Giáo trình : Kỹ thuật mạch điện tử 2 part 5 ppsx

Vì khâu hồi tiếp gồm các phân tử R,C phụ thuộc tần số, nên mạch sẽ tạo được dao động tại tần số mà điều kiện pha được thỏa mãn Bộ dao độüng RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp: Vcc

Trong 3 sơ đồ trên, thạch anh được mắc hồi tiếp và đóng vai trò như 1 phân tử ghép có tính chọn lọc đối với tần số

Khi fdđ ~ fq (nối tiếp) thì trở kháng Xq = 0 - hạ áp trên thạch anh nhỏ làm điện áp hồi tiếp về tăng lên và mạch tạo ra dao động với tần số fdd ~ fq

2.5.5 Mạch điện các bộ tạo dao động RC

Đặc điểm chung của các bộ tạo dao động RC:

1 Thường dùng ở phạm vi tần số thấp thay cho các bộ LC vì kích thước của bộ tạo dao động LC ở tần số thấp quá lớn

2 Không có cuộn cảm, do đó có thể chế tạo nó dưới dạng vi mạch

3 Trong bộ dao động RC - fdd tỉ lệ với 1/C, còn trong bộ dao động LC thì fdd tỉ lệ với

C

1

trong bộ dao động RC dễ dàng thay đổi fdd với bộ dao động LC

4 Yêu cầu bộ dao động RC làm việc ở chế độ A để giảm méo

5 Vì khâu hồi tiếp (gồm các phân tử R,C) phụ thuộc tần số, nên mạch sẽ tạo được dao động tại tần số mà điều kiện pha được thỏa mãn

Bộ dao độüng RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp:

Vcc

Re

T2

Rc

Re

R1 R2

T1

Hình 2.21 Mạch bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng

hưởng nối tiếp hồi tiếp qua hai tầng khuếch đại

Vr

R1

R2 C

R

C

R R

C

V1

V2

Hình 2.22 Mạch dao động RC

Hệ phương trình :

2 3

3 2

3 2 1

1 2 1

0 2

1

0 2

1 1

V RI

I R C j RI

RI I R C j RI

V RI I R C j

&

&

=

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ + +

−

=

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ + +

−

=

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

ω ω ω

Hệ số truyền đạt của mạch :

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

− +

−

=

=

RC RC

j RC V

V K

ω ω

ω

6 )

(

1 )

(

5

2

1

&

&

* Phần ảo = 0

RC 6

1

= ω

⇒

Thay

RC 6

1

= ω

⇒ vào phần thực ta tính được điều kiện cân bằng biên độ :

2 1

2 1 2

29 29

29 30 1 ) (

5 1

R R

R

R K

C R K

=

⇒

=

=

⇒

=

−

=

−

= ω

Mạch dao động dùng mạch lọc T và T - kép trong mạch hồi tiếp :

• Với mạch lọc T, viết phương trình dòng điện cho nút 1 và 2, từ đó xác định được hệ số truyền đạt:

R

C

V2

Hình 2.23 Mạch bộ dao động dùng mạch lọc T và

T kép trong hồi tiếp

1 a do trong a

3 j 1 a

a 2 j 1 a U

U

2

v

r ht

ω

= +

−

+

−

=

= −

−

−

2 2 2

2 ht

2 2 2

2 2 2 ht

a 6 ) 1 a (

) a 1 ( a arctg

a 9 ) 1 a (

a 4 ) 1 a ( K

+

−

−

= ϕ

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

+

−

+

−

=

ϕht = 0 khi a = 1 tức

RC

1

dd = ω Thay a = 1 vào kht ta tìm được :

3

2 K

Kht = htmun =

• Với mạch lọc T kép:

a j a

a V

V

K ht

4 ) 1 (

1 2 2

1

2

+

−

−

=

RC

1 a ω

= Từ đó ta suy ra : 2 phương trình Module và pha:

2 2

ht

2 2

2

2 ht

a 1

a 4 arctg 1

a

a 4 arctg

a 16 ) 1 a (

1 a K

−

=

−

−

= ϕ

+

−

−

=

Khi a = 1

RC

1

dd = ω

2 ht

π

±

= ϕ

Và Kht = Khtmun = 0

• Mạch tạo dao động vùng KĐTT có mạch T trong mạch nối tiếp:

Vr

R2

R1 R

R

Hình 2.24 Mạch bộ dao động dùng KĐTT ìcó

mạch lọc T trong mạch hồi tiếp

R1, R2 : Mạch hồi tiếp dương; T : Hồi tiếp âm Tại

3

2 ) ( K

: ht

ω

Vì Ko của KĐTT rất lớn =>

) ( K

Kht ht ) = −

1 2 2

1

2

3

2 R R

R K

+

=

Chính là điều kiện cân bằng biên độ của mạch

CHƯƠNG 3

ĐIỀU CHẾ

3.1 Định nghĩa

Điều chế là quá trình ghi tin tức vào 1 dao động cao tần để chuyển đi xa nhờ biến đổi một thông số nào đó (ví dụ : biên độ, tần số, góc pha, độ rộng xung )

Tin tức gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là tải tin Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế

Có 2 loại điều chế; điều biên và điều tần (gồm điều tần và điều pha)

3.2 Điều biên

• Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức

Giả sử tin tức Vs và tải tin Vt đều là dao động điều hòa:

vS = VS cosωSt và vt = Vt cosωtt với ωt >> ωS

Do đó tín hiệu điều biên:

Vđb = (Vt + Vscosωst ) cosωtt

= Vt (1 + mcosωst) cosωtt (1)

t ) cos(

V 2

m t ) cos(

V 2

m t cos V

Vdb = t ωt + t ωt +ωs + t ωt +ωs

→

Hình 3.1 Đồ thị thời gian tín hiệu điều biên

Vđb

t

Vđb

Vt

ωt- ωs ωt ωt+ ωs Hình 3.2 Phổ tín hiệu điều biên

1/2 mVt 1/2 mVt

ω

Phổ của tín hiệu điều biên có dạng như hình 3.2

Khi tín hiệu điều chế có phổ biến thiên từ ωSmin ÷ωSmax thì phổ của tín hiệu điều biên có dạng như hình 3.3

• Quan hệ năng lượng trong điều biên:

Công suất tải tin là công suất bình quân trong 1 chu kỳ của tải tin:

t t

hd hd

t

R

V dt V

T R R

V R I P

0

2 2

2 2

2

~

2 sin

1

=>

2

V

~ P

2 t t

~

2 2 2 2

4 2

4

1 ) 2

( 2

1

Công suất của tín hiệu đã điều chế biên là công suất bình quân trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế:

2 1 ( 2

2

~

~

~

~

m P

P P

m càng lớn thì P~đb càng lớn

Khi m = 1

2

P 3

db

~ =

4

1

=

→ Từ biểu thức (1) suy ra:

Vđbmax = Vt (1+m)

t 2 max

~ (1 m) V 2

1

~

• Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đã điều biên

3.2.1 Hệ số méo phi tuyến

Vđb

Vt

ωt - ωsmin

ωt - ωsmax ωt ωt+ ωsmin ωt+ ωsmax

Hình 3.3 Phổ tín hiệu điều biên

ω

) (

) 3 ( I ) 2 ( I K

s t

s t 2 s t 2

ω

± ω

+ ω

± ω + ω

± ω

=

I (ωt ± nωS) (n ≥ 2 ): Biên độ dòng điện ứng với hài bậc cao của tín hiệu điều chế

I (ωt ± ωS) : Biên độ các thành phần biên tần

VS : giá trị tức thời của tín hiệu vào

A : giá trị cực đại

B : tải tin chưa điều chế Đường đặc tuyến thực không thẳng tạo ra các hài bậc cao không mong muốn Trong đó đáng lưu ý nhất là các hài (ωt ± 2ωS) có thể lọt vào các biên tần mà không thể lọc được Để giảm K thì phải hạn chế phạm vi làm việc của bộ điều chế trong địa thẳng của đặc tuyến Lúc đó luộc phải giảm hệ số điều chế m

3.2.2 Hệ số méo tần số

Gọi : mo : hệ số điều chế lớn nhất

m : Hệ số điều chế tại tần số đang xét

Hệ số méo tần số được xác định theo biểu thức :

m

m

M = o Hoặc MdB = 20logM

Để đánh giá độ méo tần số này, người ta căn

cứ vào đặc tuyến biên độ và tần số:

m = f(Fs)

Vs = cte

• Phương pháp tính toán mạch điều biên :

Hai nguyên tắc xây dựng mạch điều biên :

- Dùng phần tử phi tuyến công tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của phần tử phi tuyến đó

- Dùng phân tử tuyến tính có tham số điều khiển được Nhân tải tin và tín hiệu điều chế nhờ phân tử tuyến tính đó

3.2.3 Điều biên dùng phân tử phi tuyến

A

B

V

It

Hình 3.4 Đặc tính điều chế tĩnh

Fs

m

m0 m

Hình 3.5 Đặc tính biên độ tần số

Phần tử phi tuyến được dùng để điều biên có thể là đèn điện tử, bán dẫn, các đèn có khí, cuộc cảm có lõi sắt hoặc điện trở có trị số biến đổi theo điện áp đặt vào Tùy thuộc vào điểm làm việc được chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số đặc trưng của phần tử phi tuyến có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylo khi chế độ làm việc của mạch là chế độ A (θ = 180o) hoặc phân tích theo chuỗi Fourrier khi chế độ làm việc của mạch có góc cắt θ < 180o ( chế độ AB, B, C)

♠ Trường hợp 1: ĐIỀU BIÊN Ở CHẾ ĐỘ A

Mạch làm việc ở chế độ A nếu thỏa mãn điều kiện:

o s

V + < (*) Khai triển dòng iD theo chuỗi Taylor:

) 1 ( 3 3

2 2

Với vD : điện áp trên Diode D và trên tải Rt

Với: vD = Eo + Vtcosωtt + Vscosωst

ωt - ωS

ωt + ωS

2ωt - ωS

ωS 2ωS 3ωS

ωt - 3ωS

ωt - 2ωS

ωt + 2ωS

ωt + 3ωS

ωt

2ωt - 2ωS 2ωt 2ωt + 2ωS 2ωt + ωS

Hình 3.8 Phổ tín hiệu điều biên khi làm việc ở chế độ A

vD

vD

t

t

E0

Hình 3.7 Đặc tuyến của diode và đồ thị

thời gian của tín hiệu vào ra

V s

Hình 3.6 Mạch điều chế dùng Diode

+

EO

CS D

Thay uD vào biểu thức (1) ta nhận được :

iD = a1(E0 + Vtcosωtt + Vscosωst) + a2 (E0 + Vtcosωtt + Vscosωst)2 +

+ a3( E0 + Vtcosωtt + Vscosωst )3 + (2) Khai triển (2) và bỏ qua các số hạng bậc cao n ≥ 4 sẽ có kết quả mà phổ của nó được biểu diễn như hình 3.8

Khi a3 = a 4 = a5 = a2n+1 = 0 (n = 1,2,3) nghĩa là đường đặc tính của phần tử phi tuyến là 1 đường cong bậc 2 thì tín hiệu điều biên không bị méo phi tuyến

Để thỏa mãn điều kiện (*) mạch làm việc chế độ A thì m phải nhỏ và hạn chế công suất ra Chính vì vậy mà người ta rất ít khi dùng điều biên chế độ A

♠ Trường hợp 2: ĐIỀU BIÊN CHẾ ĐỘ AB, B hoặc C θ < 180o

Khi θ < 180o, nếu biên độ điện áp đặc vào diode đủ lớn thì có thể coi đặc tuyến của nó là một đường gấp khúc

Phương trình biểu diễn đặc tuyến của diode lúc đó :

iD = 0 khi VD ≤ 0

SVD khi vD > 0 S : Hỗø dẫn của đặc tuyến Chọn điểm làm việc ban đầu trong khu tắt của Diode (chế độ C)

iD

iD

vD

vD

ωt

ωt Hình 3.10 Đặc tuyến của diode và đồ thị

của tín hiệu vào ra khi làm việc ở chế độ C

Eo

V s

Hình 3.9 Mạch điều chế dùng Diode

+

EO

CS D

Dòng qua diode là 1 dãy xung hình sine, nên có thể biểu diễn iD theo chuỗi

Fourier như sau :

iD = I0 + i1 + i2 + in + = Io + I1cosωtt + I2cos2ωtt + I3cos3ωtt + + Incosnωtt (1)

I0 : thành phần dòng điện một chiều

I1: biên độ thành phần dòng điện cơ bản đối với tải tin

I2, I3 In : biên độ thành phần dòng điện bậc cao đối với tải tin

I0, I1 I3 In : được tính toán theo biểu thức của chuỗi Fourrier :

t d t n i I

t d t i

I

t d i I

t t

n

t t

t

ω ω π

ω ω π

ω π

θ

θ θ

cos 2

cos 2

1

1 0

∫

∫

∫

=

=

=

Theo biểu thức (*) ta có thể viết :

iD = S.vD = S( -E0 + VScosωst + Vtcosωtt ) (3) Khi ωtt = θ thì iD = 0 :

0 = S.vD = S( -E0 + VScosωst + Vtcosθ ) (4) Lấy (3) - (4) =>

) 6 ( cos ) 2 sin 2

1 (

) 2 sin 2

1 ( )

2 sin 4

1 2

1 ( 2

sin cos 4

2 sin 2

1 2

cos cos 2

2 cos 1 2

cos )

cos cos

( 2

) cos cos

(

1

0 0

0 1

t

SV i

SV SV

t t

SV

t d t

t SV

t d t t

SV I

t SV

i

t t

t t

t t

t

t t t

t

t t

D

ω θ θ

π

θ θ

π θ θ

π

ω θ

ω θ

π

ω ω θ

ω π

ω ω θ

ω π

θ ω

θ θ

θ θ

−

=

−

=

−

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

− +

=

⎥⎦

⎤

⎢⎣

=

−

=

−

=

∫

∫

(5)

Ở đây θ được xác định từ biểu thức (4) : cos .cos .cos (7)

t

s s o t

s s o

V

t V

E V

t V

Từ biểu thức (6) và (7) biên độ của thành phần dòng điện cơ bản biến thiên theo

tín hiệu điều chế (Vs)