lý thuyết điện tử thông tin

Các bước thiết kế bộ KĐCSCT khi chưa kể đến ảnh hưởng của mạch ghép đầu vào và đầu ra Chú ý: các bước thiết kế không nhất thiết theo trình tự đưa ra 0- Xác định phạm vi làm việc của Tran

PHAÀN I

LYÙ THUYEÁT

Chương 1: MẠCH LỌC TÍCH CỰC

1-1 Hàm truyền có đáp ứng phẳng tối đa:

Còn gọi là hàm Butterworth Khi bậc của bộ lọc tăng lên, tần số cắt không thay đổi, nhưng độ dốc của bộ lọc tăng dần đến lý tưởng Khi thiết kế các bộ lọc bậc cao: 3, 4, 5 ta dựa vào bảng các hàm Butterworth đã chuẩn hóa

1-2 Mạch lọc tích cực bậc nhất

a- Mạch lọc thông thấp bậc nhất: LTT1

Hàm truyền: ( ) ( ) ( )

SCR1

AS

V

SVSH

1 1

0 V 1

R1

1 2

Bộ khuếch đại không đảo

Hàm truyền: ( ) ( ) ( )

SCR1

AS

V

SVSH

1 2

0 V 1

R

1 2

11

AS

V

SVSH

1 1

0 V 1

R

1 1

ω 1

1

1 C R

1

=ω0

AV0 = 1 (1)

2 1 2

2R

ω

1 2 2 0

1C

ω

1

2 0

R

3 2 2 1

0 V 2

1

2

b

A1b4C

1 0

1

2 4 f C

bR

π

0 V

2 0 2

2

3 4 f C C R

bR

Mạch LTT2 dùng hồi tiếp dương

Trường hợp 1: AV0 = 1 (R3 = 0)

Nếu chọn 2

1

2 1

2

b

b4C

C

Thì

1 0

1 2

bR

R123

⇒ 2 2 0,59R

0 1ω

Bộ LTC dùng hồi tiếp dương

4

3 0

⇒ 2 2 0,59R

2 1

1 1 0

R'RC2

1R

RR

RRC2

1f

π

=

+π

1

3 0 1 0

RC

2 1 3 3

RRR2

1CR2

1

CR

1Q

fD

Bộ LTD hồi tiếp âm 2 vòng

ωmin ω ωmax

D

ωQ

H

2 1

2 1

RR

RR'R

1

2 1 1

2

RSC1RSC1

RSCZ

ZSH

++

=

1 1

1 2 R C

1f

π

2 2

2 2 R C

1f

π

2 1

3 2 C R

1f

flg10dB

LTD bậc 2

0

AH(dB)

f2

f3

-40dB

Chương 2: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN

(KĐCSCT)

2-1 Góc cắt của bộ KĐCSCT:

Góc cắt tính theo độ:

T

tT

Hình 2-1 Dạng đặc tuyến động và giản đồ thời gian của

dòng điện ở chế độ C

Dải tần số làm việc của Transistor được chia làm 3 đoạn:

- f0 ≤ fβ: tần số thấp, các tham số được coi là không thay đổi; hfe = β0;

- 0,3fβ ≤ f0 ≤ 3 fβ: tần số trung bình, các tham số của Transistor thay đổi và xuất hiện điện trở ký sinh (rbb’), điện dung ký sinh (Cb’e, Cb’c)

2 0

fe 2

ω+

β

=β

β β

fj

β

−

=ω

ωβ

2-3 Bộ KĐCSCT dùng Transistor

1 Bộ KĐCSCT dùng Transistor ở chế độ kém áp mắc Emitter chung

Các bước thiết kế bộ KĐCSCT khi chưa kể đến ảnh hưởng của mạch ghép đầu vào và đầu

ra (Chú ý: các bước thiết kế không nhất thiết theo trình tự đưa ra)

0- Xác định phạm vi làm việc của Transistor theo (2-2) để vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ chó đúng

1- VCC = (0,5 ÷ 0,8)VCEmax cho phép

2- Chọn góc cắt: θ = 600 ÷ 900

3- Chọn hệ số lợi dụng điện áp: ξ1 = 0,85 ÷ 0,95 = VCm1/VCC.

4- Xác định biên độ hài bậc nhất trên Collector: VCm1 = ξ1VCC 5- Xác định các dòng điện:

( )*

1

1 Cm

n

I

'I

βθ

γ

= ; In = 'In[1+ωTCb'cγ1( )θ Rtđ1]

BO n

B 'I cos t I

i = ω − ; 'I =n Ibm; CO*

BO

II

β

( ) Cm 1 1

0

I

θγ

θγ

* e ' b

=

1

1 1 tđ c ' b e ' b T

* M

RCCC

+

=

1

1 tđ c ' b T e

'

C

* ' b iEC j C

CNếu kể cả rb’e ta có: Z’iEC = rb’e//ZiEC

Nếu rb’e >> ZiEC ta có Z’iEC ≈ ZiEC

Nếu rb’e so sánh được với ZiEC ta có:

0

e ' b 2

0 e ' b e ' b

e ' b iEC

1

rC

r1

rZ

ω+

=ω+

=

β

7- Biên độ điện áp kích thích vào: Vbm1 = I’n|ZiEC|

8- Công suất vào của nguồn kích thích:

n =R C

τ

T

fe e

' b e

'

b

h1C

r

ω

=ω

=

=

τ

β β

Để dòng điện đầu vào không bị méo thì: τn =τβ

e ' b e

' b T

fe

1C

h

R

βω

=ω

=

2 0

ω+

=

β

10-Thiên áp Base

)(Z'I7

,

0

)(Z'IV

V

0

* n n

0

* n n BE

B

θ

−πγ

−

≈

θ

−πγ

−

≈

11-Điện trở tải tương đương:

1 Cm

1 Cm tđ

*

VR

12-Công suất nguồn cung cấp: PCC = ICOVCC

13-Công suất hữu ích trên tải

tđ

2 1 Cm tđ

2 1 Cm 1

Cm 1 Cm

V2

1RI2

1I

V

2

1

14-Công suất tiêu tán trên Collector: PC = PCC – PL

15-Hiệu suất của mạch:

)(

)(2

1P

P

0

1 CC

L

θγ

θγξ

=

=η

Trong thực tế thường công suất ra trên tải được biết trước nên ta có thể tính các bước 0 ÷ 4,

13, 11, 5,

2 Bộ KĐCSCT dùng Transistor ở chế độ kém áp mắc Base chung

2 0

ω+

C

e ' b iEC j C

1Z

16

C C

C C C'

Rtđ1 = ω0Q0LC ⇒

0 0

1 tđ

RL

ω

= với Q0 = 50 ÷ 100

C

2 0 2 C

Lf4

1C

b 4 f L

1C

C = + với C*b’ tính theo bước 6 ở trên

2-4 Bộ nhân tần dùng Transistor

Mục đích của bộ nhân tần:

- Nâng cao tần số sóng mang

- Mở rộng thang tần số làm việc

- Nâng cao chỉ số điều chế trong máy phát FM

- Nâng cao độ ổn định tần số vì không có hiện tượng hồi tiếp ký sinh qua Cb’c do tần số hoạt động đầu vào và đầu ra khác nhau

Tần số cộng hưởng đầu vào:

b b 0

V

CL

Tần số cộng hưởng đầu ra:

C C 0

ra

CL

θ ; k: hệ số nhân tần của bộ nhân

Các bước thiết kế của bộ nhân tần:

0- Xác định phạm vi làm việc của Transistor theo (2-2)

1- VCC = (0,5 ÷ 0,8)VCEmax cho phép

2- Chọn góc cắt tối ưu:

k

180

TƯ =θ3- Chọn hệ số lợi dụng điện áp:

* k

L 1

k 1

Cm 1 Cm 1

k Cmk

Cmk

2

1P2

1V

I2

1V

γ

=θ

γ

θγ

=

=

6- Điện trở cộng hưởng tương đương của mạch ra ứng với hài bậc k:

1 tđ k 1

1 Cm 1 k

1 Cm Cmk

Cmk

I

VI

1 Cm bn

n

n

II

I'I

I

βθγ

=βθγ

=

=

=

iB = Incosωt – IBO với ( )

( ) Cmk k

θγβ

=β

=

9- Trở kháng vào của tầng

* ' b iEC j C

* ' b

e'CbC

Nếu kể cả rb’e ta có Z’iEC = rb’e//ZiEC (tính như trên) 10-Biên độ điện áp kích thích vào: Vbm1 = In|ZiEC| 11-Công suất của nguồn kích thích: 2 iEC

n

i I Z2

1

P =12- Zn,VB,PC tính như bộ KĐCSCT

13-Tính mạch cộng hưởng vào:

b b

0

CL

1

=

01 0

1 tđ b

b

* e ' b

RL

;'CCC

ω

=+

=

14-Tính mạch cộng hưởng ra

C C 0

CL

1

kω = ; với

02 0

tđn

C k Q

RL

ω

=

Chương 3: CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG

3-1 Các vấn đề chung về mạch tạo dao động

- Bộ tạo dao động ở tần số thấp, trung bình: dùng bộ khuếch đại thuật toán + RC hoặc dùng Transistor + RC

- Bộ tạo dao động ở tần số cao: 0,3fβ ≤ f0 ≤ 3fβ dùng Transistor + LC hoặc dùng Transistor + thạch anh

- Bộ tạo dao động ở tần số siêu cao: dùng Diode Tunel, Diode Gunn

- Các tham số cơ bản của mạch dao động: tần số dao động, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra, hiệu suất

- Trong chương 3 ta chỉ xét mạch dao động LC, dao động thạch anh và chỉ xét điều kiện dao động của mạch

- Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại

1

* 2 A

*

*

V

Vj

*

V

V

A =

+ ϕA góc di pha của bộ khuếch đại

- Hệ số truyền đạt của bộ hồi tiếp

( ht)

*

*

jexp ϕ

*

V

V

=β

+ ϕB góc di pha của bộ hồi tiếp

- Điều kiện pha để mạch dao động: ϕ = ϕB + ϕB = 0,2π

Bộ khuếch đại A Bộ hồi tiếp β

- Điểu kiện biên bộ để mạch dao động: A* β* ≥1

3-2 Bộ dao động LC dùng Transistor

a- Mạch tạo dao động 3 điểm C kiểu Colpits mắc EC

Rb = R1//R2; R’b = Rb//rb’e ≈ rb’e (nếu Rb >> rb’e)

Các bước thiết bộ tạo dao động 3 điểm C:

1- Xác định phạm vi tần số làm việc của mạch

2- Xác định điều kiện pha

0C

1X

X

2 BE

X

1 CE

CV

V

2

1 CE

2 1 2

0 2

CCLf4

1C

+

=π

- n có thể tình theo công thức (3-45) nhưng nhiều khi không đủ dữ liệu để tính

- Nếu mạch làm việc ở tần số thấp ta có thể chọn

B

Cb’e

n = 0,01 ÷ 0,05, từ đó tính C1, C2

- Nếu mạch làm việc ở tần số trung bình, để mạch hoạt động ổ định ta chọn: C’2 = 10Cb’e

⇒ C2 = 11Cb’e rồi từ (2) tính C1, thay vào (1) tính n

4- Hệ số khuếch đại của sơ đồ mắc EC

e 21

h//

Rph

hSZ

- Ở tần số thấp: h21e = hfe, h11e = hie = rb’e

- Ở tần số trung bình:

2 0

fe

* e 21

1

h

|h

ω+

=

β

;

e ' b e

'

b 2 f C

1r

β

π

=

- Rk = ω0LQ0 thường biết trước ω0,L, Q0 (4)

- p: hệ số ghép đầu ra của Transistor với khung cộng hưởng

n1

1C

C

CC

CC

CCV

V

p

2 1

2 1

2 1

2 1

K

CE

+

=+

=

+

=

5- Điều kiện biên độ để mạch dao động: A* β* ≥1 (6)

b- Mạch tạo dao động 3 điểm C kiểu Colpits mắc BC

Giả thiết RE >> hib

- Bước 1 và 2 làm như trên, thường mạch mắc BC làm việc ở tần số thấp

- Bước 3: Hệ số hồi tiếp:

2 1

1 2

2 1

2 1

K

CE

CC

CC

CC

CCV

Vp

b 21

h//

Rph

hSZA

Ở tần số thấp: h21b ≈ 1, h11b = hie/hfe

Ở tần số trung bình:

2

T 0

* b 21

1

1

|h

ω+

e ' b T

* b

11 2 f C

1h

VV

Vp

BC

BC K

BC = =

=

- Bước 5: Điều kiện biên độ để mạch dao động: A* β* ≥1

c- Mạch tạo dao động 3 điểm C kiểu Clapp mắc EC

B

C0

- Các bước thiết kế tương tự như mạch dao động 3 điểm C kiểu Colpits mắc EC, chỉ khác về Ctđ và hệ số ghép p của Transistor với khung cộng hưởng

tđ 0

LC2

1f

π

0 2 1

1C

1C

1C

1

++

CE

C

C1C

CV

V

d- Mạch tạo dao động 3 điểm C kiểu Clapp mắc BC

Các bước thiết kế tương tự như mạch dao động 3 điểm C kiểu Colpits mắc BC, chỉ khác về

Ctđ và hệ số ghép p

- Khi biết f0, L ta tính được Ctđ, ta sẽ chọn C0 lớn hơn Ctđ một chút ví dụ: Ctđ = 25pF thì ta chọn C0 = 30pF

- Hệ số ghép p:

2 1

2 1 tđ

2 1

2 1

tđ K

BC

CC

CCCCC

CC

CV

B

C0

3-3 Các mạch dao động dùng thạch anh

a- Sơ đồ tương đương của thạch anh

- Lq, Cq, rq là L, C, r của thạch anh (rq = 0Ω)

- Cp: điện dung giá đỡ (Cp = 10 ÷ 100pF) (Cq = 0,01 ÷ 0,1pF)

- Tần số cộng hưởng nối tiếp:

q q q

CL

≈+ω

=+

ω

=+

=

ω

p

q q

p

q q

p q p q

p q

p q q

C1C

C1C

C

CC

C

CCL1

- Trở kháng tương của thạch anh:

ω

−+ω

ω

=

p 2

q

0 q p

2 0

2

q 0

tđ

CC

2 0 q p

S p q q

2 0 S p q S

CCCLC

CCCj

1Z

ω

−+

+ω

−++ω

khi đó tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch sẽ là

q q

C1f

'f

++

s p

q

C2

q 0

q q

CC

C1f

++

=

b- Mạch tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song

Để mạch dao động theo kiểu 3 điểm C kiểu Colpits, thạch anh phải tương đương như cuộn cảm, nghĩa là: ωq < ω0 < ωp

Thực tế ω0 ⇒ ωp nhưng để tính toán đơn giản do ωp ≈ ωq ta coi

2

q p 0

ω+ω

=

ω

p

q q

- Điện cảm riêng của thạch anh:

q

2 q

q C

1L

2

q 0

1L

ω

−+ω

ω

tđ 0 tđTA j L

-2 1

2 1 tđ

2 0

CCL

1C

+

=ω

như các mạch ở trên

c- Mạch tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp

Trong loại mạch này thạch anh đóng vai trò mạch hồi tiếp Chỉ đúng tại tần số cộng hưởng nối tiếp của thạch anh thì Zq ≈ 0Ω khi đó B ≡ B’ và mạch sẽ hoạt động như 3 điểm C kiểu Colpits hoặc Clapp và cũng có thể mắc EC hay BC

3-4 Mạch tạo dao động RC

Đơn giản và thông dụng nhất là mạch dao động cầu Wiew

- Tần số dao động:

RC

1

=ω

- Điều kiện dao động về biên độ: A* β* = A* β+ ≥1

*

R2R3R

R1

R

D1

Vout

Chương 4: ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ

2

mVtcosVt

0

0 0

- Công suất hai biên tần:

2

mP

=+

2

m1PPP

Đây là điều kiện để chọn Transistor sao cho

PAMmax < PCmax

b- Điều biên Collector

Điện áp Collector biến đổi theo điện áp âm tần:

tcosVV

2 0

Đây là điều kiện để chọn Transistor có PCmax cho phép

Để thiết kế bộ điều biên Collector ta sẽ tiến hành theo hai phần như sau:

=

→η

=

2

m1

PP

PP

0 CH

A AM

m

A khi đã biết Pω0 ta tiến hành các

bước thiết kế như đối với mạch KĐCSCT (mục 2-3)

- Thiết kế phần điều biên: VΩ =mV0 =mVCm1

- Phổ của điều biên VAM( )t (theo 3) và vẽ phổ

- Tính công suất hai biên tần (theo 7)

- Tính hệ số lợi dụng công suất k (theo 9)

- Kiểm tra điều kiện điện áp (theo 12)

- Kiểm tra điều kiện công suất (theo 14)

4-2 Điều tần và điều pha

a- Quan hệ giữa điều tần và điều pha

Dao động điều hòa sóng mang:

Tín hiệu điều chế âm tần: VΩ( )t =VΩcosΩt (2)

Tín hiệu điều tần

FM: ( )  Ω Ω +ϕ 

ω

∆+ω

FM t V cos t sin t

Với ω∆ : lượng di tần cực đại

Chỉ số điều tần:

Ω

ω

∆

=Ω

=kVΩ

• Tín hiệu điều pha PM:

PM t V cos t cos t

Với ϕ∆ : lượng di pha cực đại

với k: hệ số tỷ lệ

• Quan hệ giữa độ di tần và độ di pha:

dt

d

ΩΩϕ

∆

=ϕ

∆

=ω

Từ 3, 6, 9 ta nhận thấy chỉ cần biết tín hiệu điều tần FM sẽ tìm được tín hiệu điều pha PM và ngược lại

b- Phổ của tín hiệu điều tần và điều pha

Khi chỉ tính các thành phần Im(mf) ≥ 0,01I0(mf) thì bề rộng dải tần của tín hiệu điều tần chiếm là:

Gọi là điều tần băng hẹp

Để mf ≈ const khi tần số thay đổi phía phát phải có mạch pre-emphasis và phía thu có mạch de-emphasis

c- Điều tần bằng Varicap

n in

ϕ

+ Cin: điện dung ban đầu khi e = 0

+ ϕ: hiệu điện thế tiếp xúc ϕsi ≈ 0,7V

+ n: hệ số phụ thuộc loại varicap ,1,2.

2

1,3

Trong thực tế ta phải tìm mọi cách để giảm ảnh hưởng của điện áp cáo tần trên varicap,

Gọi điện áp AC trên varicap đã chuẩn hóa:

pc

V

ex

+ϕ

∆

n

pc in

≈

pc 0

Vnf5,

3 0 V

0 V pc

0

CV

Vnf5,

≈

4 0 V

0 V pc

0

CV

Vnf5,

- Phần thứ nhất: thiết kế để mạch thỏa mãn điều kiện dao động về pha và biên độ (giống phần 3-2-b)

- Phần thứ hai: thiết kế mạch điều tần varicap Tùy theo cách mắc varicap vào khung cộng hưởng theo sơ đồ a, b, c mà chọn công thức (8) hoặc (9) hoặc (10) để tính

( )ff

VΩ = ∆

+ Tính f1 = f0 - ∆f ⇒

Lf4

1

1 2 1 tdπ

+ Tính f2 = f0 - ∆f ⇒

Lf4

1

2 2 2 tdπ

RE

Mắc varicap đẩy kéo:

Sơ đồ mắc varicap đẩy kéo triệt tiêu được hoàn toàn sóng cao tần trên varicap nên các công thức 8, 9, 10 ở trên được tính chính xác hơn

2

C2

CC

C

CC

2 V 1 V

2 V 1 V 0

+

= nếu C =V1 CV2 Về lý thuyết CV0(1÷100pF), trên thực tế giá trị hay gặp CV0 =10÷50pF; ví dụ

pF50

C

CV1 = V2 = ⇒ CV0 =25pF

Các bước thiết kế được tiến hành như 2 phần ở trên

d- Ổn định tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

Các biện pháp ổn định tần số trung tâm f0 được xếp từ đơn giản đến phức tạp:

- Điều tần trực tiếp bằng thạch anh: độ di tần hẹp, chỉ dùng trong phát thoại quốc tế

- Sử dụng thạch anh làm bộ dao động: độ di tần hẹp

- Ổn định nguồn cung cấp, sử dụng các điện trở bù nhiệt

- Hạ thấp tần số trung gian của bộ điều tần để nâng cao độ ổn định tần số

- Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số AFC-F: chỉ điều chỉnh thô

- Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số hỗn hợp AFC-F và AFC-P: AFC-F điều chỉnh thô, còn AFC-P điều chỉnh tinh đưa ∆f →0

Chương 5: VÒNG GIỮ PHA PLL

5-1 Những ưu, khuyết điểm của vòng giữ pha PLL

∗ Ưu điểm:

- Khả năng làm việc ở tần số cao

- Sự độc lập về khả năng chọn lọc và điều hưởng tần số trung tâm

- Những linh kiện bên ngoài ít

- Dễ dàng trong việc điều hưởng

∗ Khuyết điểm:

- Sự thiếu thốn thông tin về biên độ tín hiệu

- Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại khó

5-2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của PLL

∗ Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai sót về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, nghĩa là PLL làm cho tần số ra ω0 của tín hiệu song song bám theo tần số vào ωi của tín hiệu vào

∗ Khi tín hiệu vào đã lọt vào dải bắt của PLL, thì tần số f0 của VCO sẽ bàm theo tần số vào ωi

5-3 Một số ứng dụng của PLL

- Tách sóng tín hiệu điều tần

- Tách sóng tín hiệu điều biên

- Tổng hợp tần số

- Nhân tần số bằng “khóa hài” PLL

- Điều chế tần số (FSK) và điều chế pha (PSK)

- Đồng bộ tần số

- Bộ lọc bám theo thông dải hoặc lọc chặn

Chương 6: MÁY PHÁT

6-1 Định nghĩa và phân loại máy phát

Một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của máy phát:

- Công suất ra của máy phát

- Độ ổn định tần số: 3 7

0

1010f

f = − ÷ −

∆

- Chỉ số điều chế AM (m), chỉ số điều tần FM (mf)

- Dải tần số điều chế

6-2 Sơ đồ khối tổng quát của các loại máy phát

- Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều biên (AM)

- Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên (SSB)

- Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần (FM)

- Sơ đồ khối tổng quát của máy phát FM stereo

6-3 Các mạch ghép trong máy phát

Yêu cầu chung đối với các mạch ghép

- Phối hợp trở kháng

- Đảm bảo dải thông D

- Đảm bảo hệ số lọc hài cao

- Điều chỉnh mạch ghép

Các loại mạch ghép cơ bản

- Ghép biến áp

- Ghép hổ cảm

- Ghép hai mạch cộng hưởng

6-4 Các mạch lọc cơ bản trong máy phát

a- Mạch lọc Γ đơn

Hệ số phẩm chất của mạch vào:

i

0 i

L

LR

X

Hệ số phẩm chất của mạch ra:

L 0 C

0 i

tđ Q Q

xQQQ

tđ 0

i = → = (4) với tần số lọc của mạch:

LC

1

0 =

b- Mạch lọc ππππ đơn

Khi mạch đối xứng C1 = C2 =C

C

i C

L 0

RX

RQ

với

2

CL

1 0 tđ

i 1

1Q

RRX

L 2

1Q

RRX

0 i

tđ Q Q

c- Mạch lọc ππππ đôi

1Q

RQR

tđ

tđ i 1 C

X C 1 C 3

2

1Q

RQR

tđ

tđ L 3 C

2 C 1 C 1

3 C 2 C 2

2

QQ