Giáo trình kỹ thuật điện tử - Chương 7

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

108
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI PHI TUYẾN 7.1.KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH PHI TUYẾN. Các linh kiện điện tử được đặc trưng bởi các thông số điện của chúng như điện trở- R,điện cảm -L,điện dung- C. Nếu các thông số của chúng phụ thuộc vào điện áp, dòng điện thì chúng là những thông số phi tuyến;nếu không phụ thì chúng là những thông số tuyến tính.Một mạch điện có tất cả các thông số đêù là tuyến tính thì được gọi là mạch điện tuyến tính.Một mạch điện có từ một thông số phi tuyến tính trở lên nó...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình kỹ thuật điện tử - Chương 7

Chương 7 NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI PHI TUYẾN 7.1.KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH PHI TUYẾN. Các linh kiện điện tử được đặc trưng bởi các thông số điện của chúng như điện trở- R,điện cảm -L,điện dung- C. Nếu các thông số của chúng phụ thuộc vào điện áp, dòng điện th ì chúng là những thông số phi tuyến;nếu không phụ thì chúng là những thông số tuyến tính.Một mạch điện có tất cả các thông số đ êù là tuyến tính thì được gọi là mạch điện tuyến tính.Một mạch điện có từ một thông số phi tuyến tính trở lên nó được gọi là m ạch phi tuyến. 7.1.1.Một số phần tử phi tuyến thông dụng. a).Điện trở phi tuyến. Các linh kiện điện tử đã xét như diot,tranzisto lưỡng cực,tranzisto trường,thyristo... đều thuộc loại điện trở phi tuyến.Đó là những phần tử có đặc tuyến VON-AMPE là các họ đ ường cong(mà không ph ải là đường thẳng biêủ diễn bằng các hàm b ậc nhất).Ví dụ ta xét một đường đặc tuyến của diot bán dẫn như trên hình 7.1a .Tại điểm M điện trở tĩnh (một chiều)là: RoM= UM/IM =cotg (7.1) Điện trở xoay chiều tại điểm M là: dU R~M=  = cotg (7.2) dI Như vậy tại các điểm làm việc khác nhau trên đường đặc tính th ì giá trị điện trở của diot sẽ khác nhau. b)Điện dung phi tuyến: Một điện dung phi tuyến điển hình là diot biến dung varicap -đó là một mặt ghép bán dẫn n-p thường đư ợc C phân cực ngư ợc M I .Điện dung của  M nó phụ thuộc vào điện áp như sau:  I U a) b) c) k Hình7.1.a-đặc tuyến diot,b-đặc tuyến của varicap,c- C= (U   ) γ đặc tuyến của cuộn dây lõi sắt. đăc d . (7.3) 1 1 Trong đó =  ,k là h ệ số tỷ lệ; -hiệu điện thế tiếp xúc,với diot silic là 0,7V; 3 2 Ud -điện áp đặt lên varicap.Quan hệ (7.3) trình bày trên đồ thị h ình 7.1b.Rõ ràng trị số của điện dung C phụ thuộc vào điện áp đặt lên varicap. 168
c)Điện cảm phi tuyến:Một điện cảm phi tuyến điển h ình là cuộn dây có lõi sắt từ.Từ thông  phụ thuộc vào dòng điện I theo đ ường cong h ình 7.1c.Điện cảm xác đ ịnh theo biểu thức: d LM= = tg  (7.4) dI  M 7.1.2.Các tính chất đặc trưng của mạch điện phi tuyến: Mạch điện phi tuyến có những tính chất đặc trưng riêng của nó.Nếu xét một mạch phi tuyến trên quan điểm chỉ quan tâm đến quan hệ (toán học)giữa tác động đầu vào và phản ứng ở đầu ra thì quan h ệ đó không phải là một quan hệ bậc nhất như trong mạch điện tuyến tính,mà là một h àm phi tuyến(không đường thẳng).Mạch phi tuyến đặc trưng b ởi các tính chất sau đây: -Không thể áp dụng nguyên lý xếp chồng cho mạch phi tuyến. -Hệ phương trình đặc trưng cho m ạch điện phi tuyến là một hệ phương trình vi phân phi tuyến,tức là hệ có hệ số phụ thuộc vào biến số . -Mạch điện phi tuyến có khả năng làm giàu phổ của tín hiệu. 7.1.3.Tính chất làm giàu phổ tín hiệu của mạch phi tuyến. Trong các tính chất trên của mạch phi tuyến thì tinh ch ất làm giàu phổ tín hiệu đ ược sử dụng để tạo ra các phổ mới trong các mạch điều chế,tách sóng,biến tần...Xét tính chất này như nguyên lý biến đổi phổ của tín hiệu . Trong thực tế đặc tuyến là nh ững đường cong được dựng bằng thực nghiệm.Để đơn giản, lấy phần tử phi tuyến là diot với đặc tuyến nh ư ở h ình 7.1a. Đặc tuyến n ày có thể lấy gần đúng(tiệm cận hoá) bằng một hàm giải tích là một đa thức luỹ thừa: n i =  A i u i =A0+A1u +A2 u 2 +A3 u3+ ... (7.5) i Trong đó Ai là các h ằng số làm gần đúng (các hằng số tiệm cận),n là b ậc của đa thức. a) Trường hợp tác động đầu vào là một dao động điều hoà: Nếu điện áp đặt lên diot là một h àm sin u = U0m cos (t+ 0) thì khi thay biểu thức của u vào (7.5) và biến đổi sẽ đưa được về dạng: i = I0 +I1m cos(t+0) +I2mcos2(t+0)+I3mcos3(t+0)+ I4mcos4(t+0)+ ... (7.6). Trong đó I0là thành phần một chiều,được xác định : 1 3 (2 n )! A2 U2om + A4 U4om+ .... A 2iU 2nom I0 = A0 + (7.7) 2 2 8 2n 2 ( n!) I1m-Biên độ của tần số cơ bản ,đ ược xác định : (2n  1) ! 3 5 A3 U30m + A5U5om+...+ 2n A2n +1U2n+1om I1m=A1U0m + (7.8) 4 8 2 n!(n  1) ! 169
I2m-Biên độ hài bậc hai (tần số 2 ): (2n  1) ! 1 1 I2m= A2 + A4U4om + ... + A2n+2 U2n+20m (7.9) 2 n 1 2 2 2 n!(n  2) ! ................................................... n ( 2n  i ) ! A2n+iU2n+iom Inm=  (7.10) ( 2 n  i 1) 2 n !(n  i ) ! io Như vậy ,với điện áp đặt lên diot chỉ có một tần số  thì dòng điện qua diot ngoài tần số đó còn có thành ph ần một chiều và các tần số 2 ,3 ,...n-gọi tương ứng là các sóng hài b ậc hai,ba,..n của dòng điện.Trong đó n là bậc của đa thức (7.5). b)Trường hợp tác động đầu vào là hai dao động điều hoà: Nếu đặt lên diot đồng thời hai điện áp điều ho à có tần số khác nhau u1=U1m cos(1t+1) ; u2= U2mcos(2t+2) thì khi thay u =u1+u2 vào (7.5) và biến đổi sẽ nhận được dòng diện qua diot gồm thành phần một chiều và các tần số: 1,2 1,31,4 1..., 2,,2 ,3,2,4 ,2..., 1  2, , 2 1  2,1  2 2,3 1  2.... ,n1  m 2 (xem 7.13). Trường hợp này ngoài các thành ph ần hài của các tần số 1,2 và các hài của chúng còn tạo ra các tần số tổ hợp 1  2,2 1  2, 1  22... k1  l2. các a tần số tổ hợp n ày có bậc là k+lvới k,l=1,2,3,...n Trường hơp tổng quát,khi đưa tới đầu vào của một phần tử phi tuyến nhiều tần số 1,2,...S thì đ ầu ra sẽ có các tần số đó, các h ài của chúng và tần số tổ hợp k1  l2  ...hS... (k,l,h=1,2,3...n). Khả năng n ày của mạch phi tuyến được ứng dụng trong các mạch biến đổi phổ như biến tần ,điều chế,tách sóng,tổ hợp tần số... 7.2. ĐIỀU BIÊN. Tín hiệu điều biên đã xét trong chương1.Ở đây ta xét nguyên lý xây dựng các mạch điện tạo ra tín hiệu điều biên. 7.2.1.Nguyên lý điều biên. Mạch điều biên nhằm tạo ra tín hiệu điều biên d ạng (xem 1.4 chương 1): uđb=U0m[ 1+mđbcos(t +)]cos(0t+0). =Uomcos(0t+0) + 1 1 m đbU0mcos[(0+ )t+0+] mđbU0m cos[(0- )t+0- ] + (7.11) 2 2 Từ biểu thức này có th ể suy ra hai nguyên lý tạo tín hiệu điêù biênsau: a)Điều biên dùng mạch nhân analog: Đặt vào một đầu vào của mạch nhân h ình 7.2 a tín hiệu âm tần u(t)=Umcos( t +) cùng với thành phần một chiều E0. Đầu vào thứ hai đặt dao động sóng mang u0(t)= U0m cos(0t+0).Đầu ra sẽ nhận được tích của chúng là tín hiệu điều biên: ura(t)=uđb(t)=(E0+ Umcos( t + ) U0m cos(0t+0) 170
1 1 = E0U0m cos(0t+0)+ E0U0m cos[(0+ )t+0+]+ E0U0m cos[(0- )t+0- 2 2  ] (7.12) b)Điều biên dùng m ạch phi tuyến: u(t)+E0 K Theo nguyên lý hình 7.2.b) nếu u0(t) uđb(t) đầu vào của phần tử phi tuyến là hai tần số  và 0 thì đầu ra có thể lấy PTFT Lọc u đb(t) được các tần số 0,0+ ,0- .Đó u (t) chính là phổ của tín hiệu điều biên được tách ra nhờ mạch lọc theo sơ u0(t) hình 7.2b. Hình7.2a)điều biên dùng bộ nhân analog, 7.2.2.Các mạch điều biên dùng b)điều biên dùng ph ần tử phi tuyến diot. a)Điều biên thông thường một diot: Xét sơ đ ồ h ình 7.3a. Điện áp đặt lên diot gồm điện áp một chiều E0 đặt điểm làm việc cho diot,điện áp âm tần u(t)=U m cos(t+1) và tải tin u0(t)= U0mcos(0t+2).Tụ Cb dẫn tần số cao 0. Thay u =E0+ u (t) + u0(t) vào biểu thức (7.5) với n=3 và biến đổi sẽ nhận được dòng điện qua diot như sau: i=I0 +I01cos t +I10cos 0t +I02 cos 2t +I20 cos 22t+I03 cos 3 t +I30 cos 30t + I11cos(0 + )t +I11cos(0- )t+I12 cos(0+2)t+I12cos(0-2)t + I21cos(20+ )t +I21cos(2 0- )t (7.13) 3 Trong đó: I0=A0+A1E0 +A2E20+A3E30+ (A2+3A3E0)(U20m+U2m) 4 3 3 I10= A1E0 +3A2E0+3A3E30 + A1U0m+ A3U20m. Um +A3U30m 4 2 3 3 I01= A1E0 +3A2E0+3A3E30 +A1Um+ A3U0m. U2 m + A3U3m 4 2 3 I11=(A2+2A3E0)U0m.Um ; I12= A3 U0mU2 m; ; 4 (7.13) 3 1 I21= A3U2 0m Um; I2o= (A2+3A 3E0) U2  m; 4 2 1 3 2 I30= A3U30m Io2= (A2+3A 3E0) U 0m; 2 4 3 Io3= A3U3 m 4 171
Như vậy dòng đ iện qua diot chỉ có các tần số 0 ,0+ và 0 - (các thành phần chữ in nghiêng)là của tín hiệu điều biên,còn cáctần số khác là méo phi tuyến.Mạch cộng hưởng song song RLC lọc lấy các tần số n ày,loại bỏ các méo phi tuyến. Trong thực tế mạch cộng h ưởng cần được thiết kế cộng hưởng ở tần số sóng mang 0 và có dải thông 2fdải 0,7= 2Fmax, trong đó Fmax là tần số cao nhất của tín hiệu sơ cấp.Điện áp điều biên sụt trên khung cộng hưởng là: uđb(t) Rch[I10 cos 0t +I11cos (0+ )t +I11cos (0- )t ] (7.14) b)Điều biên cân bằng. b) a) D1 Hình 7.3b) là đ iều biên cân Rt bằng dùng hai diot.Có th ể u (t) Cb 0 u®bcb(t) u(t) coi đây là hai sơ đồ hình 7.3a) ghép chung trên một D2 E0 tải.Điện áp sóng mang đặt u(t) lên hai diot là đồng pha, H×nh 7.3 điện áp tín hiệu sơ cấp đặt a)§iÒu biªn th«ng thêng dïng 1 ®iot u0(t) lên chúng là ngược pha nên b)§iÒu biªn c©n b»ng dïng ®iot ta có: u D1(t)=u 0(t)+u(t) =U0mcos 0t +U mcos  t u D2(t)=u 0(t) -u(t)= Uomcost - Umcost (7.15) Thay các giá trị của điện áp trên hai diot vào biểu thức (7.5) ,biến đổi tương tự như trên rồi tìm dòng d iện qua cuộn sơ cấp của biến áp sẽ đư ợc : i=iD1-id2=I01cost +I03cos3t +I11[cos(0+)t+cos(0- )t]+ I21 [cos(2 0+ )t+cos(20- )t] (7.16) Trong đó: 1 I01=U0m(2A1+3A3U20m + A3U2 m ) 2 1 A3U3 m I03= (7.17) 2 I11=2A2U0m.Um 3 I21= A3 U2 0m.Um 2 172
Tín hiệu điều biên cân bằng chính là thành phần thứ ba trong (7.16)với biênđộ I11.Sovới th ành phần I11 trong biểu thức (7.14) th ì biên độ tron g trường hợp này tăng gần như gấp đôi. c)Điều biên vòng:sơ đồ điều biên vòng với bốn diot trình bày trên hình 7.4. Sơ đồ này chính là hai sơ đồ điều biên cân b ằng u  (t ) u ®b (t) hình 7.3b ghép lại .Từ đây dễ dàng nhận thấy điện áp tín hiệu sơ cấp u(t) đ ặt lên các diot D1 và D2 , D3 và D4 là đ ồng pha từng cặp một;tải tin u0(t)thì là các cặp D1và D2 ,D3 và D4.Tức là: u 0 (t) uD1(t)=u0(t)+u (t) =U0mcos 0t +Umcos 7.4. §iÒu biªn vßng t uD2(t)=u 0(t) -u(t) =Uomcost - U mcost uD3(t)=-u0(t)-u (t) =-U0mcos 0t -Umcos  t uD4(t)=-u0(t) +u(t)=-Uomcost +Umcost (7.17) Cũng thay các biểu thức (4.17) vào (7.5) để tìm các dòng điện diot,sau đó tìm dòng ra: ira=(iD1-iD2)+(iD3-iD4)=2I11[cos(0+ )t+cos(0-)t] = 4 A2U0m.Um[cos(0+ )t+cos(0- )t] (7.18) Như vậy mạch điều biên vòng cho biên độ tăng lên gấp đôi so với mạch điều biên cân b ằng ,khử được các hài bạc lẻ của  và các biên tần của 20.Trong thực tế đầu ra của mạch điều biên vòng có thể không cần dùng mạch lọc. 7.2.3.Nguyên lý điều chế đơn biên. Có ba phương pháp điều chế đ ơn biên là: phương pháp lọc,phương pháp quay pha và phương pháp lọc-quay pha kết hợp.Ta xét sơ lược chúng. a)phương pháp lọc. Từ tín hiệu điều biên cân b ằng ta loại bỏ đi một biên (trên hoặc dưới) ta sẽ được tín hiệu đơn biên. Thực tế cách 01  (01  ) 01    01   làm chỉ dùng một Läc Läc mạch lọc thì không §BCB1 §BCB1 1 2 01  (01  ) u  (t ) đạt hiệu quả tốt vì hai 02  01 dải biên trên và dưới u 01 ( t ) u 02 ( t ) nằm khá sát nhau. Vì TD§ TD§ vậy người ta điều chế SM1 SM2 hai lần để tăng H×nh 7.5S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng khoảng cách giữa hai dïng ph¬ng ph¸p läc dải biên. Hình 7.5 là sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên dùng m ạch lọc.Mạch điều biên cân bằng thứ nhất(ĐBCB1)điều biên với song mang01,lấy từ mạch tạo dao động sóng mang thứ nhất (TDĐ SM1).Đầu ra của nó là tín hiệu điều biên cân bằng 173
01.Mạch thứ nhất lọc lấy một biên ,giả sử biên trên 01+( lần lọc n ày chưa triệt để mà còn lẫn biên dưới 01- ).Mạch điều biên cân bằng lần thứ hai (ĐBCB 2)với sóng mang 0 2 lấy từ mạch tạo dao động sóng mang thứ hai(TDĐ SM2) tạo ra hai biên mới là 0 2 (01+ ).Mạch lọc thứ hai lọc lấy một biên thu ần khiết,ví dụ là biên trên 02 + (01+ ) b)Điều chế đ ơn biên theo phương pháp quay pha Phương pháp này dùng hai m ạch điều biên cân bằng và hai m ạch quay pha như trên hình 7.6. Giả sử mạch điều biên cân b ằng thứ nhất điều biên tín hiệu sơ cấp và tải tin chưa quay pha (hàm cosin).Mạch điềubiên thứ hai điều biên tín hiệu sơ cấp và tải tin đã quay pha( hàm sin).Đầu ra của chúng sẽ có những tín hiệu tương ứng là: 1  u CB1  U CBm cos t cos 0 t  2 U CBm [cos(0  )t  cos(0  )t ]  (7.19)  1 u  CB1  U CBm sin t sin 0 t  2 U CBm [ cos(0  ) t  cos(0  ) t ]  Hai tín hệi này có thể gộp lại th ành hiệu hoặc tổng .Nếu lấy tổngthì: (0- )t uđơn biên(t)=uCB1(t)+uCB2(t)=UCBmcos (7.20) Nếu lấy hiệu : uđơnbiên(t)=uCB1(t)-u CB2(t) u(t)=Umcost §BCB1 =UCBmcos (0+ )t (7.21) 0 90 U sint TÝn hiÖu c)Điều biên theo phương m +hoÆc- pháp k ết hợp lọc và quay ®¬n biªn pha. 0 90 §BCB2 Kết hợp hai phương pháp trên sẽ cho u0(t)=U0mcost U0msin0t kết quả tốt hơn để tạo ra tín H×nh 9.6§iÒu chÕ ®¬n biªn hiệu đơn biên.Sơ đồ khối theo ph¬ng ph¸p quay pha của phương pháp này trình bày trên hình 7.7.Tín hiệu sơ cấp qua bộ lọc hạn chế bớt dải tần của nó rồi đ ưa vào điều biên cân bằng bước 1trên (ĐBCB1)bằng sóng mang 01.Sóng mang này được quay pha đi 90 0 để điều biên cân b ằng bước 1 dưới(ĐBCB1’).Đầu ra hai mạch điều biên cân bằng sẽ được tín hiệu : 1  u CB 1  U CBm cos t cos  0 t  2 U CBm [cos(0  )t  cos(0  )t ]  (7.22)  1 u '  U CBm cos t sin  0 t  U CBm [  sin( 0  ) t  sin(  0  ) t ]  CB 1  2 Hai mach lọc tương ứng lọc lấy một biên của tín hiệu,giả sử biên 174
trên(01+ ). Chúng đư ợc mang điều chế lần hai với sóng mang 02. Đầu ra của hai m ạch điều biên cân b ằng lần hai có: ĐBCB 1 Lọc ĐBCB 2 u (t) u01(t) 900 900 _ Lọc u0 2(t) u ĐB ĐBCB 1 Lọ c ĐBCB 2 Hình 7.7 Sơ đồ khối điều biên đơn biên kết hợp lọc và quay pha u CB2(t)=UCB1mU02m cos(01 +)t cos 02t= 1 UCBm U02m[cos(02+01+)t +cos(02-01- )t] (7.23) 2 uCB2(t)’=UCB1mU02m sin (01+ )t sin 02t= 1 UCB1m U02m[-cos(02+01+ )t +cos(02-01- )t] 2 Qua m ạch hiệu sẽ được: 1 uđơn biên =u ĐBCB2-uĐBCB2’= UCB1m U02mcos(02+01+ )t (7.24) 2 7.3 ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA. Như đã xét trong chương 1, quan hệ giữa tần số và pha của dao động như =d/dt và =   d t sau: Từ đó ta thấy có thể tạo tín hiệu điều pha từ tín hiệu điều tần và ngược lại.Thật vậy nếu đưa tín hiệu sơ cấp đi u(t) TH  dt §iÒu pha ®iÒu tÇn qua mạch tích phân rồi thực h iện điều pha thì tín hiệu ra sẽ là tín hiệu điều tần như ở h ình 7.8a.Còn nếu đưa tín hiệu sơ cấp đi qua mạch vi phân rồi đưa u(t) TH §iÒu tÇn d/dt ®iÒu pha vào mạch điều tần như ở hình 7.8b thì sẽ được tín hiệu điều pha .Như vậy có H×nh 7.8 §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha d¸n tiÕp thể thực hiện điều tần và điều pha trực tiếp hoặc dán tiếp.Ta xét một số cách điều tần trực tiếp. Trong kỹ thuật điện tử hiện đại người ta thực hiện điều tần trực tiếp bằng cách tạo ra các mạch tạo dao động có tần số được điều khiển bởi điện áp VCO(voltage controlled oscillator) hoặc dòng điện CCO(Current controlled 175
oscillator),ho ặc các mạch tạo dao động theo nguyên lý theo nguyên lý biến đổi điện áp tần số.Thường người ta sử dụng các mạch tạo dao động LC( đã xét trong chương 6) có tần số biến đổi theo điện áp của tín hiệu sơ cấp vì mạch dao động loại này có dải tần số biến đổi rộng và làm việc ổn định ở dải tần số cao. 7.3.1.Điều tần dùng VARICAP. Varicap là lo ại diot biến dung đ ược cấu tạo từ một mặt ghép n-p.Nếu cho diot phân cực ngược thì nó sẽ tương đương một tụ điện có điện dung C xác định theo công thức: k C  Co h (7.23) k  U Trong đó h=23 -hằng số thực nghiệm ;K -mức h àng rào thế năngcủa vật liệu bán dẫn, U-điện áp đặt lên diot.C0-điện dung của varicap khi U=0. (suy từ 7.3) Đặc tính của varicap có dạng hình 7.9a .Nếu điện áp đặt lên varicap có dạng hìn sin như đồ thị hình 7.9b thì đ iện dung của varicap cùng có dạng hình sin 7.9C. Người ta sử dụng varicap như một điện dung trong thành phần của khung cộng hưởng của mạch tạo dao động hình sin đ ể tạo tín hiệu điều tần . Một sơ đồ như vậy có dạng như ở hình 7.10. Đây là một mạch dao động h ình sin ghép biến áp.Các điện trở R1,R2,R3 định thiên cho tranzisto,LCh là cu ộn chặn tần số cao không lọt vào nguồn,Cn1và Cn2 là các tụ nối tầng.Điot CD được cấp nguồn một chiều E0 qua cuộn thứ cấp của biến áp. Điện áp âm tần u(t) ghép qua biến áp vào điot varicap.Điện dung CD sẽ biến thiên theo điện áp âm tần u (t) .Như vậy C1 ghép C C(t) c) song song với nhánh có CD và Cn2 m ắc nối tiếp. Trị số a) của điện dung tương đương là: U t C .C C td  C  D n  u(t) C D  C n Hình7.9chọn chế độ công tác . (7.25) b) của varicap Nếu chọn Cn2 >>CD t thì CtđC1+C2.Tần số củ 1 dao động tạo ra sẽ là: f dt  (7.26) 2  L(C  C ) 1 D Trong công thức (7.26) CDbiến thiên theo quy lu ật của hàm sơ cấp u(t) nên dao động tạo ra sẽ là dao động điều tần. 7.3.2.Điều tần dùng tranzisro điện kháng 176
Người ta mắc tranzisto sao cho nó tương đương với một điện dung hoặc một điện cảm.Xét cách m ắc như ở h ình +Ucc Lch C n1 7.11.Mục đích của cách mắc là tạo ra tổng trở Z=U/I mang R2 R1 L C1 D u (t) tính dung(-jX) hoăc . E0 tính cảm(jX). Với R3 Cn3 Cn2 m ạch này nếu chọn Z1 và Z 2 thích h ợp thì sẽ có IIC và như vậy thì ZU / IC.Nhưng trong Hình 7.10 Điều tần dùng VARICAP tranzisto ta có quan hệ sau: h  ICIB h21 IB= h .IB =g21.UBE=S.UBE (7.27)  h  Ơ đây g21=S- là hỗ dẫn của tranzisto. Vì vậy n ên: Z Z U    Z=U / IC = (7.28) S. U S.Z  BE Để tạo thành dung kháng hoặc cảm kháng theo (7.28) sẽ có các ph ương án sau: Z1 -Phương án 1:Chọn Z1 là điện trở R,Z2 là Z2 1 điện dung C sao cho R>> thĩ : Z2 C H×nh7.11.Tranzisto m¾c R .C R R .C . ®iÖn kh¸ng Z  j =jLtđ;Ltđ= (7.29)  S S S j C 1 -Phương án 2: Chọn Z1 là điện dung C,Z2 là điện trở R sao cho R
-Phương án 4: Ch ọn Z1 là điện trở R điện ,Z2 là cảm L sao cho R>> L thì Z  R Cn1  R j  S L j C td T1 T2 LK S.L Ctđ = Ck R Lgh C (7.32) U u(t) Có th ể sử L1 Cn2 dụng một trong các phương án đ ã xét . R2 cn4 trên để tạo mạch điều R3 +Ucc R1 tần.Hình 7.12 là một mạch điều tần với T1 là tranzisto điện Hình 7.12Điều tần dùng . kháng mắc theo . tranzisto điện kháng phương án 1,tương đương với một điện cảm (công thức 7.29).Điện cảm Ltđ do T1 tạo ra được đư ợc ghép vào khung cộng hưởng của mạch tạo dao động mắc trên T2.Điện áp âm tần u(t) điều khiển hỗ dẫn S (trong công thức 7.29) của tranzisto T1 ,tạo n ên tín h ệu điều tần ,lấy ra trên khung cộng hưởng LKCK. 7.4. TÁCH SÓNG BIÊN ĐỘ. Các m ạch tách sóng tín hiệu điều biên,hay g ọi tắt là tách sóng biên độ,có nhiệm vụ tách tín hiệu sơ cấp ra khỏi sóng mang.Tin tức (tín hiệu sơ cấp ) nằm ở đường bao của tín hiệu điều biên nên tách sóng biên độ nhằm tách lấy đ ường bao của của tín hiệu( xem hình 1.7C-chương 1). Có nhiều sơ đồ tách sóng b iên độ. Ở đây ta chỉ xét nguyên lý làm việc của sơ đồ tách sóngbiên độ dùng điôt mắctheo sơ đồ nối tiếp. Đó là sơ đồ tiêu biểu nhất. Sơ t1 t 2 t3 T íi T Ýn D K§ h iÖu tõ ©m K§ Rt u®b tÇ n Ct tru n g t0 t tÇ n cu è i a) b) H ×nh 7.13 .a)T ¸ch sã ng biª n ®é nèi tiÕ p b )® å thÞ g i¶i th Ých n guy ªn lý t¸ch sã ng biªn ® é đồ n ày đơn giản nhưng lại có hiệu quả tách sóng cao. Sơ đồ có dạng như biểu diễn trên hình 7.13a. Trong sơ đồ này điôt mắc nối tiếp với tải nên gọi là sơ đồ 178
nối tiếp. Nguyên lý làm việc của sơ đồ có thể đ ược giải thích theo đồ thị h ình 7.13b .Trong khoảng nửa chu kỳ dương thứ nhất của tín hiệu, bắt đầu từ thời điểm t0 thì điôt thông, tụ Ct nạp điện nhanh qua điện trở thuận (nhỏ ) của điôt ( khoảng thời gian từ t0 t1 ) nên d ạng của điện áp uc(t) gần như lặp lại dạng tăng của tín hiệu. Đến thời điểm t1 thì điện áp trên tụ đạt cực đại, điện áp tín hiệu điều biên b ắt đầu giảm, điện thế ở anốt của điôt tụt xuống dưới mức của katốt (mức của katôt là mức đã được nạp bởi tụ Ct). Vì vậy từ thời điểm t1 điôt đóng, điện trở ngược của nó lớn, tụ Ct bắt đầu phóng điện theo quy luật hàm mũ qua điện trở Rt trong kho ảng thời gian t1t2 . Từ thời điểm t2đến t3 điôt lại thông, tụ Ct lại nạp điện....vv.. Quá trình cứ như vậy tiếp diễn. Kết quả điện áp trên tụ Ct có dạng gần giống với đường bao của tín hiệu điều biên, đó chính là tín hiệu U (t) cần tách. Độ sai lệch của điện áp tách sóng U (t) so với đ ường bao được quyết định bởi cách chọn = RtCt. Muốn điện áp này có dạng giống đường bao cần 1 1 chọn :
Điện áp đầu ra của bộ tách sóng có biên độ trị số tỷ lệ với hiệu pha như sau UTS = KTS .Uch  D  Udf  Udf     cos  Udf U  Uch  Uch u(t) uđfC (t) tC. (7.31) t t Rt (t) Trong đó KTS là h ệ số Uch truyền của mạch tách sóng. Theo (7.31) thì quan h ệUTS và  là một h àm phi tuyến, nên Hình 4.14 a)Mạch tách sóng pha đ ơn giản m ạch làm việc kém hiệu quả, b) giản đồ véc tơ điện áp trong TS pha đơn giản m éo phi tuyến lớn. Để mạch làm việc tốt hơn người ta ráp hai sơ đồ hình 7.14 thành một như ở hình 7.15a. Theo sơ đồ hình 7.15a thì UD1 = U1+ Uch ; UD2 = -U1+Uch Như vậy th ì tương tự như trường hợp trên sẽ có biên độ các điện áp đặt lên điôt là: 2 U  U 1  1   2 1 cos  UD1 = Uch U  U ch  ch  2 U  U UD2 = Uch 1   1   2 1 cos  (7.32) U  U ch  ch  Nên UTS = KTS(UD2-UD1)=KTSUch (7.33)    U  U  U  U Trong đó =      cos  -     cos   Uch  Uch  Uch  Uch (7.34 ) Xét ba trường hợp đặc trưng: - Khi  = / 2 thì cos =0 nên =0, điện áp ở đầu ra của bộ tách sóng =0 - Khi  < / 2 thì 0< cos0,điện áp ở đầu ra cuả bộ tách sóng sẽ dương 180
D1 U1 Ct1 Rt1 U01 UD1 UCh UD2 uđf(t) C t2 Rt2 U0 U 1’ D2 U02 U1 U1’=-U1 UCh a) b) Hình 7.15a)Tách sóng pha đơn phức tạp b) giản đồ véc tơ các điện áp - Khi  > / 2 thì ngược lại-1< cos
7.6.2 Tách sóng tần số dùng hai khung lệch cộng hưởng lệch cộng hưởng. Sơ đồ tách sóng dùng một khung cộng hư ởng hình 7.16a cho hiệu quả tách sóng kém, méo phi tuyến lớn. Muốn khắc phục các nhược điểm trên cần giáp hai mạch 7.16a thành một mạch hình 7.17a. ở đây cần chọn hai khung L2C2 và L2’C2’ với một khung có tần số cộng hưởng f02 lớn h ơn tần số trung tần f0 ,khung kia có tần số f01 nhỏ hơn f0 như ở hình 7.17b. Với điện áp đầu ra của bộ tách sóng UTS b ằng hiệu của hai điện áp tách sóng : 1 2 2 . D2 L'2 C '2 C t2 R t2 U 02 f01 f0 f02 f . U0 L2 C2 C t1 R t1 U 01 3 D2 Hình 7.17 a) Mạch tách sóng tần số dùng hai khung lệch cộng h ưởng b)Đặc tuyến truyền đạt của mạch. UTS = UTS1 - UTS2 nên đặc tuyến biến đổi (truyền đạt) của mạch sẽ có dạng là hiệu của hai đường cong 1 và 2. Cho đường cong 3 trên hình 7.17 b đường cong này có đ ộ tuyến tính và độ dốc tốt hơn trường hợp dùng một khung cộng hưởng. Có thể tìm được điện áp đầu ra của bộ tách sóng theo biểu thức sau: UTS = UTS1 - UTS2 = KTS.UĐB-ĐT max. (7.35) Trong đó 1 1  = (7.36) 1  ξ  ξ TS 2 1  ξ  ξ TS 2 2f  f0 2 2Δ f với ξ  - độ lệch tần số tổng quát (xem 1.6 Chương  f0 d td f0 d td 1); dtd - hệ số suy giảm tương đương của một khung cộng hưởng ; dtd = 1 /Q; 2f02  f01  2Δ f0 ξ TS   2f0 d td 2f0 d td 7.6.3 Tách sóng tần số dùng một khung cộng hưởng ở trạng thái cộng hưởng. Xét m ạch tách sóng hai điôt nhưng ch ỉ có một khung cộng hưởng thứ cấp L2C2 cũng cộng hưởng ở tần số trung tần f0 như ở hình 7.18a f0 = f trung tần = 1 1  2 2 L 1C 1 L 2C 2 182
ở đ ây hai khung cộng hưởng được ghép qua đại lư ợng hỗ cảm M. Khung cộng hưởng L1C1 đ ược ghép vào điểm giữa của cuộn L2 qua tụ Cn; Cuộn chặn Lch có tác dụng chặn tần số cao (trung tần) và thông tần số thấp (âm tần) . Nguyên lý tách sóng có thể giải thích như sau: Tụ Cn đấu thông khung cộng hưởng L1C1 vào điểm giữa của cuộn L2 nên D2 Cn Rt M U 2 /2 Ct U 02 C1 C2 C1 C2 U0 U1 Ct Rt U 01 D1 U 2 /2 a) b) Hình 7.18 a)Tách sóng dùng một khung cộng hưởng ở trung tần b ) sơ đồ rút gọn sơ đồ rút gọn có dạng như ở hình 7.18b. Từ h ình này ta th ấy: Điện áp U1 đ ặt lên hai điôt là đồng pha, điện áp vào U2 chia thành hai nửa đặt lên hai điôt là ngược pha. Do vậy có thể xây dựng đồ thị véc tơ cho các trường hợp khác nhau như trên hình 7.19 Trường hợp thứ nhất tần số tín hiệu trung tần không biến thiên mà bằng đúng tần số trung tâm f0 trùng với tần số cộng h ưởng của cả hai khung L1C1và L2C2. Điện áp U1 gây U 2  U2 U2 U 2 U2 n ên dòng I1 qua L1 U D2 2 U 2 2 U D1 2 2 chậm pha một góc nhỏ 2 U1 UD1 UD2 U1 2 U1 h ơn 90o so với U1 (vì U D2 U D1 m ạch có điện trở tổn U2 h ao). Dòng I1 gây nên I1 I1 I1 suất điện động cảm ứng U2 EM I2 I2 trên cuộn L2 là EM =  U2 EM I2 EM jMI1, giả sử ta lấy dấu b) c) a) H ×nh 9.19.§ å thÞ vecto gi¶i thÝch nguyªn lý - , tức EM = - jMI1, t¸ch song tÇn sè như vậy là EM chậm o pha so với I1 một góc 90 . Vì mạch thứ cấp L2C2 cũng cộng h ưởng nên dòng I2 do su ất điện động EM sinh ra cũng trùng pha với nó (cộng hưởng nối tiếp ). Dòng này sinh ra điện áp U2 vư ợt pha so với nó một góc nhỏ hơn 90 o (do trong m ạch có tổn hao) .Do vậy ở đồ thị véc tơ h ình 7.19a thì U1 vuông góc với U2 nên điện áp đặt lên hai điôt có biên độ như nhau, điện áp đầu ra của hai bộ tách sóng như nhau nên : 183
UTS = UTS2 - UTS1 = KTS(UD1-UD2) = 0 Trường hợp thứ hai ta xét là trường hợp tần số của tín hiệu trung tần lớn hơn tần số cộng hưởng f0 . Lúc này mạch thứ cấp lệch cộng hưởng (nối tiếp) n ên mang tính chất cảm, dòng điện I2 chậm pha so với EM một góc nhỏ hơn 90 o ,I2 sinh ra U2 vượt pha so với nó một góc nhỏ hơn 90 o . Do vậy theo đồ thị véc tơ hình 7.19b thì UD1 > UD2 nên điện áp ra sẽ khác 0. Tương tự giải thích trường hợp thứ 3 khi tần số của tín hiệu nhỏ h ơn tần số trung tâm f0 với đồ thị h ình 7.19c Có th ể tìm đ ược biểu thức định lượng của điện áp đầu ra bộ tách sóng UTS = KTS(UD2 - UD1) = KTSU1 (7.38) 2 2 A A   1    ξ   1   ξ  2 2   Trong đó = 1  A  22 2  4ξ 2 ξ ωM -nhân tố ghép A= r -điện trở tổn hao của khung cộng hưởng r ω ω0 - độ lệch tần số tổng quát ξ  2Q ω0 ω K L 1L 2 A= =K.Q r Thường chọn A=0,855 để có hiệu quả tách sóng tốt nhất. 7.6.4.Tách sóng tần số tỷ lệ.Trong các mạch tách sóng tần số đ ã xét ,trước khi đi tới bộ tách sóng tín hiệu phải đi qua mạch hạn chế biên độ(tầng khuếch đại trung tần cuối làm việc ở chế độ hạn chế biên độ ). Sở dĩ như vậy vì tín hiệu trên đư ờng truyền bị nhiễu tác động tạo th ành điều biênký sinh.Mạch hạn biên hai D1 phía sẽ loại bỏ những điều biên ký sinh đó. Riêng tách sóng tần số tỷ Ura1 C R lệ sẽ xét sau đây không cần có hạn ch ế biên độ .Sơ đồ nguyên lý trình U1 C1 U0 bày trên hình 7.20. Hai diot D1 và . Ura2 R D2 mắc nối tiếp.Từ hình 7.20 xác C định được : D2 Điện áp sụt trên mỗi điện trở R cũng là điện áp trên mỗi tụ C LCh Ura là: Hình 7.20 tách sóng tần số tỷ lệ 1 uR = u 0 /2 = (ura1+u ra2); 2 Còn điện áp ra của bộ tách sóng là : ura= u ra1- uR 184
1 1 = (ura1-ura2)= U0 2 2 Ura1  Ura2 Uo Ura1 / U .ra 2  1 (7.28 )  Ura1  Ura2 2 Ura1 / Ura 2  1 Biểu thức cuối cho thấy trong quá trình tách sóng nếu điện áp u0 không đổi do chọn tụ Co khá lớn ,điện áp ra chỉ phụ thuộc vào tỷ số ura1/ura2 ,tỷ số n ày phụ thuộc vào sự biến thiên tần số ở đầu vào mà không phản ứng với các nhiễu biên độ như trong bộ tách sóng dùng m ạch cộng hưởng ghép.Vì vậy không cần hạn chế biên độ trước khi tách sóng. 7.7.BIẾN TẦN. 7.7.1.Nguyên lý biến tần. Biến tần(còn gọi là trộn tần hoặc đổi tần)ứng dụng trong các máy thu nhằm đưa d ải tần số thu được về một dải cố định,gọi là d ải trung tần hoặc trung gian,nhằm tạo ra các tầng khuếch đại trung tần đ ược chỉnh cộng hưởng tại một tần số cố định .Như vậy nhiệm vụ của biến tần là chuyển đổi dải tần số (thường là từ miền cao h ơn về miền thấp hơn) mà không làm thay đ ổi dạng biên độ và pha của tín hiệu . Thực chất đây là quá trình chuyển đổi tần số sóng mang.Để thực hiện chức năng trên một mạch đổi tần cần có hai th ầnh phần là mạch trộn và mạch dao động ngoại sai.Nếu đưa tới đầu vào của phần tử phi tuyến một tần số đơn (có một vạch phổ) lấy từ mạch dao động ngoại sai fngs và tần số tín hiệu có ích fth (ho ặc là cố định hoặc là biến thiên trong một dải hẹp nào đó) thì theo nguyên lý biến đổi phi tuyến §1.1.3 b sẽ nhận được ở đầu ra qua mạch lọc tần số trung tần: tt = |  m th  n ngs| ;trong đó m,n là những số nguyên dương. Nếu lấy tần số tt = | th  ngs| D D1 u th thì biến tần được u th u tt u tt gọi là đơn giản với m =n=1.Trường hợp D2 lấy m,n >1 gọi là u ng .S biến tần tổ hợp. D1 u ng .S 7.7.2.Mạch biến tần dùng diot . Các D4 H ×nh 7.21 m ạch biến tần dùng u th u tt a )biÕn tÇn ®¬n gi¶n diot cũng có sơ đồ D3 b )biÕn tÇn c©n b»ng tương tự như các c )biÕn tÇn vßng m ạch điều biên.Các D2 sơ đồ biến tần trình u ng . S bày trên hình7.21 Mạch biến tần đơn giản h ình 7.21a dùng một diot để trộn tín hiệu tần số fth ngo ại sai fngs.Mạch lọc đầu ra lọc lấy tín hiệu trung tần fth-fngs.Sơ đồ biến tần cân bằng hình 7.21b 185
tăng dòng điện tần số trung tần lên gấp đôi và méo phi tuyến giảm so với sơđồ đơn giản.Mạch biến tần vòng hình 7.21c có dòng điệntần số trung tần tăng gấp đôi so với biến tần cân bằng và sản phẩm phụ gần như bị triệt tiêu nên có thể không cần dùng mạch lọc (xem các mạch điều ftt biên). 7.7.3.Biến tần dùng tranzisto Biến tần dùng tranzisto cũng thường gặp trong các máy thu.Các sơ đồ có thể sử . L CE 1 dụng cách mắc emitơ chung hoặc bazơ ftt RE L2 chung.Cách m ắc bazơ chung được dùng ở R L3 vùng tần số cao đẻ tăng độ ổn định,tuy C2 nhiên hệ số truyền đạt thấp hơn sơ đồ emitơ chung .Cách ghép tín hiệu và ngoại C 1 sai có các phương án trên hình 7.22. H×nh7.23BiÕn tÇn dïng mét tranzisto Hình 7.23a là một ví dụ về mạch biến tần dùng m ột tanzisto thực hiện cả hai chức năng trộn và dao động ngoại sai .Dao động ngoại sai ở đây là một mạch tạo dao động h ình sin ghép hỗ cảm qua biến áp .Địên áp goại sai được tạo ra nhờ hồi tiếp dương ghép vào emitơ của tranzisto qua L2,L3. Điện áp tín hiệu ghép vào bazơ qua biến áp đầu vào.Mạch L1C1 cộng hưởng nối tiếp ở tần số trung tần nên tần số trung tần bị ngắn mạch ở đầu vào để tránh hiện tượng biến tần ngư ợc. Để giảm sự ảnh hư ởng lẫn nhau giữa mạch ngoại sai và mạch tín hiệu người ta hình thành một mạch cầu tạo bởi L2,L3,R- C2,Re-Ce.(hình 7.23b).Re,Ce là các giá trị ký sinh của tranzisto và của mạch.Khi cầu cân bằng th ì ảnh h ưởng giữa hai mạch tín hiệu và ngo ại sai sẽ bị triệt tiêu. 7.9 VÒNG GIỮ PHA PLL(phase loocked loop). 7.9.1.Nguyên lý PLL Vòng giữ pha (còn U d' gọi là vòng khoá pha hay vòng chốt pha)đư ợc ứng Uv dụng rộng rãi tron g k ỹ VC O So Läc th«ng thÊp thuật điện tử-vôtuyến điện pha OS C r tử để tự động điều chỉnh V tần số ,tổng hợp tần v- r ’ số,điều chế ,giải m ã tiếng nói ... Xét nguyên lý làm Chia tÇn việc trên sơ đồ khối h ình 7.24. H×nh 7.24 S¬ ®å khèi vßng kho¸ pha.PLL Nhiệm vụ của vòng giữ pha hình 7.24 là phát hiện sự ch ênh lệch về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra để điều chỉnh tần số của dao động tại chỗ bám theo tần số của tín hiệu vào. Mạch dao động tại chỗ là mạch VCO-mạch dao động được khống chế bằng 186
điện áp (voltage controlled oscillator) hoặc CCO-Mạch dao động khống chế bằng dòngđiện (currunt controlled oscillator).Mạch PLL hình 7.24 có các khối VCO, khối chia tần số,khối so sánh (so pha-tách sóng pha), khối khuếch đại và lọc thông thấp. Nguyên lý làm việc của khối này như sau: Khi không có tín hiệu vào thì VCO dao động tự do với tần số riêng của nó là 0 , điện áp điều khiển VCO là U’d=0 vì ở đầu ra của bộ tách sóng pha (tức là đầu vào của khối khuếch đại-lọc thông thấp) không có điện áp Ud= Kd.Uv.U’r=0. Khi có tín hiệu vào mạch so pha sẽ so sánh pha của tín hiệu vào (tần số v)và pha của tín hiệu tại chỗ (tần số ’r lấy từ VCO qua bộ chia tần ’r=r/N).Mạch so pha có thể sử dụng mạch nhân analog để tách sóng pha (nếu tín hiệu là tương tự).Đầu ra của bộ so pha nhận được một tín hiệu Ud t ỷ lệ với hiệu số pha  =v-r.. Vì Ud =Kd.Uv.U’r n ên trong đó có các tần số tổng và hiệu v-’r,v+’r. Mạch lọc thông thấp lọai bỏ tần số tổng,lọc lấy tần số hiệu v- ’r rồi khuếch đại lên để điều khiển VCO .VCO sẽ phải thay đổi tần số cho đến khi hiệu v-’r không,nghỉa là =0 .Như vậy VCO luôn thay đổi tần số để bám theo tần số đầu vào. Nếu tần số của tín hiệu vào lệch quá xa tần số củatín so sánh làm cho tần số tổng và tần số hiệu lệch ra ngo ài vùng thông của bộ lọc thì sẽ không có tín hiệu điều khiển .VCO sẽ dao động tự do với tần số 0.PLL không ho ạt động.Khi cho v và ’r xích lại gần nhau sao cho hiệu của chúng lọt vào trong dải thông của bộ lọc thông thấp thì PLL bắt đầu hoạt động ,PLL làm việc trong “dải bắt”. “Dải bắt” quý êt đ ịnh bởi dải thông của lọc thông thấp ,đó là d ải tần số thiết lập đư ợc ch ế độ đồng bộ . “Dải giữ “ là dải tần số tấn số mà PLL giữ đư ợc chế độ đồng bộ khi thay đổi tần số của tín hệu vào.Dải giữ không phụ thuộc vào lọc thông thấp mà phụ thuộc vào biên độ của điện áp điều khiển và khả năng thay đổi tần số của VCO. 7.9.2.Một số ứng dụng của PLL. PLL được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại nhằm biến đổi tần số ,điều chỉnh tần số.Xét một số ứng dụng đó. +Tách sóng tín hiệu điều tần. Muốn dùng PLL đ ể tách sóng tần số thì ph ải chọn tần số dao động tự do 0 của VCO trùng với tần số trung tâm của tín hiệu điều tần (tín hiệu trung tần). Như vậykhi tần số của VCO bấm theo tần số của tín hiệu điều tần ở đầu vào thì ở đầu ra của mạch lọc thông thấp -khuếch đại nhận PLL TÊn sè chuÈn TSP LTT&K§ VCO TÇn sè ra fc fra=Nfc CHIA tÇn fra/N H×nh 7.25.M¹ch nh©n tÇn sè víi hÖ sè nh©n N nguyªn 187