB [cos(ω t1 + ω S ).t + sin (ω t1 − ω S ).t ] U CB [sin (ω t1 + ω S ).t + sin (ω t1 − ω S ).t ] Sau bé läc 1, cßn l¹i biªn tÇn trªn cña hai bé ®iÒu chÕ c©n b»ng lÖch pha 900 Cã thÓ coi ∧ đây là tín hiệu điều chế đã quay pha Tín hiệu này cùng với tải tin u t đ−ợc đ−a đến điều chế c©n b»ng lÖch pha 900 201 ' u CB ' u CB §CCB1 US Läc Quay pha 900 Läc d¶i §CCB1 Ut1 §CCB2 Läc '’ u CB U®b Quay pha 900 Ut2 §CCB2 M¹ch hiÖu '’ u CB Hình 6.25 Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc - quang pha kết hợp §iÖn ¸p sau bé ®iÒu chÕ c©n b»ng 2: ' u CB = = ' u 'CB = = U CBU t cos(ω t1 + ω S )t cos ω t t U CB U t [cos(ω t + ω t1 + ωS )t + cos(ω t − ω t1 − ωS ).t ] U CB U t sin (ω t1 + ωS )t sin ω t t U CB U t [− cos(ω t + ω t1 + ωS )t + cos(ω t − ω t1 − ωS ).t ] Qua m¹ch hiÖu ta cã: ' u®b = u 'CB − u 'CB = U CB U t cos(ω t + ω t1 + ωS ).t Phổ tín hiệu đơn biên và đồ thị véc t¬ theo ph−¬ng ph¸p läc quay pha kÕt hîp ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.26 Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp này không cần mạch quay pha đối víi tÝn hiÖu ®iÒu chÕ (lµ tÝn hiÖu cã tÇn số thay đổi) nên dễ thực so víi ph−¬ng ph¸p quay pha 6.3.3 Tách sóng tín hiệu đơn biên Tách sóng tín hiệu điều chế đơn biªn th−êng ®−îc thùc hiÖn nhê m¹ch điều chế vòng Tín hiệu đơn biên với tần số ω t + ω S đặt lên đầu vào cña m¹ch ®iÒu chÕ vßng, t¶i tin phô víi (6.64) S(t) a) fsmin fsmax S(t) f fsmin S(t) f ft1 c) S(t) f ft1 fsmin d) ft2 ft1 + ft2 f Hình 6.26 Phổ và đồ thị véc tơ dao động điều chế đơn biên theo ph−¬ng ph¸p läc quay pha kÕt hîp; phæ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ (a); phæ cña tần số ω t đ−ợc tạo đầu thu đ−ợc tín hiệu điều chế biên độ (b); phổ tín hiệu lọc đ−a đến đầu vào thứ hai mạch (c); Phổ tín hiệu mạch hiệu(d) 202 Trªn ®Çu cña m¹ch ®iÒu chÕ vßng lµ tÝn hiÖu cã tÇn sè: ω S vµ 2ω t + ω S Nhê mét m¹ch läc thông thấp lấy đ−ợc thành phần tần số mong muốn ω S Vấn đề chính đây là việc tạo tải tin phô ë ®Çu thu cho tÇn sè cña nã hoµn toµn gièng víi tÇn sè cña t¶i tin ®Çu ph¸t (tr−íc ®iÒu chÕ) Để đ−ợc điều đó, th−ờng ng−ời ta lọc lấy tải tin đã bị nén, tín hiệu hữu ích thu đ−ợc, khuếch đại và hạn biên để đ−ợc tải tin đủ lớn, đem cộng trực tiếp với tín hiệu đơn biên đ−a đến tạo tải tin phụ, đầu thu để thực đồng 6.4 §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha 6.4.1 C¸c c«ng thøc c¬ b¶n vµ quan hÖ gi÷a ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha Vì tần số và góc pha dao động có quan hệ với nhau, nên dễ dàng chuyển đổi biÕn thiªn tÇn sè thµnh biÕn thiªn vÒ pha vµ ng−îc l¹i theo (6.65) ω= dψ dt (6.65) §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha lµ qu¸ tr×nh ghi tin tøc vµo t¶i tin, lµm cho tÇn sè hoÆc pha tøc thêi cña t¶i tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế Với tải tin là dao động điều hoà: u (t ) = U t cos(ω t t + ϕ ) = U t cos Ψ (t ) (6.66) Tõ (6.65) rót ra: t Ψ (t ) = ∫ ω (t )dt + ϕ (t ) (6.67) o Thay (6.67) vµo (6.64) ta nhËn ®−îc biÓu thøc: ⎤ ⎡t u t (t ) = U t cos ⎢ ∫ ω (t )dt + ϕ (t )⎥ ⎦ ⎣o (6.68) Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm (chỉ có tần số): u S = U S cosω S t (6.69) Khi điều chế tần số điều chế pha thì tần số góc pha dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và chúng đ−ợc xác định lần l−ợt theo biểu thức (6.70a) và (6.70b) ω(t ) = ω t + K đt U S cos ωS t (6.70a) ϕ(t ) = ϕ + K đf U S cos ωS t (6.70b) Trong tr−êng hîp nµy gäi ω t lµ tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn Đặt: K đdt U S = Δω m gọi là l−ợng di tần cực đại K đf U S = Δϕ m gọi là l−ợng di pha cực đại Khi đó các biểu thức (6.70) đ−ợc viết lại nh− sau: ω (t ) = ωt + Δω m cos ω S t (6.71a) ϕ (t ) = ϕ + Δϕ m cos ω S t (6.71b) Khi điều chế tần số thì góc pha đầu không đổi, đó ϕ (t ) = ϕ o Thay (6.71a) vào (6.68), sau 203 lấy tích phân, ta nhận đ−ợc biểu thức dao động đã điều tần: ⎛ ⎞ Δω m u đt ( t ) = U t cos⎜⎜ ω t t + sin ωS t + ϕ o ⎟⎟ ωS ⎝ ⎠ (6.72) T−ơng tự nh− vậy, biểu thức dao động điều pha tìm đ−ợc cách thay ϕ (t ) (6.70) bëi (6.71b) vµ cho ω = ω t = const ta ®−îc: u đf ( t ) = U t cos(ω t t + Δϕ m cos ωS t + ϕ o ) (6.73) Vậy l−ợng di pha đạt đ−ợc điều pha: Δϕ = Δϕ m cos ω S t T−¬ng øng víi l−îng di pha ta cã l−îng di tÇn: Δω = d (Δϕ ) = Δϕ mω S sin ω S t dt và l−ợng di tần cực đại đạt đ−ợc điều pha: Δω m = ωS Δϕ m = ωS K đf U S (6.74) Theo (6.71a) l−ợng di tần cực đại đạt đ−ợc điều tần: Δω m = K đt U S (6.75) So s¸nh (6.74) vµ (6.75) ta nhËn thÊy r»ng: ®iÓm kh¸c c¬ b¶n gi÷a ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha lµ l−ợng di tần cực đại điều pha tỉ lệ với US TÝn hiÖu ®iÒu biên độ điện áp điều chế và tần số điều ®iÒu chÕ pha ∫ dt chÕ tÇn sè chế, còn l−ợng di tần cực đại điều tần (a) tỉ lệ với biên độ điện áp điều chế Vì vËy tõ m¹ch ®iÒu chÕ pha cã thÓ lÊy US ®iÒu chÕ tÇn TÝn hiÖu ®iÒu d tÝn hiÖu ®iÒu chÕ tÇn sè, nÕu tr−íc sè chÕ pha dt ®−a vµo ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®−îc (b) ®−a qua mét m¹ch tÝch ph©n (h×nh H×nh 6.27 Minh ho¹ quan hÖ gi÷a tÝn hiÖu ®iÒu tÇn vµ tÝn 6.27a) Ng−îc l¹i cã thÓ lÊy tÝn hiÖu hiệu điều pha Sơ đồ khối mạch điều chế tần số thông qua ®iÒu chÕ pha tõ mét m¹ch ®iÒu chÕ tÇn điều chế pha (a); Sơ đồ khối mạch điều chế pha thông qua sè, nÕu tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®−îc ®−a qua m¹ch ®iÒu chÕ tÇn sè (b) mét m¹ch vi ph©n tr−íc ®−a vµo bé ®iÒu chÕ (h×nh 6.27b) 6.4.2 Phổ dao động đã điều tần và điều pha Trong biểu thức dao động điều tần (6.72) cho góc pha ban đầu ϕ o = và đặt Δω m ωm =Mf (gäi M f lµ hÖ sè ®iÒu tÇn), biÓu thøc (6.72) ®−îc viÕt l¹i: U đf = U t cos(ω t t + M f sin ωS t ) (6.76) Trong tr−ờng hợp tín hiệu điều chế biến đổi dải tần số từ ω S đến ω S max , Mf đ−ợc xác định nh− sau: 204 Mf = Δω m (6.77) ω S max Hệ số điều tần M f không phụ thuộc vào biên độ điện áp điều chế mà còn phụ thuộc vào tần số điều chế T−ơng tự, ta có biểu thức dao động điều pha U đf = U t cos(ω t t + M ϕ cos ωS t ) (6.78) Trong đó M ϕ = Δϕ m BiÓu thøc (6.76) vµ (6.78) cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng chuçi, mµ hÖ sè cña nã lµ c¸c hµm sè Betxen lo¹i mét bËc n nh− sau: ∞ ⎤ ⎡ u đt = Re ⎢ U t ∑ (− j) n +1 J n (M f ).e j( ωt − nωS ) t ⎥ ⎦ ⎣ −∞ (6.79) ∞ ⎤ ⎡ n +1 u đt = Re ⎢ U t ∑ (− j) J n (M ϕ )e j(ωt − nωS )t ⎥ ⎦ ⎣ −∞ (6.80) Trong đó Jn là hàm số Betxen loại bậc n Nếu không xét đến pha, thì phổ tín hiệu điều tần và điều pha giống nhau, gồm có thành phần tải tần ω t (ứng với n = 0), biên độ JnUt và vô số các biên tần: ω t + nω S (n = −∞ ữ ∞ ) , biên độ J nU t , J n phụ thuộc vào M f M ϕ ( ) Trong b¶ng hµm sè Betxen, M t , M ϕ = 2,405 th× J n M f = , nghÜa lµ lóc nµy tÝn hiÖu ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha kh«ng chøa t¶i tin Ngoµi ra, cßn thÊy r»ng, nÕu biÓu diÔn hµm sè Betxen theo bậc n nó, tr−ờng hợp M f > , tất các biên tần có bậc n > M f có biên độ nhỏ 5% biên độ tải tần và có thể bỏ qua Vì có thể coi độ rộng dải tần tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha là hữu hạn và xác định nó theo biểu thức: D đt ≈ 2M f ωS = 2Δω m (6.81) Nh− độ rộng dải tần tín hiệu điều tần không phụ thuộc vào tần số điều chế Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần nó đ−ợc xác định theo biểu thức (6.78) D đf ≈ 2M f ωS = 2Δϕ m ωS (6.82) §é réng d¶i tÇn cña tÝn hiÖu ®iÒu pha phô thuéc vµo tÇn sè ®iÒu chÕ Khi M f ,ϕ ≤ thì có cặp biên tần có biên độ lớn 5% biên độ tải tần, đó D đt ≈ 2ωS max (6.83) Tr−ờng hợp này độ rộng dải tần tín hiệu điều tần độ rộng dải tần tín hiệu điều biªn, ta gäi lµ ®iÒu tÇn d¶i hÑp Ng−îc l¹i M f ,ϕ > th× cã ®iÒu tÇn d¶i réng Thông th−ờng tín hiệu điều chế là tín hiệu biến đổi gồm nhiều thành phần tần số Khi đó tín hiÖu ®iÒu chÕ tÇn sè vµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ pha cã thÓ biÓu diÔn tæng qu¸t theo biÓu thøc sau: 205 m ⎤ ⎡ u đt = U t cos ⎢ω t t + ∑ ΔM ν cos(ων t + ϕ ν )⎥ ν =1 ⎦ ⎣ (6.84) Trong biểu thức này có quan tâm đến góc pha ban đầu ϕ , vì hiệu pha khác các thành phần phổ tín hiệu điều chế có tính chất định đến với dạng tín hiệu tổng quát nó Khai triÓn (6.84) theo chuçi Betxen ta cã: m ⎧ u đt = U t Re⎨(cos ω t t + j sin ω t t ) Π [J o (ΔM ν )2 jJ (ΔM ν ) cos(ωS + ω ν ) − ν =1 ⎩ − J (ΔM ν ) cos 2(ω S t + ϕν ) − jJ cos 3(ω S t + ϕν ) + ] ⎫⎬ ⎭ (6.85) Theo (6.85) phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn cã thÓ cã c¸c thµnh phÇn tÇn sè tæ hîp m ω t + ∑ μν ω Sν lµ sè nguyªn h÷u tû − ∞ ≤ μν ≤ ∞ ν =1 6.4.3 M¹ch ®iÖn ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha VÒ nguyªn t¾c cã thÓ ph©n biÖt m¹ch ®iÒu tÇn trùc tiÕp vµ m¹ch ®iÒu tÇn gi¸n tiÕp, còng nh− mạch điều pha trực tiếp và mạch điều pha gián tiếp Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha, còn điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần hình 6.27 Trên sở đó, cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và điều pha trực tiếp, dựa vào các sơ đồ khối trên h×nh 6.27 cã thÓ suy m¹ch ®iÒu tÇn gi¸n tiÕp vµ ®iÒu pha gi¸n tiÕp C¸c m¹ch ®iÒu tÇn trùc tiÕp Khi điều tần trực tiếp, tần số dao động riêng mạch tạo dao động đ−ợc điều khiển tín hiÖu ®iÒu chÕ Mạch điều tần trực tiếp, th−ờng đ−ợc thực các mạch tạo dao động mà tần số dao động riªng cña nã ®−îc ®iÒu khiÓn bëi ®iÖn ¸p (VCO: Voltage Controlled Oscillator) hoÆc dßng ®iÖn (CCO: Circuit Controlled Oscillator) các mạch biến đổi điện áp - tần số Các mạch tạo dao động có tần số biến đổi theo điện áp đặt vào có thể là các mạch tạo dao động xung là các mạch tạo dao động điều hoà LC Các mạch tạo dao động LC cho khả biến đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao Nguyên tắc thực điều tần các hệ tạo dao động là làm biến đổi trị số điện kháng tạo dao động theo điện áp đặt vào Ph−ơng pháp phổ biến là dùng diode biến dung (varicap) và transistor điện kháng Sau đây ta lần l−ợt khảo sát các loại điều tần đó a) §iÒu tÇn trùc tiÕp dïng diode biÕn dung Diode biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào Nó có sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 6.28(a) Trị số RD và CD phụ thuộc vào điện áp đặt lên diode Tr−ờng hợp phân cực ng−ợc RD lớn, còn CC đ−ợc xác định theo biểu thức (6.86) CD = k (u D + ϕ k )γ (6.86) Trong đó: k là hệ số tỉ lệ ϕ K : hiệu điện tiếp xúc mặt ghép với diode silic, nhiệt độ th−ờng, ϕ k có giá trị 206 kho¶ng 0,6V γ : hÖ sè phô thuéc vµo vËt liÖu γ = ÷ Mắc diode song song với khung dao động, đồng thời đặt điện áp chiều để phân cực ng−ợc cho diode và điện áp tín hiệu điều chế lên diode làm điện dung CD thay đổi theo điện áp điều chế, đó tần số dao động biến đổi theo Trên hỡnh 6.28(b) là mạch điện tạo dao động điều tÇn b»ng diode biÕn dung +UCC R2 C1 LC R1 D RD L C us + E'0 R3 • C2 CD C3 R4 - C4 (b) (a) H×nh 6.28 §iÒu tÇn b»ng diode biÕn dung Sơ đồ t−ơng đ−ơng diode biến dung (a) ; Mạch tạo dao động điều tần dùng diode biến dung (b) Trong mạch điện này diode đ−ợc phân cực ng−ợc nhờ nguồn E0, biến trở R4 để thay đổi giá trị ®iÖn ¸p ph©n cùc ng−îc Các tụ điện C1, C2, C3 và C4 có tác dụng nối tắt thành phần xoay chiều (tần số dao động) Tần số dao động mạch gần tần số cộng h−ởng riêng tạo dao động và đ−ợc xác định: f dđ = 2π L(C + C D ) (6.87) CD đ−ợc xác định theo biểu thức (6.86) Điện áp đặt lên diode: u d = u t − u S − E o = U t cos ω t − U S cos ω S t − E o (6.88) Để cho diode luôn luôn phân cực ng−ợc phải đảm bảo điều kiện: u D = u D max = U t + U S − E o ≤ (6.89) Nh−ng điện áp đặt lên diode không v−ợt quá trị số điện áp ng−ợc cho phép (điện áp đánh thủng), nh− nó đồng thời phải thoả mãn: u D = u D max = − U t − U S − E o ≤ U ngcf (6.90) ë ®©y U ngcf lµ ®iÖn ¸p ng−îc cho phÐp Khi điều tần dùng diode biến dung phải chú ý đặc điểm sau đây: - Trong quá trình hoạt động diode luôn luôn chế độ phân cực ng−ợc để tránh ảnh h−ởng điện trở RD đến độ phẩm chất mạch tạo dao động, nghĩa là đến độ ổn định tần số trung tâm cña m¹ch 207 - Ph¶i h¹n chÕ vïng lµm viÖc ®o¹n tuyÕn tÝnh cña đặc tuyến CD(uD) diode biến dung hình 6.29 để giảm méo phi tuyến, l−ợng di tần t−ơng đối ®iÒu tÇn b»ng diode biÕn dung đạt khoảng 1% - Vì dùng diode để điều tần, nªn m¹ch ®iÒu tÇn cã kÝch th−íc nhá Cã thÓ dïng diode biÕn dung để điều tần tần số siêu cao, kho¶ng vµi tr¨m MHz Tuy nhiên, độ tạp tán tham số bán dẫn lớn, nên kém ổn định CD CD C D max C D o ED uD o t o uS t H×nh 6.29 §Æc tuyÕn CD = f(uD) cña diode biÕn dung vµ nguyªn lý biến đổi điện dung theo điện áp đặt vào b) §iÒu tÇn dïng transistor ®iÖn kh¸ng Phần tử điện kháng: dung tính cảm tính có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nó đ−ợc mắc song song với hệ dao động tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tÝn hiÖu ®iÒu chÕ PhÇn tö ®iÖn kh¸ng ®−îc thùc hiÖn nhê mét m¹ch di pha m¾c m¹ch håi tiÕp cña mét transistor Cã bèn c¸ch m¾c phÇn tö ®iÖn kh¸ng nh− biÓu diÔn b¶ng 6.1 B¶ng 6.1 C¸ch m¾c m¹ch M¹ch ph©n ¸p Sơ đồ nguyên lý §å thÞ vÐc t¬ TrÞ sè Tham sè ®iÖn kh¸ng t−¬ng ®−¬ng UR I R RC U I U UC Z = jω RC S L td = RC S Z = −j R ωLS C td = LS R Z = −j ωRCS C td = RCS C M¹ch ph©n ¸p RL I R I U UL U L UR M¹ch ph©n ¸p CR UR I C U U R 208 UC I M¹ch ph©n ¸p I L LR UL U R Z = jω U UR L RS L td = L RS I Víi m¹ch ph©n ¸p RC ta tÝnh ®−îc: Z= U ≈ I R + (1 jωC ) U = jω C S SU jω C R + (1 jωC) NÕu chän c¸c linh kiÖn, cho << R , thì trở kháng Z có thể xác định theo biểu thức jω C gần đúng sau đây: Z≈ jωCR = jX L = jωLtd S (6.91) đây S: hỗ dẫn transistor I = SUBE, đó Ltd = CR S T−ơng tự nh− vậy, có thể chứng minh cho các sơ đồ phân áp còn lại bảng (6.1) Các tham số t−ơng đ−ơng phần tử điện kháng phụ thuộc vào hỗ dẫn S Rõ ràng điện áp điều chế đặt vào base phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi, đó các tham số Ltđ Ctđ thay đổi, làm cho tần số dao động thay đổi theo Điều tần dùng phần tử Δf kho¶ng 2% f0 điện kháng có thể đạt đ−ợc l−ợng di tần t−ơng đối Thay cho transistor cã thÓ dùng đèn điện tử transistor tr−ờng các sơ đồ điện kháng Trên sơ đồ hình 6.30 là sơ đồ dao động ghép biến áp đ−ợc điều tÇn b»ng phÇn tö ®iÖn kh¸ng ph©n áp RC Trong đó T1 là transistor ®iÖn kh¸ng, T2 lµ transistor t¹o dao động Transistor điện kháng đ−ợc m¾c víi mét phÇn (trªn L1) cña hÖ dao động CB1 R LC • C US LK T2 T1 CK Lgh L1 CB2 R1 CB3 R2 R3 CB4 +UCC Hình 6.30 Sơ đồ tạo dao động điều tần dùng phần tử điện kh¸ng ph©n ¸p RC CB1, CB4: tô ng¾n m¹ch cao tÇn LC: cuén chÆn cao tÇn Cũng có thể mắc hai transistor điện kháng thành mạch đẩy kéo để tăng l−ợng di tần nh− trªn h×nh 6.31 209 Trong sơ đồ này T1 là phần tử ®iÖn kh¸ng c¶m tÝnh, víi CR vµ T lµ phÇn tö ®iÖn L tđ = S T1 kh¸ng dung tÝnh C tđ = CRS T2 Theo sơ đồ US tăng thì ST1 tăng, còn ST2 giảm làm cho Ltđ và Ctđ giảm đó tần số giảm nhanh theo ®iÖn ¸p ®iÒu chÕ vµ l−îng di tần tăng gấp đôi (nếu T1, T2 có tham sè gièng nhau) M¹ch cßn cã −u điểm, tăng đ−ợc độ ổn định tần CB1 R1 C2 CB2 T3 LK T2 • R T1 CB5 LC R2 C1 CK CE RE CB4 - UB • + CB3 R4 R3 UCC US Hình 6.31 Sơ đồ tạo dao động điều tần mạch điện kháng đẩy kÐo; CB1 , CB4: ng¾n m¹ch cao tÇn; CB5: ng¾n m¹ch ©m tÇn số trung tâm f t tạo dao động dùng T3 Thật vậy, giả thiết điện áp nguồn cung cấp tăng thỡ hỗ dẫn T1 và T2 tăng l−ợng ΔS Lúc đó Ltđ giảm, Ctđ tăng Nếu mạch điện T1, T2 hoàn toàn đối xứng thì l−ợng tăng Ctđ bù đ−ợc l−ợng giảm Ltđ , đó có thể coi tần số trung tâm không đổi + Ec c) §iÒu tÇn c¸c bé t¹o xung Rc Rc C C Trên hình 6.32 là sơ đồ mạch dao động đa hài Ur mà dãy xung nó có tần số thay đổi theo điện T1 T2 ¸p ®iÒu chÕ uS Rb Rb Tần số mạch dao động đa hài đ−ợc xác định quá trình phóng tụ C qua điện trở RB Us và các transistor mở (Nguyên lý hoạt động mạch đã đ−ợc khảo sát kỹ phần mạch đa hài) Hình 6.32 Điều chế dao động đa hài Tần số xung đ−ợc xác định nh− sau: f = 2πRC ln §Ó ®iÒu chÕ tÇn sè cña d·y xung, ®−a ®iÖn ¸p ®iÒu chÕ uS vµo base cïng víi ®iÖn ¸p nguån +EC Lúc này tần số dãy xung biến thiên theo điện áp điều chế và đ−ợc xác định biểu thức (6.92) f ≈ Trong đó ⎡ (Δu C R B ) + I Bbh ⎤ 2πRC ln ⎢ ⎥ I Bbh ⎣ ⎦ I Bbh = ( EC + u S − U BEo + I BM RB ) RB (6.92) lµ dßng base tr¹ng th¸i b·o hßa UBEo - ®iÖn ¸p c¾t base – emitter; IBM - dßng base transistor më; ΔuC - l−îng sôt ®iÖn ¸p trªn collector cña transistor chuyÓn tõ tr¹ng th¸i t¾t sang më 210 ΔU C = U C − I cM R C − U CEbh Với mạch này có thể đạt đ−ợc di tần t−ơng đối Δfm kho¶ng vµi % vµ hÖ sè mÐo phi tuyÕn ft khoảng vài %o Mạch có tần số trung tâm không cao và khó ổn định Mạch là mạch điều tần trùc tiÕp Nh−ợc điểm chung điều tần trực tiếp là độ ổn định tần số trung tâm thấp vì không thể dùng thạch anh thay cho mạch cộng h−ởng tạo dao động để ổn định trực tiếp đ−ợc Do đó để đạt đ−ợc độ ổn định tần số trung tâm cao, mạch điều tần trực tiếp phải dùng mạch tự động điều chỉnh tần số, nhiên với mạch điều tần trực tiếp có thể đạt đ−ợc l−ợng di tần t−ơng đối lớn M¹ch ®iÒu pha a) M¹ch ®iÒu chÕ pha theo Armstrong Sơ đồ khối mạch điều chế pha theo Armstrong ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 6.33, ®−îc thùc hiÖn theo nguyªn lý sau: §B1 U®b1 Tải tin từ dao động thạch anh TÝn hiÖu Us Tæng §iÒu pha đ−ợc đ−a đến điều biên (ĐB1), đồng thời đ−ợc quay pha 90o đ−a đến điều U®b2 Di pha 90 o §B2 biªn (§B2), cßn tÝn hiÖu ®iÒu chÕ uS đ−a đến hai mạch điều biên ng−ợc pha Hình 6.33 Sơ đồ khối mạch điều chế pha theo Armstrong §iÖn ¸p cña hai bé ®iÒu biªn: u®b1 = U t1 (1 + m cos ω S t ) cos ω t t = m U t1 [cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] u®b2 = U t (1 − m cos ω S t ) cos ω t t = = U t1 cos ω t t + = U t1 cos ω t t + m U t1 [sin(ω t + ωS ) t + sin(ω t − ωS ) t ] §å thÞ vect¬ cña u®b1, u®b2 vµ vect¬ tæng cña chóng ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.34 Từ đồ thị ta thấy : tổng các dao động đã điều biên u = uđb1+ uđb2 là dao động đ−ợc điều chế pha và biên độ M¹ch cã nh−îc ®iÓm lµ l−îng di pha nhá §Ó h¹n chÕ ®−îc ®iÒu biªn kÝ sinh chän Δϕ nhá §Ó cã ®iÒu biªn kÝ sinh nhá h¬n 1% th× Δϕ < 0,35 b) M¹ch ®iÒu chÕ pha dïng m¹ch läc Sơ đồ nguyên lý điều chế pha dùng mạch läc ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.35 → U ®b }m U }mU ∧ ∧ U t2 → t2 U ∧ t2 Δϕ Δϕ ∧ ∧ m U t1 m U t ∧ U t1 → U ®b1 H×nh 6.34 §å thÞ vect¬ cña tÝn hiÖu ®iÒu pha theo m¹ch Armstrong 211 Trong m¹ch nµy, trÞ sè ®iÖn dung cña diode biÕn dung phô thuéc vµo ®iÖn ¸p ®iÒu chÕ uS Khi uS thay đổi thì tần số cộng h−ởng mạch lọc lệch khỏi tần số tín hiệu vào f t l−ợng Δf cho tín hiệu vào, mạch cộng h−ởng là trở kháng phức đ−ợc xác định nh− sau: Z& = R tđ Δω + jQ ωt víi R tđ = L ; cr Q= ρ = ; ωcr r ωt = (6.93) LC Δω = ω − ω t vµ ω t + ω ≈ 2ω t + Ucc Góc pha trở kháng đó đ−ợc xác định theo biểu thức (6.94) ⎛ 2QΔω ⎞ ⎟ ω t ⎟⎠ ⎝ ϕ = arctg ⎜⎜ − (6.94) Ut Rõ ràng ω S thay đổi thì Us Δω thay đổi, đó góc pha ϕ biến đổi l−ợng t−ơng ứng Quá tr×nh ®iÒu pha nµy cã kÌm theo Hình 6.35 Sơ đồ nguyên lý điều chế pha dùng mạch lọc ®iÒu biªn ký sinh, v× Z còng biÕn thiªn theo Δω Còng t−¬ng tù nh− ®iÒu chÕ pha theo m¹ch Armstrong, giữ cho mức điều biên nhỏ 1% thì góc di pha cực đại Δϕ = 0,35 Nếu dùng nhiều mắt lọc nh− trên hình 6.35 thì nhờ các khâu ghép hợp lý, có thể làm cho đặc tuyến ϕ = f (u S ) tuyến tính hơn, đó đạt đ−ợc l−ợng di pha t−ơng đối lớn Δϕ = π Trong thực tế mạch điều chế pha th−ờng đ−ợc dùng kết hợp với mạch tích phân để thực điều tần gián tiếp M¹ch ®iÒu tÇn gi¸n tiÕp so víi m¹ch ®iÒu tÇn trùc tiÕp th× l−îng di tÇn nhá h¬n, v× Δϕ nhá Nh−ng mạch điều tần gián tiếp có độ ổn định tần số trung tâm cao, vì có thể dùng thạch anh tầng dao động để ổn định tần số Để khắc phục nh−ợc điểm vì l−ợng di tần nhỏ, sau tầng điều tần có thể mắc thêm số tầng nhân tần để đảm bảo l−ợng di tần theo yêu cầu nh− sơ đồ khối trên hình 6.36 nft ± nΔf f t ± Δf ft f t ± n Δf nft ± n Δf f t ± nΔf Hình 6.36 Sơ đồ khối minh họa ph−ơng pháp nâng cao l−ợng di tần mạch điều tần gián tiếp (®iÒu tÇn th«ng qua ®iÒu pha) (1) Bộ tạo dao động ; (2) Mạch điều tần gián tiếp ; (3) Mạch nhân tần bậc n ; (4) Mạch trộn tần ; (5) M¹ch nh©n tÇn bËc n ; (6) M¹ch trén tÇn ; (7) M¹ch nh©n tÇn bËc (n-1) TÝn hiÖu ®iÒu tÇn cã hÖ sè ®iÒu chÕ M f = Δω m Khi tÇn sè ®iÒu chÕ t¨ng th× Mf gi¶m (gi¶ ωS thiÕt US = const) lµm cho tØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ( S N ) gi¶m V× vËy tr−íc ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu 212 ®iÒu chÕ uS ®−îc ®−a qua mét m¹ch läc th«ng cao C¸c thµnh phÇn tÇn sè cao cña uS ®i qua mạch đó đ−ợc −u tiên mặt biên độ đầu thu, sau tách sóng lại phải dùng mạch lọc thông thấp có số thời gian số thời gian mạch lọc thông cao để nhận lại phân bố biên độ theo tần số đúng nh− tín hiệu thực ban đầu Đây là các biện pháp để nâng cao chÊt l−îng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn 6.4.4 T¸ch sãng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn Kh¸i niÖm Tách sóng tín hiệu điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời tín hiệu điều tần so víi tÇn sè trung t©m thµnh biÕn thiªn ®iÖn ¸p ë ®Çu Đặc tr−ng cho quan hệ biến đổi, là đặc tuyến truyền đạt tách sóng Đó là đ−ờng biểu diÔn quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p vµ l−îng biÕn thiªn tÇn sè ë ®Çu vµo h×nh 6.37 §Ó h¹n chÕ mÐo phi tuyÕn, ph¶i chän ®iÓm làm việc phạm vi tuyến tính đặc tuyến truyền đạt (đoạn AB đặc tuyến hình 6.37) Theo hình trên có thể xác định đ−ợc hệ số truyền đạt: Sf = Us B f A Hình 6.37 Đặc tuyến truyền đạt bé t¸ch sãng tÇn sè du S dΔf Δf = (6.95) T¸ch sãng tÇn sè vµ t¸ch sãng pha th−êng ®−îc thùc hiÖn theo mét nh÷ng nguyªn t¾c sau ®©y: - Biến tín hiệu điều tần điều pha thành tín hiệu điều biên, thực tách sóng biên độ - Biến tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung, thực tách sóng điều chế độ rộng xung nhờ mạch lọc thông thấp - Sử dụng vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop) để tách sóng tần số và pha M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng tÇn sè a) M¹ch t¸ch sãng pha c©n b»ng dïng diode Mạch tách sóng pha cân là hai mạch tách sóng biên độ dùng diode ghép với nh− h×nh 6.38 D1 ∧ R U®f Δϕ (t ) U1 C Us D2 R C ∧ ∧ U1 U D1 U2 ∧ o (a) U ch U D2 (b) H×nh 6.38 M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng pha dïng diode (a); §å thÞ vect¬ cña c¸c ®iÖn ¸p (b) 213 Tín hiệu cần tách sóng là tín hiệu điều pha uđf đ−ợc so sánh pha với dao động chuẩn uch BiÓu thøc cña u®f vµ uch nh− sau: u đf = U cos(ω01 t + ϕ ( t ) + ϕ 01 ) = U cos ϕ1 ( t ) uch = U cos(ω02t + ϕ 02 ) = U cos ϕ (t ) Điện áp đặt lên diode D1, D2 có biên độ t−ơng ứng là: u D1 = U cos(ω01t + ϕ (t ) + ϕ 01 ) + U cos(ω 02 t + ϕ 02 ) u D = −U cos(ω01t + ϕ (t ) + ϕ 01 ) + U cos(ω02t + ϕ 02 ) Điện áp t−ơng ứng trên hai tách sóng biên độ xác định đ−ợc theo đồ thị vectơ hình 6.38(b) U I (t ) = u S1 = K TSU D1 = K TS U 12 + U 22 + 2U 1U cos Δϕ (t ) (6.96a) U II = u S = K TSU D = K TS U 12 + U 22 − 2U 1U cos Δϕ (t ) (6.96b) Trong đó KTS là hệ số truyền đạt tách sóng biên độ, xác định theo biểu thức 6.97 K TS = uS mU t (6.97) Δϕ (t ) lµ hiÖu pha cña ®iÖn ¸p vµo; Δϕ (t ) = (ω01 − ω 02 )t + ϕ (t ) + ϕ 01 − ϕ 02 §iÖn ¸p cña bé t¸ch sãng: uS = uS1– uS2 [ u S = K TS U12 + U 22 + 2U1U cos Δϕ ( t ) − U12 + U 22 − 2U1U cos Δϕ ( t ) ] (6.98) VËy gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p trªn bé r¸ch sãng phô thuéc vµo hiÖu pha cña tÝn hiÖu ®iÒu pha vµ tÝn hiÖu chuÈn Tr−êng hîp ω01 = ω02, ϕ01 = ϕ02 th× ®iÖn ¸p chØ cßn phô thuéc vµo pha cña tÝn hiÖu vµo ϕ(t) NÕu ω01 = ω02, vµ tÝn hiÖu vµo kh«ng ph¶i lµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ pha, nghÜa lµ ϕ(t)= th× ®iÖn ¸p cã biÓu thøc sau ®©y: u S = K TS [U + U 22 + U U cos ϕ o − U 12 + U 22 − U U cos Δϕ o ] (6.99) Theo biểu thức (6.98) đặc tuyến truyền đạt các tách sóng pha cân u S = f (Δϕ ) là hàm số tuần hoàn theo hiệu pha, nó có cực đại Δϕ = 0, 2π, 4π cực tiểu Δϕ = π , 3π, 5π vµ b»ng kh«ng Δϕ = 0(2π + 1), π (víi n = 0, 1, 2, ) Nguyên lý làm việc mạch này dựa vào so pha hai dao động giống nh− mạch tách sóng đồng Vì có thể dùng mạch tách sóng đồng để tách sóng pha b) Bé t¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch lÖch céng h−ëng Hình 6.39 trình bày sơ đồ tách sóng tần số dùng mạch lệch cộng h−ởng Đầu vào hai tách sóng biên độ 214 gåm D1, D2 lµ hai m¹ch céng h−ëng ®−îc M D1 ®iÒu chØnh céng h−ëng t¹i c¸c tÇn sè ω1 vµ ∧ ω2 NÕu gäi tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu U®b ®iÒu tÇn ®Çu vµo lµ ω0 = ωt ta cã: ω1 = ω0 + L C U1 C R ∧ C U2 C R US1 Us US2 Δω0 ; ω2 = ω0 - Δω0 D2 Sù ®iÒu chØnh m¹ch céng h−ëng lÖch H×nh 6.39 M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng tÇn sè khái tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu vµo, dïng m¹ch lÖch céng h−ëng lµm ®iÖn ¸p vµo cña hai bé t¸ch sãng biªn độ (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp vào Từ mạch hình 6.39 ta xác định đ−ợc: U1 = m.U®t Z1 (6.100a) U2 = m.U®t Z2 (6.100b) Trong đó m là hệ số ghép biến áp vào; m= M ; M lµ hÖ sè hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp biÕn ¸p vµo; L L lµ hÖ sè ®iÖn c¶m cña cuén s¬ cÊp; Z1 vµ Z2 lµ trë kh¸ng cña hai m¹ch céng h−ëng vµ T−¬ng tù nh− biÓu thøc (6.93) ta tÝnh ®−îc : Z1 = Z2 = R tđ1 ⎡ (ω − ω1 ) ⎤ + ⎢2Q ⎥ ω1 ⎦ ⎣ R tđ ⎡ (ω − ω ) ⎤ + ⎢2Q ⎥ ω2 ⎦ ⎣ = = R tđ1 + (ξ − ξ o ) R tđ + (ξ + ξ o ) (6.101a) (6.101b) Rt®1, Rt®2 lÇn l−ît lµ trë kh¸ng cña hai m¹ch céng h−ëng t¹i tÇn sè céng h−ëng ω1 , ω2 Q1, Q2 lµ hÖ sè phÈm chÊt cña c¸c m¹ch céng h−ëng t−¬ng øng Chän hai m¹ch céng h−ëng nh− nhau, ta cã: R tđ1 = R tđ = R tđ Q1 = Q2 = Q ξo = 2Q ωo − ω1, ) ωo là độ lệch tần số t−ơng đối tần số cộng h−ởng riêng mạch cộng h−ëng so víi tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu vµo ξ= 2Q ω − ω o ωo là độ lệch tần số t−ơng đối tần số tín hiệu vào và tần số trung tâm nó Khi tần số tín hiệu vào ω thay đổi thì Z1 , Z2 thay đổi, kéo theo thay đổi biên độ điện áp vào hai mạch tách sóng biên độ U1, U2, đây là quá trình biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên Qua hai tách sóng biên độ, ta nhận đ−ợc các điện áp ra: 215 R tđ1 u S1 = K TS U = K TS mU dt = (6.102a) + ( ξ o − ξ) u S2 = K TS U = K TS mU đt = R tđ (6.102b) + ( ξ o + ξ) §iÖn ¸p tæng céng: u S = u S1 − u S2 = K TS mR tđ U tđ ψ (ξ, ξ o ) Trong đó ψ (ξ , ξ o ) = + (ξ o − ξ ) − + (ξ o + ξ ) ψ = ψ max ξ = ±ξ o Độ dốc đặc tuyến truyền đạt đ−ợc xác định nh− sau: Sf = du S dψ (ξ, ξ o ) K mR tđ U đt 2ξ o = K TS mU đt R tđ = TS ξ=0 dΔf Δf = dξ fo (1 + ξ o2 ) (6.103) Vậy hệ số truyền tách sóng phụ thuộc vào ξo, đạo hàm S f theo ξo và xét các cực trị ta Vậy muốn có hệ số truyền đạt cực đại phải chọn l−ợng lệch tần thÊy S f = S f max ξ o = ± sè Δωo theo ®iÒu kiÖn sau ®©y: Δω o = ω oξ o 2Q =± ωo 2 Q (6.104) T¸ch sãng dïng m¹ch lÖch céng h−ëng cã nh−îc ®iÓm lµ khã ®iÒu chØnh cho hai m¹ch céng h−ởng hoàn toàn đối xứng, nên ít đ−ợc dùng c) T¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp US Uo U®b Cgh D1 L2 U L1 0,3 β =3 β =2 0,2 β =1 0,1 β = 0,5 0,4 → U 21 C1 0,5 Us C2 R Lc C → U 22 R C D2 (a) (b) 0,5 1,5 S Hình 6.40 Sơ đồ tách sóng tần số dùng mạch cộng h−ởng ghép (a); Đặc tuyến truyền đạt tách sóng (b) M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.40 Mạch làm việc theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên pha, sau đó thực tách sóng pha nhờ tách sóng biên độ Tín hiệu điều tần mặt đ−ợc ghép qua biến áp đ−a đến khung dao động thứ cấp, mặt đ−ợc ghép qua tụ Cgh Do đó điện áp đặt lên các diode D1, D2 lần l−ợt là: U D1 = U + U 21 216 (6.105a) U D = U + U 22 (6.105b) Ta ph©n biÖt tr−êng hîp: + Khi tần số tín hiệu vào f = f o (đồ thị vectơ hình 6.41), đó fo là tần số cộng h−ởng m¹ch céng h−ëng s¬ cÊp vµ thø cÊp, dßng ®iÖn qua ®iÖn c¶m chËm pha so víi U1 mét gãc 90o vµ đ−ợc xác định nh− sau: I 1L = U1 jωL1 (6.106) I1L gây cuộn dây thứ cấp L2 sức điện động: E M = jωMI1L (6.107) Giả thiết M > 0, đó EM sớm pha so víi I1L mét gãc 90o EM sinh dßng ®iÖn I2 m¹ch céng h−ëng thø cÊp V× f = f o tÇn sè céng h−ëng, m¹ch céng h−ëng thø cÊp là trở, nên I2 đồng pha với EM E I = M2 r (6.108) r2 lµ ®iÖn trë tæn hao cña m¹ch céng h−ëng thø cÊp §iÖn ¸p U21 vµ U22 ng−îc pha víi ϕ1 U21 U22 U1 UD1 UD2 M I2 ϕ I2 H×nh 6.41 §å thÞ vect¬ c¸c dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p vµo cña bé t¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp nhau, và lệch pha so với I2 là ± 90 o Vì UD1 và UD2 có biên độ nh− nên điện áp ra: u S = K TS (U D1 − U D ) = + Tr−ờng hợp f > f o (đ−ờng đứt nét) trên đồ thị vectơ hình 6.41 Mạch cộng h−ởng thứ cấp mang tÝnh chÊt ®iÖn c¶m, nªn I2 chËm pha so víi EM mét gãc ϕ < 90 o U21 vµ U22 ng−îc pha vµ vu«ng gãc víi I2 Gi÷a U1 vµ U21, U22 cã gãc lÖch pha lÇn l−ît lµ ϕ1 vµ π − ϕ1 TÇn sè tÝn hiÖu vào càng lệch khỏi tần số cộng h−ởng trung tâm fo thì biên độ U D1 càng lớn biên độ U D , đó trị số điện áp uS càng lớn + Tr−êng hîp f < f o th× m¹ch thø cÊp mang tÝnh chÊt ®iÖn dung, nªn I2 sím pha h¬n EM , đó U D1 < U D và uS < Tóm lại tần số tín hiệu vào thay đổi thì đầu nút các vectơ UD1 và UD2 di chuyển trên các vòng tròn và trên hình 6.41 làm cho điện áp thay đổi trị số và cực tính Trị số điện áp đặc tr−ng cho độ lệch tần số tín hiệu vào so với tần số trung tâm fo , còn cực tính điện áp cho biÕt tÇn sè tÝn hiÖu vµo lÖch khái tÇn sè trung t©m vÒ phÝa nµo (lín h¬n hay nhá h¬n fo) Tính toán cụ thể, nhận đ−ợc đặc tuyến truyền đạt tách sóng nh− biểu diễn trên hình 6.40.a Trong đó ξ = 2Q ω − ωo đặc tr−ng cho độ lệch tần số so với tần số trung tâm và đ−ợc gọi ωo là độ lệch tần số t−ơng đối, Uo là trị số chuẩn hóa điện áp ra; β = k Q là hệ số ghép hai 217 m¹ch céng h−ëng, k = M L1 L2 lµ hÖ sè ghÐp tæng qu¸t; d = lµ hÖ sè tæn hao cña m¹ch céng Q h−ëng vµ Q lµ hÖ sè phÈm chÊt Từ đặc tr−ng truyền đạt hình 6.40(b) rút nhận xét sau đây: + HÖ sè t¸ch sãng S f phô thuéc vµo hÖ sè ghÐp β , S f = S f max β = 0,85 Th−êng β = 1, lúc đó S f = S f max + Khi ξ = ± β thì đặc tuyến truyền đạt đổi chiều biến thiên Thực tế đặc tuyến đ−ợc coi là th¼ng ph¹m vi: ξ ≤ β (6.109) Do đó độ lệch tần số cực đại cho phép đầu vào phụ thuộc vào β Từ biểu thức (6.105) suy ra: 2Q (Δf m ) ≤ β fo (6.110) Δf m là l−ợng di tần cực đại tín hiệu vào Kinh nghiệm cho thấy chọn β = 2,04 thì méo phi tuyÕn lµ nhá nhÊt Tách sóng dùng mạch cộng h−ởng ghép, ít gây méo và dễ điều chỉnh vì hai mạch cộng h−ëng ë cïng tÇn sè fo Tuy nhiªn trÞ sè ®iÖn ¸p bé t¸ch sãng nµy võa phô thuéc vµo tÇn sè vừa phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào ( U ), nên nó sinh nhiễu biên độ Để khắc phục t−ợng này phải đặt tr−ớc tách sóng mạch hạn chế biên độ d) T¸ch sãng tØ lÖ D1 M¹ch ®iÖn t¸ch sãng tØ lÖ ®−îc tr×nh L2 R Lc Us C bµy trªn h×nh 6.42 Bé t¸ch sãng tØ lÖ U2 C2 C1 C kh¸c víi t¸ch sãng céng h−ëng ghÐp ë C L1 Us R chç: c¸c diode t¸ch sãng ®−îc m¾c nèi U1 tiÕp M¹ch võa lµm nhiÖm vô t¸ch sãng D2 R Us vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ Hình 6.42 Sơ đồ tách sóng tỉ lệ Dßng qua c¸c diode n¹p cho tô C1, Uo h»ng sè thêi gian τ = RC1 ≈ (0,1 ÷ 0,2) gi©y, kh¸ lín nªn ®iÖn ¸p trªn C1 biÕn thiªn rÊt chËm lµm cho nhiễu biên độ giảm Có thể chứng minh điều đó biểu thức sau đây : u S = u S1 − u R Víi uR = U o u S1 + u S = 2 Thay vµo ta cã: uS = 218 u S1 − u S U o u S1 − u S = u S1 + u S 2 Hay u S1 −1 U o uS uS = u S1 +1 uS Khi Uo = const, ®iÖn ¸p chØ phô thuéc vµo tØ sè (111) u S1 ; h¬n n÷a uS1 vµ uS2 gièng nh− bé t¸ch uS sãng dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp phô thuéc vµo biÕn thiªn tÇn sè ë ®Çu vµo V× vËy bé t¸ch sãng tØ số không có phản ứng các biến thiên biên độ đầu vào và tránh đ−ợc nhiễu biên độ 219 Ch−¬ng Trén tÇn 7.1 C¬ së lý thuyÕt vÒ trén tÇn 7.1.1 Kh¸i niÖm chung Trộn tần là quá trình tác động hai tín hiệu tới lối vào mạch thì trên đầu nó nhận đ−ợc tín hiệu có các thành phần tần số tổng hiệu tần số hai tín hiệu đó Thông th−ờng hai tín hiệu vào là tín hiệu đơn âm (có vạch phổ), tín hiệu đó gọi là tín hiệu ngoại sai cã tÇn sè lµ f nS (sai lÖch víi tÝn hiÖu mét gi¸ trÞ gäi lµ mét tÇn sè trung gian f tg ) TÝn hiÖu cßn lại là tín hiệu hữu ích (mang tin tức) với tần số là f th cố định là biến thiên phạm vi nào đó Tín hiệu có tần số mong muốn đ−ợc tách nhờ lọc, tần số nó th−ờng đ−ợc gọi lµ tÇn sè trung gian f tg Cũng nh− điều biên, để trộn tần có thể dùng các phàn tử phi tuyến các phần tử tuyÕn tÝnh tham sè Trộn tần th−ờng đ−ợc dùng máy thu đổi tần Trong máy thu đổi tần tạo dao động ngoại sai đ−ợc đồng chuẩn với tín hiệu cao tần mang tin tức thu đ−ợc cho f tg = f nS − f bh = const Hai tÝn hiÖu nµy ®−îc ®−a vµo bé trén tÇn, lèi cña bé trén tÇn ®−îc tÝn hiÖu, mµ tÇn sè b»ng tæng, hiÖu tÇn sè cña hai tÝn hiÖu vµo Nhê m¹ch läc cña bé trén tÇn ta thu đ−ợc tín hiệu có tần số trung gian mang tin tức f tg Sau đó đ−ợc khuếch đại các tầng khuếch đại cộng h−ởng (có tần số cộng h−ởng tần số trung gian f tg ) Trộn tần còn đ−ợc dùng các hệ thống thông tin định h−ớng, các tổng hợp tần số Cã thÓ ph©n lo¹i m¹ch trén tÇn theo nhiÒu c¸ch: + Phân loại theo phần tử tích cực đ−ợc dùng để trộn tần, ng−ời ta phân biệt trộn tần dùng phần tö tuyÕn tÝnh tham sè (m¹ch nh©n) vµ trén tÇn dïng phµn tö phi tuyÕn (diode, transistor l−ìng cùc BJT, transistor tr−êng FET ) + Cã thÓ coi bé trén tÇn lµ hÖ thèng tuyÕn tÝnh tham sè lµ v× qu¸ tr×nh trén tÇn th−êng ®−îc thực với điều kiện Uth << UnS Lúc đó với tín hiệu hứu ích nhỏ, đặc tuyến Von-Ampe phần tö trén tÇn cã thÓ coi lµ th¼ng, cßn d−íi t¸c dông cña ®iÖn ¸p ngo¹i sai lín, ®iÖn dÉn cña phÇn tö tuyến tính thay đổi Nh− tín hiệu phần tử trộn tần là hệ thống tuyến tính + Cũng có thể phân loại theo sơ đồ trộn tần (trộn tần diode, trộn tần transistor ) theo c¸ch chuyÓn phæ vÒ phÝa tÇn sè cao hoÆc chuyÓn phæ vÒ phÝa tÇn sè thÊp tïy thuéc vµo vÞ trÝ t−¬ng đối tần số tín hiệu f th đầu vào và tần số trung gian f tg đầu Giả thiết đặc tuyến phµn tö phi tuyÕn ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor sau ®©y: i = ao + a1u + a2 u + + an u n + đó u là điện áp đặt lên phần tử phi tuyến đ−ợc dùng để trộn tần 220 (7.1) Trong tr−ờng hợp này u = u nS + uth , đó: u nS = U nS cos ω nS t uth = U th cos ωth t Thay vµo biÓu thøc 7.1 ta cã: a2 a (U nS + U th2 ) + (U nS2 cos 2ω nS t + U th2 cos 2ωth t ) + 2 + a2U nSU th [cos(ω nS + ωth )t + cos(ω nS − ωth )t ] + (7.2) i = ao + a1 (U nS cos ω nS t + U th cos ωth t ) + VËy tÝn hiÖu gåm thµnh phÇn mét chiÒu, thµnh phÇn c¬ b¶n ω nS , ωth , c¸c thµnh phÇn tæng vµ hiÖu ω nS ± ωth vµ c¸c thµnh phÇn bËc cao ω nS , ωth TÝnh c¸c vÕ tiÕp theo cña biÓu thøc 7.2 ta thÊy dßng ®iÖn cßn cã c¸c thµnh phÇn bËc cao: ω = ± nω nS ± mωth đó m, n là số nguyên, d−ơng NÕu trªn ®Çu bé trén tÇn, lÊy tÝn hiÖu cã tÇn sè ω = ω nS ± ωth , nghÜa lµ chän m, n = th× cã trộn tần đơn giản Trong tr−ờng hợp chọn m, n > thì có trộn tần tổ hợp Thông th−ờng ng−ời ta hay dùng trộn tần đơn giản Trong đoạn sóng met và deximet để nâng cao độ ổn định tần số ngoại sai và giảm ảnh h−ởng t−ơng hỗ mạch ngoại sai và mạch tín hiệu, ng−êi ta cã thÓ dïng trén tÇn tæ hîp víi tÇn sè tÝn hiÖu ra: ω = nωnS − ωth (n ≥ 2) 7.1.2 C¸c tham sè c¬ b¶n Dòng điện và dòng điện vào trộn tần phụ thuộc vào tất các điện áp đặt lên nó, v× vËy ta cã thÓ viÕt: i = f (unS , uth , utg ) (7.3) Trong đó: u nS = U nS cos ω nS t uth = U th cos ωth t utg = U tg cos ωtg t Th−ờng Uth và U tg << U nS nên có thể biểu diễn gần đúng dòng điện theo chuỗi Taylor nh− sau: (chØ lÊy c¸c sè h¹ng bËc nhÊt): ir = f (unS ) + ∂f (unS ) ∂f (unS ) uth + utg ∂uth ∂utg = i nS + S (unS )uth + g (unS )utg (7.4) V× unS lµ tÝn hiÖu tuÇn hoµn theo thêi gian nªn inS, S(unS) vµ gi(unS) còng tuÇn hoµn theo thêi gian Tuy nhiên nó là kết quá trình unS tác động lên phần tử phi tuyến, nên ngoài thành phần bậc tần số ngoại sai, còn có các thành phần bậc cao khác, đó ta có: 221 inS (unS ) = I o + I1 cos ωnS t + I cos 2ωnS t + S (unS ) = So + S1 cos ωnS t + S cos 2ωnS t + g i (unS ) = Gio + Gi1 cos ωnS t + Gi cos 2ωnS t + Thay vµo biÓu thøc 7.4 ta nhËn ®−îc: ∞ ir = ∑ I n cos nωnS t + U th cos ωtht n =0 ∞ ∑ Sn cos nωnS t + U tg cos ωtg t n =0 ∞ ∑G n =0 in cos nω nS t ∞ ∞ ir = ∑ I n cos nωnS t + U th ∑ S n [cos(nωnS + ωth )t + cos(nωnS − ωth )t ] + n=0 n =0 [ ∞ + U tg ∑ Gin cos(nωnS + ωtg )t + cos(nωnS − ωtg )t n =0 ] (7.5) VËy dßng ®iÖn cã c¸c thµnh phÇn tÇn sè nωnS ± ωth , ωnS ± ωth , nωnS , nÕu lÊy sè h¹ng bËc cao cña chuçi Taylor th× dßng ®iÖn cßn cã thµnh phÇn nωth , nωtg , nωnS ± ωth vµ nωnS ± ωtg víi m, n > Gi¶ thiÕt chän: ωtg = nω nS − ω th th× tõ biÓu thøc 7.5 ta cã: itg = U th S n cos ωtg t + U tg Gin cos ωtg t (7.6) T¶i cña bé trén tÇn ®−îc ®iÒu chØnh céng h−ëng ë tÇn sè trung gian, nªn chØ cã thµnh phÇn tÇn số trung gian có biên độ lớn trên tải Khi đó biên độ dòng với tần số trung gian I tg = S n U th + G in U tg (7.7) Biểu thức 7.7 đ−ợc gọi là ph−ơng trình biến đổi thuận trộn tần, đó Sn là biên độ ∂f (U nS ) đặc tr−ng cho hiệu ứng biến đổi thuận trộn tần hµi bËc n cña hµm, S = ∂U th Gio lµ thµnh phÇn mét chiÒu cña hµm, g i = ∂f (u nS ) đặc tr−ng cho thay đổi điện dẫn ∂uth các trộn tần thành phần tần số trung gian T−¬ng tù nh− trªn dßng ®iÖn vµo còng lµ hµm phô thuéc vµo u nS , uth , utg , víi U th , U tg << U nS , ta cã: I th = S ngnU th + G y 0U th (7.8) Biểu thức 7.8 gọi là ph−ơng trình biến đổi ng−ợc trộn tần, đặc tr−ng cho t−ợng håi tiÕp d−¬ng vÒ ®iÖn ¸p bé trén tÇn Trong biểu thức (7.8) thì S ngn là biên độ thành phần bậc n hỗ dẫn biến đổi ng−ợc Gν là 222 thµnh phÇn mét chiÒu cña ®iÖn dÉn vµo gν = ∂f (u nS ) đặc tr−ng cho thay đổi điện dẫn vào ∂uth bé trén tÇn Từ các biểu thức trên có thể suy các biểu thức định nghĩa các tham số trộn tÇn nh− sau: + Hç dÉn trén tÇn: S tt = I tg U th U tg = = Sn (7.9) + §iÖn dÉn cña bé trén tÇn: Gitt = I tg U tg U th = 0(utg ) = Gio (7.10) + Hệ số khuếch đại tĩnh: μ tt = U tg I tg G itt = S tt Ritt (7.11) I th = S nng U tg U th = (7.12) U th = I tg S tt + Hç dÉn trén tÇn ng−îc: S ttng = + §iÖn dÉn cã hiÖn t−îng trén tÇn ng−îc: G ing = I th = Gνo U th U tg = (7.13) + Hệ số khuếch đại tĩnh đổi tần ng−ợc: μ ng = U th = S ttng R ing U tg (7.14) Từ định nghĩa các tham số trên đây, có thể viết lại các biểu thức (7.7) và (7.8) nh− sau: I tg = S ttU th + GinU tg (7.15) I th = S ttng U tg + G VoU th (7.16) HÖ ph−¬ng tr×nh gåm (7.15) vµ (7.16) t−¬ng ®−¬ng víi ph−¬ng tr×nh dÉn n¹p cña mét tø cực Từ hệ ph−ơng trình có thể suy sơ đồ t−ơng đ−ơng nó 7.2 M¹ch trén tÇn 7.2.1 M¹ch trén tÇn dïng diode Mạch trộn tần dùng diode đ−ợc ứng dụng rộng rãi tần số, đặc biệt là phạm vi tần số cao (trªn GHz) M¹ch trén tÇn dïng diode cã nh−îc ®iÓm lµ suy gi¶m tÝn hiÖu T−ơng tự nh− các mạch điều biên, mạch trộn tần gồm có: mạch trộn tần đơn, mạch trộn tần cân và mạch trộn tần vòng Nh−ng đặc điểm là lối mạch trộn tần có mạch lọc LC, để lọc lấy thành phần tần số trung gian f tg Sơ đồ mạch trộn tần đơn dùng diode đ−ợc trình bày trên 223 h×nh 7.1 Diode, m¹ch tÝn hiÖu, m¹ch ngo¹i sai vµ m¹ch trung gian m¾c nèi tiÕp víi Trong sơ đồ diode D là phần tử phi tuyến, đặc tuyến nã ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor Uth D Z UnS i = ao + a1u + a2u + a3u + H×nh 7.1 Bé trén tÇn dïng diode ë ®©y u = uth +unS Ta cã: i = ao + a1 (uth + u nS ) + a2 (uth + u nS ) + i = ao + a1uth + a1u nS + a2 uth2 + a2u nS + 2a2uth u nS + (7.17) Trong biểu thức 7.17 ta chú ý đến số hạng 2a uth u nS và đặt I = 2a uth u nS , đó: I = 2a2U th sin ωth + U nS sin ω nS + I = a2U thU nS [cos(ω nS + ωth )t − cos(ω nS − ωth )t ] VËy dßng ®iÖn cña bé trén tÇn chõa hai thµnh phÇn ω nS + ω th vµ ω nS − ωth C¸c thµnh phÇn cßn l¹i cã phæ lµ ω nS , 2ω nS , ωth , 2ωth NÕu lµ khung céng h−ëng LC m¾c song song cã tÇn sè céng h−ëng: ω ch = LC = ω nS − ω th (7.19) th× trªn khung chØ tån t¹i thµnh phÇn phæ t−¬ng øng ( ω nS − ωth ) vµ U r = Z td a 2U thU nS cos(ω nS − ωth )t (7.20) Zt® lµ trë kh¸ng céng h−ëng cña khung céng h−ëng m¾c song song LC ë lèi cña bé trén tÇn ë ®©y cÇn cã ®iÒu kiÖn ( ω nS − ωth ) ph¶i c¸ch xa ω nS vµ ωth mét kho¶ng lín h¬n gi¶i th«ng cña khung Cã nh− vËy th× ω nS vµ ωth míi kh«ng lät tíi lèi cña bé trén tÇn NÕu uth lµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn, th× ur vÉn lµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn, chØ kh¸c tÇn sè lµ ωtg = ω nS − ωth Tr−êng hîp tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lµ ©m th×: 2Δω = 2Ω vµo kho¶ng 20KHz TÇn sè trung tÇn máy thu điều biên qui định là 465KHz, đó có thể suy giá trị độ phẩm chất Q Q= ωtg ω nS − ωth 465 = = ≈ 23 2Δω 2Δω 20 Đối với tín hiệu điều tần, bề rộng phổ lớn đến hàng trăm KHz Chính vì mà tần số trung tần với tín hiệu điều tần FM qui định là 2MHz 7.2.2 Mạch trộn tần dùng phần tử khuếch đại Để trộn tần có thể dùng transistor l−ỡng cực, transistor tr−ờng và khuếch đại thuật toán Đặc điểm chung hệ trộn tần loại này là còn khuếch đại tín hiệu M¹ch trén tÇn dïng transistor Mạch trộn tần dùng transistor có thể mắc theo sơ đồ base chung emitter chung Sơ đồ base chung ®−îc dïng ph¹m vi tÇn sè cao vµ siªu cao, v× tÇn sè giíi h¹n cña nã cao 224 Tuy nhiên, sơ đồ base chung có hệ số truyền đạt trộn tần thấp so với sơ đồ emitter chung Các tham số sơ đồ trộn tần phụ thuộc vào điểm làm việc, vào độ lớn điện áp ngoại sai và vào tham số transistor Vì nguyên tắc có thể phân biệt sơ đồ trộn tần dùng transistor đơn, ®Èy kÐo Trên hình 7.2 số cách mắc sơ đồ nguyên lý trộn tần dùng transistor đơn Uth Uth Uth Uth UnS UnS UnS U nS (a) (b) (c) (d) Hình 7.2 Sơ đồ nguyên lý trộn tần dùng transistor đơn: Sơ đồ base chung với điện áp ngoại sai đặt vào emitter (a); sơ đồ bazơ chung với điện áp ngoại sai đặt vào base (b); sơ đồ emitter chung với điện áp ngoại sai đặt vào base (c); sơ đồ emitter chung với điện áp ngoại sai đặt vào emitter (d) Trên sở các sơ đồ nguyên lý đó, ng−ời ta thiết kế nhiều loại sơ đồ thực tế khác Hình 7.3 trình bày sơ đồ nguyên lý trộn tần dùng transistor đơn Trong mạch hình 7.3 Tín hiệu cao tần đã điều chÕ uth vµ tÝn hiÖu ngo¹i sai cïng ®−a vµo base cña transistor Mét sè tr−êng hîp ng−êi ta thùc hiÖn m¹ch trén tần tự dao động đ−ợc biểu diễn trên hình 7.4 + Ec C R1 Ur Uth U nS C1 Hình 7.3 Mạch đổi tần dùng transistor E Ce C Utg L2 Re B B Uth L1 E R L2 R L3 C2 C1 Ucc (a) R L3 C2 (b) Hình 7.4 Tầng trộn tần tự dao động Transistor vừa làm nhiệm vụ trộn tần vừa tạo dao động ngoại sai Điện áp ngoại sai đ−ợc tạo lên nhờ quá trình hồi tiếp d−ơng emitơ qua cuộn dây L2 và L3 Điện áp tín hiệu uth đ−ợc đặt vào base qua biến áp vào C1 và L1 tạo thành mạch cộng h−ởng nối tiếp với tần số trung gian Nhờ đó điện áp tần số trung gian bị ngắn mạch đầu vào, đó loại trừ đ−ợc t−ợng trộn tần 225 ng−îc §Ó tr¸nh ¶nh h−ëng t−¬ng hç gi÷a ®iÖn ¸p tÝn hiÖu vµ ®iÖn ¸p ngo¹i sai, ng−êi ta kÕt cÊu mạch d−ới dạng sơ đồ cầu (hình 7.4b), đó Re và Ce là phần tử kí sinh mạch vào transistor Khi cÇu c©n b»ng kh«ng cßn sù liªn kÕt gi÷a m¹ch tÝn hiÖu vµ m¹ch ngo¹i sai n÷a Mạch trộn tần theo sơ đồ đẩy kéo đ−ợc biểu diễn trên hình 7.5 Chúng có nhiều −u điểm so với trộn tần đơn - MÐo phi tuyÕn nhá (hµi bËc ch½n bÞ triÖt tiªu) - Phæ tÝn hiÖu hÑp - ¶nh h−ëng t−¬ng hç gi÷a m¹ch tÝn hiÖu vµ m¹ch ngo¹i sai Ýt - Kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn ®iÒu chÕ giao thoa thÊp + Ucc T1 IC1 Utg Utg Uth T2 T2 IC1 IC2 T1 IC2 UnS UnS RE UnS + Ucc (a) (b) Hình 7.5 Mạch trộn tần đẩy kéo: (a) Sơ đồ nguyên lý mạch trộn tần đẩy kéo; (b) M¹ch trén tÇn ®Èy kÐo dïng transistor cã m¹ch emitter vµ base chung Vì −u điểm đó, nên loại mạch này hay đ−ợc dùng trộn tần máy phát Sơ đồ hình 7.5(a) hai transistor làm việc chế độ B Do cách mắc mạch nên điện áp đặt vào transistor T1 vµ T2 lÇn l−ît lµ: u1 = u nS + uth vµ u = u nS − uth Do m¹ch ®−îc m¾c ®Èy kÐo nªn dßng ®iÖn ra: iC = iC1 + iC iC1 = ao + a1 (u nS + uth ) + a2 (u nS + uth ) + víi iC = ao + a1 (u nS − uth ) + a2 (u nS − uth ) + Ta cã iC = 2a1uth + 4a2u nS uth + 2a3uth3 + 6a3u nS uth3 + Trong đó u nS = U nS cos ω nS t uth = U th cos ωth t Biến đổi biểu thức trên ta thấy dòng điện có các thành phần tần số ωth , 3ωth , 3ωnS ± ωth vµ 2ω nS ± ωth Trên hình 7.5(b) là sơ đồ trộn tần đẩy kéo thực tế Trong sơ đồ này không cần nối đất mạch vào và mạch ra, nên kết cấu đơn giản Đặc điểm sơ đồ các emitter và collector hai transistor nèi víi 226 M¹ch läc ë trªn hai transistor, läc lÊy thµnh phÇn mong muèn ωtg = ω nS − ωth M¹ch trén tÇn dïng transistor tr−êng Khác với transistor l−ỡng cực, transistor tr−ờng có đặc điểm là quan hệ dòng (dòng cực máng) ID và điện áp vào uGS là quan hệ bậc hai, nên dùng để trộn tần giảm các thành phần phæ ë ®Çu vµ h¹n chÕ ®−îc hiÖn t−îng giao thoa ®iÒu chÕ giao thoa Ngoµi dïng transistor tr−ờng để trộn tần giảm đ−ợc tạp âm và tăng đ−ợc dải động tín hiệu vào Hình 7.6 trình bày các sơ đồ trộn tần dùng transistor tr−ờng +ED U tg U tg U th U U th (a) U ns +ED (b) Hình 7.6 Sơ đồ trộn tần dùng transistor tr−ờng (a) Sơ đồ trộn tần đơn với cực nguồn chung; (b) Sơ đồ đẩy kéo cực nguồn chung Nguyªn lÝ lµm viÖc cña chóng hoµn toµn gièng c¸ch dïng transistor l−ìng cùc 7.3 Vßng khãa pha PLL (Phase Loocked Loop) 7.3.1 Kh¸i niÖm vÒ vßng khãa pha Vßng khãa pha cßn cã tªn gäi kh¸c: vßng b¸m pha hoÆc vßng gi÷ pha lµ hÖ thèng cã håi tiÕp để khống chế tần số và pha tín hiệu đầu phù hợp với tần số và pha tín hiệu đầu vào D¹ng tÝn hiÖu ë ®Çu vµo cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau, bao gåm lo¹i h×nh sin, xung, hoÆc c¸c d¹ng tÝn hiÖu ®iÒu chÕ sè Kü thuËt khãa pha ®−îc øng dông lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m 1932 hÖ thống tách đồng các tín hiệu Bắt đầu vào năm 1960, các ch−ơng trình vệ tinh NASA đã sử dụng kỹ thuật tách pha để xác định tần số tín hiệu truyền qua vệ tinh Mặc dù truyền tin đ−ợc thiết kế tần số 108MHz, trôi dao động cao tần và dịch chuyển Doppler gây sai lệch vài kHz tín hiệu thu Tín hiệu truyền có độ rộng băng thông hẹp, nh−ng trôi tần số nên máy thu cần thiết có băng thông rộng nhiều Kết là công suất nhiễu tăng lên, vì công suất nhiễu thu tỉ lệ với độ réng b¨ng th«ng Tuy nhiªn hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh ®−îc c¶i thiÖn b»ng viÖc sö dông vßng khãa pha để khống chế tần số truyền, và vì cho phép độ rộng băng thông thu hẹp hơn, và c«ng suÊt nhiÔu ®Çu Ýt h¬n Vßng khãa pha cã hai lo¹i: t−¬ng tù vµ sè, nh−ng phÇn lín ®−îc thiÕt kÕ gåm c¶ hai lo¹i nµy Mét sè t¸c gi¶ gäi vßng khãa pha sè chóng cã chøa mét hoÆc nhiÒu linh kiÖn sè Chóng ta gäi lµ vòng khóa pha số (DP.LL – Digital Phase Loocked Loop), PLL chứa tất các phần tử là d¹ng sè Mét sè øng dông quan träng cña vßng khãa pha lµ : ®iÒu chÕ, gi¶i ®iÒu chÕ tÇn sè (FM), gi¶i điều chế FSK, giải mã âm tần, nhân tần, đồng xung đồng hồ, tổ hợp tần số 227 H×nh 7.7 tr×nh bµy cÊu tróc c¬ b¶n cña vßng khãa pha Bé t¸ch sãng pha hay gäi f S ue ud T¸ch sãng Bé läc VCO th«ng thÊp pha lµ bé so s¸nh pha (Phase comprator) t¹o tÝn hiÖu ®Çu lµ hµm cña pha vµ tÇn sè Bé chia cña hai tÝn hiÖu vµo TÝn hiÖu tÇn cña bé t¸ch sãng pha ®−îc Hình 7.7 Sơ đồ khối vòng khóa pha lọc (có thể đ−ợc khuếch đại) ur bëi m¹ch läc th«ng thÊp (Low Pass Filter) Thµnh phÇn mét chiÒu tõ bé läc th«ng thÊp (tØ lÖ víi tÝn hiệu vi sai) đ−a vào điều khiển dao động đ−ợc điều khiển điện áp (VCO – Voltage Controlled Oscillator) TÝn hiÖu håi tiÕp vÒ bé t¸ch sãng pha chØnh tÝn hiÖu tõ VCO qua bé chia tÇn (hÖ sè chia N) Điện áp điều khiển VCO, ud tác động vào VCO để thay đổi tần số cho giảm khác biệt gi÷a tÇn sè tÝn hiÖu vµo vµ tÇn sè ®Çu cña bé chia HiÖn vßng khãa pha vi m¹ch hä CMOS CD-4046 ®−îc øng dông rÊt réng r·i C«ng suÊt tiªu thô cña vi m¹ch nµy rÊt nhá, tiªu thô rÊt Ýt n¨ng l−îng ®iÖn nªn vi m¹ch nµy ®−îc dïng c¸c thiÕt bÞ viÔn th«ng x¸ch tay, dïng pin Khi kh«ng cã tÝn hiÖu vµo vßng b¸m pha, ®iÖn ¸p ë lèi cña bé so s¸nh pha ue ( t ) b»ng ®iÖn ¸p nguån nu«i mét chiÒu, ®iÖn ¸p ë lèi cña u d ( t ) cã gi¸ trÞ b»ng ue ( t ) M¹ch ph¸t xung tÇn sè đ−ợc điều khiển điện áp VCO phát xung tần số riêng f o gọi là tần số dao động trung tâm (Center Frequency) Khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo hÖ thèng PLL, bé so pha sÏ so s¸nh pha vµ tÇn sè cña tÝn hiÖu vµ tÝn hiÖu cña VCO, t¹o ë lèi cña nã mét ®iÖn ¸p tØ lÖ víi sù lÖch pha vµ tÇn sè cña hai tÝn hiÖu vµo §iÖn ¸p nµy ®−îc läc qua bé läc th«ng thÊp ®−a tíi lèi vµo ®iÒu khiÓn VCO §iÖn áp điều khiển làm thay đổi tần số VCO giảm bớt khác tần số tín hiệu vào và tín hiÖu cña VCO NÕu hiÖu tÇn sè f S cña tÝn hiÖu vµo vµ fVCO n»m d¶i truyÒn cña bé läc thông thấp xảy t−ợng đồng hay bắt chập với tín hiệu vào Sau bắt chập tần số fVCO tần số tín hiệu vào, nhiên có độ lệch pha nào đó Sự khác biệt pha là cần thiết, vì nó tạo nên điện áp lối so pha ue ( t ) để điều khiển VCO phát xung tần số tín hiệu vào f S , nh− vËy PLL ë tr¹ng th¸i gi÷ chËp tÇn sè §−¬ng nhiªn, kh«ng ph¶i víi tÝn hiÖu vµo nµo, PLL còng bắt chập tần số, mà có tín hiệu vào tần số dải hữu hạn nào đó gần với f o thì PLL míi b¾t chËp ®−îc D¶i tÇn sè mµ PLL tr× ®−îc t×nh tr¹ng chËp tÇn sè víi tÝn hiÖu lèi vµo ®−îc gọi là dải giữ chập (Lock range) hay là dải bám hệ thống PLL Dải tần số trên đó hệ thống PLL cã thÓ b¾t chËp mét tÝn hiÖu vµo gäi lµ d¶i b¾t chËp (Capture range) D¶i b¾t chËp bao giê còng nhá h¬n d¶i gi÷ chËp Chúng ta có thể dùng cách khác để miêu tả hoạt động PLL Bộ so sánh pha thực chất lµ m¹ch nh©n, nã trén tÝn hiÖu vµo vµ tÝn hiÖu VCO, sù trén nµy t¹o tÇn sè b»ng tæng vµ hiÖu cña hai tần số hai lối vào f S ± fVCO Khi mạch trạng thái chập thì hiệu tần số f S - fVCO = Khi đó 228 điện áp lối vào điều khiển mức điện áp nguồn nuôi (bộ so pha không tác động) Bộ lọc th«ng thÊp lo¹i bá thµnh phÇn tÇn sè tæng (v× nã n»m ngoµi d¶i truyÒn cña bé läc) CÇn chó ý r»ng, dải giữ chập độc lập với dải tần số lọc thông thấp, vì mạch trạng thái giữ chập hiÖu tÇn sè b»ng kh«ng Sau ®©y chóng ta sÏ nghiªn cøu c¸c hiÖn t−îng quan träng PLL lµ b¾t chËp vµ gi÷ chËp Khi mạch ch−a trạng thái chập, so pha trộn tín hiệu vào và tín hiệu VCO để tạo thành phần tần số tổng và hiệu hai tín hiệu đó Nếu thành phần tần số hiệu nằm ngoài dải truyền lọc thông thấp thì nó bị loại bỏ cùng thành phần tần số tổng, đó mạch không có thông tin nào truyền qua mạch lọc thông thấp để điều khiển VCO, đó VCO phát xung với tần số trung tâm ban đầu f o Khi tần số tín hiệu vào tiến gần đến tần số trung tâm f o VCO, thì tần số hiệu giảm xuống tiến gần đến biên dải tần lọc thông thấp Lúc đó phần thành phần tần số hiÖu ®i qua bé läc th«ng thÊp ®iÒu khiÓn VCO ph¸t tÝn hiÖu ë tÇn sè cña tÝn hiÖu vµo theo h−íng cho tÇn sè hiÖu gi¶m, cho phÐp nhiÒu th«ng tin ®i qua bé läc th«ng thÊp ®iÒu khiÓn VCO Dải bắt chập là dải tần số lân cận tần số dao động tự ban đầu VCO mà trên đó hệ PLL cã thÓ b¾t chËp víi tÝn hiÖu vµo D¶i b¾t chËp thÓ hiÖn, tÇn sè cña tÝn hiÖu vµo ph¶i tiÕn l¹i gÇn tÇn số VCO nh− nào để tần số phát VCO chuyển thành có cùng tần số với tín hiệu vào Dải bắt chập phụ thuộc vào dải tần lọc thông thấp và hệ số khuếch đại chung hệ thống Dải giữ chập là dải tần số lân cận tần số dao động tự VCO, mà đó mạch hồi tiếp có thể theo dõi tín hiệu vào sau đã chập tần số Khi mạch đã trạng thái chập, thành phần tần số cña tÝn hiÖu bé so pha ve ( t ) lµ dßng mét chiÒu ®i qua bé läc th«ng thÊp Nh− vËy d¶i gi÷ chËp đ−ợc giới hạn khoảng biến thiên điện áp ud đặt vào lối vào điều khiển VCO, tạo độ lệch tÇn t−¬ng øng cña VCO D¶i gi÷ chËp chñ yÕu lµ th«ng sè dßng mét chiÒu vµ kh«ng chÞu ¶nh h−ëng d¶i tÇn cña bé läc th«ng thÊp Chóng ta cÇn ph©n biÖt d¶i b¾t chËp vµ d¶i gi÷ chËp D¶i b¾t chËp cã thÓ cã bÊt cø gi¸ trÞ nµo ph¹m vi kho¶ng gi÷ chËp D¶i b¾t chËp gi¶m d¶i tÇn sè cña bé läc th«ng thÊp gi¶m Trong đó dải giữ chập không bị chi phối lọc thông thấp mà hệ số khuếch đại hệ, và dải biến đổi điện áp chiều ud định Hình 7.8 mô tả biến đổi tần số - điện áp PLL Cho tÝn hiÖu vµo PLL, tÇn sè cña nã ®−îc quÐt tõ tõ trªn mét d¶i réng (trôc hoµnh) Trôc tung là điện áp t−ơng ứng ud đặt vào lối vào điều khiển VCO Trên hình 7.8(a) tần số tín hiệu tăng dần, điện áp ud = uo không đổi, tần số tín hiệu vào f S = f1 t−ơng ứng với biên d−ới vòng bắt chập Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo b−ớc nhảy điện áp ud với dấu ©m Sau đó VCO thay đổi tần số với hệ số góc nghịch đảo hệ số khuếch đại lối vào VCO (1) vµ ®i qua gi¸ trÞ uo f S = f o , tÇn sè cña tÝn hiÖu cña VCO, b¸m s¸t tÇn sè tÝn hiÖu vào đạt đến f T−ơng ứng với biên trên khoảng giữ chập Khi đó hệ bám, điện áp ud nhảy xuống uo, và tạo dao động tự VCO 229 Ud a) + Uo Δ fB fS f2 f1 f fo H−íng quÐt tÇn sè - D¶i gi÷ chËp Δ fG Ud b) + Uo f4 fS f3 fo f H−íng quÐt tÇn sè - D¶i b¾t chËp Δ fB Hình 7.8 Đặc tr−ng biến đổi tần số - điện áp PLL Nếu lại cho tần số tín hiệu quét theo chiều h−ớng giảm dần, thì quá trình lặp lại nh−ng đảo ng−îc so víi tr−íc h×nh 7.8(b) M¹ch b¾t chËp t¹i tÇn sè f t−¬ng øng víi biªn trªn cña d¶i b¾t chập và bám sát tần số tín hiệu vào, tần số tín hiệu vào f t−ơng ứng với biên d−íi cña d¶i gi÷ chËp Nh− vËy d¶i gi÷ chËp cña hÖ lµ ( f ÷ f ) vµ d¶i b¾t chËp ( f1 ÷ f ) Do đặc tuyến biến đổi tần số - điện áp nh− trên PLL có tính chọn lọc với tần số trung tâm f o cña VCO, nã chØ ph¶n øng víi nh÷ng tÇn sè tÝn hiÖu vµo sai lÖch víi f o vµ Δf B hoÆc Δf G Δf B = ( f − f1 ) ( f − f4 ) vµ Δf G = , tïy theo m¹ch b¾t ®Çu cã hay kh«ng cã ®iÒu kiÖn b¾t chËp 2 pha ban ®Çu Sự tuyến tính đặc tr−ng biến đổi tần số sang điện áp PLL, hệ số biến đổi VCO định, đó th−ờng đòi hỏi VCO có đặc tính biến đổi điện áp sang tần số mức độ tuyÕn tÝnh cao Hình 7.9 trình bày đ−ờng đặc tr−ng phô thuéc tÇn sè ph¸t cña VCO vµo ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ud, ë ®©y fmax vµ fmin t−¬ng øng víi tÇn sè f vµ f , tÇn sè giíi h¹n cña d¶i gi÷ chËp: Δf G = f - f f VCO (kHz) fmax fo fmin Ud (V) Udmin Udo =Uo Udmax H×nh 7.9 Sù phô thuéc cña tÇn sè VCO vµo ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn 7.3.2 C¸c khèi c¬ b¶n cña vßng khãa pha PLL Hệ thống PLL gồm các khối bản: Bộ tạo dao động có tần số điều khiển đ−ợc (VCO, CCO), tách sóng pha, lọc thông thấp Ng−ời ta th−ờng vào sơ đồ tách sóng pha, và lọc thông thấp để phân biệt các PLL với Tuy nhiên sơ đồ tách sóng pha đ−ợc coi là đặc tr−ng c¬ b¶n nhÊt cña PLL Hình 7.10 trình bày sơ đồ khối CMOS PLL CD-4046 230 VDD 16 Lèi vµo tÝn hiÖu 14 Lèi vµo so s¸nh So s¸nh pha I Lèi so s¸nh pha I 13 Lèi so s¸nh pha II So s¸nh pha II Lèi C1 R2 11 CÊm Lèi xung pha Bé läc tÇn sè Lèi vµo VCO thÊp R VCO SOURCE FOLLOWER 12 R1 10 Lèi gi¶i ®iÒu chÕ FM C R3 VSS VSS 15 VSS VSS Hình 7.10 Sơ đồ khối vòng bám pha CMOS PLL CD-4046 CD-4046 là vi mạch đơn khối gồm 16 chân Bao gồm: máy phát điều khiển điện áp VCO công suất thấp, tuyến tính, và hai so sánh pha có cùng khuếch đại tín hiệu vào, cùng lối vào so sánh Diode ổn áp có điện áp u2 = 5,2V để tạo điện áp chiều ổn định dùng để điều chØnh nÕu cÇn thiÕt VCO ®−îc nèi trùc tiÕp hoÆc qua bé chia tÇn tíi bé t¸ch sãng pha Bé läc th«ng thấp đ−ợc nối mạch ngoài để có thể thay đổi cấu trúc hệ ứng dụng cụ thể Sau đây chóng ta xÕt c¸c khèi Bé t¸ch sãng pha (bé so s¸nh pha) Bé t¸ch sãng pha cã nhiÖm vô cho mét tÝn hiÖu phô thuéc vµo hiÖu pha hoÆc hiÖu tÇn sè cña hai tÝn hiÖu vµo C¸c tÝn hiÖu vµo th−êng lµ tÝn hiÖu h×nh sin hoÆc d·y xung ch÷ nhËt Ng−êi ta ph©n biÖt t¸ch sãng pha tuyÕn tÝnh vµ t¸ch sãng pha phi tuyÕn (t¸ch sãng pha sè) Bé t¸ch sãng pha tuyÕn tÝnh th−êng ®−îc thùc hiÖn bëi m¹ch nh©n t−¬ng tù TÝn hiÖu cña nã tỉ lệ với biên độ các tín hiệu vào Bé t¸ch sãng pha sè ®−îc thùc hiÖn bëi c¸c m¹ch sè (AND, OR, NOT, XOR, ) TÝn hiÖu vµo nó là dãy xung chữ nhật Tín hiệu không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào, mà nó phụ thuéc vµo tÇn sè vµ pha cña c¸c tÝn hiÖu vµo Công nghệ chế tạo CMOS khó thực việc khuếch đại tín hiệu t−ơng tự, đó thiết bị PLL tr×nh bµy h×nh 7.10 dïng t¸ch sãng pha Trong sơ đồ khối nó có hai tách sóng pha Cả hai tách sóng cùng chung khuếch đại lối vào và cùng đ−ợc nối với lối vào so sánh a) Bé t¸ch sãng pha I (Bé so s¸nh pha I) Bộ tách sóng pha I là mạch tuyệt đối (XOR), mạch này hoạt động t−ơng ứng với tín hiệu 231 ng−ỡng trộn cân Để đạt đ−ợc dải chập lớn nhất, các xung lối vào tín hiệu và lối vào so sánh phải là các xung vuông có độ rộng xung độ cấm xung Khi không có tín hiệu lối vµo, ë lèi cña bé so pha I (t¸ch sãng pha) cã ®iÖn ¸p b»ng V DD Bé läc th«ng thÊp nèi víi lèi cña bé t¸ch sãng pha I cÊp ®iÖn ¸p trung b×nh cho cùc ®iÒu khiÓn cña VCO, lµm cho VCO ph¸t xung vuông có tần số tần số trung tâm f o Với hệ tách sóng pha I dải tần số đó PLL có thÓ thiÕt lËp tr¹ng th¸i b¾t chËp phô thuéc vµo d¶i tÇn sè cña bé läc th«ng thÊp vµ cã thÓ lµm cho d¶i b¾t chËp lín b»ng d¶i gi÷ chËp Bé t¸ch sãng pha gi÷ cho PLL ë tr¹ng th¸i gi÷ chËp mÆc dï nhiÔu ë lèi vµo cã thÓ rÊt lín b) Bé t¸ch sãng pha II (Bé so s¸nh pha II) Bé t¸ch sãng pha II lµ mét m¹ng nhí sè ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng s−ên xung Bé t¸ch sãng pha II gåm trig¬ RS cã chung cöa ®iÒu khiÓn vµ m¹ch ba tr¹ng th¸i ë lèi (Cã thÓ t×m hiÓu c¸c gi¸o tr×nh kü thuËt sè) M¸y ph¸t ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p VCO Yêu cầu chung các tạo dao động có tần số điều khiển đ−ợc là quan hệ điện áp điều khiển và tần số dãy xung phải tuyến tính Ngoài mạch phải có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi tần số theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi tổ hợp thµnh vi m¹ch (kh«ng cã ®iÖn c¶m) Bé läc th«ng thÊp Sù kh¸c gi÷a tÇn sè vµ pha cña tÝn hiÖu vµo vµ tÝn hiÖu cña VCO qua bé t¸ch sãng pha vµ lọc thông thấp tạo thành điện áp ud Điện áp này đóng vai trò điều khiển tần số phát VCO Bộ lọc thông thấp đây dùng mạch RC lối trên tụ C, dải tần số nó định dải bắt chËp cña PLL 7.3.3 øng dông cña vßng khãa pha PLL PLL ®−îc øng dông nhiÒu lÜnh vùc kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn, kü thuËt truyÒn sè liệu, nh− kỹ thuật đo l−ờng Các ứng dụng nó lại là nhằm biến đổi tÇn sè, di chuyÓn tÇn sè tõ miÒn tÇn sè thÊp sang miÒn tÇn sè cao vµ ng−îc l¹i Sau ®©y sÏ xÐt mét sè øng dông c¬ b¶n cña nã T¸ch sãng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn Khi dùng PLL để tách sóng tín hiệu điều tần, phải thiết kế cho tần số dao động tự cña nã trïng víi tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn TÇn sè cña VCO b¸m theo tÇn sè cña tÝn hiệu đã điều tần lối vào tín hiệu tách sóng pha Điện áp ud lối mạch lọc thông thấp tỉ lệ với hiệu tần số Δf = f đt − f o và tỉ lệ với hiệu pha tín hiệu đó, fđt là tần số tín hiệu điều tần, ud là dao động tần số thấp đ−ợc tách sóng NÕu tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lµ tÝn hiÖu sè sãng mang d¹ng h×nh sin, ta cã ®iÒu chÕ sè: ASK, PSK, QPSK, QAM Trong đó FSK là khoá dịch chuyển tần số (hay còn gọi là điều chế tần số), đ−ợc dùng nhiều MODEM truyÒn d÷ liÖu M¹ch gi¶i ®iÒu chÕ FSK ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 7.13 232 TÝn hiÖu ®iÒu tÇn Bé t¸ch sãng PLL Detector Bé läc th«ng thÊp Low Pass Filter Bé t¹o xung Pulse Forming Circuit D÷ liÖu Hình 7.13 Sơ đồ khối mạch giải điều chế FSK +5V TÝn hiÖu ®iÒu tÇn ®−a vµo vßng khoá pha để tách lấy thành phần tần số thấp, sau đó qua mạch lọc thông thấp cuèi cïng qua m¹ch t¹o d¹ng xung thực chất là trigger Smit để tạo lại xung mang tin tøc H×nh 7.14: Tr×nh bµy m¹ch dïng PLL lµm bé t¸ch sãng gi¶i ®iÒu chÕ FSK víi hai tÇn sè 1200Hz vµ 2400Hz IC2 CD4046 16 FSK IN 10n 1K 14 VDD PHASE COMP.1 PLL PHASE COMP.1 15n 11 12 13 VCO 10K DATA OUT 10 68K VSS 22K 42n RV1 47K 10K Hình 7.14 Sơ đồ mạch PLL dải điều chế FSK Khôi phục xung đồng hồ +5V Ur =1 e 16 IN =1 a b 1M 1K 1,2K 14 VDD d =1 10K 33n 56p 15n 390p 1M PHASE COMP.1 1,2K 11 12 1M 1,2K 27K 1M 270K 6K7 4K7 RV3 47K PHASE COMP.1 VCO PLL 13 10 1,2K VSS 100K 5K6 42n 560 Ω 330n RV4 Hình 7.15 Mạch khôi phục xung đồng hồ Trong truyền thông số, để giải điều chế nhiều tr−ờng hợp phải khôi phục xung đồng hồ (xung nhịp) Khi đó, th−ờng dùng vòng khoá pha Hình 7.15 trình bày mạch khôi phục xung đồng hồ với tần số 1MHz và 1,2kHz, dạng xung các điểm t−ơng ứng sơ đồ đ−ợc trình bày trên hình 7.16 233 Xung đồng hồ đ−ợc khôi phục lại nhê tÝn hiÖu d÷ liÖu Ph−¬ng ph¸p th−êng dïng nhÊt ®−îc tr×nh bµy ë h×nh trªn TÝn hiÖu d÷ liÖu trÔ mét khoảng thời gian cỡ 1/2 độ rộng bit và sau đó so sánh với tín hiệu liệu trực tiếp qua tuyệt đối (EXOR) Lối là dạng sóng chứa thành phÇn phæ gÊp lÇn tÝn hiÖu d÷ liÖu Víi m¹ch PLL, xung vu«ng ®−îc t¹o ra, nó đồng với liệu và với chu kỳ có độ dài khoảng cách bit Nh− vậy, mạch đã khôi phục đ−ợc xung đồng hồ Tæng hîp tÇn sè Xung sè liÖu a M¹ch trÔ T b c d PLL e Xung đồng hồ (a) (b) (d) (e) Hình 7.16 Sơ đồ t−ơng đ−ơng và dạng xung mạch khôi phục đồng hồ hình 7.15 §©y lµ mét øng dông quan träng cña PLL Tæng hîp tÇn sè lµ qu¸ tr×nh t¹o mét m¹ng tÇn sè rời rạc từ tần số chuẩn có độ ổn định cao Do PLL thực đ−ợc chế độ giữ pha nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt các tần số ®−îc t¹o còng gièng nh− cña tÇn sè chuÈn Những phép biến đổi tổng hợp tần số là nhân và chia tần số, PLL có thể dùng để thực các phép biến đổi đó a) PhÐp nh©n tÇn sè víi hÖ sè nh©n nguyªn Mạch có sơ đồ nh− hình 7.17 chế độ đồng tần số chuẩn f C = f0 hay tÇn sè N f = f r = Nf C TÇn sè chuÈn fC o Läc th«ng thÊp và khuếch đại Bé t¸ch sãng pha Fo/N VCO TÝn hiÖu fr=NfC Chia tÇn N:1 N:1 H×nh 7.17 M¹ch nh©n tÇn sè víi hÖ sè nh©n nguyªn b) Tæng hîp tÇn sè víi tÇn sè kh«ng ph¶i lµ béi cña tÇn sè chuÈn, h×nh 7.18 TÇn sè chuÈn tr−íc ®−a vµo bé t¸ch sãng pha ®−îc ®−a qua m¹ch chia tÇn, trªn ®Çu cña m¹ch chia tÇn cã tÇn sè 234 fC M (PLL) Fv/M fC o T¸ch sãng pha Bé chia tÇn M:1 Läc th«ng thÊp VCO o fr=N /M.f c fr /N Chia tÇn N:1 N:1 H×nh 7.18 M¹ch tæng hîp tÇn sè víi tÇn sè kh«ng ph¶i béi nguyªn cña tÇn sè chuÈn TÇn sè qua m¹ch chia lµ N lµ f fr f Khi đồng C = r , tần số f r thay đổi để thoả mãn N M N điều kiện trên, đó: fr = N fC M Bằng cách thay đổi M, N (ch−ơng trình hoá) có thể nhận đ−ợc dạng tần số rời rạc tuỳ ý với độ ổn định và độ chính xác nh− tần số chuẩn 235 ch−¬ng Chuyển đổi t−ơng tự – số vμ số – t−ơng tự 8.1 Chuyển đổi T−ơng tự – Số 8.1.1 Kh¸i niÖm chung Do phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử số, đặc biệt là ứng dụng phổ biến máy tính điện tử số, nên th−ờng dùng mạch số để xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù Muốn dùng hệ thống số xử lý tín hiệu t−ơng tự thì phải biến đổi tín hiệu t−ơng tự thành tín hiệu số t−ơng ứng, đ−a vào để hệ thống số xử lý Mặt khác th−ờng có yêu cầu biến đổi tín hiệu số (kết xử lý) thành tín hiệu t−ơng tự t−ơng ứng để đ−a sử dụng Chúng ta gọi chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số là chuyển đổi AD, và mạch thực công việc đó là biến đổi t−ơng tự - số (ADC - Analog Digital Converter) Chúng ta gọi chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu t−ơng tự là chuyển đổi số - t−ơng tự (DA), và mạch thực chuyển đổi số t−ơng tự là DAC (Digital Analog Converter) Quá trình biến đổi tín UD hiÖu t−¬ng tù sang d¹ng sè 111 đ−ợc minh họa đặc tính 110 truyền đạt nh− hình 8.1 101 Gi¸ trÞ cña tÝn hiÖu t−¬ng tù UA ®−îc chuyÓn thành đại l−ợng số mà mèi quan hÖ gi÷a chóng cã dạng bậc thang Với đặc tính truyền đạt nh− vậy, 100 011 ΔUQ 010 ↓ ↑ → Q ← 001 UA 000 (UAmax) Hình 8.1 Đặc tính truyền đạt mạch biến phạm vi giá trị UA đổi t−ơng tự - số ®−îc biÓu diÔn bëi mét gi¸ víi UA: ®iÖn ¸p vµo t−¬ng tù vµ UD: ®iÖn ¸p trị đại diện số thích hợp.Các sè giá trị đại diện số là các giá trÞ rêi r¹c 236 Mét c¸ch tæng qu¸t, tÝn hiÖu sè: S D = bn−1 n−1 + bn−2 n−2 + + bo o (8.1) Trong đó các hệ số bK = (với bK nhận giá trị và gọi là bit) - bn-1 ®−îc gäi lµ bit cã nghÜa lín nhÊt (MSB - Most Significant bit) t−ơng ứng với cột đứng bên trái d∙y m∙ số Một biến đổi giá trị MSB ứng với biến đổi tín hiệu là nửa dải làm việc - b0 lµ bit cã nghÜa nhá nhÊt (LSB - Least Significant bit) t−¬ng øng với cột đứng đầu tiên bên phải d∙y m∙ số Một biến đổi giá trị LSB øng víi møc l−îng tö (1 nÊc cña h×nh bËc thang) 8.1.2 C¸c tham sè c¬ b¶n Dải biến đổi điện áp t−ơng tự đầu vào Là khoảng điện áp mà chuyển đổi AD có thể thực chuyển đổi đ−ợc Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ đến trị số d−ơng âm nào đó có thể là điện áp có hai cực tính từ −UAm đến +UAm §é ph©n gi¶i §é ph©n gi¶i cña ADC biÓu thÞ b»ng sè bit cña tÝn hiÖu ë ®Çu Sè bit càng nhiều thì sai số l−ợng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao 237 ThÝ dô, Mét ADC cã sè bit ë ®Çu N = 12 cã thÓ ph©n biÖt 111 ®−îc 212 = 4069 møc d¶i 110 biến đổi điện áp vào nó Độ 101 ph©n biÖt cña mét ADC ®−îc ký 100 hiệu là Q và đ−ợc xác định 011 biÓu thøc sau: 010 U LSB U = Q = N Am −1 Q lµ gi¸ trÞ cña mét møc l−îng tö ho¸ hoÆc cßn gäi lµ Lý t−ëng UD Thùc MÐo phi tuyÕn Sai số khuếch đại 001 000 Sai số đơn điệu LSB UA Sai sè lÖch kh«ng Hình 8.2 Đặc tuyến truyền đạt lý t−ởng và thực mạch biến đổi t−ơng tự - số mét LSB Do tÝn hiÖu sè lµ tÝn hiÖu rêi (ADC) r¹c, nªn qu¸ tr×nh biÕn đổi ADC xuất sai số, gäi lµ sai sè l−îng tö hãa, ®−îc xác định nh− sau: ΔU Q = Q (8.2) Thông th−ờng các ADC có số bit từ đến 12 Ngoài còn có số các ADC đạt đ−ợc độ chính xác có số bit từ 14 đến 16 bit Liên quan đến độ chính xác ADC còn có tham số khác ®−îc minh häa trªn h×nh 8.2 Tốc độ chuyển đổi Tốc độ chuyển đổi là số chuyển đổi giây gọi là tần số chuyển đổi fC Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc tr−ng cho tốc độ chuyển đổi TC là thời gian cần thiết cho lần chuyển đổi Chó ý r»ng f C ≠ Th−êng f C < TC và các lần chuyển đổi còn có khoảng thời TC gian cÇn thiÕt cho ADC phôc håi l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu 238 8.1.3 Nguyên tắc hoạt động biến đổi t−ơng tự - số (ADC) Trong biến đổi t−ơng tự - số (ADC) tín hiệu t−ơng tự đầu vào là liên tục, tín hiệu số m∙ hoá đầu là rời rạc Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu tín hiệu t−ơng tự đầu vào thời điểm quy định, sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu đó thành tín hiệu số đầu Quá trình chuyển đổi t−ơng tự - số nói chung có b−ớc: lấy mẫu - giữ mÉu - l−îng tö ho¸ - m∙ ho¸ C¸c b−íc trªn ®©y lu«n kÕt hîp víi mét qu¸ tr×nh thèng nhÊt VÝ dô lÊy mÉu vµ gi÷ mÉu lµ mét c«ng viÖc liªn tôc cïng mét m¹ch ®iÖn, l−îng tö ho¸ vµ m∙ ho¸ lµ công việc đồng thời thực quá trình chuyển đổi với kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt lµ mét phÇn cña thêi gian gi÷ mÉu LÊy mÉu tÝn hiÖu TÝn hiÖu t−¬ng tù ë lèi vµo UA, sau qu¸ tr×nh lÊy mÉu vµ xö lý gäi lµ tÝn hiÖu US vµ chóng cã thÓ kh«i phôc l¹i tÝn hiÖu t−¬ng tù UA mét c¸ch trung thùc nÕu ®iÒu kiÖn sau ®−îc tho¶ m∙n: f S ≥ FV max (8.3) ë ®©y: fS lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu lÊy mÉu f V max lµ giíi h¹n trªn cña d¶i tÇn sè tÝn hiÖu t−¬ng tù Nếu biểu thức 8.3 đ−ợc thoả m∙n có thể dùng lọc thông thấp để kh«i phôc tÝn hiÖu t−¬ng tù UA tõ tÝn hiÖu US H×nh 8.3 m« t¶ lÊy mÉu tÝn hiệu t−ơng tự Hình 8.4 đặc tính tần số lọc khôi phục tín hiệu US UA o t o (a) t (b) H×nh 8.3 LÊy mÉu tÝn hiÖu t−¬ng tù ®Çu vµo TÝn hiÖu t−¬ng tù (a) ; xung lÊy mÉu (b) 239 Vì lần chuyển đổi điện áp K( f ) lÊy mÉu thµnh tÝn hiÖu sè t−¬ng øng cần thời gian định, nên ph¶i nhí mÉu mét kho¶ng thêi gian cần thiết sau lần lấy mẫu, đủ để o biến đổi thành tín hiệu số L−îng tö ho¸ vµ m· ho¸ tÝn hiÖu f v max f H×nh §Æc tÝnh tÇn sè cña TÝn hiÖu sè kh«ng nh÷ng rêi r¹c vÒ mÆt thêi gian, mµ cßn kh«ng liªn tôc bé läc kh«i phôc tÝn hiÖu biến đổi giá trị Mỗi giá trị tín hiệu số phải biểu thị bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giátrị này là nhỏ đ−ợc chän NghÜa lµ nÕu dïng tÝn hiÖu sè biÓu thÞ ®iÖn ¸p lÊy mÉu, th× tÊt ph¶i bắt điện áp lấy mẫu hoá thân thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị Qu¸ tr×nh nµy lµ qu¸ tr×nh l−îng tö ho¸ §¬n vÞ ®−îc chän theo quy định này gọi là đơn vị l−ợng tử, ký hiệu là Δ Rõ ràng, giá trị bit LSB tÝn hiÖu sè b»ng Δ ViÖc dïng m∙ nhÞ ph©n biÓu thÞ gi¸ trÞ tÝn hiÖu sè lµ m∙ ho¸ M∙ nhÞ ph©n cã ®−îc sau qu¸ tr×nh trªn chÝnh lµ tÝn hiÖu ®Çu chuyển đổi t−ơng tự - số TÝn hiÖu t−¬ng tù lµ liªn tôc th× kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i lµ béi sè nguyên lần Δ, đó ta không tránh khỏi sai số l−ợng tử hoá Tồn cách khác phân chia các mức l−ợng tử dẫn đến sai số l−îng tö ho¸ kh¸c Giá trị chuyển đổi tín hiệu điện áp l−ợng tử từ ữ 1V thành tín hiệu sè nhÞ ph©n bit NÕu chän Δ = V đồng thời quy định điện áp t−ơng tự 8 ph¹m vi tõ ÷ V , xem nh− lµ × Δ th× tÝn hiÖu sè t−¬ng øng lµ 000 T−¬ng tù, ®iÖn ¸p t−¬ng øng tõ V ÷ V lµ × Δ, t−¬ng øng víi 001 v.v 8 Theo cách phân chia mức l−ợng tử đó, ta có hình 8.5a 240 1V 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 ⎫ ⎬ 111 ⎭ ⎫ ⎬ 110 ⎭ ⎫ ⎬ 101 ⎭ ⎫ ⎬ 100 ⎭ ⎫ ⎬ 011 ⎭ ⎫ ⎬ 010 ⎭ ⎫ ⎬ 001 ⎭ ⎫ ⎬ 000 ⎭ 7Δ = 7/8V 6Δ = 6/8V 5Δ = 5/8V Δ = 4/8V 3Δ = 3/8V 2Δ = 2/8V 1Δ = 1/8V 0Δ = 0/8V 1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15 3/15 1/15 ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ 111 7Δ = 14/15V 110 6Δ = 12/15V 101 5Δ = 10/15V 100 4Δ = 8/15V 011 3Δ = 6/15V 010 2Δ = 4/15V 001 1Δ = 2/15V 000 0Δ = (b) (a) H×nh 8.5 Hai ph−¬ng ph¸p ph©n chia møc l−îng tö Δ⎞ ⎛ V ⎜ ÷ ⎟ t−¬ng øng 000 15 ⎝ 2⎠ t−¬ng øng 001 v.v - §iÖn ¸p t−¬ng tù V÷ 15 15 Quy định: - Điện áp t−ơng tự ữ Sai số cực đại ph−ơng pháp này là Δ = V 15 Ph−¬ng ph¸p ph©n chia møc l−îng tö cã thÓ gi¶m nhá h¬n sai sè l−îng tö Chän Δ = V h×nh 8.5b 15 M¹ch lÊy mÉu vµ gi÷ mÉu H×nh 8.6 giíi thiÖu IC lÊy mÉu, gi÷ mÉu LF-198 Trong mạch gồm khuếch đại thuật toán, S là chuyển mạch điện tö, L lµ m¹ch ghÐp ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch S Tín hiệu điều khiển Uđk = 1, chuyển mạch S đóng, Uđk = 0, chuyển mạch S ng¾t 241 Khi S đóng khuếch đại R1 30K thuật toán hoạt động chế độ lặp lại (hệ số khuếch đại điện áp b»ng 1) U r = U O = U V Tô ®iÖn CK D1 − UV mắc nối tiếp với R2 và nối đất có + D2 − Uo S + Ur R2 300 Ω U ®k L ®iÖn ¸p b»ng UV Khi U®k = th× S ng¾t, ®iÖn ¸p trªn tô vµ ®iÖn ¸p ®−îc tr× CK H×nh 8.6 M¹ch ®iÖn cña IC LF-198 lÊy mÉu - §iÖn ¸p lèi vµo UV cã thÓ biÕn gi÷ mÉu thiên đáng kể tr−ớc S đ−ợc đóng trở lại cho lần lấy mẫu Do đó điện áp UO có thể biến thiªn rÊt lín vµ ë mét hai tr¹ng thái b∙o hòa khuếch đại thuật toán v−ợt quá khả chịu điện áp chuyển mạch S đóng trở lại Đồng thời, khuếch đại thuật toán làm việc chế độ b∙o hòa làm việc tần số thấp Do đó đ−a thêm diode D1, D2 làm nhiệm vụ nối mạch hồi tiếp âm khuếch đại thuËt to¸n thø nhÊt vµ ®iÖn ¸p U o = U V ± 0,6 V sÏ kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm trªn Khi chuyển mạch S đóng điện áp đặt lên diode không, vì chóng cã ®iÖn trë lín, kh«ng cã t¸c dông lÊy mÉu 8.1.4 Các ph−ơng pháp biến đổi t−ơng tự - số Ph©n lo¹i Có nhiều cách phân loại các loại biến đổi t−ơng tự - số Cách phân loại hay dùng là cách phân loại quá trình biến đổi mặt thời gian Nó cho phép phán đoán cách tổng quát tốc độ chuyển đổi Theo cách phân loại này ng−ời ta phân biệt ph−ơng pháp biến đổi AD sau ®©y: - Biến đổi song song Trong ph−ơng pháp biến đổi song song, tín hiệu ®−îc so s¸nh cïng mét lóc víi nhiÒu gi¸ trÞ chuÈn TÊt c¶ c¸c bit ®−îc xác định đồng thời và đ−a đến đầu 242 - Biến đổi nối m∙ đếm đây quá trình đ−ợc thực lần l−ợt b−ớc theo quy luật m∙ đếm Kết chuyển đổi đ−ợc xác định cách đếm số l−ợng giá trị chuẩn biểu diễn giá trị tín hiệu t−ơng tự cần chuyển đổi - Biến đổi nối m∙ nhị phân Quá trình so sánh đ−ợc thực lần l−ợt b−ớc theo quy luật m∙ nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật m∙ nhị phân, đó các bit đ−ợc xác định lần l−ợt từ bít có trọng số lớn (MSB) đến bít có trọng số nhỏ (LSB) - Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong ph−ơng pháp này b−ớc so sánh có thể xác định đ−ợc tối thiểu là bit đồng thời C¸c m¹ch thùc tÕ lµm viÖc theo nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau, nh−ng có thể xếp vào loại trên Chuyển đổi A/D theo ph−ơng pháp song song Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp song song đ−ợc tr×nh bµy trªn h×nh 8.7 o UCB UA o −S + FF − S2 + FF R UD o B1 o B2 R M· − S3 + R − Sn + hãa FF FF o B3 o Bn UG R o Xung nhÞp Hình 8.7 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp song song Trong ph−ơng pháp chuyển đổi song song, tín hiệu t−ơng tự UA đ−ợc đồng thời đ−a tới các so sánh S1 ữ S m Điện áp chuẩn đ−ợc đ−a tới đầu vào thứ hai các so sánh, thông qua thang điện trở R Do đó các điện áp chuẩn đặt vào so sánh lân cận khác l−ợng không 243 đổi và giảm dần từ S1 đến Sm Đầu so sánh có điện áp vào lớn h¬n ®iÖn ¸p chuÈn lÊy trªn thang ®iÖn trë cã møc l«gic “1”, c¸c ®Çu cßn l¹i cã møc l«gic “0” TÊt c¶ c¸c ®Çu ®−îc nèi víi m¹ch AND (vµ), mét ®Çu vµo m¹ch AND ®−îc nèi víi xung nhÞp chØ cã xung nhÞp ®−a đến đầu vào mạch AND thì các xung trên đầu mạch so sánh đ−a tíi m¹ch nhí FF (Flip - Flop) Nh− vËy cø sau mét kho¶ng thêi gian b»ng mét chu kú cña xung nhịp lại có tín hiệu đ−ợc biến đổi và đ−a tới đầu Xung nhịp đảm b¶o cho qu¸ tr×nh so s¸nh kÕt thóc míi ®−a tÝn hiÖu vµo bé nhí Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh, vì quá trình so s¸nh ®−îc thùc hiÖn song song, nh−ng m¹ch phøc t¹p víi sè linh kiÖn quá lớn Với chuyển đổi N bit để phân biệt đ−ợc 2N mức l−ợng tử hóa ph¶i dïng (2N -1) bé so s¸nh V× vËy ph−¬ng ph¸p nµy chØ dïng c¸c ADC yêu cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp phân đoạn bit (chuyển đổi nối m∙ nhị phân) Mạch chuyển đổi theo ph−ơng pháp này có số tầng số bit tÝn hiÖu sè ë lèi h×nh 8.8 Mçi tÇng cho mét bit Ph−¬ng ph¸p ph©n ®o¹n ®−îc tiÕn hµnh nh− sau: Gi¶ sö tÝn hiÖu vµo biến đổi phạm vi từ ữ UA max Chia dải làm việc hai phần nhau, lúc đó gianh giới hai phần là U A max Tín hiệu cần biến đổi uA đ−ợc so sánh với mức U A max U NÕu u A (1) < A max 2 th× lèi B1 = 0, ng−îc l¹i nÕu u A (1) ≥ U A max U th× B1 = VËy ®iÖn ¸p A max chÝnh lµ ®iÖn ¸p 2 chuẩn biến đổi DA bit (nó là so sánh) Tín hiệu số ứng víi bit thø nhÊt B1 mét mÆt ®−îc ®−a chØ thÞ, mét mÆt ®−îc ®−a vµo biến đổi ng−ợc DA Trên đầu của biến đổi DA bit là tín hiÖu t−¬ng tù øng víi bit cã nghÜa (cã träng sè) lín nhÊt Khi B1 = th× tÝn hiÖu t−¬ng tù t−¬ng øng víi nã U A' (1) = , cßn B1 = th× U A (1) = ' 244 U A max M¹ch trõ cho gi¸ trÞ hiÖu gi÷a tÝn hiÖu vµo U A (1) vµ tÝn hiÖu t−¬ng tù øng víi bit thø nhÊt Đây chính là điện áp d− tín hiệu t−ơng tự sau đ∙ chuyển đổi thành tín hiệu số bit thứ Điện áp d− này đ−a đến tầng thứ hai để tiếp tục xác định bit cách so sánh nó với điện áp chuẩn b»ng nöa ®iÖn ¸p chuÈn cña m¹ch so s¸nh bÝt ®Çu tiªn cã gi¸ trÞ U A max T−ơng tự nh− để xác định bit thứ ba phải có điện áp chuẩn để so s¸nh b»ng U U A max , vµ bit thø N cã U chN = A Nmax (2 ) Tuy nhiên để thay cho việc giảm dần trị số điện áp chuẩn tầng tiếp theo, theo bội số 2, ng−ời ta nhân đôi các điện áp d− sau tầng, lúc đó ng−ời ta giữ nguyên điện áp chuẩn cho tất các tầng U A max Bằng cách đó có thể tiết kiệm đ−ợc nguồn điện áp chuẩn, nh−ng sai số biên độ tăng gấp đôi tín hiệu qua tầng Do đó yêu cầu c¸c tÇng lµm viÖc ph¶i chÝnh x¸c So với ph−ơng pháp song song, ph−ơng pháp này để xác định N bit cÇn N bé so s¸nh (Ýt m¹ch so s¸nh h¬n) Tuy nhiên mạch ít đ−ợc dùng thực tế, nh−ng là số để phân tÝch vµ x©y dùng ph−¬ng ph¸p kh¸c B2 B1 UA(1) AD bit DA bit U’A(1) UA(2) M¹ch hiÖu TÇng M¹ch đệm AD bit DA bit U’A(2) M¹ch hiÖu M¹ch hiÖu TÇng Hình 8.8 Sơ đồ khối chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp phân đoạn bit Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp đếm đơn giản Hình 8.9 trình bày sơ đồ nguyên tắc ADC làm việc theo ph−ơng pháp đếm đơn giản Hình 8.10 Giản đồ thời gian điện áp các khối h×nh 8.9 245 o + SS1 USS1 − UC UA UD T¹o ®iÖn ¸p r¨ng c−a + o − SS2 USS2 UG (1) (2) o Xung nhÞp Bé đếm o o o Hình 8.9 Sơ đồ nguyên tắc ADC làm việc theo ph−ơng pháp đếm đơn gi¶n §iÖn ¸p vµo UA ®−îc so s¸nh víi UC ®iÖn ¸p chuÈn r¨ng c−a UC nhê bé so UA s¸nh SS1 Khi U A > U C th× USS1 = 1, U A < U C th× USS1 = t o USS1 Bé so s¸nh SS2 so s¸nh ®iÖn ¸p c−a với mức 0V (đất), đó cã ®iÖn ¸p r¨ng c−a USS2 = 1, o USS2 kh«ng cã th× USS2 = USS2 vµ USS2 ®−îc đ−a đến lối vào mạch AND t o t UG Xung UG có độ rộng tỉ lệ với độ lín cña ®iÖn ¸p vµo UA, gi¶ thiÕt o t xung chuẩn dạng c−a có độ dốc không đổi Mạch AND thứ hai cho c¸c xung nhÞp tån t¹i Hình 8.10 Giản đồ thời gian điện áp cña c¸c khèi h×nh 8.9 xung UG, nghÜa lµ kho¶ng thời gian < U C < U A Mạch đếm, đếm sè xung nhÞp thêi gian tån t¹i UG mét chu kú cña xung r¨ng c−a §−¬ng nhiªn sè xung nµy tỉ lệ với độ lớn UA Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp tích phân hai s−ờn dốc Mạch điện trên hình 8.11 minh họa nguyên tắc hoạt động ADC theo ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n hai s−ên dèc Khi l«gic ®iÒu khiÓn cho khãa 246 K vị trí thì UA (điện áp t−ơng tự cần chuyển đổi) nạp điện cho tụ C th«ng qua ®iÖn trë R Gi¶ thiÕt thêi gian n¹p cho tô lµ t1, ta cã ®iÖn ¸p trªn tô sau thêi gian t1, ta cã: U C' ( t1) = UA t1 RC (8.5) Theo (8.5) U C' (t1) tØ lÖ víi UA Tùy theo UA lớn hay bé, đặc truyến U C' (t ) có độ dốc khác nh− trªn h×nh 8.12 C R K UA Uc + SS + A1 A2 Uch UD §Õm M¹ch logic Bộ đếm Zo AND Xung nhÞp Hình 8.11 Sơ đồ nguyên lý ADC làm việc theo ph−ơng pháp tÝch ph©n s−ên dèc Trong thời gian t1, đếm Zo đếm U C' c¸c xung nhÞp HÕt thêi gian t1 khãa K U C' ®−îc m¹ch l«gic ®iÒu khiÓn sang vÞ trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch lôgic còng ®−îc ®−a tíi m¹ch “AND”, lµm cho m¹ch “AND” cho c¸c xung nhÞp ®i UA t1 t t 2' t 2'' qua Tại thời điểm này mạch đếm đầu bắt đầu đếm, đồng thời mạch H×nh 8.12 §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p đếm Zo đ−ợc mạch lôgic điều khiển vÞ trÝ nghØ Khi K ë vÞ trÝ 2, ®iÖn ¸p Uch b¾t ®Çu n¹p cho tô C theo chiÒu ng−îc l¹i, ph−¬ng tr×nh n¹p: 247 UC'' = − Uch t RC (8.6) Sau mét kho¶ng thêi gian t2 U C'' = − U ch t RC (8.7) Gi¶ thiÕt sau thêi gian t2 th× U C'' = U C' , nghÜa lµ ®iÖn ¸p UC trªn tô C b»ng kh«ng Thay biÓu thøc (8.5) vµo (8.7) ta cã: UA U t1 = ch t RC RC HoÆc t2 = UA t1 RC (8.8) Mặt khác có thể xác định đ−ợc số xung mạch đếm Zo thời gian t1 Z o = t1 f n (8.9) Trong đó f n là tần số d∙y xung nhịp Tõ biÓu thøc (8.9) suy ra: t1 = Zo fn (8.10) Thay biÓu thøc (8.10) vµo (8.8) ta ®−îc: t2 = U A Zo U ch f o (8.11) Do đó số xung nhịp đếm đ−ợc nhờ mạch đếm đầu khoảng thêi gian t2: Z = t2 fn = UA Z o U ch (8.12) Sau thời gian t2 mạch đếm bị ngắt vì UC = 0, và mạch lôgic khóa cổng “AND” Quá trình đ−ợc lặp lại chu kì chuyển đổi Theo biểu thức (8.12) ta thấy, số xung đếm đầu tỉ lệ với điện áp t−ơng tự UA cần chuyển đổi đây kết đếm không phụ thuộc vào c¸c th«ng sè RC cña m¹ch vµ còng kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè xung nhịp f n , nh− ph−ơng pháp đếm đơn giản Vì kết chuyển đổi 248 khá chính xác, và để tăng độ chính xác không cần chọn f n cao Tuy nhiên tần số f n phải ổn định cao Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp xấp xỉ tiệm cận Hình 8.13 là sơ đồ khối ADC xấp xỉ Uv Uo tiệm cận Trong sơ đồ này có các khèi sau: Bé so s¸nh (COM), DAC, ®iÖn §iÖn ¸p chuÈn DAC COM ¸p chuÈn, bé nhí xÊp xØ tiÖm cËn, lôgic điều khiển, tín hiệu đồng hồ (CLOCK) v.v Tr−íc thùc hiÖn chuyển đổi AD, nhớ phải bị xóa Bắt đầu chuyển đổi, xung đồng hồ Bé nhí xÊp xØ tiÖm cËn TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn CON V chuyển đổi Ra sè liÖu song song CLOCK H×nh 8.13 ADC xÊp xØ tiÖm cËn lËp bit MSB bé nhí ë møc 1, sè liÖu cña bé nhí lµ 100 TÝn hiÖu số này đ−ợc DAC chuyển đổi thành ®iÖn ¸p t−¬ng tù t−¬ng øng Uo Bé so s¸nh, so s¸nh UV vµ Uo NÕu U o > U V , tÝn hiÖu sè qu¸ lín th× bit MSB bÞ xãa vÒ NÕu U o < U V , tÝn hiÖu sè vÉn cßn bÐ th× bit MSB tr× gi¸ trị Tiếp theo, ph−ơng pháp nh− trên, xung đồng hồ tiếp lập bit có trọng số bé mức 1, sau so sánh, mạch xác định giá trị này có trì hay không Cứ tiếp tục m∙i đến bit LSB thì xong Sau quá tr×nh so s¸nh tÊt c¶ c¸c bit, d÷ liÖu bé nhí chÝnh lµ tÝn hiÖu sè mong muèn Chuyển đổi t−ơng tự số phi tuyến Theo biểu thức 8.2 ta thấy sai số tuyệt đối biến đổi AD không đổi, còn sai số t−ơng đối nó tăng biên độ tín hiệu vào giảm Nên muốn cho sai số t−ơng đối không đổi toàn dải biến đổi điện áp vào thì đặc tuyến truyền đạt biến đổi phải có dạng lôga (hình 8.14(a)) cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi dải biến đổi điện áp vào Điện thoại số, sử dụng kĩ thuật PCM (điều chế xung m∙), đ∙ dùng l−ợng tử hóa phi tuyến chuyển đổi t−ơng tự số Nhờ đó âm nhỏ không bị tạp âm lấn át và đó là cách làm cho quá trình l−ợng tử hóa thích ứng với đặc tính tai ng−ời Ngoài l−ợng tử hóa phi tuyến th−ờng dùng biến đổi AD bit (còn 249 l−ợng tử hóa tuyến tính dùng biến đổi AD 12bit) đó l−ợng tử hóa phi tuyÕn t¨ng dung l−îng kªnh tho¹i, gi¶m sè bit nh−ng vÉn cïng chÊt l−îng th«ng tin nh− l−îng tö hãa tuyÕn tÝnh §Ó cã tÝn hiÖu trung thực nh− ban đầu, biến đổi DA theo ph−ơng pháp này phải có cấu tạo cho đặc tuyến biến đổi ng−ợc nó có dạng hàm mũ hình 8.14(b) UD UA UA a) UD b) Hình 8.14 Đặc tính biến đổi phi truyến ; (a) biến đổi AD; (b) biến đổi DA Đặc tr−ng biến đổi AD th−ờng dùng hàm số: y= Trong đó ln(1 + μx ) ln(1 + μ ) x= UA UD ; y= U U A max D max Theo biÓu thøc (8.13) y = x = vµ y = x = §é dèc y’ t¹i x = 0: 250 (8.13) y' x=0 = μ y ln(1 + μ ) 1,0 H×nh 8.15 biÓu diÔn hµm sè 0,9 μ = 100 So víi ®−êng 0,8 nµy víi 0,7 đặc tr−ng y = x thì đ−ờng cong với biểu thức (8.13) có độ dốc lớn 0,5 gấp đôi gốc tọa độ Do đó, 0,4 tín hiệu nhỏ, đ−ờng đặc 0,3 tính có các bậc thang biến đổi y= 0,6 ln(1 + μx ) ln(1 + μ ) y=x 0,2 0,1 dµy h¬n TØ sè tÝn hiÖu t−¬ng øng trªn t¹p ©m tÝnh ®−îc lµ 6dB Nếu đ−ờng đặc tính có độ dốc gốc tọa độ y’ = 21,7 dB Thực tÕ rÊt khã t¨ng hÖ sè μ , v× 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x H×nh 8.15 D¹ng ®−êng cong y= ln(1 + μx ) ln(1 + μ ) víi μ = 100 đ−ờng đặc tính càng cong thì viÖc thùc hiÖn hai ®−êng cong biến đổi AD và DA có dạng nh− nhau, biến đổi ng−ợc có độ dèc t−¬ng øng rÊt phøc t¹p Trong thực tế để đơn giản, ng−ời ta chia đ−ờng đặc tính truyền đạt 1⎞ ⎛ thành hai đoạn có độ dốc khác nhau: với tín hiệu bé ⎜ x < ⎟ dùng hàm A⎠ ⎝ sè y1 = + ln Ax Ax vµ víi tÝn hiÖu lín dïng hµm sè y = Theo nguyªn + ln A + ln A tắc đó, ng−ời thực đ−ờng đặc tính gồm 13 đoạn: đoạn ứng với x > 0, đoạn x < và đoạn thứ 13 qua gốc tọa độ có y max = 2,8 251 Trªn h×nh 8.16 c¸c ®o¹n kÒ có độ dốc kém lần Bằng cách đó có thể tạo ADC bit, đó bit để cực tính điện áp vào, bit để biểu diễn tín hiệu có dải biến đổi §é dèc 1/4 1/2 24 16 32 Sè møc 128 64 ®iÖn ¸p vµo lín gÊp 256 lÇn Hình 8.16 Đặc tính truyền đạt với ®o¹n nhá nhÊt, nghÜa lµ so víi ADC l−îng tö hãa tuyÕn tÝnh, sè phi tuyÕn dïng thùc tÕ bit gi¶m mét nöa §Ó truyÒn tÝn hiÖu ©m thanh, ng−êi ta th−êng dïng m∙ bit B»ng c¸ch chia mçi ®o¹n ë trªn thµnh 16 phÇn nhá, ta ®−îc bit mong muèn 8.2 Chuyển đổi số - t−ơng tự Chuyển đổi số - t−ơng tự là quá trình tìm lại tín hiệu t−ơng tự từ N số hạng (N bit) đ∙ biết tín hiệu số với độ chính xác là mức l−ợng tử tức là LSB Hình 8.17 trình bày sơ đồ khối để biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu t−ơng tự, qua mạch lọc thông thấp để thu đ−ợc tín hiÖu ban ®Çu: Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số - t−ơng tự là quá trình biến đổi DA ta có tín hiệu lÊy mÉu vµ gi÷ mÉu lµ tÝn hiÖu hình bậc thang Sau đó qua läc th«ng thÊp, ®−îc tÝn hiÖu uD Bé läc th«ng thÊp DAC Hình 8.17 Sơ đồ khối biểu diễn quá trình biến đổi số thành tín hiệu t−ơng tù ban ®Çu t−¬ng tù uA 8.2.1 Các thông số biến đổi DAC §é ph©n gi¶i 252 uA Độ phân giải là tỉ số giá trị cực tiểu giá trị cực đại ®iÖn ¸p ®Çu ra, vÒ trÞ sè tØ sè nµy t−¬ng øng víi tØ sè gi¸ trÞ cùc tiÓu giá trị cực đại tín hiệu số đầu vào Thí dụ DAC 10 bit, có độ phân giải là: 0000000001 1 = 10 = ≈ 0,001 1111111111 − 1023 (8.14) §é ph©n gi¶i cña DAC còng cã thÓ biÓu thÞ b»ng sè bit tÝn hiÖu sè ®Çu vµo §é tuyÕn tÝnh §é tuyÕn tÝnh cña DAC biÓu thÞ b»ng sai sè phi tuyÕn Sai sè phi tuyến là số phần trăm giá trị lệch cực đại khỏi đặc tính vào lý t−ởng so với giá trị cực đại đầu Độ chính xác chuyển đổi Độ chính xác chuyển đổi xác định sai số chuyển đổi tĩnh cực đại Sai số này phải bao gồm sai số phi tuyến, sai số hệ số tỉ lệ và sai số trôi v.v, tài liệu kỹ thuật đôi ng−ời ta cho riêng sai số trªn mµ kh«ng cho sai sè tæng hîp Thêi gian x¸c lËp dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p ®Çu Thời gian xác lập, là thời gian từ tín hiệu số đ−ợc đ−a vào đến dòng điện điện áp đầu ổn định Ngoµi c¸c tham sè trªn cßn mét sè tham sè kh¸c nh−: c¸c møc lôgic cao, thấp, điện trở và điện dung đầu vào Dải động, điện trở và ®iÖn dung ®Çu v.v 8.2.2 Các chuyển đổi DAC Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T Hình 8.18 là sơ đồ DAC điện trở hình chữ T Hai loại giá trị điện trở R vµ 2R ®−îc m¾c thµnh cùc h×nh ch÷ T nèi d©y chuyÒn S3, S2, S1, So lµ chuyÓn m¹ch t−¬ng tù 253 Bªn ph¶i h×nh cã 3R bé khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuật toán u ref là điện 2R R B 2R R C 2R - R D 2R IR 2R Ui A It + 2R Uo ¸p chuÈn tham chiÕu, d3, d2, So S1 A B d1, lµ m∙ nhÞ ph©n bit ®Çu vµo uo lµ ®iÖn ¸p ®Çu C¸c S2 S3 C D Uref chuyÓn m¹ch S3, S2, S1, So ®−îc LSB d1 d2 d3 MSB ®iÒu khiÓn bëi c¸c tÝn hiÖu sè t−¬ng øng d3, d2, d1, Khi d1 H×nh 8.18 DAC ®iÖn trë h×nh ch÷ T = th× S1 nèi víi u ref , d1 = thì S1 nối đất a) Nguyên lý hoạt động Để giải thích nguyên lý hoạt động sơ đồ hình 8.18, chúng ta đơn gi¶n hãa mang ®iÖn trë h×nh ch÷ T Nếu d3, d2, d1, = 0001 thì có So đầu nối với u ref , còn d3, d2, d1 nối đất áp dụng định lý Thevenin đơn giản hóa mạch từ AA sang ph¶i Ta thÊy cø qua mçi m¾t m¹ch (A, B, C, D) th× ®iÖn ¸p suy gi¶m ®i mét nöa VËy nÕu uref nèi vµo So th× trªn ®Çu DD chØ cßn uref 24 Cïng víi ph−¬ng ph¸p trªn, xÐt tõng S3, S2, S1 nèi víi uref th× trªn ®Çu DD t−¬ng øng (d3, d2, d1, = 0010, 0100, 1000) cã c¸c ®iÖn ¸p uref , uref 2 , uref 21 §iÖn trë t−¬ng ®−¬ng cña m¹ch bªn tr¸i DD bao giê còng lµ R áp dụng nguyên lý chồng chất các giá trị điện áp trên, ta có mạch t−ơng đ−ơng mạng điện trở hình chữ T trên hình 8.19.b đó điện trở nội t−ơng đ−ơng là R, sức điện động nguồn t−ơng đ−ơng là ue: ue = uref (d 3 + d 2 + d1 21 + d o o ) (8.15) Hình 8.19.c là sơ đồ t−ơng đ−ơng toàn mạch, theo lý thuyết mạch khuếch đại thuật toán, ta có điện áp t−ơng tự đầu uo là: 254 uo = − ue = − uref 24 (d 32 + d 2 + d1 + o ) (8.16) Biểu thức 8.17 chứng tỏ biên độ điện áp t−ơng tự đầu tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào Có thể thấy rằng, DAC ®iÖn trë h×nh ch÷ T n bit th× ®iÖn ¸p t−¬ng tù ë ®Çu uo lµ: uref uo = A B 2n C D R R (d n −1 n −1 + d n − 2 n − + + d + d o o ) (8.17) Ui R 2R 2R 2R 2R 2R 3R Ui R R 2R uref Ui A B C D A B C D R R Ue Ue Uo + (c) (b) R - R H×nh 8.19 M¹ch t−¬ng ®−¬ng cña m¹ch U ref A U ref 2 U ref B U ref C D (a) ®iÖn h×nh 8.18: M¹ng ®iÖn trë h×nh ch÷ T d3, d2, d1, = 0001 (a); m¹ch t−¬ng ®−¬ng cña m¹ng ®iÖn trë h×nh ch÷ T (b); M¹ch t−¬ng ®−¬ng cña m¹ch h×nh 8.18 (c) b) Sai số chuyển đổi Các nguyên nhân dẫn đến sai số DAC hình chữ T là: - Sai lÖch cña ®iÖn ¸p chuÈn tham chiÕu uref - Sai lệch điểm không khuếch đại thuật toán - §iÖn ¸p sôt trªn ®iÖn trë tiÕp xóc cña tiÕp ®iÓm chuyÓn m¹ch - Sai sè cña ®iÖn trë Trong trạng thái động có thể mạng điện trở hình chữ T nh− d∙y truyÒn dÉn VËy c¸c tÝn hiÖu xung sinh t¹i c¸c chuyÓn m¹ch cã thời gian truyền dẫn đến khuếch đại thuật toán không nh− Do đó sinh các xung nhọn biên độ đáng kể đầu Lại thêm sai sè thêi gian chuyÓn m¹ch cã thÓ kÐo dµi thêi gian tr× xung nhän Trong trạng thái động, giá trị tức thời điện áp t−ơng tự đầu có thể lớn nhiều so với giá trị ổn định, nghĩa là sai số động có thể lớn Giá trị đỉnh xung nhọn sinh tr−ờng hợp bit có trọng 255 sè lín nhÊt c¸c tÝn hiÖu sè ®Çu vµo tõ chuyÓn sang 1, cßn tÊt c¶ c¸c bit kh¸c vÉn ë Lóc nµy gi¸ trÞ ®iÖn ¸p tøc thêi ë ®Çu b»ng gi¸ trÞ điện áp t−ơng tự đầu chuyển đổi DA tín hiệu số lớn (các bit là 1) Để khử bỏ ảnh h−ởng sai số động, ta có thể dùng mạch giữ mẫu ë ®Çu cña DAC (xem phÇn m¹ch lÊy mÉu, gi÷ mÉu) H¬n n÷a thêi gian lấy mẫu, chọn sau đ∙ kết thúc quá trình quá độ Khi đó lúc lấy mẫu, thì xung nhọn đ∙ qua rồi, nên sai số không ảnh h−ởng đến mẫu n÷a c) Tốc độ chuyển đổi DAC h×nh ch÷ T c«ng t¸c song song (c¸c bit tÝn hiÖu sè ®Çu vµo, đ−ợc đ−a vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao Thời gian cần thiết cho lần chuyển đổi gồm hai đoạn: thời gian trễ bit tín hiệu vào xa nào đó đến khuếch đại thuật toán và thời gian cần thiết để khuếch đại thuật toán ổn định tín hiệu Hiện IC đơn chíp DAC từ 10 ữ 12 bit có thời gian chuyển đổi cỡ vài μs, đó thời gian trễ truyền đạt không quá 1μs Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T đảo Hình 8.20 trình bày sơ đồ DAC điện trở hình chữ T đảo §Ó tr¸nh khái c¸c xung LSB nhän xuÊt hiÖn qu¸ d1 MSB d3 d2 R I1 - trình động DAC điện trë h×nh ch÷ T , nhê vËy n©ng cao ®−îc tèc độ I/16 2R chuyển đổi, ta tìm cách tr× dßng ®iÖn qua mçi nh¸nh m¹ng lµ không đổi Dù tín hiệu số ®Çu vµo lµ hay lµ th× dßng ®iÖn ch¹y qua nhánh t−ơng ứng với bit đó không đổi 256 S2 S1 So I/16 2R I/8 2R R R + S3 I/4 I/2 2R 2R R Uref Hình 8.20 DAC điện trở hình chữ T đảo Uo VËy lµ cã thÓ lo¹i trõ c¬ b¶n nguyªn nh©n t¹o xung nhän H×nh 8.20 giới thiệu mạch điện đảm bảo mục đích đó Chúng ta gọi mạch hình 8.20 là DAC điện trở hình chữ T đảo NÕu bit bÊt kú cña tÝn hiÖu sè ®Çu vµo lµ th× chuyÓn m¹ch t−¬ng ứng nối điện trở nhánh xét vào đầu đảo khuếch đại thuật toán, bit là thì chuyển mạch nối điện trở xuống đất Vậy dù trạng thái tín hiệu đầu vào nào thì dòng điện nhánh giữ không đổi Dòng điện tổng lấy từ nguồn điện áp chuẩn đó không đổi: I= uref R Do đó có điện áp đầu ra: uo = − I R = − uref 24 (d 32 + d 2 + d1 + d o o ) (8.18) Tøc lµ ®iÖn ¸p t−¬ng tù ®Çu tØ lÖ víi víi gi¸ trÞ tÝn hiÖu sè ®Çu vào Ưu điểm bật mạch này là tốc độ cao, và xung nhọn đầu quá trình động là nhỏ Dòng điện các nhánh mạng điện trở hình chữ T đảo nối trùc tiÕp vµo ®Çu vµo cña bé khuếch đại thuật toán; vì không có sai lệch thời gian truyền đạt chúng, tức là giảm nhỏ sai số trạng thái động Trong quá trình chuyển đổi trạng thái, dòng điện nhánh không đổi, không cần thêi gian kiÕn lËp vµ ng¾t bá cña dßng ®iÖn (c¸c chuyÓn m¹ch t−¬ng tù nói chung công tác theo yêu cầu tr−ớc thông sau ngắt chuyển đổi trạng thái) Vì nguyên nhân trên đây, mạch DAC điện trở hình chữ T đảo là mạch có tốc độ chuyển đổi DA hạng cao Sai số tĩnh mạch điện trở hình chữ T đảo giống nh− mạch ®iÖn trë h×nh ch÷ T trªn ®©y 257 ch−¬ng Nguån nu«i mét chiÒu Nguån nu«i mét chiÒu lµ cÇn thiÕt cho mäi thiÕt bÞ ®iÖn tö Trõ mét sè tr−êng hîp c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö ®−îc thiÕt kÕ chØ dïng c¸c nguån ®iÖn ho¸ nh− pin, ¾c-quy; nhiÒu tr−êng hîp nguån nu«i mét chiÒu đ−ợc tạo cách biến đổi và chỉnh l−u dòng điện xoay chiều 50 Hz tõ m¹ng ®iÖn c«ng nghiÖp thµnh phè Nh− t¹i ch−¬ng vÒ m¹ch chØnh l−u dùng diode bán dẫn đ∙ nói, có gợn sóng biên độ gây biến đổi giá trị tức thời nguồn điện áp xoay chiều nên cần có lọc thông thấp để san gợn sóng Cũng thăng giáng nguồn điện vào và thăng giáng tải cùng các biến động khác nên muốn có đ−ợc điện áp nguồn ổn định thì phải thiết kế thêm các mạch ổn áp (hoặc ổn dòng) để bù trừ các biến động này Sơ đồ khối nguồn nu«i mét chiÒu nãi chung ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 9.1 220 V~ BiÕn ¸p ChØnh l−u Läc M¹ch æn ¸p Läc T¶i Hình 9.1 Sơ đồ khối nguồn nuôi có ổn áp Biến áp là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều lối vào (thí dụ, 220V~) thành điện áp xoay chiều lối có biên độ cần thiết M¹ch chØnh l−u cã nhiÖm vô chuyÓn ®iÖn ¸p xoay chiÒu bªn thø cÊp biến áp thành điện áp chiều có biên độ biến đổi mấp mô M¹ch läc th«ng thÊp san b»ng c¸c mÊp m«, chÆn c¸c thµnh phÇn sóng xoay chiều và cho thành phần chiều có biên độ không đổi đến tải Bộ ổn áp (hoặc ổn dòng) có nhiệm vụ làm ổn định điện áp (hoặc dòng điện) lối trên hai đầu tải cho dù các điện áp tr−ớc đó hay trở tải thay đổi giới hạn nào đó D−íi ®©y sÏ ®iÓm qua mét sè lo¹i nguån nu«i vµ m¹ch æn ¸p 9.1 C¸c bé chØnh l−u kh«ng ®iÒu khiÓn 9.1.1 C¸c bé chØnh l−u th«ng th−êng 251 C¸c bé chØnh l−u mét nöa chu kú vµ hai nöa chu kú ®∙ ®−îc tr×nh bày ch−ơng Hình 9.2 là các sơ đồ chỉnh l−u thông dụng Bộ chØnh l−u nöa chu kú h×nh 9.2.a ®∙ ®−îc tr×nh bµy t¹i ch−¬ng NÕu ®iÖn trở tải đủ lớn thì thế đỉnh (biên độ sóng sin) Nh− trên hình cho thÊy nÕu thÕ hiÖu dông xoay chiÒu ë lèi cuén thø cÊp biÕn ¸p lµ 6VAC th× thÕ trªn t¶i cì × ≈ 8,5 V mét chiÒu D¹ng sãng lèi kh«ng cã bé läc vµ cã bé läc nh− h×nh 9.2.b Bé chØnh l−u hai nöa chu kú dùng diode với biến áp có điểm nối đất (hình 9.2.c) cho phép tiết kiÖm ®−îc diode nh−ng cuén thø cÊp biÕn thÕ cuèn cã phøc t¹p h¬n cÇn ®−a ®iÓm gi÷a cña cuén d©y D¹ng sãng lèi trªn h×nh 9.2.d cho thÊy hiÖu qu¶ läc sÏ tèt h¬n lèi tån t¹i c¶ hai nöa chu kú sãng sin Thay vì cho sơ đồ hình 9.2.c th−ờng hay dùng chỉnh l−u hai nửa chu kỳ kiểu nắn cầu nh− hình 9.2.e Sơ đồ nguồn chỉnh l−u l−ỡng cực ± EC cho trªn h×nh 9.2.f D 220 V~ ThÕ chØnh l−u ch−a läc C VAC + - Thế tải đã lọc t RT ≈ 8,5VDC (b) (a) D1 ~ + - C D2 t RT (d) (c) ~ ~ + - +VC + - RT 0V + -VC (e) 252 (f) H×nh 9.2 Mét sè nguån mét chiÒu th«ng dông 9.1.2 Läc gîn sãng lèi trªn trë t¶i Trong các sơ đồ trên, điện áp trên tải là chiều nh−ng có biên độ còn biến đổi theo sóng hình sin Muốn có đ−ợc điện áp chiều có biên độ phẳng (không đổi) phải mắc song song với tải tụ điện C có điện dung đủ lớn nh− đ∙ nói ch−ơng Vì điện trở thuËn rd cña diode rÊt nhá vµ rd << RT nªn hÇu nh− tô ®−îc n¹p tíi gÇn đỉnh điện áp xoay chiều chu kỳ Tiếp đó điện áp xoay chiÒu gi¶m xuèng theo d¹ng h×nh sin vµ sang chu kú ©m (nÕu lµ chØnh l−u nöa chu kú) nªn thÕ anode cña diode trë nªn thÊp h¬n thÕ kathode (lµ thÕ trªn tô ®iÖn), vËy diode bÞ cÊm Tô lóc nµy sÏ phãng ®iÖn qua ®iÖn trë t¶i víi h»ng sè thêi gian b»ng RTC lín h¬n nhiÒu h»ng sè thêi gian n¹p §−êng phãng ®iÖn theo hµm e mò ®−îc suy gi¶m rÊt chËm cho tíi gÆp s−ên lªn cña chu kú d−¬ng sãng h×nh sin tiÕp theo Kết là ta có điện áp lối trên tải t−ơng đối phẳng nh− h×nh 9.3 Trªn h×nh còng cho thÊy dßng ®iÖn ch¶y qua diode chØ xuÊt hiÖn diode ®−îc ph©n cùc thuËn mét phÇn nhá nöa chu kỳ điện áp xoay chiều Trị trung bình dòng này định đến khả n¨ng chÞu nhiÖt cña diode vµ cµng nhá trë t¶i cµng lín NÕu nh×n nhËn theo quan ®iÓm phæ th× phæ Fourier cña ®iÖn ¸p trªn t¶i sau chØnh l−u ch−a m¾c tô ®iÖn bao gåm thµnh phÇn mét chiÒu vµ c¸c thµnh phÇn xoay chiÒu cã tÇn sè b»ng vµ lín h¬n tÇn sè m¹ng ®iÖn c«ng nghiÖp 50Hz Do vËy muèn ®iÖn ¸p nµy hoµn toµn lµ mét chiÒu th× ph¶i dïng mét m¹ch läc tÇn thÊp bao gåm c¸c phÇn tö rd, C vµ RT lµm suy gi¶m hÕt c¸c thµnh phÇn xoay chiÒu trªn 253 Với rd cố định, tích sè RTC cµng lín cµng U UT (t) U0 ΔU ThÕ trªn t¶i cã tô thu hÑp d¶i truyÒn cña m¹ch Umin quanh θ1 θ2 θ3 t thµnh phÇn mét chiÒu vµ ®iÖn ¸p cµng b»ng ph¼ng ID Trong mét sè tr−êng hîp Itb t ng−êi ta cã thÓ m¾c thªm mét sè m¹ch läc H×nh 9.3 Läc gîn sãng trªn t¶i tần thấp nữa, đặc biệt lµ m¹ch cã cuén c¶m L m¾c nèi tiÕp víi t¶i Trong kü thuËt, th−êng đánh giá phẩm chất mạch lọc chỉnh l−u tỷ số mấp mô kC ≡ ΔU ì 100% đó U0 là biên độ điện áp xoay chiều cấp cho chỉnh U0 l−u, ΔU lµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p mÊp m« trªn t¶i Theo h×nh 9.3 th× ΔU ®−îc tÝnh b»ng hiÖu cña U0 trõ ®i gi¸ trÞ sãng sin t¹i gãc pha θ øng víi thêi ®iÓm ®−êng phãng ®iÖn cña tô qua t¶i gÆp s−ên lªn cña nöa chu kú sau ®iÖn ¸p xoay chiÒu Cho gi¸ trÞ t¶i, ta cã thÓ tÝnh ®−îc ®iÖn dung C tèi thiÓu để đảm bảo tỷ số mấp mô cần thiết Thí dụ cho trở tải RT = 10 kΩ, chØnh l−u nöa chu kú vµ tû sè mÊp m« kc =1% TÝnh C ? kc = ΔU U − U sin θ = = − sin θ U0 U0 → sinθ = − k c → θ = arcsin(1 − k c ) (9.1) Tụ phóng điện qua tải từ thời điểm θ2 = π/2 đến θ3 = θ1 + 2π theo quy luật e mò: U T = U0 e − t / RC = U0 e − (θ −θ ) / ωRC = U0e − (θ + 2π −π / 2) / ωRC (9.2) T¹i gãc θ3 tho¶ m∙n c¶ hai ®−êng phãng ®iÖn d¹ng e mò vµ ®−êng sin, cã ph−¬ng tr×nh: U0e − (θ + 3π / ) / ωRC = U0 sinθ1 (9.3) 3π C=− 2π f R ln(1 − k c ) arcsin(1 − k c ) + Tõ ®©y tÝnh ®−îc: (9.4) 254 Thay c¸c sè vµo cã: C=− arcsin(1 − 0,01) + 3π / 2π 50.10 ln(1 − 0,01) = 120.10 − F = 120 μF Víi tr−êng hîp chØnh l−u hai nöa chu kú, thay gãc θ3 = θ1 + π ta sÏ tÝnh ®−îc C = 95 μF 9.1.3 C¸c bé chØnh l−u béi ¸p Trong c¸c bé chØnh l−u nãi trªn, ®iÖn ¸p mét chiÒu kh«ng t¶i cùc đại biên độ lối vào xoay chiều Trong mét sè tr−êng hîp, cÇn mét ®iÖn ¸p cã gi¸ trÞ cao h¬n mà dùng điện áp vào xoay chiều có biên độ thấp thì phải cần dïng bé chØnh l−u béi ¸p H×nh 9.4 là sơ đồ chỉnh l−u D2 C1 - nhân đôi Trong nửa chu kỳ vào + ©m, dßng ®iÖn sÏ n¹p cho tô C1 qua diode D1 víi thÕ ph©n cùc trªn tô nh− + D1 220 V~ - C2 RT hình vẽ Độ lớn này đơn giản biên độ điện áp vào xoay chiều Trong nöa chu kú d−¬ng tiÕp theo, dßng ®iÖn sÏ ®i qua C1D2 vµ n¹p ®iÖn Hình 9.4 Bộ chỉnh l−u nhân đôi thÕ cho C2 Nh− vËy ®iÖn ¸p n¹p cho C2 lóc này tổng biên độ điện áp vào xoay chiều nửa chu kỳ d−¬ng céng víi thÕ trªn tô C1 ®∙ ®−îc n¹p s½n nöa chu kú ©m cña nguån ®iÖn vµo Hay nãi c¸ch kh¸c thÕ trªn tô C2, tøc lµ thÕ cÊp cho tải, lần biên độ điện áp vào xoay chiều C1 Hình 9.5 là sơ đồ chỉnh ×1 C3 ×3 l−u nh©n thÕ béi ¸p nhiÒu lÇn Trong nöa chu kú ©m thø nhÊt, D1 th«ng, D2 vµ D3 cÊm; tô C1 đ−ợc nạp đến UC1 ≈ U2~ Nửa chu kú d−¬ng tiÕp theo, D2 th«ng, D1 vµ D3 cÊm; dßng qua D2 nạp cho C2 điện áp gấp đôi 220 V~ D2 D1 D4 D3 C2 C4 ×2 ×4 H×nh 9.5 Bé chØnh l−u béi ¸p n lÇn UC2 = 2U2~ Nöa chu kú ©m tiÕp theo n÷a, D3 th«ng, D1 vµ D2 cÊm; dßng qua D3 n¹p cho c¸c tô C1 m¾c nèi tiÕp víi C3 víi 255 U2~ + UC2 = 3U2~ Tuy nhiên C1 đ∙ đ−ợc nạp đến U2~ nên C3 đ−ợc nạp đến UC2 = 2U2~ Lý luận t−ơng tự cho mắt thứ và các mắt tiÕp theo 9.2 Bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn Bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn sö dông linh kiÖn thyristor hoÆc triac cho phÐp ®iÒu chØnh dÔ dµng c«ng suÊt trªn t¶i b»ng c¸ch ®iÒu chỉnh thời điểm mồi (điều chỉnh pha) thích hợp Hình 9.6 là sơ đồ chỉnh l−u có điều khiển sử dụng thyristor Sơ đồ này cho phép dễ dàng điều chỉnh công suất trên tải (thí dụ, điều chỉnh độ sáng tối tải là bóng đèn dây tóc) Nguyên tắc hoạt động sơ đồ là biến đổi UV~ gãc pha më thyristor ϕ (thêi ®iÓm më thyristor ph¹m vi mét chu UC Umåi®−îc c«ng suÊt trªn t¶i c«ng suÊt kỳ điện áp vào UAK) biến đổi P T dßng mét chiÒu tû cña dßng chØnh l−u diac lÖ víi b×nh ph−¬ng ϕ 220V~ ~ t U§ C R§ Utb t ϕ Hình 9.6 Sơ đồ điều chỉnh công suất trên tải Nhìn vào sơ đồ mạch ta thấy, bắt đầu nửa chu kỳ d−ơng thyristor ë vµo tr¹ng th¸i cÊm Tô C sÏ ®−îc n¹p ®iÖn qua m¹ch gåm biÕn trë P vµ ®iÖn trë t¶i R§ víi h»ng sè thêi gian PR§C Linh kiÖn m¾c nèi tiÕp víi cùc ®iÒu khiÓn cña thyristor vµ song song víi tô C gäi lµ diac Diac là linh kiện có đặc tính giống nh− thyristor nh−ng không có cùc ®iÒu khiÓn, chØ cã cùc anode vµ kathode nh− mét diode Nã sÏ chuyÓn tõ tr¹ng th¸i cÊm sang th«ng rÊt nhanh thÕ trªn hai cùc đạt tới giá trị ng−ỡng Umồi định Khi tụ điện C (bằng trên diac) đạt tới Umồi thì diac chuyển sang trạng thái thông Tụ phóng ®iÖn qua diac t¹o thµnh mét xung d−¬ng ®−a vµo cùc cöa ®iÒu khiÓn, làm cho thyristor thông Lúc này toàn điện áp nguồn đ−ợc đặt lên 256 trở tải đèn RĐ Thyristor thông hết nửa chu kỳ d−ơng Tới nửa chu kú d−¬ng tiÕp theo qu¸ tr×nh tiÕp diÔn nh− vËy Vậy cách điều chỉnh giá trị biến trở P, ta có thể biến đổi đ−ợc số thời gian nạp điện cho tụ và có nghĩa là biến đổi góc pha mở ϕ cho thyristor Nhìn trên giản đồ thời gian ta thấy góc mở này định công suất trung bình, công suất hiệu dụng sản trên tải Gãc më ϕ cµng lín, c«ng thÕ hiÖu dông vµ c«ng suÊt trªn t¶i cµng nhá, đèn càng sáng yếu 9.3 M¹ch æn ¸p kiÓu bï Mạch ổn áp cho phép ổn định điện áp lối dải biến đổi điện áp nguồn vào nh− biến đổi các thông số khác nh−: trở tải, thăng giáng nhiệt độ môi tr−ờng, v.v Th−ờng quan tâm đến định nghĩa hệ số ổn áp cho biết điện áp lối bị ảnh h−ởng bao nhiªu ®iÖn ¸p nguån vµo biÕn thiªn 10%: kS ≡ ΔUra Ura × 100% (9.5) U V biÕn thi ª n 10% T , R T = const Ngoài sơ đồ ổn áp dùng các diode ổn áp (zener) nh− đ∙ trình bày ch−ơng 4, các sơ đồ ổn áp kiểu bù cho phép nâng cao chất l−ợng và đáp ứng hầu hết các yêu cầu thực tế Có thể phân loại theo kết cấu sơ đồ ổn áp kiểu bù gồm loại: kiểu bù nối tiếp (hình 9.7.a) và bù song song (hình 9.7.b) Trong đó, C là phần tử điều chỉnh, KĐSS là phần tử khuếch đại và so sánh, Ech là nguồn điện áp chuẩn, RS là trở hạn chế dßng I1 I2 = IT I1 I2 = IT C RS U1 K§SS RT U2 U1 C K§SS U2 Ech Ech (a) RT (b) Hình 9.7 Sơ đồ khối mạch ổn áp kiểu bù nối tiếp (a) và bù song song (b) 257 Nguyên tắc hoạt động ổn áp nối tiếp nh− sau: nguyên nhân nào đó dẫn đến làm biến đổi điện áp l−ợng nào đó L−ợng này đ−ợc so sánh với điện áp chuẩn Uch phần tử khuếch đại so sánh KĐSS Lối KĐSS là biến động ΔU T = U T − U ch tác động lên phần tử điều khiển C Vì C đ−ợc mắc nối tiếp với trở tải nên tác động này đ−ợc thiết kế cho sụt áp trên C tăng hay giảm để bù lại giảm hay tăng điện áp trở tải Do mà điện áp trên tải đ−ợc bù giữ không đổi Nguyên tắc hoạt động ổn áp song song là nh− sau: nh− ổn áp nối tiếp, phần biến động ΔU T = U T − U ch đ−ợc phát phần tử khuếch đại so sánh KĐSS và nguồn áp chuẩn tác động lên phần tử điều khiển C làm thay đổi dòng qua nó Do C đ−ợc mắc song song với tải qua trë RS nªn dßng nµy sÏ cã xu h−íng ®iÒu chØnh sù t¨ng hay gi¶m sôt ¸p trªn RS theo xu h−íng bï l¹i sù gi¶m hay t¨ng ¸p trªn trë t¶i: nÕu ®iÖn ¸p trªn trë t¶i t¨ng th× dßng qua C sÏ t¨ng lµm dßng qua t¶i giảm dẫn tới trên đó không đổi , v.v Ta sÏ xÐt mét m¹ch æn ¸p nèi tiÕp mét tÇng cô thÓ dïng bé lÆp l¹i emitter đơn giản nh− hình 9.8.a Trong sơ đồ này, trở tải RT giữ vai trò nh− trở emitter RE khuếch đại lặp lại emitter mà ta đ∙ kh¶o s¸t tr−íc ®©y T T + U1 + + U2 U1 U2 R1 R1 + RT RT P Uch Uch − − (a) (b) T1 + U1 U2 R1 + T2 RT Uch − (c) Hình 9.8 Sơ đồ các ổn áp tầng đơn giản dùng transistor 258 Trong sơ đồ, diode zener đ−ợcphân cực ng−ợc tạo nguồn điện áp chuẩn Uch Transistor đóng hai vai trò khuếch đại so sánh và điều chỉnh Giả sử vì lý nào đó U1 tăng → U2 tăng Nh−ng U2 chính là UE và UB chính Uch không đổi, nên kết là UBE = UB − UE giảm → dẫn tíi lµm gi¶m dßng IC vµ gi¶m dßng IE , chÝnh lµ dßng qua t¶i KÕt qu¶ lµ trên tải ITRT giảm Sơ đồ đ−ợc thiết kế cho giảm l−ợng đúng tăng và ta có U2 đ−ợc giữ không đổi Theo h×nh dÔ thÊy ®iÖn ¸p cña bé æn ¸p b»ng: U = U T = U ch − U BE §iÖn r2 = trë b»ng chÝnh trë cña bé lÆp l¹i emitter: ∂U r U = BE = = T ; víi thÕ nhiÖt UT = 25,5 mV vµ dßng I2 = 100 mA cã ∂I + β S I thÓ thÊy r»ng trë nµy kh¸ nhá cì 0,3 Ω Nếu cần điều chỉnh điện áp thì có thể sử dụng sơ đồ 9.8.b đó mét phÇn ®iÖn ¸p chuÈn ®−îc trÝch tõ ®iÓm gi÷a ch¹y biÕn trë P Điện trở biến trở cần nhỏ rBE để không làm tăng trở m¹ch Khi cần dòng ổn áp lớn thì dùng sơ đồ hình 9.8.c đó dùng transistor T1 và T2 mắc daclington để tăng dòng tải Sơ đồ hình 9.9 là sơ đồ ổn áp hai T1 + tÇng dïng transistor Diode Zener đóng vai trò nguồn điện áp chuẩn, R1 + R2 R3 U1 RT T2 transistor T1 lµ phÇn tö ®iÒu chØnh vµ transistor T2 lµ phÇn tö K§SS Lý luËn U2 R4 − Uch t−¬ng tù nh− trªn ta còng cã: gi¶ sö U2 t¨ng → UB2 t¨ng→ UBE2 t¨ng→ dßng IC2 H×nh 9.9 Bé æn ¸p tÇng dïng t¨ng, UC2 gi¶m→ UBE1 gi¶m dÉn tíi lµm transistor transistor T1 bít th«ng h¬n (néi trë tăng), dòng IC1 và IE1 giảm l−ợng cho U2 = IE1RT không đổi NÕu m¹ch g¸nh emitter cã ®−îc mét bé K§TT m¾c kiÓu lÆp l¹i ®iÖn áp nh− hình 9.8.a thì đặc tính ổn áp đ−ợc cải thiện Chừng nào KĐTT còn hoạt động miền tuyến tính thì điện áp hai lối vào đảo và không đảo đ−ợc giữ Nh−ng vì đầu vào đảo đ−ợc nối với lối nên điện ra ổn áp tr−ờng hợp này luôn đ−ợc giữ điện áp đầu vào không đảo tức là điện áp 259 chuÈn (thùc sai kh¸c vµi chôc micr« v«n) Hai h×nh 9.10.b vµ 9.10.c lµ các sơ đồ ổn áp điều chỉnh đ−ợc điện áp và ổn định Điện áp c¸c tr−êng hîp ®−îc ®iÒu chØnh bëi vÞ trÝ tiÕp ®iÓm cña ch¹y biÕn trë P vµ nµy sÏ n»m d¶i lín h¬n ®iÖn ¸p chuÈn cña diode zener §©y lµ ®iÒu ë c¸c bé æn ¸p h×nh 9.8 kh«ng thÓ cã ®−îc H×nh 9.10.c có điểm đặc biệt là diode zener đ−ợc cấp qua trở R1 không phải từ nguån ch−a æn ¸p mµ lµ tõ nguån ®∙ æn ¸p Do vËy c¸c biÕn thiªn tõ nguån vµo hÇu nh− kh«ng ¶nh h−ëng tíi ®iÖn ¸p chuÈn diode zener tạo Mạch này có độ ổn định cao T + U1 U2 R1 + − Uch − (a) T + + U1 R1 R2 + + U1 U2 R1 T + U2 R2 + − − P P Uch Uch R3 − R3 − (b) (c) H×nh 9.10 C¸c bé æn ¸p dïng bé K§TT lµm phÇn tö K§SS 9.4 C¸c vi m¹ch æn ¸p Ngµy th−êng ng−êi ta chÕ t¹o c¸c vi m¹ch cã chøc n¨ng æn ¸p víi c¸c tham sè chuÈn C¸c vi m¹ch nµy ®−îc chÕ t¹o hµng lo¹t nªn gi¸ thµnh còng rÊt rÎ vµ th«ng dông C¸c vi m¹ch æn ¸p gåm lo¹i: loại thứ có điện áp lối cố định và loại thứ hai có điện áp có thể đ−ợc điều chỉnh dải nào đó 260 Cấu tạo bên các vi mạch ổn áp này có sơ đồ điển hình nh− h×nh 9.11 U1 D1 I1 I2 T'1 T1 CK R5 T3 T4 R6 T2 R4 R2 R3 Uch D2 R7 U2 R1 H×nh 9.11 CÊu t¹o bªn cña mét vi m¹ch æn ¸p Trong m¹ch dïng diode D2 lµm nguån ®iÖn ¸p chuÈn Uch Do ph¶n håi ©m t¹o bëi ph©n ¸p R1 R2 nªn thÕ æn ¸p ®−îc x¸c lËp b»ng : U = U ch (1 + R / R ) Tụ Ck dùng để hiệu chỉnh tần số sơ đồ nhằm chống tự kích Víi lo¹i cã ®iÖn ¸p cè ®inh, ®iÓn h×nh lµ c¸c hä vi m¹ch 78-xx vµ 79-xx Hä nµy lµ c¸c vi m¹ch æn ¸p cã ch©n ra: ®Çu vµo, ®Çu vµ ®Çu nối đất, dòng điện áp cực đại th−ờng cỡ 1A với điều kiện vi mạch đ−ợc g¾n c¸nh to¶ nhiÖt thÝch hîp Lo¹i 78xx cho c¸c vi m¹ch cã ®iÖn ¸p vµo có dải từ VDC đến 30 VDC, điện áp cố định +5 V với loại 7805, +12V với lo¹i 7812, v.v Lo¹i 79xx cho c¸c vi m¹ch æn ¸p cã d¶i ®iÖn ¸p vµo tõ -5 VDC đến -35 VDC; điện áp cố định -5 V với loại 7905, -12V với loại 7912, v.v Với loại có điện áp biến đổi đ−ợc, thí dụ vi mạch LM-327 có ch©n ra: ®Çu vµo, ®Çu vµ ®Çu nèi víi biÕn trë ®iÒu chØnh §Çu biến trở đ−ợc nối với đất Loại này cho điện áp vào từ +5 VDC đến 35 VDC vµ cã thÓ nhËn ®−îc ®iÖn ¸p æn ¸p víi gi¸ trÞ tuú ý d¶i tõ +3 V đến +30 V đ−ợc điều chỉnh biến trở Hình dạng và chân nối hai vi mạch ổn áp cố định 7805 và 7905 và vi mạch ổn áp có thể điều chỉnh ®iÖn ¸p ®−îc LM-327 cho trªn h×nh 9.12 C¸c lo¹i kh¸c còng cã h×nh d¹ng t−¬ng tù Kim lo¹i to¶ nhiÖt + In + Out Ground LM 327 7805 7805 Ground - In - Out + In Vá c¸ch ®iÖn + Ch©n ®iÒu chØnh 261 H×nh 9.12 H×nh d¹ng vµ ch©n nèi cña c¸c vi m¹ch 7805 vµ 7905 Ngoµi cßn cã lo¹i vi m¹ch æn ¸p cã hÖ sè æn ¸p cao h¬n c¸c lo¹i kể trên, nh−ng có dòng tải nhỏ cỡ vài chục mA Thí dụ nh− loại μA723 là vi mạch đ−ợc đóng vỏ 14 chân, hai hàng Th−ờng loại này đ−ợc sử dụng các mạch điều khiển đòi hỏi độ ổn định cao, còn phần công suÊt ®−îc nã ®iÒu khiÓn lµ c¸c transistor hoÆc vi m¹ch c«ng suÊt lín Sơ đồ khối và hình dạng vi mạch này cho trên hình 9.13 14 +Vcc VC Lèi T1 transistor nèi tiÕp Khuêch đại sai sè Nguån chuÈn T2 H¹n dßng Vch -Vcc Hình 9.13 Sơ đồ khối và hình dạng vi mạch ổn áp μA-723 Hình 9.14 là số sơ đồ ứng dụng các vi mạch ổn áp loại 7805 và 7905 C¸c lo¹i víi thÕ æn ¸p kh¸c vÒ nguyªn t¾c còng ®−îc dïng t−¬ng tù Nh×n chung viÖc sö dông chóng rÊt thuËn tiÖn vµ dÔ dµng H×nh 9.14.a là sơ đồ tạo ổn áp cố định +5V từ vi mạch 7805 Khi cần nâng cao dòng ổn áp có thể đấu thêm transistor công suất phụ nh− h×nh 9.14.b Cïng víi c¸c transistor bªn vi m¹ch, nã t¹o sơ đồ Daclington cho phép dòng ổn áp tăng lên 262 in U1= +6 ÷ 35V 7805 C1 ground out U1 U2 = +5V C2 T 7805 (a) in 7805 (b) out +5V + UZ ground U1 U2 R R +5V 7805 U~ + - + + - + - - C2 C1 UZ 0V 7905 (c) -5V (d) Hình 9.14 Một số sơ đồ nguồn ổn áp dùng vi mạch có ổn áp cố định Trong tr−êng hîp cÇn thÕ æn ¸p cao h¬n +5V nh−ng chØ cã vi mạch 7805, có thể dùng sơ đồ hình 9.14.c đó diode ổn áp (zener) có UZ đ−ợc mắc mạch chân vi mạch với đất Cách này cho phÐp ®iÖn ¸p ®−îc t¨ng lªn mét l−îng b»ng UZ §iÖn trë R dïng để điều chỉnh dòng diode ổn áp đến giá trị gần cố định ΔI = (U − U Z ) / R Khi cần có nguồn điện áp l−ỡng cực, có thể dùng sơ đồ nh− hình 9.14.d, đó sử dụng biến áp có cuộn thứ cấp có điểm đ−ợc nối đất và hai vi mạch ổn áp trái dấu là 7805 cho lối +5V và loại 7905 cho lèi lµ -5V 9.5 Bé æn ¸p kiÓu xung HiÖu suÊt cña m¹ch æn ¸p víi c¸c phÇn tö tÝch cùc (nh− transistor, vi mạch) chạy chế độ liên tục nh− kể trên phụ thuộc nhiều vào c«ng suÊt tæn hao trªn phÇn tö ®iÒu chØnh lµ c¸c transistor c«ng suÊt Cã thÓ gi¶m c«ng suÊt tæn hao nµy nÕu cho transistor lµm viÖc ë chế độ xung Ta có loại ổn áp xung hay còn gọi là ổn áp chuyển mạch (đóng - ngắt) Transistor điều chỉnh ổn áp này đ−ợc thiết kế làm việc hai trạng thái: thông b∙o hoà (đóng) và cấm (ngắt) Khi thông, transistor dẫn l−ợng từ nguồn ngoài đến 263 phÇn tö tÝch luü n¨ng l−îng (lµ cuén c¶m cña biÕn thÕ hay tô ®iÖn) m¹ch Khi transistor cÊm, th× phÇn tö tÝch luü sÏ cung cÊp n¨ng l−îng cho m¹ch cho trªn t¶i lu«n lu«n cã ®iÖn ¸p Muèn vËy th× phải có lọc tần thấp để san các xung lối thành điện áp chiều không đổi Tần số đóng ngắt khoá transistor th−ờng nằm dải từ vài chục Hz đến trên vài chục kHz để có thể dùng các cuén c¶m lâi Fe-rÝt thÝch hîp cho phÐp gi¶m nhá kÝch th−íc biÕn thÕ vµ hiệu suất tổn hao nhỏ Hình 9.15.a là sơ đồ nguyên lý ổn áp kiểu xung §iÖn ¸p U2 cña bé æn ¸p ®−îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p chuÈn Uch điều khiển Điện áp sai lệch đ−ợc dùng để điều chế độ rộng xung tạo dao động phát Chuỗi xung này điều khiển đóng mở transistor T với tần số cố định nh−ng có độ rộng xung (là tỷ số thời gian đóng trên chu kỳ dao động) thay đổi đ−ợc lối trên emitter transistor, chuỗi xung dòng đó đ−ợc lọc qua lọc LC để có đ−ợc điện áp phẳng U2 Bộ điều chế đ−ợc thiết kế cho điện áp U2 giảm xuống nguyên nhân nào đó (thí dụ U1 giảm), tín hiệu điều khiển cho chuỗi xung có độ rộng lớn nhằm lµm cho dßng trung b×nh qua transistor t¨ng lªn bï l¹i sù gi¶m thÕ U2 và ng−ợc lại U2 giảm thì độ rộng xung đ−ợc điều khiển giảm Kết là U2 giữ không đổi giới hạn nào đó TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn T U1 L U2 Bé ®iÒu khiÓn C (a) Bé t¹o dao động Bé ®iÒu chÕ độ rộng xung Bé ®iÒu khiÓn (b) U2 Uch Hinh 9.15 M¹ch æn ¸p xung (a) vµ cÊu t¹o bé ®iÒu khiÓn (b) §Ó tÝnh bé ®iÒu khiÓn ta xÐt dßng ch¹y qua cuén chÆn L Gi¶ thiÕt tô C lín v« cïng nªn cã gîn sãng mÊp m« lèi b»ng kh«ng H×nh 9.16 lµ giản đồ thời gian điện áp xung và dòng mạch Khi transistor bÞ cÊm, ta cã: (9.6) 264 U L ≈ −U = const V× U L = L dI L , nªn dßng qua cuén chÆn L gi¶m tuyÕn tÝnh theo thêi dt gian: dI L = −U / L dt U1 tth«ng (9.7) tcÊm t ILmax IL ILmin t U2 t H×nh 9.16 §iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn bé æn ¸p xung Khi transistor th«ng, ta cã: U L = U − U = const (9.8) Lóc nµy dßng qua L còng t¨ng tuyÕn tÝnh theo thêi gian: dI L = (U − U ) / dt dt ΔI L = I L max − I L = U2tcÊm (U1 − U2 )tth « ng = L L tth « ng tth « ng U2 = = U1 tth « ng + tcÊm T (9.9) (9.10) (9.11) Nh− điện áp ổn áp tỷ lệ thuận với độ rộng xung chuyển m¹ch vµ kh«ng phô thuéc vµo dßng lèi I2 > (1/2) ΔIL Dßng qua transistor chuyÓn m¹ch th«ng b»ng tæng dßng g¸nh I2 vµ dßng n¹p cho tô Tû sè α ≡ I L max sÏ cµng lín ®iÖn c¶m cuén chÆn L cµng nhá I2 Trị số α cực đại 1,2 để đảm bảo các tham số yêu cầu chuyển mạch cña transistor TÝnh gi¸ trÞ cña L, theo h×nh 9.13 ta cã: 265 I L max = I + ΔI L (9.12) Tõ c¸c biÓu thøc trªn ta ®−îc: L = R V (1 − U / U ) ⎛I ⎞ 2⎜⎜ L max − ⎟⎟ ⎝ I2 ⎠ (9.13) Trong đó RV = U2/ I2 là trị số điện trở gánh mạch Khi điện dung C lµ h÷u h¹n, trªn lèi bé æn ¸p cã gîn sãng Dßng n¹p cho tô b»ng: IC = IL - I2 Chu kỳ nạp và phóng tụ là miền gạch chéo trên đồ thị Trị số gîn sãng tho¶ m∙n hÖ thøc sau: ΔQC 1 ⎛ 1 ⎞1 = ⎜ t th « ng + t cÊm ⎟ ΔI L C C 2⎝2 ⎠2 ΔU = (9.14) Tõ ®©y suy ra: ΔU = U2 ⎛ U2 ⎞ ⎜1− ⎟ LCf ⎜⎝ U1 ⎟⎠ (9.15) Do ch−a tính đến trở dò tụ nên trên thực tế trị số điện áp xung đo đ−ợc lớn giá trị tính toán đôi chút Khác với ổn áp liên tôc, dßng trung b×nh ch¹y qua transistor chuyÓn m¹ch sÏ nhá h¬n dßng Bá qua tæn hao, ta cã thÓ viÕt biÓu thøc c©n b»ng c«ng suÊt sau: U1 I ≈ U I Từ đó có: I = (U / U1 ) / I (9.16) Ta thö tÝnh thÝ dô b»ng sè cho c¸c tham sè cña bé æn ¸p Gi¶ sö yªu cầu ổn áp có điện áp ổn định 5V với dòng gánh là 5A Điện áp vào không ổn định là 10V Tần số dao động chọn 20 kHz Ta chọn hệ số ®iÒu chØnh α = 1,2 Víi c¸c tham sè nµy, tõ c«ng thøc (9.13) ta tÝnh ®−îc L = 63 E L max = 266 μH TrÞ sè cùc đại cña n¨ng l−îng c¶m øng b»ng LI L max = 1,1mJ TrÞ sè nµy cho phÐp tÝnh chän lâi cuén c¶m Gi¶ sö ®iÖn ¸p gîn sãng lèi cho phÐp kh«ng qu¸ 30 mV Tõ c«ng thøc (9.15) tÝnh ®−îc trÞ sè tèi thiÓu cña tô C = 413 μF Ta có thể đ−a sơ đồ cụ thể ổn áp xung đơn giản nh− T + U1 U2 L R2 R1 UE R3 + Uch − A RT D1 D2 C1 − h×nh 9.16 9.16 Sơ đồ ổn áp xung đơn giản Gi¶ sö R2 ®−îc ng¾t khái m¹ch Lóc nµy m¹ch gièng bé æn ¸p cã bé lÆp l¹i dïng K§TT vµ thÕ U2 b»ng víi thÕ chuÈn Uch Khi R2 ®−îc m¾c m¹ch vµ gi¶ sö transistor T ®ang ë tr¹ng th¸i th«ng b∙o hoµ, ®iÖn ¸p trªn emitter UE gÇn b»ng ®iÖn ¸p vµo U1 HiÖu thÕ gi÷a UE vµ Uch ®−îc thiÕt kÕ ph©n chia qua ph©n ¸p R2R3 cho thÕ trªn ®Çu vµo không đảo KĐTT cao Uch chút Do trên đầu vào không đảo cao trên đầu vào đảo Bởi lối KĐTT vào thÕ b∙o hoµ d−¬ng §iÖn ¸p nµy nh− võa nãi sÏ lµm T tiÕp tôc th«ng b∙o hoµ vµ lµm cho U2 xÊp xû b»ng U1 Trong thêi gian T th«ng, tô C ®−îc nạp qua T và cuộn chặn L Thế UC là trên đầu đảo KĐTT tăng dần đến cao trên đầu vào không đảo Lúc nµy bé K§TT chuyÓn tr¹ng th¸i, lèi nh¶y sang thÕ bµo hoµ ©m lµm cÊm transistor T Khi T ng¾t th× thÕ lèi bé æn ¸p b¾t ®Çu gi¶m C phóng điện qua tải Thế lối giảm xuống, tức là đầu vào đảo giảm tới nhỏ đầu vào không đảo thì KĐTT lại lật trạng thái vµ ®iÒu khiÓn transistor chuyÓn sang th«ng Khi T thông, dòng qua L để nạp cho C và tích tụ l−ợng cuén c¶m Khi T ng¾t, n¨ng l−îng nµy t¹o nªn mét xung ng−îc rÊt lín đặt lên transistor T và có thể làm hỏng nó Vì vậy, diode D2 (gọi là diode h∙m) đ−ợc mắc vào mạch để thông dòng cho xung ng−ợc đó qua D2 vµ t¶i nh»m b¶o vÖ qu¸ ¸p cho transistor 267 Trong thực tế th−ờng sử dụng sơ đồ ổn áp xung với mạch dao động s¬ cÊp biÕn thÕ nh− h×nh 9.17 L1 Tr T D5 + C1 220V~ D C4 U2 C3 C2 L2 Bé ®iÒu khiÓn c¸ch ly vÒ ®iÖn Bé ph¸t dao động Hình 9.17 Sơ đồ ổn áp kiểu xung bên sơ cấp biến §iÖn ¸p tõ nguån ®iÖn thµnh phè 220V~ ®−îc chØnh l−u trùc tiÕp tõ bé n¾n cÇu bèn diode D vµ bé läc ®iÖn víi tô C3 Nh− vËy thÕ trªn tô sÏ rÊt lín cì 220 VAC × 1,4 ≈ 308 VDC Transistor chuyÓn m¹ch T cã t¶i lµ biÕn thÕ Tr C¸c xung dßng bªn s¬ cÊp ®−îc c¶m øng sang cuén thø cÊp sau đó đ−ợc chỉnh l−u diode D5 và lọc tụ C4 cho lối chiều U2 ổn áp xung Quá trình đóng ngắt transistor đ−ợc điều khiÓn bëi bé ®iÒu khiÓn c¸ch ly vÒ ®iÖn M¹ch nµy th−êng dïng c¸c bé khuếch đại quang-điện (optron) có điện trở cách điện cao (cỡ têtra Ω) và điện đánh thủng cao (cỡ kV) Trong tr−ờng hợp th«ng th−êng, nã cho phÐp c¸ch ly vÒ ®iÖn gi÷a nguån cao thÕ 220V~ bªn m¹ch s¬ cÊp víi nguån thÊp thÕ mét chiÒu bªn thø cÊp biÕn thÕ Tr Các xung điều khiển đ−ợc đ−a đến từ phát dao động Đây là mạch điện phát chuỗi xung có tần số không đổi nh−ng độ rộng xung đ−ợc điều khiển U2 Độ rộng này tỷ lệ nghịch với độ lớn U2 Giả sử, vì nguyên nhân nào đó điện áp tăng lên l−ợng nào đó, dẫn tới độ rộng xung điều khiển đ−ợc phát từ máy phát dao động giảm xuống, tức là làm thời gian thông transistor giảm Điều đó dẫn tới lµm gi¶m dßng trung b×nh qua biÕn thÕ cho ®iÖn ¸p gi¶m ®i mét l−ợng đúng l−ợng tăng hay nói cách khác điện áp giữ không đổi có điều chỉnh bù trừ mạch điện xung Cũng lý luận t−ơng tự cho tr−ờng hợp điện áp giảm xuống Sơ đồ này đ−ợc dùng cho c¶ tr−êng hîp ®iÖn ¸p vµo lµ mét chiÒu C¸c bé läc L1C1 vµ L2C2 dïng để ngăn chặn các xung nhiễu điện từ ổn áp xâm nhập ng−ợc trở lại m¹ng ®iÖn thµnh phè lµm ¶nh h−ëng tíi c¸c thiÕt bÞ kh¸c 268 môc lôc Lêi nãi ®Çu Ch−¬ng Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ thèng ®iÖn tö 1.1 1.2 1.3 1.4 TÝn hiÖu, linh kiÖn, m¹ch ®iÖn vµ hÖ thèng ®iÖn tö Các đại l−ợng tín hiệu C¸c phÇn tö thùc vµ lý t−ëng cña m¹ch ®iÖn Mạch điện, hệ thống điện tử và các loại sơ đồ nó Ch−¬ng TÝn hiÖu vµ c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch 2.1 TÝn hiÖu biÓu diÔn theo thêi gian 2.2 TÝn hiÖu biÓu diÔn theo miÒn tÇn sè 2.3 Nguyªn lý xÕp chång 2.4 NhiÔu vµ c¸c tÝnh chÊt cña nã 2.5 §iÒu chÕ tÝn hiÖu Trang 16 16 18 Ch−¬ng C¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n kh¶o s¸t m¹ch ®iÖn tö 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Các phần tử và thông số tích cực và thụ động mạch điện C¸c phÇn tö, m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn Các định luật Kirchhoff C¸c m¹ch t−¬ng ®−¬ng Thevenin vµ Norton §iÒu kiÖn chuÈn dõng vÒ qu¸ tr×nh sãng m¹ch ®iÖn Đặc tr−ng quá độ và đặc tr−ng dừng mạch điện C¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch m¹ch tuyÕn tÝnh Phân tích các mạch thụ động R, L và C Liªn kÕt ph¶n håi m¹ch ®iÖn Ch−¬ng Linh kiÖn b¸n dÉn vµ m¹ch ®iÖn tö øng dông liªn quan 4.1 ChÊt b¸n dÉn vµ líp tiÕp gi¸p p-n 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 øng dông cña diode b¸n dÉn Transistor l−ìng cùc vµ øng dông Transistor tr−êng Thyristor vµ diac Bộ khuếch đại thuật toán và các sơ đồ ứng dụng 22 24 25 26 27 28 29 39 48 51 54 59 97 100 103 Ch−ơng Các mạch tạo dao động điện 5.1 Các khái niệm chung mạch tạo dao động 5.2 Nguyên tắc tạo các dao động điện 127 127 5.3 ổn định biên độ và tần số dao động 5.4 C¸c bé t¹o sãng cao tÇn h×nh sin LC 130 131 265 5.5 Bộ tạo dao động RC 5.6 Các mạch điện tạo dao động xung 5.7 Dùng biến đổi số-t−ơng tự D/A để tạo dao động Ch−¬ng C¸c m¹ch ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ 6.1 C¸c kh¸i niÖm vÒ ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ 6.2 §iÒu biªn vµ t¸ch sãng ®iÒu biªn 6.3 Điều chế và giải điều chế đơn biên 6.4 §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha Ch−¬ng Ch−ơng Chuyển đổi t−ơng tự-số và số-t−ơng tự 8.1 Chuyển đổi t−ơng tự-số A/D 8.2 Chuyển đổi số-t−ơng tự D/A 220 223 227 236 247 Nguån nu«i mét chiÒu 9.1 C¸c bé chØnh l−u kh«ng ®iÒu khiÓn 9.2 Bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn 9.3 M¹ch æn ¸p kiÓu bï 9.4 C¸c vi m¹ch æn ¸p 9.5 Bé æn ¸p kiÓu xung Tµi liÖu tham kh¶o Môc lôc 266 179 179 198 203 Trén tÇn 7.1 C¬ së lý thuyÕt vÒ trén tÇn 7.2 M¹ch trén tÇn 7.3 Vßng kho¸ pha PLL Ch−¬ng 142 151 177 251 254 255 258 260 264 265 tμi liÖu tham kh¶o David J Comer, Electronics Design with Integrated Circuits Addision - Wesley Publishing Company, Inc., 1981 U Tietze, CH Schenk, Halbleiter Schaltungstechnik Springer - Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980 Kü thuËt m¹ch b¸n dÉn, b¶n dÞch tiÕng ViÖt cña TrÇn Quang Huy, Trung t©m th«ng tin xuÊt b¶n, Tæng côc B−u ®iÖn, 1988 C J Savant, Martin S Roden, Gordon L Carpenter, Electronics Design - Circuits and System The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1995 Paul Horowitz, Winfield Hill, The art of Electronics Addision - Wesley Publishing Company, 1981 Ph−¬ng Xu©n Nhµn, TÝn hiÖu, m¹ch vµ hÖ thèng v« tuyÕn ®iÖn Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc vµ Trung häc chuyªn nghiÖp, Hµ Néi, 1980 Ph¹m Minh Hµ, Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc Kü thuËt, Hµ Néi, 1997 264 ChÞu tr¸ch nhiÖm xuÊt b¶n: Chủ tịch HĐQT kiêm tổng giám đốc Ng« TrÇn ¸i Phó tổng giám đốc kiêm tổng biên tập NguyÔn Quý Thao Biªn tËp vµ söa b¶n in: D−¬ng V¨n B»ng Tr×nh bµy b×a: Hoµng M¹nh Døa ChÕ b¶n: TrÇn Quang Vinh 267 Nguyªn lý Kü thuËt ®iÖn tö M∙ sè: 76605M5_DAI In 1000 b¶n, khæ 19 x 27, t¹i NXB Gi¸o dôc Sè in , sè xuÊt b¶n In xong vµ nép l−u chiÓu th¸ng 11 n¨m 2005 268