Rõ ràng, khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số Ltđ hoặc Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo V.. Trên hình
Trang 1Nếu chọn các linh kiện sao cho R
C j
1
thì trở kháng Z có thể xác định theo biểu thức:
Cách
mắc
Sơ đồ nguyên lý Đồ thị vector Trị số điện
kháng
Tham số tương đương Mạch
phân
áp RC
S
RC j
Z
S
RC
L tđ
Mạch
phân
áp RL
LS
jR Z
R
LS
Ctđ
Mạch
phân
áp RC
RCS
j Z
Mạch
phân
áp LC
RS
j
Z
RS
L
L tđ
Z = jXL = jLtđ (3.24) jCR
S Trong đó: Ltd = SC
S
I
V
VR
VL
I
V
VC
VR
I
V
VL
VR
Bảng 3-1
I
VR
R
C
I
V
I
L
R
V
R
I
C
V
I
R
L
V
Trang 2Tương tự như vậy, có thể chứng minh cho các sơ đồ phân áp còn lại trong bảng 3-1 Các tham số tương đương của thành phần điện kháng điều phụ thuộc vào hổ dẫn S
Rõ ràng, khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số Ltđ hoặc Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo V
Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối f/ft khoảng 2%
Trên hình 3.7 là sơ đồ bộ dao động ghép biến áp được điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC Trong đó T1 là transistor điện kháng, T2 là transistor tạo dao động Transistor điện kháng được mắc một phần (trên L1) với hệ dao động
Cũng có thể mắc hai transistor điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần trên hình 3.8
Trên sơ đồ này (hình 3-8), T1 là phần tử điện kháng cảm tính, với Ltđ
=
1
T
S
CR
và T2 là phần tử điện kháng dung tính với Ctđ = CRST2
Hình3-7: Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC CB1 CB4: Tụ điện ngắn mạch cao tần
LC: Cuộn chặn cao tần
LK
CB2
CB3
CB4
CK
LC
L1 CB1
Trang 3Theo sơ đồ, khi USSB tăng thì ST1 tăng, còn ST2 giảm, làm cho Ltđ và Ctđ đều giảm, do đó tần số giảm nhanh hơn theo điện áp điều chế và lượng di tần tăng lên gấp đôi (nếu T1, T2 có tham số giống nhau) Mạch còn có ưu tiên, tăng được độ ổn định tần số trung tâm ft của bộ tạo dao động (T3) Thật vậy, giả thiết điện áp nguồn cung cấp tăng thì hỗ dẫn của cả T1 và T2 đều tăng một lượng S Lúc đó Ltđ giảm, Ctđ tăng Nếu mạch điện T1, T2 hoàn toàn đối xứng thì lượng tăng của Ctđ sẽ bù được lượng giảm của Ltđ , do đó có thể coi tần số trung tâm không đổi
b) Điều tần dùng diode Tunel:
Người ta có thể đưa điện áp ngược vào hai đầu diode để thay đổi điện dung gián tiếp của diode theo tín hiệu điều chế âm tần Khi đó:
CĐ
Đ
V
k
(3.25)
k = const
VĐ 0,8 VĐ đánh thủng
Hình 3-8: Sơ đồ tạo dao động điều tần bằng mạch điện kháng đẩy kéo CB1 CB4: tụ điện ngắn mạch cao tần:
CB5: tụ điện ngắn mạch âm tần (u)
US
UB
R
R1
R2
R3 R4
CB1
C2
C1
CB5
CB3
CB2
CE
CB4
CK
LK
T3 T2
T1
R4
LC
Trang 4Nhưng do CĐ biến đổi
trong một phạm vi rất nhỏ và
không tuyến tính, nên nó chỉ
được sử dụng trong các mạch tự
động điều chỉnh tần số, mà
không dùng để tạo nên tín hiệu
điều tần Để tạo tín hiệu FM ta
có thể dùng diode tunel như
hình 3-9
R1, R2: tạo phân cực cho
diode Tunel nằm ở đoạn có
điện trở âm
C1: cho điện áp âm tần đi
qua, ngăn điện áp một
chiều
C2: ngắn mạch điện áp cao
tần không cho vào nguồn
cung cấp VCC
Đối với diode Tunel tần số dao động của mạch biến thiên theo điện áp phân cực Từ hình 3-9b ta nhận thấy chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của điện áp phân cực cũng gây nên sự biến thiên lớn của điện trở âm và làm cho tần số dao động thay đổi theo biểu thức:
Khi V tăng thì VĐ tăng và IĐ giảm nên R = VĐ/IĐ tăng làm f0 tăng lên
Khi V giảm thì VĐ giảm và IĐ tăng nên R = VĐ/IĐ giảm làm f0 giảm xuống
Mạch điều tần bằng diode Tunel khá đơn giản và tuyến tính hơn dùng diode thường song độ di tần khá hẹp ( nhỏ)
f0 = - (3.26) 1
2
1 LK(CK + C2)
1 C2(CK + C1)R2
V
VCC
R+
0
0
I
V
V
b)
a) V
Hình 3-9: Điều tần bằng Diode Tunel a) Sơ đồ điều tần;
b) Đặc tuyến Volt-ampe và R
R2
C1
LK
Trang 5Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng, bằng diode và diode Tunel có độ di tần hẹp do chúng không trực tiếp tác động lên tần số dao động f0 Từ khi Varicap ra đời người ta chủ yếu sử dụng nó làm phần tử điều tần vì điện dung của nó thay đổi theo điện áp phân cực và trực tiếp làm thay đổi tần số dao động Ở phạm vi tần số cao khi CV thay đổi làm f0 thay đổi rất nhiều tạo nên độ di tần lớn và đặc tuyến của Varicap tuyến tính, tính chống nhiễu cao, không tiêu thụ năng lượng nên nó dùng để điều tần rất tốt
c) Điều tần dùng Varicap:
Diode biến dung (Varicap) có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào Nó có sơ đồ tương đương ở hình 3-10a Trị số RV và CV phụ thuộc vào điện áp đặt trên diode Trường hợp diode phân cực ngược RV = và còn CV được xác định theo công thức:
Trong đó:
CD
CD
CD
t V
c)
Hình 3-10: Sơ đồ tương đương (a); Sơ đồ mắc mạch của Varicap (b); và đặc tuyến điều chế CV theo V(c)
LK
CK
VPC
CD
RD
b)
a)
CV = (3.27) (VĐ +T)
k
Trang 6 k: Hệ số tỷ lệ; k = CV0 T; CV0 :CV ban đầu khi VĐ= 0
: hiệu điện thế tiếp xúc của mặt ghép; với diode Silic T 0,7V
: hệ số phụ thuộc vật liệu; = 1/3 1/2
VĐ = VPC + V (3.28)
VPC: điện áp cung cấp một chiều định điểm làm việc ban đầu cho Varicap
Đối với transistor Silic ½
Nếu R >>1/CV thì ta có tần số dao động của hình 3-10b gần đúng như sau:
Nếu ta chọn CV >> CK ta có biểu thức gần đúng:
Ta thấy tần số tỷ lệ với điện áp điều chế V qua căn bậc 4 nên V phải đủ lớn để tần số dao động thay đổi theo V
Trên hình 3-10b ta thấy điện áp cao tần trên LK, CK sẽ phân cực thuận Varicap tăng lên Dẫn tới làm hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng giảm và tạo nên sóng hài khi Varicap được phân cực liên tiếp âm, dương Để khắc phục hiện tượng này ta có một số biện pháp sau:
- Tính toán để sao cho diode luôn luôn phân cực ngược khi trên nó có cả điện áp cao tần Điện áp đặt trên diode:
VD=V0cos0t + Vcost – VPC (3.21) VDmax = V0 + V - VPC 0 (3.22)
Nhưng điện áp ngược đặt lên diode cũng không được vượt quá trị số cho phép, nó đồng thời thỏa mãn công thức:
VDmin = - V0 - V - VPC Vng cho phép (3.23)
(3.29) 1
LK(CK + CV)
1
K VPC + V +0,7
LK CK +
K L
7 , 0 + V + V
K
4
Ω
PC (3.20)
Trang 7Mắc thêm tụ ghép Cgh nó sẽ ngăn không cho điện áp cao tần xuất hiện
trên Varicap Nhưng như vậy khi V thay đổi CV thay đổi nhưng
gh V
gh V
C C
C C C
thay đổi rất ít, nên độ di tần sẽ hẹp
- Để khắc phục cả hai nhược điểm
trên, người ta không mắc Cgh , mà
mắc hai Varicap ngược nhau như
hình 3-11 Cách mắc này gọi là mắc
đẩy kéo Varicap Hai Varicap được
phân cực cùng một lúc Khi tín hiệu
cao tần áp vào 2 varicap giống nhau,
nó sẽ lái chúng đến những giá trị
điện dung cao và thấp luân phiên
nhau: Do đó điện dung đúng trong
mạch gần như không thay đổi theo
điện áp cao tần, mà chỉ thay đổi
điện áp âm tần
Khi đó để Varicap phân cực ngược ta chỉ cần thỏa mãn đều kiện:
VDmax = V - Vpc 0 và VDmin = - V -Vpc Vng cho phép
Như vậy phạm vi thay đổi của điện áp điều chế V sẽ lớn hơn, dẫn tới
phạm vi biến đổi của CV cũng lớn hơn, nghĩa là độ di tần sẽ lớn hơn Tuy nhiên
mắc 2 Varicap đẩy kéo sẽ làm giảm điện dung tương đương Ctđ = CV/2 (nếu 2
Varicap giống nhau) Để bù lại người ta chọn những Varicap có giá trị bằng 2 lần
Ctổng mà ta mong muốn (Ví dụ CV = 15pF thì ta phải chọn CV1 = CV2 =30pF)
Vì dòng phân cực Icp =0 nên biến trở VR1 và R có thể có giá trị rất lớn Tuy
nhiên để Varicap đáp ứng nhanh với V thì R và VR1 không nên chọn lớn lắm
vì hằng số thời gian = (R + VR1) CV
Khi điều tần dùng Varicap cần chú ý những đặc điểm sau:
- Luôn luôn phân cực ngược cho Varicap để tránh ảnh hưởng của RV đến phẩm
chất của hệ dao động , nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch
Vcc
+Vpc
L
Vpc V
V
CK Lch
R VR1
Hình 3-11: Mắc đẩy kéo Varicap
Trang 8- Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặt tuyến CV = f(VD) để giảm méo phi tuyến Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng Varicap đạt khoảng 1%
- Dùng Varicap để điều tần thì kích thước bộ điều tần nhỏ và có thể điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz
Tuy nhiên độ tạp tán của bán dẫn lớn hơn nên kém ổn định
Ta có sơ đồ điều tần dùng Varicap đẩy kéo (3-12)
- R1, R2, Re tạo thiên áp tự cấp để lúc đầu mạch dao động ở chế độ lớp A (dễ dao động) sau chuyển về dao động ở lớp B,C (để có hiệu suất cao) Đây là mạch ba điểm điện dung Trong đó LK cùng Varicap tạo thành mạch cộng hưởng song song, nhưng ở tần số dao động f0 thì nó phải tương đương như một
V 0 0
C
1
L Các tụ thoát C ngắn mạch đối với tín hiệu cao Hình 3-12: Điều tần dùng Varicap đẩy kéo
C
C
C2
C1 C
R
R2
LK
C
+VCC
VFM
VR
E
B
LchK
V
Phần tử dao động
Trang 9tần Lch cho tín hiệu âm tần đi qua, ngăn tín hiệu cao tần lại R và VRđiều chỉnh cho điểm phân cực ban đầu của Varicap ở điểm giữa của đoạn thẳng đặc tuyến CV = f(VĐ) là phi tuyến nên thực chất tín hiệu FM vẫn bị méo Để khắc phục, đối với những bộ điều chế yêu cầu độ méo phi tuyến nhỏ người ta mắc bộ điều tần theo sơ đồ đẩy kéo (hình 3-13)
Sơ đồ hình 3.13 gồm hai bộ đổi tần đẩy kéo làm việc ở hai tần số khác nhau: f01 và f02 và đầu ra bộ đổi tần ta có tần số trung gian: f0 = f01 – f02 Điện áp điều chế âm tần V được đưa đồng pha tới hai bộ điều chế, nhưng do Varicap 2 (V2) mắc ngược pha với Varicap 1 (V1) nên khi f01tăng thì f02 giảm và ngược lại như hình 3-14 Độ lợi của hai bộ điều tần có thể viết như sau:
+ a1, a2, b1, số phụ thuộc độ dốc và dạng của đặc tuyến điều chế
+ Vpc1, Vpc2: điện áp phân cực ngược định điểm làm việc ban đầu cho Varicap
f1= f01 a1 +a2 +… (3.24)
f2= f02 b1 - +b2 +… (3.25)
V
V
V
V
2
2
Hình 3-13: Sơ đồ điều chế đẩy kéo dùng varicap đơn
L’3 L’2
L’1
L’4
L’5 L5
L4
L3 L2
L1
Re2 Re1
R2 R1
C’1
C’2
C’3
C’4
C’6 C’5
C5
C6 C4
C3
C2
C1
f = f01 – f02
V
-Vpc1
Trang 10+ V: điện áp điều chế
Dấu (-) trong biểu thức biểu hiện sự mắc ngược pha của Varicap
Để bù méo bậc hai ta phải thực hiện điều kiện:
Trong thực tế ta thường thiết kế Vpc1 = Vpc2
Khi đó (3.26) trở thành: f01 a2 = f02.b2 (3.27)
Nếu ta chọn Varicap trước (biết trước a2, b2) thì ta chỉ việc chọn f01, f02 thỏa mãn (3.27) ta sẽ triệt được méo bậc 2
Khi chưa điều chế, sau bộ đổi tần ta
thu được: ftg = f01 – f02 ftg + f =
(f01+f1) – (f02+f2) Nghĩa là : f =
f1 - f2 mà f1, f2 lại ngược dấu
nên độ di tần chung tăng lên (f
tăng) Như vậy dùng điều chế tần số
đẩy kéo ngoài việc bù được méo hài
bậc 2, còn làm tăng độ di tần
Để bù méo bậc 3 người ta dùng
mạng 4 cực hiệu chỉnh C4, L4, R2,
C5, L5 và C’4, L’4, R’2, C’5, L’5
Nếu ta chọn f01, f02 cao thì độ di tần
tương đối sẽ thấp (f1/f01 và f2/f02)
làm giảm tất cả các thành phần hài
Méo do hài bậc 2 gây ra được bù
phần như hoàn toàn
Để tăng độ di tần, tăng độ ổn định tần số và giảm méo phi tuyến, ở dải sóng cực ngắn người ta sử dụng sơ đồ điều tần đẩy kéo dùng Varicap đẩy kéo như hình 3-15
) 26 3 ( V
b f
V
a
f
2 pc
2 0
1
pc
2
CV2
C’V2 CV20
C’V1 CV10
CV1
0
0
V V
VPC2
VPC1
- +
Hình 3-14: Đặc tuyến CV = f(VD)
