5.1.1. Nguyờn lý trộn tần
Trộn tần là quỏ trỡnh dịch chuyển tần số của tớn hiệu đó điều chế lờn cao (ở mỏy phỏt ) hoặc xuống thấp (ở mỏy thu) mà vẫn giữ nguyờn cấu trỳc phổ của nú (dạng tớn hiệu ban đầu). Trộn tần cú ưu điểm quan trọng như dễ dàng dịch chuyển tớn hiệu đến tần số cần thiết, tăng độ chọn lọc, thuận tiện xử lý tớn hiệu. Trộn tần được ký hiệu là dấu nhõn (x) trong cỏc sơ đồ mạch. Hỡnh (5.1) minh họa sơ đồ khối của mạch trộn tần ở phớa thu và phỏt.
(a)
(b)
Hỡnh 5.1. (a) Sơ đồ khối mạch trộn tần ở mỏy phỏt (b) Sơ đồ khối mạch trộn tần ở mỏy thu
Trong đú:
BPF: lọc thụng dải
IF: lọc trung tần
m, n là cỏc số nguyờn
Đổi tần dựa trờn tớnh phi tuyến của phần tử tớch cực. Khi đặt điện ỏp v vào phần tử phi tuyến thỡ dũng điện tổng hợp được khai triển theo chuỗi Taylor:
iD= a0+ a1. v+ a2. v 2 + a3. v 3 +...+ an. v n
Khi trộn 2 tớn hiệu ởđầu vào bộđổi tần, tại đầu ra của nú sẽ cú nhiều thành phần tần số fs, f0, ±mf0, ±nfs. Thụng thường chọn m=n=1 để mức tớn hiệu ra lớn nhất (trộn tần cơ bản). Bộ lọc trung tần IF hoặc BPF sẽ chọn lọc cỏc thành phần tần số cần thiết. Tớn hiệu ra cú phổ giống
như tớn hiệu đầu vào của mạch trộn tần nhưng được dịch chuyển lờn vựng tần số cần thiết thuận tiện cho việc xử lý tớn hiệu. Ở tần số cao, phần tử phi tuyến dựng trong đổi tần dựng FET, MOSFET tốt hơn BJT, diode.
141
5.1.2. Mạch trộn tần đơn
Sơ đồ hỡnh 5.2 là mạch trộn tần đơn dựng diode, BJT và FET. Mạch trộn tần dựng diode được
ứng dụng rộng rói ở mọi tần số, đặc biệt ở phạm vi tần số cao nhưng cú nhược điểm làm suy giảm tớn hiệu. Mạch trộn tần dựng FET cú ưu điểm so với BJT là mối quan hệ giữa dũng ID và
điện ỏp vào VGS là quan hệ bậc 2 nờn tớn hiệu ra của mạch trộn tần giảm được thành phần phổ
và hạn chế được hiện tượng điều chế giao thoa, giảm được tạp õm và tăng được dải rộng của tớn hiệu vào.
Hỡnh 5.2. Mạch đổi tần đơn dựng Diode, BJT, FET và đặc tuyến i(v). Tớn hiệu vào: vs = Vs.cos ωst.
Tớn hiệu dao động nội vo = Vo.cos ω0t. Điều kiện Vo >> Vs và ω0 >> ωs.
Hai tớn hiệu trờn cộng lại thành v = vo + vs = Vocos ωot + Vs cos ωst.
Điện ỏp tổng cộng đặt vào phần tử tớch cực cú đặc tớnh phi tuyến sau:
i = i0 + av + bv2 + cv3 + dv4 + …
i = i0 + a(V0 cosω0t + Vs cosωst) + b(V0 cosω0t + Vs cosωst)2 + c(V0 cosω0t + Vs
142
io - thành phần một chiều; a, b, c, d - cỏc hệ số.
Giả sửđặc tuyến cú dạng hàm bậc hai đểđơn giản phõn tớch:
bv2 = b(V0 cos2ω0t + 2V0Vs cosω0t.cosωst + Vs cos2ωst)
trong đú: cos2ω0t =1/2.[l + cos2ω0t] ; cos2ωst = ẵ.[l + cos2ωst];
cosω0t.cosωst =1/2. [cos(ω0 - ωs)t + cos(ω0 + ωs)t]
Qua bộ lọc trung tần IF chỉ cũn thành phần:
IIF = bV0Vscos(ω0 - ωs)t = bV0VscosωIFt.
Biờn độ dũng trung tần iIF = bV0Vs = gc.Vs.
gc = bVođộ hổ dẫn đổi tần. Biờn độdao động nội Vo cần lớn đểđộ hổ dẫn đổi tần lớn.
Tớn hiệu ra của bộđổi tần cú biờn độ tỷ lệ với biờn độ tớn hiệu vào Vs ở tần số trung tần ωIF
= ωo - ωs tức là phổ tớn hiệu cao tần đó được dịch chuyển xuống vựng tần số trung tần mà vẫn giữ nguyờn dạng tớn hiệu ban đầu trước khi đổi tần.
Mạch trộn tần dựng diode được ứng dụng rộng rói ở mọi tần số, đặc biệt ở phạm vi tần số cao
nhưng cú nhược điểm làm suy giảm tớn hiệu. Mạch trộn tần dựng FET cú ưu điểm so với BJT là mối quan hệ giữa dũng IDvà điện ỏp vào VGS là quan hệ bậc 2 nờn tớn hiệu ra của mạch trộn tần giảm được thành phần phổ và hạn chế được hiện tượng điều chế giao thoa, giảm được tạp
õm và tăng được dải rộng của tớn hiệu vào.
5.1.3. Mạch trộn tần cõn bằng
Mạch trộn tần cõn bằng dựng 2 phần tử phi tuyến tớch cực (diode, BJT hoặc FET) mà điện ỏp tớn hiệu (vs) đặt lờn 2 phần tửnày ngược pha nhau cũn điện ỏp ngoại sai (v0) thỡ đồng pha nhau.
Sơ đồ mạch trờn hỡnh 5.3.
Hai vế của bộ trộn tần cõn bằng phải giống nhau. Giả sửđặc tuyến V - A của diode và ID(VGS) của FET cú dạng:
i = io + av + bv2
Khi vs = 0, nguồn dao động vo tỏc động đến 2 đầu vào như nhau, dũng i1 = i2 nhưng ngược chiều nhau ở cuộn sơ cấp T2, điện ỏp ra bằng khụng.
Khi cú điện ỏp vào vs ≠ 0, ở cuộn thứ cấp biến ỏp T1 cú hai điện ỏp cựng biờn độ
143 T2 vo = Vocosωot vs = Vscosωst T1 Q1 Q2 i1 i2 +VDD DSB CF ωIF= ωo-ωs Hỡnh 5.3. Mạch trộn tần cõn bằng dựng diode, FET Nếu = + thỡ = − . Dũng ra cuộn sơ cấp T2 là = ( − ) = ( + + )−( + + ) = ( − ) + ( − ) = + 2 = + 2 + Trong đú + = [ ( + ) + cos( − ) ] Lọc trung tần IF sẽđưa ra thành phần tần sốωIF = ωo - ωs.
Ưu điểm đổi tần cõn bằng là dễ lọc tớn hiệu mong muốn, tăng độ chọn lọc so với đổi tần đơn
vỡ khụng cú thành phần ωo, cỏc thành phần tổ hợp ωo ± 2ωs bị triệt tiờu. Tuy nhiờn yờu cầu mạch phải đối xứng.
5.1.4. Mạch đổi tần cõn bằng vũng
Mạch đổi tần cõn bằng vũng (hỡnh 5.4) là một dạng đổi tẩn cõn bằng gồm 2 bộ đổi tần cõn bằng dựng chung tải, cho phộp triệt tiờu cỏc thành phần tổ hợp phỏch lẻωo ± 3ωs; 2ωo ±
3ωs; 2ωo ± ωs; khử tạp õm của nguồn dao động nội: Đầu ra chỉ cũn thành phần tần số ωo ±
ωs dễ lọc. Chất lượng tớn hiệu đổi tần tốt hơn so với cỏc trường hợp khỏc nờn thường được sử dụng, đặc biệt ở siờu cao tần, thụng tin vệ tinh, LNB.
144 t v vs scoss t v v0 0cos0 Hỡnh 5.4. Đổi tần cõn bằng vũng.
Một dạng riờng của đổi tần cõn bằng là điều chế cõn bằng. Sự khỏc biệt ở chỗ đầu ra dựng bộ lọc BPF lấy thành phần ωc = ωo + ωs. Cỏc dạng mạch đổi tần cõn bằng (điều chế cõn bằng) trờn hỡnh 5.5.
Hỡnh 5.5. Cỏc dạng đổi tần khỏc.
Nếu tớn hiệu nhỏ, dựng diode Ge cú điện ỏp on - off nhỏ. Diode Si dựng tốt ở tần số cao. Diode shotky làm trộn tần rất tốt ở VHF, UHF, viba. BJT làm trộn tần cho giỏ rẻ, chất lượng khụng cao. Dũng phõn cực IC khoảng 1 mA; Vs = (5 ữ 10) mV; Vo = (100 ữ 200) mV. FET cải thiện chất lượng hơn BJT ở chỗ nhiễu ớt, dễ phối hợp trở khỏng, hoạt động tốt ở cỏc tần sốcao, độ khuếch đại lớn. MOSFET thường được dựng ởVHF, UHF cho độ cỏch ly cao giữa 2 nguồn tớn hiệu.
145
Hỡnh 5.6. Đổi tần 2 lần loại tần sốảnh (nhiễu fIM = 2fIF1 + fs).
5.1.5. Trộn tần dựng IC nhõn 602.
NE 602 (hỡnh 5.7) cú hai bộ trộn cõn bằng, dựng nguồn (4,5 ữ 8)V. Tần số hoạt động tới 500MHz, trong khi IC nhõn LM l496 hay CA 3028 chỉdưới 120MHz. Mạch dao động nội tới 200MHz. Hệ số nhiễu NF < 5 dB. NE 602 dựng nhiều trong điện thoại vụ tuyến, mỏy thu
ẠM.
a) b)
c)
Hỡnh 5.7. IC nhõn NE602
146
Hỡnh 5.8. Đổi tần dựng IC nhõn NE 602
147
Hỡnh 5.10. Đổi tần ở mỏy phỏt VHF dựng MOSFET
Hỡnh 5.11. Đổi tần lờn ở mỏy phỏt truyền hỡnh và đổi tần xuống ở TV.
5.2. Vũng khúa pha (PLL)
PLL - Hệ thống hồi tiếp vũng kớn, trong đú tớn hiệu hồi tiếp dựng để khúa tần số và pha của tớn hiệu ra theo tần số và pha tớn hiệu vào. Tớn hiệu vào cú thểở dạng sin hoặc số. PLL được tớch hợp trong IC kớch thước nhỏ, tin cậy, giỏ rẻ, dễ sử dụng, đa năng, ứng dụng phổ thụng: lọc, tổng hợp tần số, giải điều chế, điều chế, điều khiển tựđộng.
5.2.1. Cấu tạo, nguyờn tắc hoạt động
Vũng khoỏ pha (Phase-locked loop) gồm: Bộ tỏch súng pha, bộ lọc thụng thấp, bộ dao động điều khiển bằng điện ỏp (VCO). Sơ đồ khối vũng khúa pha trờn hỡnh 5.12.
Input (fs) Lọc thụng thấp (LPF) Khuếch đại VCO (fs±f0) (fs-f0) f0 f0 Output 2 Output 1 Tỏch súng pha (Phase Detector) Hỡnh 5.12. Sơ đồ khối vũng khúa pha.
148
PLL hoạt động theo nguyờn tắc vũng điều khiển. Trong PLL đại lượng vào và đại lượng ra đầu là tần số và chỳng được so sỏnh với nhau về pha.PLL cú nhiệm vụ phỏt hiện và điều
chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tớn hiệu vào và tớn hiệu ra nghĩa là PLL làm cho tần số
của tớn hiệu so sỏnh (fo) bỏm theo tần số vào fS..
Xem xột mạch khi khụng cú tớn hiệu và, đầu ra của bộ tỏch súng pha khụng cú điện ỏp sai
khỏc và VCO sẽ hoạt động với tần số tự do (fN) )được cài đặt bởi điện trở, tụ điện ngoài .
Khi đưa đầu vào với tần số fS, bộ tỏch súng pha sẽ tạo một điện ỏp sai khỏc tỷ lệ với độ sai
pha giữa 2 tớn hiệu. Đầu ra của bộ tỏch súng pha gồm tổng và hiệu của cỏc tớn hiệu (fs±f0).
Bộ lọc thụng thấp sẽ lọc lấy thành phần hiệu của 2 tớn hiệu (fs - f0) và khuếch đại lờn rồi đưa vào để điều khiển VCO.
Khi vũng bị khoỏ, tần số của VCO sẽ đúng bằng tần số chuẩn nhưng khỏc pha. Sự sai khỏc
pha sẽ tạo ra điện ỏp sai khỏc để duy trỡ hoạt động của bộ tạo dao động tại tần số chuẩn.
Khi khụng cú tớn hiệu đưa vào PLL sẽ khụng cú điện ỏp sai khỏc đưa vào bộ tạo dao động.
Nếu tớn hiệu đưa vào gần với tần số dao động, bộ tỏch súng pha sẽ tạo ra cỏc tần số tổng và hiệu.Nếu tần số hiệu tạo ra điện ỏp sai khỏc nằm ngoài băng thụng của bộ lọc thụng thấp thỡ sẽ
khụng cú sự hiệu chỉnh nào được đưa đến bộ tạo dao động. Nhưng khi tần số chuẩn gần với
tần số cuả bộ tạo dao động thỡ sẽ cú 1 điểm tại đú tần số chuẩn sẽ thuộc băng thụng của bộ
lọc thụng thấp và dẫn đến vũng lặp bị khoỏ. Do đú, dải bỏm của vũng cú thể là được định
nghĩa là dải tần được khuếch đại. Dải bỏm này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tớnh cuả bộ lọc
thụng thấp bậc. Khi PLL bỏm được nú sẽ duy trỡ khoỏ với tớn hiệu vào trờn dải tần số rộng hơn gọi là dải khoỏ.
Dải khúa (Lock range): khoảng tần số lõn cận fN của VCO mà PLL đồng nhất được
tần số fo với fs. Dải này cũn gọi là đồng chỉnh (Tracking range), ký hiệu BL = fmax - fmin. Cỏc tần số fmax, fmin là tần số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khúa pha (đồng bộ). Dải khúa phụ thuộc hàm truyền đạt (hệ số khuếch đại) của bộ tỏch súng
pha, khuếch đại, VCO. Nú khụng phụ thuộc vào đỏp tuyến bộ lọc LPF vỡ khi PLL khúa pha thỡ fs – f0 = 0.
Dải bắt (capture range): dải tần số mà tớn hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL cú
thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khúa). Núi cỏch khỏc đú là dải tần số mà PLL cú thể đạt được sự khúa pha khi việc khúa pha chưa thực hiện. Khi PLL chưa khúa pha: fi
≠ fo. Khi PLL khúa pha fi = fo. Ở chế độ khúa pha, dao động fo của VCO bỏm đồng
bộ theo fi trong dải tần khúa BL rộng hơn dải tần bắt BC.
Dải bắt BC = f2 – f1, trong đú f2 và f1 là tần số cao nhất – thấp nhất mà PLL cú thể
vào chế độ khúa đồng bộ. BC phụ thuộc vào băng thụng LPF. Để PLL đạt được sự
khúa pha thỡ hiệu (fs - fN)khụng vượt quỏ băng thụng LPF. Nếu vượt quỏ sẽ khụng
đạt được khúa pha, vỡ biờn độđiện ỏp sau LPF giảm nhanh. Núi cỏch khỏc, dải khúa phụ thuộc điện ỏp Voutđầu vào VCO và hệ số chuyển đổi VTOF của VCO, trong khi dải bắt phụ thuộc băng thụng LPF.
149
a) b)
Hỡnh 5.13. a) Dải khúa b) dải bắt
Bộ tỏch súng pha (Phase Detector): cũn gọi là bộ so sỏnh pha. Hỡnh 5.14 là bộ tỏch súng pha tương tự ở dạng mạch nhõn hay bộ (analog Mix) cú tớn hiệu ra tỷ lệ
với biờn độ tớn hiệu vào, ngoài ra cũn cú loại số (Digital phase Detector) thực
hiện bởi mạch số EX-OR, AND, RS Flip Flop, … cú tớn hiệu ra biến đổi chậm
(DC) phụ thuộc độ rộng xung đầu ra tức là phụ thuộc sai biệt về pha (hay tần số
tức thời) giữa hai tớn hiệu vào, loại tỏch súng pha lấy mẫu (sampling phase
Detector).
Trong bộ tỏch súng pha tương tự hỡnh 5.14, bộ đổi tần hay mạch nhõn thực hiện
nhõn hai tớn hiệu.
Hỡnh 5.14. Bộ tỏch súng pha tương tự Đầu của nú cú điện ỏp:
vd = Asin[(ωit + θi) – (ωot + θo)] + Asin[(ωit + θi) + (ωit + θo)]
Qua bộ lọc thụng thấp LPF, chỉ cũn thành phần tần số thấp. Khi khúa pha (ωi =ωo) cú Vd= Asin(θi - θo). Điện ỏp này tỷ lệ với biờn độđiện ỏp vào A và độ sai pha θe
= θi - θo. Nếu θe nhỏ, hàm truyền đạt của bộ tỏch súng pha coi như tuyến tớnh. Dải khúa giới hạn trong |θe|<π/2. Ta cú độ lợi tỏch súng pha kφ tớnh được theo cụng thức: kφ = A (V/rad).
Lọc thụng thấp LPF: thường bậc 1, tuy nhiờn cũng dựng bậc cao hơn để triệt
150
Đầu ra bộ tỏch súng pha gồm nhiều thành phần fo, fs, fs - fo, fs + fo, … Sau LPF chỉ cũn thành phần tần số rất thấp (fs - fo)đến bộ khuếch đại lỏi tần số VCO bỏm
theo fs. Sau vài vũng điều khiển hồi tiếp PLL đồng bộ (khúa pha) được fs = fo, tần
số phỏch (fs - fo)= 0. điện ỏp phõn cực VCO được khúa. Tức là bộ so sỏnh pha
thực hiện so sỏnh hai tần số vào fs, fo cho tới khi thiết lập chế độ khúa đồng bộ fs = fo sẽ chuyển sang chế độ so sỏnh pha. Sự khỏc về pha giữa hai tần số vào bằng nhau được biến đổi thành điện ỏp điều khiển VCO. Vũng khúa pha hoạt động
chớnh xỏc khi tần số vào fs, fo thấp khoảng vài trăm KHz trở lại.
Khuếch đại : khuếchđại tớn hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thụng thấp LPF. Độ lợi khuếch đại kA. Cú thể dựng mạch khuếch đại đơn BJT hoặc khuếch đại
thuật toỏn.
VCO (voltage controlled oscillator) - dao động điều khiển bằng điện ỏp. Khi điện
ỏp phõn cực ngược cho cỏc diode biến dung D1, D2 thay đổi, tần số dao động đa hài thay đổi (hỡnh 5.15). Đặc tuyến vào - ra của VCO cú dạng như hỡnh 5.16. Khi
điện ỏp vào VCO bằng 0, tần số dao động tự do là fN. Khi điện ỏp điều khiển thay đổi một lượng ΔVo, tần số ra thay đổi một lượng Δfo. Độ lợi chuyển đổi V sang f
của VCO:
=∆
∆
151
Hỡnh 5.16. Đặc tuyến vào-ra của VCO
Độ lợi vũng (Loop gain): xột PLL ở trạng thỏi khúa. Ta cú: Vo = kA.Vd
Độ lợi vũng kLoop = kφ.kA.ko (KHz/rad).
5.2.2. Ứng dụng PLL
PLL được tớch hợp trong IC kớch thước nhỏ, tin cậy, giỏ rẻ, dễ sử dụng, đa năng, ứng dụng phổ thụng: lọc, tổng hợp tần số, giải điều chế, điều chế, điều khiển tự động… Dưới đõy sẽ
trỡnh bày một sốứng dụng cơ bản của PLL
5.2.2.1. Giải điều chế FM
Giải điều chế FM dựng PLL thực hiện bằng cỏch cài đặt tần sốdao động tự do fNbằng tần số
trung tõm tớn hiệu FM ngỏ vào cú biờn độ khụng đổi. Trong nhiều ứng dụng cụ thể, trước tỏch súng pha PLL cú mạch khuếch đại - hạn biờn độ. Xem trong chương 4, phần 4.2.2.2.
5.2.2.2. Giải điều chế AM
Tớn hiệu AM cú dạng vAM(t) = V1T [1 + m(t)] cosωot. Trong đú, tớn hiệu điều chế thấp m(t) = Vm cosωmt cú thể được giải điều chế bằng cỏch nhõn với tớn hiệu súng mang VLO(t)=
Acos(ωot + θo) (hỡnh 5.17).
Hỡnh 5.17. Giải điều chế AM bằng mạch nhõn V(t) = V1T[1 + m(t)] cosωot.Acos(ωot + θo) = vAM(t).VLO(t)
( ) = . [1 + ( )]
2 [ + (2 + )]
152
( ) = .
2 [1 + ( )]
Vo(t) tỷ lệ với m(t) tức là tỷ lệ với tớn hiệu giải điều chếAM. Đõy là kiểu tỏch súng AM trực tiếp khụng cần đổi tần, cú ưu điểm khụng dựng trung tần, khụng cần chọn lọc tần số ảnh. Để biờn độ tớn hiệu ra lớn nhất thỡ gúc pha θo phải bằng khụng, dao động nội VLO(t)phải khúa pha với súng mang, kiểu giải điều chế này cũn gọi là tỏch súng đồng bộ hay tỏch súng nhất quỏn