Bài giảng Điện tử thông tin Chương 3

CHƯƠNG 3: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ ĐỔI TẦN 5 tiết PHẦN 1: LÝ THUYẾT 4 tiết 3.1 Phân tích mạch khuếch đại công suất cao tần 1.1.1 Khuếch đại chế độ C: Mạch KĐCSCT nằm ở ngõ ra

CHƯƠNG 3: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN

VÀ ĐỔI TẦN

(5 tiết)

PHẦN 1: LÝ THUYẾT (4 tiết)

3.1 Phân tích mạch khuếch đại công suất cao tần

1.1.1 Khuếch đại chế độ C:

Mạch KĐCSCT nằm ở ngõ ra máy phát thỏa các yêu cầu sau: hiệu suất cao, ít sái dạng, chọn lọc tần số, tận dụng tới ngưỡng khả năng cung cấp công suất của phần tử tích cực (dòng và áp) Công suất ra có thể từ mW tới MW tuỳ theo mục đích sử dụng

Sử dụng đáp tuyến truyền dẫn IC (VBE) để phân tích nguyên lý hoạt động mạch KĐCSCT Giả sử VB = 0, ta có đồ thị biểu diễn tín hiệu vào v i V icos0t và dòng

IC(t) như sau:

I C

t

0

0

I C

.7



v i

t

V BE (V)



I Cm

+ Vcc

P i

Z i

Z iQ

RFC

C B

RA

R eq

RFC

R B

V Bo

Hình 3.1

Định nghĩa: góc cắt  là một nửa khoảng thời gian dòng collector tồn tại trong một chu kỳ tín hiệu

Trong KĐCSCT chế độ C mạch được phân cực sao cho góc cắt  < 900 (chế độ A có

 = 1800 ; chế độ B có  = 900)

Công suất nguồn cung cấp P0 I C0.V CC

1 1

2

1 2

1

C C eq

I

Trong đó:

VC1 = IC1.Req là biên độ điện áp xoay chiều hài 1 ở collector

Req là trở kháng ra của BJT theo hài 1 ở chế độ đang xét

Công suất tiêu tán trên collector: Ptt = P0 – P1























2

0 0

0 0

0

cos cos

)

(

3 cos 2

cos cos

)

(

1 0

3 2

1 0

n c c

c c

c c

c c c

t n I

t I

I t

I

t I

t I

t I

I t

I









Phân tích Ic(t) theo chuỗi Furier:

Thành phần dòng một chiều:











2

0

0( )

2

1

) (

I

t

I Cm - biên độ xung dòng Collector;  0() hệ số phân tích hài:

) cos 1 (

cos sin

)

(

0





















Biên độ thành phần dòng hài cơ bản : ( hài 1)

) cos 1 (

cos sin )

(

).

( cos

1

1

2

0

1 )

(

1





































I

Biên độ thành phần dòng hài n :

,

3 , 2 )

cos 1 )(

1 (

sin cos cos

sin 2 )

(

).

( cos

1

2

2

0 ) (

























n n

n

n n n

I t

td n I

I

n

Cm n t

C

C n































Vậy 1 tỷ lệ với

) (

) (

0

1









60



 , biên độ xung dòng collector là 1A Tính công suất tiêu tán trên collector và hiệu suất của mạch khuếch đại, cho biết trở kháng ra theo hài 1 là 25  và áp nguồn cung cấp là 12V

Giải: tính các hệ số phân tích hài

218 0 ) cos 1

(

cos sin

)

(



















 I C0 0().I Cm 0.218.1A0.218A

391 0 ) cos 1

(

cos sin

)

(



















 I C1 1().I Cm 0.391.1A0.391A

Công suất nguồn cung cấp: P0 I C0.V CC  0 218 12  2 6W

Công suất ra của dòng hài cơ bản: P I C R eq 0 391 25 1 9W

2

1 2

1

Công suất tiêu tán trên collector: Ptt = P0 – P1 = 0.7W

0

1

1  

P

P



1.1.2 Phương pháp tính toán tần khuếch đại:

Cho tần số lm việc, cơng suất trn tải anten

Chọn linh kiện v cc thơng số

Chọn phn cực v mạch thích hợp

Tính toán các thông số năng lượng P0 , P1 , ç1 , Ptiu tn , Pi…

Tính mạch phối hợp trở khng vo v ra

Cơng suất kích Pi v trở khng vo Zi là thông số tính ngược lại tần trước cuối

3.2 Nhân tần số:

Một dạng đặc biệt của khuyếch đại chế độ C là nhân tần số Từ phân tích hài ta thấy nếu tải cộng hưởng ở n lần tần số vào thì thành phần dòng hài ICn tạo nên sụt áp VCn =

ICn cos0t.Req(0t) có tần số gấp n lần tần số vào tức là có nhân tần số

Nhân tần số nhân cả độ di tần dùng trong máy phát FM Ngoài ra nó có thể khâu trung gian tạo tần số cao ổn định từ dao động chuẩn thạch anh

Để đạt được chế độ tối ưu I Cnmax  nmax.I Cmax,góc cắt cần có

n

n

0

120



n n

n

54 0

1200

max 











2

1

0 2

 n R I

0

P

P n

n 



Với n tăng, ICn và Pn giảm nhanh nên thường người ta chỉ nhân 2, 3, 4, 5 Để nhân nhiều, nên khuếch đại giữa các tầng nhân Mạch thực tế nhân tần không đòi hỏi ở chế

độ tối ưu, mà chỉ cần lấy ra tần số mong muốn

Nhân tần số thường dùng trong máy phát FM, PM, để tăng độ di tần, độ di pha cũng như chỉ số điều chế, thực hiện FM và PM dải rộng

3.3 Đổi tần:

Đổi tần là quá trình dịch chuyển tín hiệu đã điều chế lên cao (Tx) hoặc xuống thấp (Rx) mà vẫn giữ nguyên cấu trúc phổ của nó ( dạng tín hiệu ban đầu) Nó cho một số

ưu điểm quan trọng như dễ dàng dịch chuyển tín hiệu đến tần số cần thiết, tăng độ chọn lọc, thuận tiện xử lý tín hiệu Đổi tần còn gọi là trộn tần, có ký hiệu dấu nhân Khi trộn hai tín hiệu ở ngõ vào bộ đổi tần, tại ngõ ra của nó có nhiều thành phần tần

số fs, fo,  mfo  n fs Bộ lọc trung tần IF hoặc BPF chọn lọc thành phần tần số cần thiết

Hình 3.2

Thông thường m = n =1 để mức tín hiệu ra là lớn nhất Tín hiệu ra có phổ giống như tín hiệu ngõ vào đổi tần, nhưng được dịch chuyển đến vùng tần số cần thiết thuận tiện trên xử lý tín hiệu

3.4 Trung tần (IF – Intermediate Frequency)

3.4.1 Khuếch đại trung tần

Bộ khuếch đại trung tần nằm ở sau bo đổi tần có nhiệm vụ:

 Khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau bộ dổi tần (Rx) đến mức cần thiết giải điều chế

 Có độ chọn lọc cao (nhờ các bộ lọc IF) tín hiệu mong muốn và loại nhiễu ngoài băng thông

 Có AGC (Automatic Gain Control) tránh quá tải do giải điều chế, giảm méo giải điều chế trong hệ thống FM (Frequency Modulation) Mức tín hiệu sau đổi tần khoảng <1mV, trong khi hầu hết các bộ giải điều chế AM, FM, PM yêu cầu mức tín hiệu khoảng 1V

3.4.2 Lựa chọn tần số trung tần

Sự chọn lựa fIF thấp làm cho thiết kế đơn giản, bộ khuếch đại lớn, ổn định cao, dễ thực hiện

Trong máy thu thanh AM có fIF = 455KHz, băng thông 20KHz

Trong thông tin thoại AM-SSB (3  30MHz), thực hiện đổi tần hai lần loại tần số nhiễu ảnh

fIF1 = 2MHz, băng thông 10KHz,

X mf0 nfi BPF

fi

f0

fs = f0 + fi

Trong radar, viba mặt đất, thông tin vệ tinh, điện thọai di động tế bào, các tần số trung tần thường gặp: 35; 45; 70; 140; 479MHz

3.5 Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp

Nhiễu (Tạp âm) là tín hiệu không mong muốn, xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau, ( dưới dạng điện áp hay dòng điện ) chèn vào tín hiệu hữu ích làm giảm chất lượng tín hiệu thu dẫn đến sai lệch thông tin

Nhiễu vấn đề rất quan trọng của điện tử thông tin và xử lý tín hiệu

Chất lượng thu của hệ thống điện tử thông tin đánh giá theo tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ngõ vào máy thu

S/N Chỉ sự tương quan độ mạnh của tín hiệu so với nhiễu

Nếu S/N nhỏ hơn giá trị ấn định ngưỡng, tín hiệu thu không đạt chất lượng, thông tin

bị sai lệch

Nhiễu có thể được chia thành 2 loại:

- Nhiễu ngoài: gây ra bởi môi trường truyền

- Nhiễu trong (nội): gây ra do thiết bị thu

Bộ khuếch đại cao tần nhiễu thấp (RF Amp - LNA ) nằm ở ngõ vào máy thu có nhiệm vụ:

 Phối hợp trrở kháng với anten

 Tiền chọn lọc tín hiệu cao tần

 Loại nhiễu tần số ảnh ( fImage = fc + 2fIF)

 Khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào máy thu tới mức cần thiết để đổi tần

 Tăng độ nhạy máy thu

LNA thường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính có điều hưởng chọn lọc tần

số - băng thông tín hiệu mong muốn và AGC Mỗi tầng cung cấp độ lợi từ 10 30

dB

N S N

S

P

P dB

N S P

P N S

lg 10 ) (

) nhieãu cuûa

bình trung suaát coâng (

) hieäu tín cuûa bình trung suaát coâng (





PHẦN 2: BÀI TẬP (1 tiết)

1 Tại sao khuếch đại cơng suất cao tần chế độ cĩ gĩc cắt (AB, B, C) khơng đề cập đến méo khuếch đại như ở tần số thấp

2 Trình bày nguyên lý đổi tần và ý nghĩa của việc đổi tần