Chương 6: KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN (IF) VÀ CÁC BỘ LỌC IF

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

Chöông 6 KHUEÁCH ÑAÏI TRUNG TAÀN (IF) VAØ CAÙC BOÄ LOÏC IF

6.1. KHUEÁCH ÑAÏI TRUNG TAÀN (INTERMEDIATE FREQUENCY

AMP)

Naèm ôû sau boä ñoåi taàn coù nhieäm vuï: khueách ñaïi lôùn tín hieäu nhoû sau boä ñoåi taàn (Rx) ñeán möùc caàn thieát giaûi ñieàu cheá, coù ñoä choïn loïc cao (nhôø caùc boä loïc IF) tín hieäu mong muoán vaø loaïi nhieãu ngoaøi baêng thoâng, coù AGC (Automatic gain Control) traùnh quaù taûi cho giaûi ñieàu cheá, giaûm meùo giaûi ñieàu cheá trong heä thoáng FM (Frequency Modulation). Möùc tín hieäu sau ñoåi taàn khoaûng < lmV, trong khi haàu heát caùc boä giaûi ñieàu cheá AM, FM, PM yeâu caàu möùc tín hieäu khoaûng l V. Ñoä lôïi khueách ñaïi ñieän aùp trung taàn (60 ‚ 100)dB. Hai hoaëc 3 taàng khueách ñaïi IF duøng BJT, FET, MOSFET cho pheùp ñaït giaù trò naøy. Coâng ngheä vi maïch hieän ñaïi haàu nhö ñaõ chuaån hoùa vi maïch sau ñoåi taàn.

1) Löïa choïn taàn soá trung taàn:

Ñoä choïn loïc baêng thoâng nhoû coù ñöôïc toát nhaát ôû taàn soá thaáp nhôø caùc maïch ñieàu höôûng LC, Ceramic Filter (CF), Crystal Filter. Söï choïn löïa fIF thaáp laøm cho thieát keá ñôn giaûn, ñoä khueách ñaïi lôùn, oån ñònh cao, deã thöïc hieän. Trong maùy thu thanh AM coù fIF = 455KHz; baêng thoâng = 20KHz; heä soá phaåm chaát boä loïc IF Q = 50 ‚ 100. Ñaây cuõng thöôøng laø taàn soá trung taàn thöù 2 cuûa thoâng tin thoaïi FM hoaëc cuûa moät soá loaïi maùy thu khaùc nhö maùy nhaén tin. Khi taàn soá hoaït ñoäng lôùn hôn vaøi chuïc MHz, yeâu caàu fIF cao hôn ñeå taêng ñoä choïn loïc taàn soá aûnh cuûa maïch tieàn choïn loïc ngoõ vaøo Rx (fIM = fs + 2fIF), vieäc thieát keá trôû neân phöùc taïp hôn ñeå traùnh töï kích.

Vieäc löïa choïn taàn soá trung taàn dung hoøa ñaëc ñieåm khueách ñaïi IF coù ñoä choïn loïc cao, ñoä khueách ñaïi lôùn oån ñònh cao, maïch ñôn giaûn deã thöïc hieän ôû taàn soá fIF thaáp, vôùi ñoä choïn loïc nhieãu taàn soá aûnh fIM toát khi fIF cao. Töø ñoù coù ñöôïc caùc taàn soá trung taàn chuaån. Trong thoâng tin thoaïi AM-SSB (3 ‚ 30MHz), thöïc hieän ñoåi taàn 2 laàn loaïi taàn soá nhieãu aûnh.

fIF1 = 2MHz, baêng baêng 10KHz, fIF2 trong khoaûng (100 ‚ 500) KHz ví duï 456KHZ hay 200KHZ baêng thoâng 3KHz.

Ñoái vôùi phaùt thanh FM mono stereo (88 ‚ l08)MHz. fIF laø 10,7MHz baêng thoâng 200KHz.

Maùy thu truyeàn hình coù fIF khoaûng (30 ‚ 50)MHz baêng thoâng (6 ‚ 10)MHz tuøy chuaån heä.

Trong radar, viba maët ñaát thoâng tin veä tinh, ñieän thoaïi di ñoäng teá baøo, caùc taàn soá trung taàn thöôøng gaëp: 35; 45; 70; 140; 479MHz.

Maïch ñieän töû 3 61

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

Hieän nay vi maïch tính hôïp cao xöû lyù tín hieäu sau ñoåi taàn ñaõ ñöôïc chuaån hoùa cuøng caùc boä loïc coù heä soá phaåm chaát Q cao nhö SAW, Ceramic Filter, Crystal Filter. Caùc vi maïch ña naêng trôû neân thoâng duïng troïng caùc loaïi maùy thu.

2) Caùc daïng maïch trung taàn

+Vce

47p

2,2K

CF 10.7

from Mix

+10m

22m

5,6K

AN7116

AN7224 9

10K

220p

2 3

4 5 7 8

out

0,01

0,1

47p

Hình 6.1. Vi maïch AN7224 khueách ñaïi IF, giaûi ñieàu cheá FM. AN7116 khueách ñaïi aâm taàn.

12V

0,01

100

0,01

15p

470

CF 10.7

4,7p

5,1K

50w

1 12

33p

Audio out

MFC 4010 1

180

13 MC 1357 7 8

330

390K

120

K 3 3

0,01

Hình 6.2. IC khueách ñaïi IF MFC4010 khueách ñaïi haïn bieân 60dB, ñieän aùp ra 200mv. IC MC1357 khueách ñaïi haïn bieân-giaû ñieàu cheá FM.

Maïch ñieän töû 3 62

+Vcc

AGC

To Det

+Vcc

AGC

Hình 6.3. Khueách ñaïi IF coù AGC duøng MOSFET, BJT.

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

+12V

IFout

+Vcc

AGC in

AGC Reference

V4‡

RFin

Vi maïch phoå thoâng CA3028A coù theå laøm boä troän, khueách ñaïi RF tôùi 120MHz, khueách ñaïi IF coù AGC.

CA 3028A

IFin

(a)

(b)

Hình 6.4. Vi maïch CA3028A laøm khueách ñaïi IF coù AGC (a) vaø Mixer (b).

Maïch ñieän töû 3 63

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

+Vcc

MC 10116

C 2026 C 2026

Hình 6.5. Khueách ñaïi IF daûi roäng nhieãu thaáp trong viba vaø TVRO.

6.2. AGC (AUTOMATIC GAIN CONTROL)

max

Maïch töï ñoäng ñieàu chænh ñoä khueách ñaïi AGC ñöôïc thieát laäp ôû taàng khueách ñaïi IF cho pheùp taêng hoaëc giaûm ñoä khueách ñaïi khi tín hieäu thu yeáu (ñaøi xa) hay maïnh (ñaøi gaàn) baèng caùch thay ñoåi ñieän aùp phaân cöïc. Nhö vaäy AGC laø heä thoáng hoài tieáp ñieàu chænh ñoä lôïi maùy thu döïa vaøo bieân ñoä tín hieäu thu ñoàng thôøi môû roäng daûi ñoäng (Dynamic Range - DR). Daûi roäng laø khoaûng ñieän aùp ngoû vaøo Rx nhoû nhaát ñeán lôùn nhaát maø tín hieäu ra khoâng bò meùo. Noù bieåu dieãn döôùi daïng:

min

= lg20 )dB( D R V V

Thoâng thöôøng DR cuûa maùy thu coù AGC töø 40 ‚ 100 dB.

Tín hieäu AGC thöôøng ôû daïng ñieän aùp moät chieàu sau taùch soùng tyû leä vôùi möùc tín hieäu thu ñöôïc ñöa veà laøm thay ñoåi ñieän aùp phaân cöïc taàng RF hay IF kieåm soaùt ñoä khueách ñaïi cuûa maùy thu.

Ví duï ñoä khueách ñaïi Av cuûa 1 taàng khueách ñaïi BJT coù daïng:

Maïch ñieän töû 3 64

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

Av dB

30 +AGC -AGC

IC mA

1 6 12 18

Hình 6.6.

Neáu AGC laøm giaûm doøng Ic(Av) ta coù -AGC (AGC ngöôïc) duøng ôû boä phaùt ñaùp thoâng tin veä tinh, ôû maùy thu duøng pin nôi nguoàn cung caáp bò giôùi haïn, neáu AGC laøm taêng doøng Ic(Av) ta coù +AGC (AGC thuaän) ñöôïc duøng nhieàu trong tivi vaø maùy thu baùndaãn AM-FM.

Maïch AGC ñôn giaûn cuûa maùy thu AM nhö veõ 6.7.

+Vcc

C2 R1 C1 +

- DC AGC C3

Hình 6.7.

Ñaûo chieàu diode ta ñöôïc +AGC. Thôøi haèng t = R2C3 ñuû lôùn ñeå ñieän aùp ra thuaàn DC bieán thieân theo bieân ñoä tín hieäu vaøo maùy thu.

Trong maùy thu FM, ñieän ñaùp AGC coù theå taùch tröïc tieáp töø maïch giaûi ñieàu cheá FM. Caû hai boä taùch soùng phaân bieät Foster - Seeley vaø taùch soùng tyû leä ñeàu deã daøng cho ñieåm laáy ñieän aùp DC tyû leä vôùi bieân ñoä tín hieäu vaøo. ÔÛ moät soá maùy thu chaát löôïng cao, moät maïch AGC ñaùp öùng nhanh ñöôïc thieát laäp nhö hình sau:

Maïch ñieän töû 3 65

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

C1 D2 -

+ IF hoaëc Audio Amp R1 D1 C2 - DC AGC tôùi RF hay IF Amp

Hình 6.8.

Diode Dl,2 naén nhaân hai ñieän aùp; R1C2 coù thôøi haèng ñuû lôùn taùch laáy thaønh phaàn DC; khueách ñaïi Op coù theå maéc kieåu ñaûo hoaëc khoâng ñaûo ñeå taïo cöïc tính ñieän aùp AGC caàn thieát.

6.3. AFC (AUTOMATIC FREQUENCY CONTROL)

Moät kieåu maïch ñieàu khieån hoài tieáp töông töï AGC duøng ôû maùy thu cao taàn goïi laø AFC (töï ñoäng ñieàu chænh taàn soá), laøm cho taàn soá dao ñoäng noâïi maùy thu ñoåi taàn ñöôïc oån ñònh khoâng bò troâi (do nhieàu nguyeân nhaân nhö nhieät ñoä thay ñoåi, thoâng soá kyù sinh aûnh höôûng ñoä oån ñònh dao ñoäng noäi, …

Trong caùc maùy thu taàn soá coá ñònh nhö ñieän thoaïi Cordless Telepbone, vaán ñeà troâi taàn soá ñöôïc giaûi quyeát baèng taàn soá dao doäng thaïch anh oån ñònh.

Amp Mix RF Amp IF Amp FM Dem fs

fo - V

LO R3 R1 Ñoàng chænh + DC R2

- DC

Hình 6.9. Maïch AFC trong maùy thu FM.

Bieân ñoä ñieän aùp ngoû ra boä taùch soùng FM thay ñoåi theo ñoä di taàn. Neáu taàn soá taêng, ñieän aùp ra döông. Neáu taàn soá giaûm, ñieän aùp ra aâm. Maïch loïc thoâng thaáp R1C1 laáy tín hieäu DC bieán ñoåi chaäm ñöa laïi phaân cöïc cho varicap ñieàu chænh taàn soá dao ñoäng noäi. Khi taàn soá dao ñoäng noäi troâi, boä giaûi ñieàu cheá FM seõ phaùt hieän nhö söï thay ñoåi tín hieäu. Giaû söû taàn soá dao ñoäng noäi taêng, laøm cho fIF = fo -

Maïch ñieän töû 3 66

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

fs taêng taïo neân ñieän aùp +DC ñöa laïi giaûm phaân cöïc ngöôïc varicap, keùo taàn soá dao ñoäng noäi xuoáng giaù trò ban ñaàu vaø ngöôïc laïi.

Coù moät soá kieåu maïch AFC khaùc nhau trong TV, maùy thu FM.

Moät soá maùy thu FM coù chuyeån maïch ON - OFF cho AFC. Maùy thu ñieàu höôûng ban ñaàu toát nhaát khi taét AFC cho pheùp chænh ñuùng taàn soá. Sau ñoù môû AFC ñeå giöõ oån ñònh taàn soá dao ñoäng noäi.

Caùc maùy thu hình, FM, maùy thu phaùt hieän ñaïi khoâng caàn maïch AFC vì boä toång hôïp taàn soá coù ñoä oån ñònh cao trong caû daûi taàn coâng taùc.

6.4. CAÙC BOÄ LOÏC TRUNG TAÀN (IF FILTER)

1) Maïch coäng höôûng song song:

Moät daïng boä loïc trung taàn coù baêng heïp, Q khoaûng 50 ‚ 100.

2) Boä loïc gheùp hoå caûm haimaïch ñieàu höôûng:

Hai maïch ñieàu höôûng gheùp hoå caûm taïo thaønh boä loïc trung taàn coù ñoä doác khaù lôùn vôùi baêng thoâng mong muoán ñeå ñieàu chænh baèng caùnh thay ñoåi heä soá gheùp.

M Maïch coäng höôûng ñôn

C1 Maïch ñieàu höôûng gheùp hoå caûm L p L s C2

Hình 6.10. Ñaùp tuyeán truyeàn ñaït maïch ñieàu höôûng gheùp hoå caûm.

3) Boä loïc gheùp ñieän dung hai maïch ñieàu höôûng:

Maïch ñieän töû 3 67

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

Cgheùp

L 1 C1 L 2 C2

Hình 6.11. Boä loïc IF duøng 2 maïch ñieàu höôûng gheùp ñieän dung.

Kieåu gheùp naøy coù cuøng öu ñieåm nhö gheùp hoå caûm: ñaùp tuyeán khaù phaúng trong baêng thoâng IF, ñoä doác khaù lôùn, ñoä choïn loïc khaù cao, deã thay ñoåi baêng thoâng nhôø C gheùp. Phöông phaùp tính toaùn ñöôïc ñeà caäp trong taøi lieäu lyù thuyeát maïch - tín hieäu vaø kyõ thuaät maïch ñieän töû thoâng tin.

4) Boä loïc thaïch anh (Crystal Filter)

Boä loïc thaïch anh laøm töø thaïch anh SiO2. Thaïch anh coù hieäu öùng aùp ñieän Piezoelectric, töùc laø khi ñaët moät ñieän aùp vaøo thaïch anh, noù seõ dao ñoäng ôû taàn soá coäng höôûng rieâng oån ñònh vaø ngöôïc laïi. Taàn soá naøy phuï thuoäc kích thöôùc, ñoä daøy, höôùng truïc caét thaïch anh. Phieán caét caøng moûng, taàn soá dao ñoäng rieâng caøng taêng. Taàn soá dao ñoäng thaïch anh oån ñònh khoaûng 20KHz ñeán 50 MHz.

XL CT L T rT w 0 w w

Cp XC

Hình 6.12. Kyù hieäu thaïch anh vaø maïch ñieän töông ñöông, ñieän khaùng thaïch anh.

rT, LT, CT - thoâng soá thaïch anh

Co ñieän ñung aùp maø phieán kim loaïi giöõ thaïch anh.

= w Taàn soá coäng höôûng noái tieáp 1 CL T

= w » w Taàn soá coäng höôûng song song vì Co >> CT L 1 GC o + CG o

Taïi coäng höôûng noái tieáp thaïch anh coi nhö thuaàn trôû raát nhoû rT.

Q = Heä soá phaåm chaát raát lôùn khoaûng 104 ñeán 106 do ñoù coù X LT r T

ñoä choïn loïc raát cao ôû w

s, baêng thoâng heïp. Ví duï: Thaïch anh 10,7MHz coù ñoä moûng 0,16mm; rT = 34W

; LT = 23mH.

Maïch ñieän töû 3 68

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

- p = = = Q 456,45 G = 0.008p; Co = 2p; 10.23.10.7,10.2 34 X LT r T

TA1

0 -6

TA3

input

output

TA4

TA2

-60

Hình 6.13. Boä loïc TA vaø ñaùp tuyeán.

Taïi coäng höôûng song song w s trôû khaùng thaïch anh raát lôùn. Taàn s gaàn baèng w p neân thaïch anh laø linh kieän lyù töôûng cho boä loïc IF soá w coù ñoä doác raát cao. Toå hôïp caùc thaïch anh vôùi söï löïa choïn hôïp lyù taàn soá w s, w p caáu taïo neân caùc boä loïc vôùi baêng thoâng caàn thieát, ñoä choïn loïc cao.

TA1 vaø 2 coäng höôûng noái tieáp ôû moät taàn soá, TA3 vaø 4 coäng höôûng ôû taàn soá khaùc. Söï khaùc bieät giöõa hai taàn soá xaùc ñònh baêng thoâng boä loïc khoaûng 1,5 laàn hieäu hai taàn soá treân.

Ví duï: TA 1 - 2 coù fs1 = 9 MHz; TA 3 - 4 coù fs3 = 9.002 MHz.

Baêng thoâng B = 4f = l,5(fs3 - fs1) = 1,5(9,002 - 9.000) = 3KHz.

Taàn soá coäng höôûng noái tieáp TA 1 - 2 choïn sao cao baèng taàn soá coäng höôûng song song cuûa TA 3 – 4, tín hieäu ngoaøi baêng thoâng bò neùn tôùi 50 ‚ 60 dB. Chæ soá daïng boä loïc SF (Shape Factor) xaùc ñònh ñoä choïn loïc (ñoä doác) cuûa boä loïc thoâng daûi BPF. Noù baèng baêng thoâng suy hao 60dB chia cho baêng thoâng suy hao 60dB.

Boä loïc BPF lyù töôûng coù SF = 1. Boä loïc TA coù SF gaàn baèng 1 ôû khoaûng taàn soá 100KHz ‚ 50MHz (giôùi haïn ñoä daøy thaïch anh). Boä loïc naøy maéc tieàn, khoù cheá taïo, chaát löôïng cao, duøng trong heä thoáng thoâng tin chuyeân duïng cao caáp.

Maïch ñieän töû 3 69

+Vcc

TA1

TA4

TA1

out

TA3

TA2

input

TA3

output

input

Hình 6.14. Caùc daïng maïch loïc TA.

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

5) Boä loïc goám söù (Ceramic Filter - CF):

Boä loïc goám söù caáu taïo töø Zirconate – Titanote, coù hieäu öùng aùp ñieän töông töï thaïch anh, nhöng heä soá phaåm chaát Q côû 2000, giaù reû , kích thöôùc nhoû, öùng duïng phoå bieán. Khoaûng taàn soá laøm vieäc 100KHz ñeán 20MHz baêng thoâng (2 ‚ 350)KHz. Caùc taàn soá trung taàn thöôøng gaëp 200KHz; 455KHz (2; 4,5; 5,5; 6,5; 10,7) MHz. Tyû soá baêng thoâng treân taàn soá trung taâm 15 ‚ 0,8.

0 -6

6,8KHz

8KHz

-60

455

fKHz

Hình 6.15. Kyù hieäu vaø ñaùp tuyeán boä loïc CF.

= = CF 18,1 SF cuûa boä loïc CF treân: KHz8 KHz8,6

6) Boä loïc SAW (surface Acoustic Wave Filter)

Boä loïc SAW cheá taïo baèng coâng ngheä treân vaät lieäu aùp ñieän töông töï thaïch anh - Lithium Niobate. Soùng aâm hoïc beà maët (SAW) lan truyeàn treân beà maët vaät lieäu raén coù tính aùp ñieän vôùi vaän toác 3000 m/s, nhoû hôn nhieàu vaän toác soùng voâ tuyeán. Töùc laø böôùc soùng aâm hoïc cuûa tín hieäu ngaén hôn nhieàu böôùc soùng ñieän, laøm cho kích thöôùc boä loïc SAW nhoû. Ñaëc tính lan truyeàn SAW phuï thuoäc kích côû, khoaûng caùch caùc ñieän cöïc. Khi coù tín hieäu xoay chieàu tôùi, soùng aâm hoïc beà maët ñöôïc taïo ra töø ñieän cöïc ngoõ vaøo lan truyeàn ñeán ñieän

Maïch ñieän töû 3 70

Chöông 6 - Khueách ñaïi trung taàn vaø caùc boä loïc IF

cöïc ngoû ra. Khoaûng caùch giöõa caùc ñieän cöïc xaùc ñònh böôùc soùng lan truyeàn (taàn soá). Ñoä daøi caùc ñieän cöïc xaùc ñònh ñoä maïnh cuûa tín hieäu. Soá ñieän cöïc tyû leä nghòch vôùi baêng thoâng. Ví duï: f = 100MHz;

SAW

3 10.3 8 10.1

input

output

Ñieän cöïc Finger

Hình 6.16. Caáu truùc vaø kyù hieäu boä loïc SAW.

- = = l böôùc soùng lan truyeàn trong boä loïc SAW laø: . m10.3

Boä loïc SAW duøng ôû khoaûng taàn soá vaøi chuïc MHz tôùi 5 GHz (giôùi haïn ñoä daøy Finger 0,6 m F),öùng duïng phoá bieán trong truyeàn hình (38MHz), viba (35; 70; 140MHz), thoâng tin veä tinh (70; 140; 479MHz), ñieän thoaïi di ñoäng teá baøo (45; 70;140; 900; 940 ..)MHz, trong truyeàn hình viba MMDS (0,8; 2,6)GHz.

7) Boä loïc cô (Mechanical Filter)

Boä loïc naøy duøng töø l950 trong thoâng tin soùng ngaén ñôn bieân SSB. Noù coù Q khoaûng 104, döïa treân hieäu öùng coäng höôûng cô cuûa moät soá kim loaïi. Naêng löôïng ñieän coù ñöôïc ngoû vaøo boä loïc bieán ñoåi thaønh rung ñoäng cô, naêng löôïng rung ñoäng cô naøy laïi bieán ñoåi ngöôïc thaønh naêng löôïng ñieän ôû ngoû ra. Taàn soá trung taàn khoaûng 200 ‚ 500KHz, baêng thoâng 5 ‚ 35KHz. Boä loïc kieåu naøy khoâng coøn thích hôïp.

Maïch ñieän töû 3 71