Thiết kế máy thu AM
Mục lục 1. LÝ THUYẾT 2 1.1. Định nghĩa máy thu 2 1.2. Sơ đồ khối tổng quát của máy thu 2 1.2.1. Sơ đồ khối máy thu khuếch đại trực tiếp . 2 1.2.2. Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần (AM) 3 1.3. Phân tích máy thu AM 3 1.3.1. Mạch vào máy thu 3 1.3.2. Mạch khuếch đại cao tần: 4 1.3.3. Ghép tầng: 4 1.3.4. Bộ trộn tần và dao động nội: . 5 1.3.5. Mạch khuếch đại trung tần 5 1.3.6. Tách sóng biên độ . 6 1.3.7. Bộ khuếch đại công suất âm tần: . 6 1.3.8. Mạch AGC: 7 2. TÍNH TOÁN 9 2.1. Tính toán phần vào mạch thu và bộ trộn tần . 9 2.2. Mạch dao động nội dùng opamp 11 2.3. Mạch khuếch đại trung tần . 11 2.4. Mạch tách sóng 12 2.5. Mạch khuếch đại công suất âm tần . 12 Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 1. LÝ THUYẾT 1.1. Định nghĩa máy thu Máy thu là thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến điện. Máy thu có nhiệm vụ tiếp nhận và lặp lại tin tức có chứa trong tín hiệu chuyển đi từ máy phát dưới dạng sóng điện từ. Máy thu phải loại bỏ các nhiễu không mong muốn, khuếch đại tín hiệu mong muốn và sau đó giải điều chế để nhận được thông tin ban đầu. Máy thu có rất nhiều tham số, nhưng chúng ta chúng ta chủ yếu xét các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của máy thu như sau: Độ nhạy: biểu thị khả năng thu tín hiệu yếu của máy thu. Độ nhạy đươc xác định bằng sức điện động cảm ứng tối thiểu của tín hiệu trên anten để đảm bảm cho máy thu làm việc bình thường và được đo bằng microvolt (μV). Điều kiện làm việc bình thường của máy thu là: Đảm bảo công suất ra (điện áp ra) danh định. Đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Muốn nâng cao độ nhạy của máy thu thì hệ số khuếch đại (A V , A I ) của máy phải lớn hơn và mức tạp âm nội bộ của máy phải thấp (giảm tạp âm ở tầng đầu). Ở siêu cao tần (f > 30MHz) độ nhạy của máy thu thường được xác định bằng công suất chứ không phải bằng sức điện động cảm ứng trên anten. Độ chọn lọc: là khả năng chèn ép các dạng nhiễu không phải là tín hiệu cần thu. Nói cách khác, độ chọn lọc là khả năng lựa chọn tín hiệu ra khỏi các loại nhiễu tồn tại ở đầu vào máy thu. Chất lượng lặp lại tin tức: được đánh giá bằng độ méo của tín hiệu (méo phi tuyến, méo tần số, méo pha), chủ yếu là xét độ méo ở tần khuếch đại công suất âm tần để sao cho tín hiệu ra loa ít bị méo dạng so với tín hiệu đưa tới bộ điều chế của máy phát. 1.2. Sơ đồ khối tổng quát của máy thu 1.2.1. Sơ đồ khối máy thu khuếch đại trực tiếp Việc nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc của máy thu bị hạn chế bởi những lý do: Số tầng khuếch đại không thể tăng lên tùy ý vì: - Số tầng càng tăng thì tính ổn định của bộ khuếch đại cao tần RF càng giảm (tụ kí sinh C cb có thể gây tự kích). Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 - Số tầng tăng thì số mạch cộng hưởng cũng tăng, hệ thống điều chỉnh cộng hưởng phức tạp, cồng kềnh. Tần số cao khó đạt hệ số khuếch đại lớn. Tần số càng cao thì dải thông càng rộng, làm giảm độ chọn lọc của máy thu (D= ). Muốn có dải thông hẹp phải dùng mạch cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, có khi vượt qua khả năng chế tạo. 1.2.2. Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần (AM) Tín hiệu cao tần được điều chế nhận được từ anten qua mạch vào qua bộ khuếch đại cao tần RF được đưa vào bộ đổi tần để biến thành tần số nhỏ hơn gọi là tần số trung tần, nhưng quy luật điều chế vẫn không thay đổi. Mạch khuếch đại trung tần chọn lọc và khuếch đại tần số trung tần đưa vào bộ tách sóng. Qua bộ tách sóng là tín hiệu âm thanh và được khuếch đại đưa ra loa. 1.3. Phân tích máy thu AM 1.3.1. Mạch vào máy thu Mạch vào là mạch điện nối liền anten với đầu vào của tầng đầu tiên của máy thu. Nó có nhiệm vụ chuyển tín hiệu cao tần nhận được từ anten thu đến tầng đầu tiên và đảm nhiệm một phần độ chọn lọc của máy thu. Mạch vào bao gồm 3 thành phần: - Hệ thống cộng hưởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu. - Mạch ghép với nguồn tín hiệu của mạch vào (anten). - Mạch ghép với tải của mạch vào (tần khuếch đại cao tần đầu tiên). Để điều chỉnh cộng hưởng mạch vào, người ta thường sử dụng các tụ điện có điện dung C biến đổi vì chúng dễ chế tạo chính xác hơn là cuộn dây có điện cảm biến đổi. Do phạm vi Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 biến đổi của tụ điện lớn C max /C min , bền chắc, ổn định (do C ít biến đổi theo điều kiện bên ngoài). 1.3.2. Mạch khuếch đại cao tần: Bộ này có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều chế cao tần đến một giá trị nhất định rồi đưa xuống khối phía sau. Các dạng mạch: Khối khuếch đại cao tần trong máy thu có cấu tạo như các mạch cơ bản như bên dưới, tải của khuếch đại cao tần có thể là biến trở, cuộn cảm hoặc mạch cộng hưởng. Nếu tải là điện trở thì hệ số khuếch đại của tầng sẽ tương đối đồng đều đối với mọi tần số. Tần số càng cao thì hệ số khuếch đại càng giảm nhưng không nhiều. Nếu tiến tới tần số cắt thì hệ số khuếch đại sẽ giảm nhanh. Khi tải là cuộn cảm thì khi tần số càng cao, hệ số khuếch đại của tầng càng tăng. Tất nhiên tần số đó cũng không thể vượt quá tần số cắt, bên cạnh đó còn bị hạn chế bởi điện dung của cuộn cảm. Khi tải là mạch cộng hưởng thì hệ số khuếch đại sẽ lớn nhất ở tần số cộng hưởng của mạch (f 0 ), còn ở các tần số khác thì không được khuếch đại. Tần số cộng hưởng có thể điều chỉnh được như trong máy thu khuếch đại trực tiếp hoặc đã điều chỉnh cố định ở một tần số như khuếch đại trung tần trong máy thu đổi tần. So với các mạch khác thì mạch cộng hưởng có hệ số khuếch đại lớn nhiều lần so với tải điện trở hay cuộn cảm. 1.3.3. Ghép tầng: Có thể ghép sang tầng sau theo kiểu biến áp, tự biến áp hay ghép điện dung. Ngoài ra còn dùng các kiểu ghép điện trở, điện dung hay ghép trực tiếp giữa các tầng. Trong phần khuếch đại cao tần và khuếch đại trung tần thì kiểu ghép tần bằng biến áp là phổ biến nhất. Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 Bộ khuếch đại cao tần làm việc ở tần số cao, đầu vào và ra đều là khung cộng hưởng nên dễ gây tự kích. Nguyên nhân là do tụ ghép kí sinh giữa đầu vào và đầu ra. Để tầng làm việc ổn định thì thường dùng những biện pháp sau: - Giảm hệ số khuếch đại của tầng. - Dùng mạch hồi tiếp âm, ví dụ mắc vào emitter một điện trở R E , hay mắc giữa cực B và C một tụ điện vài picofara. - Mắc thêm một điện trở nối tiếp với collector hay một điện trở song song với mạch cộng hưởng. 1.3.4. Bộ trộn tần và dao động nội: Bộ trộn tần: là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra bộ trộn tần nhận được các thành phần tần số tổng và hiệu của hai tín hiệu đó. Mạch trộn tần dùng Transistor có thể mắc theo sơ đồ EC hoặc BC. Sơ đồ BC thường được dùng trong phạm vi tần số cao và siêu cao. Các mạch trộn tần được mắc theo sơ đồ đẩy kéo có nhiều ưu điểm hơn so với sơ đồ đơn: - Méo phi tuyến nhỏ do hài bậc chẵn bị triệt tiêu. - Phổ tín hiệu ra hẹp. - Liên hệ giữa mạch tín hiệu và mạch ngoại sai ít. - Khả năng xuất hiện điều chế giao thoa thấp. Mạch tạo dao động nội: Tạo dao động cung cấp cho mạch trộn tần. 1.3.5. Mạch khuếch đại trung tần Nhiệm vụ chủ yếu của mạch trung tần là khuếch đại tần số trung tần để cung cấp cho mạch tách sóng. Mạch yêu cầu độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn, ổn định. Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 1.3.6. Tách sóng biên độ Mạch tách sóng biên độ thường sử dụng là mạch tách sóng diode. Nếu diode mắc nối tiếp với điện trở tải gọi là tách sóng diode, nếu diode mắc song song với điện trở tải gọi là tách sóng song song. Mạch tách sóng song song được dùng trong trường hợp cần ngăn thành phần một chiều với trung tần. Tuy nhiên, trong thực tế người ta hay dùng mạch tách sóng nối tiếp. 1.3.7. Bộ khuếch đại công suất âm tần: - Tầng khuếch đại công suất âm tần có nhiệm vụ đưa ra tải công suất theo yêu cầu. Chế độ làm việc thường được lựa chọn để hiệu suất cao nhất là chế độ lớp A hoặc B. - Dạng mạch thông dụng là đẩy kéo Push-Pull và mắc E chung, C chung. Các mạch khuếch đại công suất âm tần thường được sử dụng là OTL, OCL, BTL… Ngày nay người ta thường dùng các mạch IC được tích hợp để giảm bớt sự phức tạp cho máy thu. - Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng IC TDA2822: Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 1.3.8. Mạch AGC: Do nhiều nguyên nhân mà tín hiệu do máy thu thu được có thể không đồng đều nhau, lúc mạnh, lúc yếu điều đó dẫn đến âm lượng thay đổi lúc to, lúc nhỏ. Để hạn chế điều này và giữ cho âm lượng máy thu ổn định khi tín hiệu vào thay đổi trong một phạm vi rộng, thông thường trong các máy thu thanh được thiết kế thêm mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại cho các tần khuếch đại cao tần và trung tần. Khi tín hiệu thu yếu, hệ số khuếch đại các tầng tăng lên và khi tín hiệu thu tăng lên thì hệ số khuếch đại của các tầng này giảm đi. Xem mạch sau: Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 Trên đây là sơ đồ mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại cho một tầng khuếch đại trung tần. Trong đó R1, R2 là mạch phân cực ban đầu cho tầng khuếch đại T1. Khi tín hiệu thu lớn, điện áp ngõ ra mạch tách sóng D1 âm mạnh, thành phần điện áp này được hồi tiếp một phần về phân cực lại cho T1 nhờ điện trở hồi tiếp Rf, điều này làm T1 dẫn yếu do đó giảm độ khuếch đại của mạch. Khi tín hiệu thu nhỏ, điện áp sau mạch tách sóng D1 ít âm hơn, điều này làm tăng điện áp phân cực T1 và làm tăng hệ số khuếch đại của mạch. Cấu trúc của dạng mạch trên đơn giản nhưng mắc phải một nhược điểm lớn là làm thay đổi điểm làm việc tĩnh của T1 cho nên dễ dẫn đến hiện tượng méo dạng tín hiệu. Để cải thiện nhược điểm này, trong thực tế người ta sử dụng mạch phân dòng bằng diode. Xem mạch sau: Transistor Q1 là tầng khuếch đại trung tần đầu tiên sau bộ đổi tần. Diode D được mắc giữa điểm A và B để làm nhiệm vụ phân dòng. Khi chưa có tín hiệu, mạch được điều chỉnh sao cho điện thế tại điểm B dương hơn điểm A, diode phân cực ngược, xem như hở mạch. Mạch cộng hưởng L1, C1 hoạt động bình thường. Khi tín hiệu vào lớn, điện áp tại C từ tầng tách sóng hồi tiếp về làm transistor Q1 dẫn yếu, dòng điện Ic giảm, kéo theo điện áp tại B giảm, lúc này điện áp tại A lại lớn do đó diode phân cực thuận, điểm A xem như nối tắt với điểm B làm tín hiệu vào giảm nhanh chóng. Điều này làm giảm đáng kể tín hiệu ra của mạch. Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 2. TÍNH TOÁN 2.1. Tính toán phần vào mạch thu và bộ trộn tần Qua đo đạc thực tế, anten ferit có cảm kháng khoảng 4mH, do vậy chọn tụ xoay có giá trị biến đổi trong khoảng 0:100pF để có thể lấy hết toàn bộ băng tần SW. Tầng này hoạt động với công suất rất nhỏ nên chọn BJT 2SC1815 làm BJT trộn tần. Chọn: Ic = 0.5 mA Ve = = . =0.45 => R28 = = = . . ≈ Chọn I R22 = = . Mạch trộn tần : Ta có : R b2 = 10 1 . hfe.R 6 = 10 1 . 80. 220 = 1.76(K) V BB = 0,7 + 2 CQ I . R 6 = 0,7 + 5.10 -3 . 220 =1.8(V) Vậy R 4 = × = × . =2.14(Ω) R 5 = × = × . = 9.77(Ω) Chọn R 4 =2.2(kΩ) và R 5 =10(kΩ) Ta có : hie 2 =1.4xhfe2x . =1.4 x 80 x 0.025 x ×10 =560(Ω) R in =R b2 //hie 2 =1760 // 560 = 424.8(Ω) Z C6 ≤ = . =42.48(Ω) )(350 48,42.10.7,10.2 1 2 1 6 6 6 pF Zf C CIF Chọn C 6 = 390 (pF) Đồ án Điện Tử Thông Tin GVHD:PGS.TS Tăng Tấn Chiến Nhóm 15 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ : f = e T hf f = 80 3000MHz = 37,5 MHz suy ra: f IF = 10,7 MHz < 0,3. f = 11,25 MHz Vậy mạch hoạt động ở tần số thấp ở chế độ A góc cắt = 180 0 Chọn A =0.4 Suy ra V cm2 = A x V CC = 0,4.10 = 4 (V) 0 () = cossin = cossin = 1 1 () = cos.sin = cos.sin = 1 I CO = I CO2 = 5 (mA) Dòng hài bậc nhất trên collector: )(5 )( )( )( 0 1 22 mAIQI COcm . Điện trở cộng hưởng tương đương của khung cộng hưởng : )(800 5 4 )( )( 22 22 2 mA V QI QV R cm cm td Công suất trên tải: P L2 = 2 1 Vcm 2 (Q 2 ). I cm2 (Q 2 ) = 2 1 . 4V. 5mA = 10mW L 2 = 0 2 2 Qf R IF ttd = )(23.0 50.10.7,10.2 800 6 )(96.0 10.23,0.)10.7,10.2( 1 .).2( 1 626 2 2 7 nF Lf C IF Chọn C 7 =1 (nF) Công suất nguồn cung cấp: Pcc = Ico. Vcc = 5 x 10 -3 x 10= 50(mW) Hiệu suất : R tñC L C C’ b g m V b’e C C L b R tñb C b’ .a 2 r b’e a 2