A. Khái niêm chung:
Trong các radar thế hệ mới, các mạch điều chế xung không được hình thành trên nguyên lý biến áp năng lượng như được trình bày ở các mục trên. Mạch điều chế xung trong các trường hợp này, là các mạch khuếch đại xung đã được tạo ra từ các mạch tạo xung phát từ trước, có độ rộng và độ rỗng phù hợp với các thang đo của radar. Tầng điều chế xung lúc này là tầng khuếch đại công suất cuối cùng tương tự như các mạch tạo quét của đèn CRT. Điều khác nhau cơ bản ở đây là tần số quét và dạng xung kích
Tr1
Hình 4.29 Mạch điều chế xung dùng thyristor mắc song song D0 L0 R1 Tr2 D2 SCR2 SCR1 D2 D1 C C C C L L L R 12V P 3 Tr 1 Tr
thích. Xung kích thích trong các mạch tạo quét là các dao động hình sin có tần số 15.625/50 Hz hoặc 15.750/60 Hz, trong khi đó xung kích thích cho các transistor MOSFET trong các mach điều chế xung radar là các xung vuông có độ rộng và rỗng xác định, phụ thuộc vào các thang đo tầm xa của radar. Người ta thương chọn các MOSFET kênh cảm ứng vì chúng có dòng tĩnh hầu như bằng 0 và như vậy công suất tổn hao trên transistor rất nhỏ. Mặt khác, MOSFET được chọn vì không cần kích thích công suất cho tầng ra
B. Transistor MOSFET
B1. Cấu tạo .
Mosfet Transistor
Mosfet có 3 cực là G ( cực cổng ) , D ( cực thoát ), S ( cực nguồn ) về nguyên lý hoạt động chúng tương tự với 3 cực B, C , E của Transistor thông thường , nhưng về cấu tạo chúng khác với đèn BCE .
+ Cực nguồn ( S ) và cực thoát ( D ) được nối với hai chất bán dẫn N đặt trên nền có tính cách điện, khoảng giữa hai cực là vùng nghèo điện tích tự do .
Hình 2.15 Mosfet và transistor
+ Cực cổng ( G ) được đặt bên trên khoảng trống giữa hai cực N và các ly bằng một lớp cách điện là SiO2, cực G cách điện hoàn toàn với cực D và cực S .
+ Khi cho một điện áp chênh lệch vào hai cực D và S thì không có dòng điện chạy qua nhưng khi ta đưa một điện áp dương vào cực G, điện áp này sinh ra hiệu ứng trường trong khoảng trống giữa hai lớp bán dẫn N, và dưới tác dụng của từ trường thì xuất hiện dòng điện chạy qua từ cực D sang cực S .
Điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng điện GS mà chỉ tạo ra hiệu ứng trường trong Mosfet vì vậy một tín hiệu có cường độ rất yếu cũng có thể làm cho Mosfet mở rất mạnh .
Dòng điện chạy qua hai cực D – S chỉ phụ thuộc vào điện áp chân G mà không phụ thuộc vào cường độ của tín hiệu. Vì vậy Mosfet được coi là linh kiện có độ nhậy rất cao và chúng đã được sử dụng trong các bộ nguồn Monitor và các bộ nguồn của nhiều thiết bị điên tử cao cấp ngày nay .
B2. Phân loại
MOSFET- kênh có sẵn (h. 2.17a), trong trường hợp này, các điện tích trong kênh có thể được tăng lên (làm giầu lên) hoặc giảm đi (làm nghèo đi) tùy thuộc vào cực tính và độ lớn của điện áp đặt lên cực G. Xét trong ví dụ trên hình 2.32a, nếu cực tính của điện áp đặt trên G là dương, các điện tử thiểu số trên khối p sẽ bị hút vào kênh (kênh được làm giầu điện tích), trường hợp ngược lại các điện tử trong kênh sẽ bị đẩy vào khối p , kênh bị làm nghèo điện tích.
MOSFET- kênh cảm ứng (h. 2.17b), khi UGS ≥0, trên kênh hầu như không có điện tích, không có dòng điện chảy trong transistor. Khi có một điện áp âm đặt trên cực khiển G (UGS <0), các lỗ hổng từ đế được kéo về vùng đối diện với cực G, kênh được hình thành, mật độ điện tích này càng lớn khi giá trị tuyệt đối của điện thế âm trên G càng lớn (kênh được làm giầu thêm).Vì thế, MOSFET- kênh cảm ứng chỉ dẫn điện khi nồng độ điện tích trong kênh được làm giầu thêm.
Đặc tuyến tĩnh của transistor trường MOSFET cũng tương tự như được mô tả trong hình 2.18 [8].
Hình 2.18. Đặc tuyến vôn – ampe của transistor trường: đặc tuyến cửa vào (a) và đặc tuyến cửa ra (b).
n+ n+
p p+ n p+
D G S D G S
a) b)
NMOS PMOS NMOS PMOS
Metal , Oxide , Semicoductor
Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc và ký hiệu của transistor MOSFET: MOSFET kênh có sẵn (a); MOSFET kênh cảm ứng (b).
DS I - a) 1 2 3 DS DS DS U > U > U 1 DS UDS2 U 3 DS UUDS =const IDS DS U b) PD m, ax onst GS U =c
Chương III
MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG THỰC TẾ
3.1. PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG NTG - 211 (JMA – 625)
Mạch điều chế xung kiểu NTG-211 của radar tàu biển JMA- 625 gồm bốn khối chính:
- Khối cấp và bảo vệ nguồn. - Phần tử tích năng.
- Khóa K
- Khối khuếch đại xung điều khiển khóa K.
3.1.1. Khối cấp nguồn và bảo vệ nguồn.
Khối này có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho phần tử tích năng là đường dây dài, từ nguồn cao áp HW (chân 1 của giắc cắm J201, qua cuộn chặn K241 và diode chặn CD245.
Ở trang thái bình thường transistor TR241 dẫn, rơle K242 có dòng, tiếp điểm PC 241 đóng, điện áp HW được cấp cho anode các thyristor của khối khóa K. Tiếp điểm trên base của TR241 lúc này cũng mở để rơle K242 hoạt động bình thường. Cuối chu kỳ phóng điện của đường dây dài, điện áp âm trên đường dây dài phản hồi qua biến áp L202 đưa tới colector của TR241 khóa transistor này lại, tiếp điểm PC 241 mở, nguồn được bảo vệ, đồng thời các diode CD 243, 244 dập điện áp ngược này xuống mát của máy.
3.1.2. Phần tử tích năng
Trong mạch điều chế NTG 211 của radar JMA 625, phần tử tích năng có thể là tụ điện khi tất cả các tiếp điểm TA của các rơle K201, K202, K203 đều hở. Trường hợp radar làm việc ở thang ngắn nhất. Khi radar làm việc ở các thang tầm xa lớn hơn, các tiếp điểm kế tiếp tương ứng đóng lại các mắt xích của đường dây dài lớn lên, độ rộng
của các xung điều chế cũng lớn lên, điều này cho phép công suất phát tăng, sóng phản xạ từ các vật thể ở xa cũng tăng lên gia tăng tầm hoạt động của trạm radar.
Điều đặc biệt ở radar JMA 625 kiểu này là người ta sở dụng hai đường dây song song đảm bảo cho tăng mức năng lượng cần thiết cho hoạt động của đèn manhetron. Tải của phần tử tích thoát là biến áp xung T201, có cuộn thứ cấp nối với katode của manhetron, đồng thời là mạch dẫn điện áp sợi đốt luôn.
Đầu vào của các đường dây dài có các mạch dập điện áp ngược, bảo vệ cho các thyristor trong mạch khóa K, đó là các diode nối tiếp CD 203, 215 R213 và CD 204, 214, R214.
3.1.3. Khóa K
Phần tử khóa K trong sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế xung dùng tụ hay đường dây dài hình 2.4a hay 2.8 ở đây là các thyristor mắc nối tiếp CD 210, 211 và cặp thứ 2 CD 212, 213 mắc song song với chúng. Trong các mạnh điện dạng này, các cặp điện trở mắc nối tiếp trị số lớn R 203, 204 và R 205, 206 (cỡ 1M) vừa có tác dụng phân bố điện áp đồng đều cho anode các thyristor vừa tham gia vào mạch nạp cho các tụ C 216, 217. Các tụ điện này khi chưa có xung kích thích các thyristor CD 211, CD213 được nạp đầy. Khi các thyristor kể trên dẫn điện, các tụ điện này phóng điện ngay lập tức qua các điện trở R 209, R 210 (470 ohm), tạo xung mở cho các thyristor CD 210, 212. Các thyristor được cấp áp anode từ nguồn HW, theo phương thức song song theo hai đường riêng biệt và từng cặp một. Các xung kích thích cặp thyristor CD 211, 213 được lấy từ mạch khuếch đại xung đồng bộ từ emiter của transistor TR 274.
3.1.4. Khối khuếch đại xung kích thích P202
Khối này gồm các transistor TR 271 đến TR274. Từ chân 5 và 6 của giắc cắm J201 các xung đồng bộ TI (Triger Impulse) ở mức cực tính cao qua giắc J271 của khối P202, xung kích thích qua điện trở R273 và diode CD273 tới transistor TR 272, làm cho bazơ của transistor này dương lên, transistor thông. Xuất hiện dòng ic làm base của TR273 dương lên. Khi đó TR273 làm việc, dòng ra được dẫn sang base của TR274 ở mức tích cực cao dẫn theo TR274 thông, dẫn theo TR275 thông theo. Tín hiệu được khuếch đại dòng và áp qua các tầng trên và chỉ khuếch đại dòng và phối hợp trở kháng
qua tầng lặp lại emiter TR 275 để đưa tới kích thích các thyristor làm chức năng khóa K.
3.1.5. Nguyên lý mạch
Từ những phân tích ở trên ta có thể tổng kết lại nguyên lý hoạt động của modulator NTG – 211 như sau :
Từ chân 5 và 6 của giắc cắm J201 các xung đồng bộ TI(Triger Impulse) ở mức cực tính cao qua giắc J271 đi vào khối P202, xung kích thích qua khối này được khuếch đại dòng, áp và phối hợp trở kháng để đưa tới kích thích các thysistor ở khối khóa K. Khi khóa K mở tụ điện của khối phần tử tích năng Z201 được nạp từ nguồn HW.
Xung kích thích ở mức tích cực cao làm thysistor khối khóa K thông.Lúc này K đóng, phần tử tích mà cụ thể là tụ C phóng điện qua phần tử Sun là biến áp xung T201, có cuộn thứ cấp nối với anode của manhetron.Khi điện áp trên T201 đạt giá trị xác định, đèn manhetron dẫn điện phần tử tích năng phóng điện qua đèn, tao nên một xung dòng có dang gần giống xung điện áp, nhưng có biện độ và độ rộng phụ thuộc vào số tiếp điểm TA được đóng trong z201.Kết quả, trên đèn manhetron có một xung điện áp hình vuông.
3.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI XUNG CME-230A (JMA 2253/2254)
Để minh họa cho phần lý thuyết trong chương 2, chúng ta có thể phân tích một mạch tạo ra các xung điều chế dao động trong đèn manhetron thông qua mạch khuếch đại xung trong khối điều chế xung CME-230A của radar hàng hải JMA 2253/2254 khá điển hình sau. Khối điều chế CME – 230A, có thể phân thành các cụm mạch chức năng sau:
- Tầng công suất ra. - Tầng khuếch đại đệm - Tầng sửa dạng xung. - Nguồn cấp áp
3.2.1. Tầng công suất ra.
Tầng công suất ra sử dụng transistor MOSFET kênh cảm ứng TR11, đảm bảo dòng kích thích hầu như bằng 0, do đó công suất kích thích là không đáng kể. Tải của tầng công suất này là biến áp xung T2. có hai cuộn thứ cấp mắc song song, đồng thời là hai cuộn chặn của mạch cấp áp sợi đốt cho katode đèn manhetron, đảm bảo thế năng giữa sợi đốt và katode bằng 0. Mắc song song với cuộn thứ cấp là diode dập điện áp ngược CD8, điện trở san phẳng đỉnh xung R26 và cuộn cảm bão hòa từ cho thang cự li S (cuộn cảm này chỉ được mắc vào mạch khi tiếp điểm của rơle K1 đóng). Tác dụng của cuộn chặn này là san phẳng đỉnh xung khi độ rộng của xung tương ứng với thang cự li ngắn S được chọn (rơle đóng). Dren của transistor TR11 – 2SC1748 được cấp áp từ nguồn nuôi sau diode nắn CD6. Cực Gate của transistor này được cấp áp kích thích thông qua mạch tích phân C20, R25, từ cửa ra của tầng khuếch đại kích thích.
3.2.2. Tầng khuếch đại đệm
Tầng khuếch đại đệm sử dụng mạch khuếch đại mắc đẩy kéo gồm hai tầng mắc trực tiếp, dùng hai cặp transistor khác loại TR7, TR8 và TR9, TR10, có thể coi như hai cặp Dalington mắc song song.Tầng thứ nhất sử dụng 2 transistor thuận nghịch TR7 và TR8 thực hiện khuếch đại tín hiệu, tín hiệu này được ghép trực tiếp tới tầng khuếch đại thứ 2 cũng sử dụng kết cấu mạch khuếch đại đẩy kéo dùng hai transistor thuận nghịch TR9, TR10.Việc sử dụng kết cấu mạch khuếch đại đẩy kéo như bao hàm ý nghĩa tên gọi của nó chính là việc tín hiệu sau khuếch đại ổn định, khuếch đại đồng đều trên dải tín hiệu, khả năng gây méo nhỏ. Thông qua điện trở hạn dòng R24 để tăng khả năng phối hợp trở kháng đồng thời qua tụ ghép C20 cách ly thành phần một chiều, tín hiệu này được đưa tới chân G của MOSFET TR11- phần tử khuếch đại trong mạch khuếch đại xung công suất cao.
3.2.3. Tầng sửa dạng xung.
Tầng sửa dạng xung sử dung các cổng NAND và mạch tạo xung dao động vi phân bao gồm tụ C14, điện trở tiêu thụ R13 cùng khóa điều khiển là transistor TR2.Mạch hoạt động như sau:
Khi có tác động của xung kích (TRIGGER) ở mức tích cực cao tác động vào đầu Anode của diode CD1 khi đó điện áp cực tính dương đặt lên chân số 9 của IC2 (TC4093 BP- Quad- 2 NAND Trigger Smith). Chân số 8 của cổng NAND được nối với điện áp dương do đó đầu ra trên chân số 10 của IC2 có mức logic 0 (xuất hiện điện áp cực tính âm). Với kết cấu mạch tạo xung (dao động) sử dụng mạch NAND 2, tụ C14, điện trở tiêu thụ R13 cùng khoá điều khiển sử dụng transistor TR2.
Khi có tác động của xung kích làm chân số 10 có điện áp cực tính âm khi đó TR2 được phân áp đúng làm xuất hiện dòng Ic, khi đó điện áp rơi trên điện trở R14 thay đổi phụ thuộc vào trạng thái đóng mở của TR2, nhờ xung kích hoạt, khi đó tụ C14 được nạp, hết chu kỳ thông tụ điện xả làm đóng TR2, khi C xả hết thì lại kích hoạt TR2 thông, quá trình đó tiếp tục xảy ra. Tín hiệu được lấy ra trên chân colector của TR2 qua tụ ghép C15, dạng tín hiệu ra có dạng xung vi sai, để hiệu chỉnh độ rộng của các xung có thể thực hiện tinh chỉnh trên các biến trở:
RV2, RV3, RV4.
Tín hiệu này qua điện trở hạn dòng R15 và được đưa tới 2 cổng NAND 2 tiếp theo để nắn dạng xung này thành dạng xung vuông, việc thiết lập 2 cổng NAND 2 làm xung tín hiệu tạo ra ổn định và bằng phẳng hơn vì mạch tạo xung sử dụng NAND 2 và các phần tử phi tuyến như C14, TR2 làm méo dạng xung, nếu không hiệu chỉnh mà thực hiện khuếch đại và điều chế xung ngay thì tín hiệu sẽ gây méo nghiêm trọng khi đó với các thang đo khác nhau rất khó để hiệu chỉnh, làm giảm khả năng phát hiện mục tiêu của radar, hơn nữa khi có sự tham gia của các phần tử phi tuyến trong điều chế xung làm xuất hiện các thành phần tấn số lạ làm quá trình điều chế bị méo. Nên phần tử NAND 2 này giống một khoá thực hiện dập tắt các thành phần xảy ra trong quá trình quá độ của mạch tạo xung.
Trong kết cấu mạch tạo xung sử dụng phần tử NAND 2 này có thêm các diode dập CD17, CD5 thực hiện tiêu tán và dập tắt các dao động ngoại lai khi phát sinh dao động. Làm tín hiệu xung tạo ra ổn định và đạt độ bằng phẳng tốt nhất. Diode CD1 là một khóa thiết lập chỉ cho tín hiệu kích thích ở mức tích cực cao tác động. Tụ ghép C15 rất quan trọng chúng ngăn cách thành phần một chiều khi đó quá trình điều khiển độ rộng của các xung bằng các biến trở hay sử dụng điều khiển độ rộng xung này một cách tự động thông qua các transistor không bị méo tín hiệu, hơn nữa nếu tồn tại các thành phần một chiều trong tín hiệu trong thời gian dài sẽ gây nóng các biến trở và định thiên cho các transistor điều khiển độ rộng xung trong các thang chia khác nhau sẽ làm trôi điểm làm việc, tính chất điều khiển thông qua sự thay đổi dòng kích thông của các transistor sẽ không phụ thuộc vào tính chất biến đổi của thang chia khi có tác động đầu vào điều khiển PW.
Sự biến động của các mục tiêu cần theo dõi do khoảng cách bị biến đổi, tính chất và hướng góc của búp sóng…Do đó có thể xác định các mục tiêu với các khoảng cách khác nhau, để máy thu có thể nhận diện được mục tiêu phân định và định hình đối tượng thì độ rộng xung của các xung tín hiệu khi phát cần phải được hiệu chỉnh phù