Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 21 Chương II NGUYÊN LÝ GHI PHÁT ÂM

Nguyên lý ghi âm từ tính dựa vào chất từ dư của sắt từ. Khi từ hóa chất sắt từ bằng từ trường ngoài, khi lấy sắt từ ra khỏi từ trường ngoài thì chất sắt từ vẫn còn bị từ hóa và trở thàn

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 21

Chương II

NGUYÊN LÝ GHI PHÁT ÂM

I NGUYÊN LÝ GHI ÂM TỪ TÍNH

Nguyên lý ghi âm từ tính dựa vào chất từ dư của sắt từ Khi từ hóa chất sắt từ bằng từ trường ngoài, khi lấy sắt từ ra khỏi từ trường ngoài thì chất sắt từ vẫn còn bị

từ hóa và trở thành nam châm

• Mô tả hiện tượng từ hóa:

từ giảm nhanh về ∅ Khi từ trường ngoài đạt giá trị B0k B0k được gọi là lực khử từ Lúc này, nếu tiếp tục tăng từ trường ngoài thì chất sắt từ sẽ bị từ hóa theo hướng ngược lại và cũng đạt đến giá trị bảo hòa từ ở hướng này Nếu ta đổi chiều từ trường

và tăng dần từ trường đến một giá trị nhất định thì từ trường trong chất sắt từ sẽ đạt đến trạng thái bảo hòa mới, và như vậy kết quả của khảo sát cho ta một đường cong khép kín mô tả trạng thái nhiễm từ của chất sắt từ

B 0k -B 0k

B d

B h

-B hd -B h

Người ta chứng minh được rằng: đới với chất sắt từ, không cần từ hóa đến trạng thái bảo hòa thì vẫn xuất hiện hiện tượng từ dư Tuy nhiên, tùy theo cường độ từ trường ngoài thế nào mà ta sẽ có biên độ từ dư trên sắt từ tương ứng

Và trong thực tế, băng từ ( băng hộp cassette ) được chế tạo dựa trên nguyên lý xuất hiện hiện tượng từ dư trong chất sắt từ

II.BĂNG TỪ ( Băng hộp Cassette )

Kích thước băng và hộp băng được qui định lần đầu tiên bởi hãng Phillips và sau đó được cải tiến và trở thành tiêu chuẩn quốc tế ISO

Cấu tạo của băng từ gồm một đế polyester, trên đó là một lớp keo bột từ Các hạt từ có kích thước khoảng 1µm Đế băng phải chịu được độ uốn cong thích hợp và chịu đựng được một lực treo ứng với trọng lượng không nhỏ hơn 2,5 KG Mặt băng phải phẳng, và có độ ổn định ghi/ phát với độ ẩm và nhiệt Người ta chia băng từ ra làm 3 loại: C-60, C-90, C-120 với các thông số kỹ thuật sau:

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 23

Băng từ có thể ghi/ phát ở mặt A và mặt B, mỗi mặt là một nữa của độ rộng băng từ Độ rộng toàn thể của băng từ là 3,81mm, được chia làm 2 phần:

Tùy theo tín hiệu ghi là mono hay stereo mà mỗi mặt lại được chia thành những phần khác nhau:

Tốc độ di chuyển của băng từ là 4,76 cm/s

Dựa trên vật liệu chế tạo bột từ mà người ta chia băng từ thành những loại sau:

• Băng thường ( Normal ): bột từ là ôxit sắt từ ( Fe2O3), đây là loại băng từ ra đời đầu tiên, có độ nhạy cao nên từ trường ghi không cần lớn, tần số tín hiệu ghi có thể đạt đến 15KHz Tuy nhiên loại băng này có độ ổn định kém

• Băng ôxit crôm ( CrO2 ): bột từ làm bằng ôxit Crôm, có độ nhạy trung bình nên cần từ trường ghi khá mạnh, có đáp tuyến tần số rộng, ghi tốt ở tín hiệu có tần

số cao, nhưng kém hơn băng Normal ghi tín hiệu ghi có tần số thấp Độ ổn định tốt, hệ số méo nhỏ

• Băng Metal: lớp bột từ là ion sắt thuần, so với các loại băng trên, chất lượng băng Metal cao hơn rất nhiều, ít tạp âm, độ méo thấp, độ nhạy cao và dải thông rộng, do đó giá thành của băng này cũng rất cao Nhược điểm : do bột từ làm bằng ion sắt nên băng cứng và nhám nên mau mòn đầu đọc

Mặt B Mặt A

0.8mm

Hình 2.2 cấu tạo băng từ

Hình 2.3 cấu tạo các lọai băng từ

Mặt B Mặt A

R

III.ĐẦU TỪ

Là thiết bị biến đổi điện từ, khi máy thực hiện chức năng ghi, đầu từ đóng vai trò là một nam châm điện, khi máy thực hiện chức năng phát, đầu từ đóng vai trò là cuộn cảm

Cấu tạo của đầu từ : Là một cuộn dây được quấn trên một lõi sắt từ mềm, lõi sắt từ gần như khép kín, chỉ chừa một khe rất nhỏ, nơi vùng từ tiếp xúc với băng từ và được gọi là khe từ Khe từ là cửa thoát từ khi ghi và thu nhận đường sức cảm ứng từ vào nòng từ khi phát Khe từ phải thật hẹp, khoảng 1 đến 1,6µm để làm việc được với tín hiệu có tần số cao Tất cả được đặt trong vỏ bọc kim loại

Để tăng từ trường tiêu thụ và tránh bụi, khe từ thường được đóng bằng các vật liệu nghịch từ như : Cu, Ag…

Dựa vào chức năng của đầu từ, ta có thể phân làm 3 loại sau:

1 Đầu ghi

2 Đầu đọc

3 Đầu xóa : thường có khe từ rộng từ 0,1 →1mm

Trong hầu hết các máy cassette, đầu ghi / đọc thường dùng chung Khi đầu từ mòn thì chức năng phát vẫn tốt, nhưng chức năng ghi lại kém chất lượng

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 25

Dựa vào số mạch từ và số cuộn dây trong vỏ bọc kim loại ta chia đầu từ thành các loại sau:

1 Đầu từ mono:

2 Đầu từ Stereo, hai khe từ, 4 dây ra

3 Đầu Stereo đảo chiều tự động ( Auto reverse ): có 4 khe từ và 8 dây ra, có đế quay được 1800 theo chiều trên băng

Đầu ra

Hình 2.7 Đầu tư stereo đảo chiều tự động

1 2

1 2

Sw1

Sw1

IV NGUYỆN LÝ GHI VÀ ĐỌC TỪ TÍNH

1 Băng từ chưa ghi : Các nam châm nguyên tố trên lớp từ tính sắp xếp hỗn lọan theo mọi hướng nên từ trường tổng hợp bằng 0

2 Nguyên lý ghi :

Đầu từ được đặt cố định, cho băng từ chạy qua với vận tốc VJG sao cho băng từ ép sát vào đầu từ tại vị trí khe từ Cho dòng điện âm tần chạy qua cuộn dây đầu từ, từ trường sinh ra trong lõi sắt từ biến thiên theo qui luật biến đổi của dòng điện âm tần Từ trường tiêu thụ thóat ra từ khe từ sẽ từ hóa lớp từ tính trên mặt băng

Mức độ mạnh yếu của từ trường phát ra tại khe từ được đo bằng cường

độ từ trường H

H = Kµi Trong đó :

K: hệ số, phụ thuộc vào số vòng dây trong đầu từ và độ dài cuộn dây

µ: độ từ thẩm của lõi sắt từ

Chiều băng di chuyển

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 27

i: dòng điện âm tần chạy qua cuộn dây đầu từ

Nếu i là một tín hiệu hình sin:

sin 2

m

i I= π ft thì dạng của tín hiệu trên băng như sau:

Các vết ghi trên băng từ tương đương với những nam châm nhỏ sắp xếp đảo chiều nhau liên tục trên băng từ

Độ dài bước sóng tín hiệu ghi trên băng được xác định theo công thức:

v f

λ = vG: vận tốc di chuyển của băng

V Nguyên lý xóa băng từ:

V.1 Xóa bằng nam châm vĩnh cữu:

V.2 Xóa bằng đầu từ xóa:

i

B

Hình 2.8 Tín hiệu ghi trên băng từ

VI.MẠCH TIỀN KHUẾCH ĐẠI

Có 2 nhiệm vụ chính:

• Khuếch đại tín hiệu rất nhỏ đến mức đủ lớn để đưa vào tần điều chỉnh âm sắc hoặc tần khuếch đại công suất

• Sửa lại đặc tuyến tần số cho đầu phát

Với đầu từ, tín hiệu ra có biên độ rất nhỏ phụ thuộc vào tần số của tín hiệu ghi

và thường không vượt quá 150mv Do đó để hòan thành 2 nhiệm vụ trên là rất khó khăn, khó khăn thứ nhất là làm suy giảm tạp âm ngay từ tầng khuếch đại đầu với hệ số khuếch đại rất lớn, thứ hai là hiệu chỉnh độ khuếch đại đồng đều trên một dải tần làm việc rộng Đồng thời yêu cầu về độ méo phi tuyến cũng phải nhỏ, cụ thể là không được vượt quá 1,5%; với hệ thống HIFI yêu cầu này là ≤ 0,06%

1 Tạp âm trong bộ khuếch đại nhiều tầng

Khi có nhiều bộ khuếch đại ghép nối tiếp thì mức tạp âm của cả bộ khuếch đại được quyết định chủ yếu bởi tầng đầu

SNV: nguồn nhiễu từ tín hiệu ngõ vào

SNX1: nguồn nhiễu từ bên ngoài thâm nhập vào tầng khuếch đại 1

SNX2: nguồn nhiễu bên ngoài thâm nhập vào tầng khuếch đại 2

Gọi:

SN01: Tín hiệu nhiễu ở ngõ ra tầng khuếch đại 1

SN02: Tín hiệu nhiễu ở ngõ ra tầng khuếch đại 2

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 29

Thành phần thứ 2 là tạp âm do xuất hiện ở ngõ vào tầng 2 gây ra

Nếu chọn K p1=K p2=K pthì tạp âm tầng đầu gấp K p lần tạp âm ở tầng sau Như vậy: tạp âm chủ yếu do tầng đầu quyết định

2 Tạp âm riêng trong cuộn dây đầu từ

Do tác dụng nhiệt lên cuộn dây làm cho các điện tử chuyển động gây nên tạp

âm Sức điện động của tạp âm đầu từ được tính bằng

1,3

n

e = R f∆

n

e : Sức điện động tạp âm hiệu dụng ( µν )

R: Trở kháng của cuộn dây (KΩ)

f

∆ : Dải tần làm việc, tính bằng KHz

Ta thấy: tạp âm tăng theo căn bậc 2 của trở kháng cuộn dây và dải tầng làm việc

Qua nghiên cứu về tạp âm, ta thấy tạp âm do nhiều nguyên nhân sinh ra và vấn

đề quan trọng đối với 1 tầng khuếch đại là nâng cao tỉ số S N Đối với nhiễu từ bên ngoài, ta có thể bố trí tầng khuếch đại đầu ở vị trí thích hợp như: tránh xa nguồn điện, mạch dao động và dùng vỏ bọc kim loại để chống nhiễu

Đối với tạp âm nội bộ ta có thể chọn loại transistor với hệ số tạp âm nhỏ, chấp nhận giảm hệ số khuếch đại ở tầng đầu, trong trường hợp cần thiết ta sẽ tăng hệ số khuếch đại ở tầng sau

Một số transistor có hệ số tạp âm nhỏ: 2CC2240 (BL), 25C2458GR, 25C1642GR, BC109, BC107, BCY51R, SE4010, 25C26314,…

3 Tín hiệu lấy ra từ đầu từ:

Khi băng dịch chuyển qua đầu từ, từ thông Φ do các vết từ tạo ra gửi qua khe từ: e n d

f : tần số tín hiệu

n: số cuộn dây của đầu từ

φ: từ thông, phụ thuộc tiết diện của lõi sắt

Ngoài ra, trong thực tế để đặc trưng cho sự tiêu hao trên mạch từ và khe từ, người ta đưa tỉ số suy giảm tín hiệu

sin d

S

d

πλπλ

∞làm cho tín hiệu ra ở cuộn dây qua cuộn dây đầu từ suy giảm nhanh chóng

Để tăng tín hiệu trên cuộn dây đầu từ ta có thể tăng n, tuy nhiên khi tăng n thì dẫn đến L tăng →tăng nhiễu ( thực tế người ta khống chế giá trị này ≤(1,6-1,6mH ),

hoặc tăng φ bằng cách tăng tiết diện lõi sắt Tuy nhiên tiết diện lõi sắt bị giới hạn bởi

độ rộng khe từ và độ rộng track ghi Do đó để tăng eta phải phối hợp nhiều yếu tố kỹ thuật trong đầu từ

4 Mạch khuếch đại đầu từ dùng transistor

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 31

Mạch khuếch đại đầu từ dùng 1 transistor với hồi tiếp âm điện áp và dòng điện thường dùng thường dùng trong các máy cassette công suất nhỏ, chất lượng thấp Thông thường mạch khuếch đại đầu từ dùng từ 2 tầng khuếch đại trở lên, liên lạc thẳng, nhờ đó có thể dùng hồi tiếp âm để sửa đặc tuyến tần số Để giảm tạp âm, người

ta có thể dùng tầng khuếch đại cascade

a) Mạch khuếch đại đầu từ kiểu cascade

Vout Q2

2UF Q1

RB1 6K8

RB3 4K7 RE

1K

5UF 10U

18V

Rc 1K8

Vin

Dòng điện Iβ1chạy qua điện trở R B3&βREvì βRE= 100 x 1 = 100 k

R3= 4 7K nên xem như chủ yếu dòng điện chạy qua R3ta có:

3 1

2 2 2 2

C V

C V

R A

hie R A hie

b) Mạch khuếch đại 2 tầng liên lạc trực tiếp

Hình 2.11 Mạch nguyên lý khuếch đại 2 tầng liên lạc trực tiếp

VCC

Vin

ZNF

Vout

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 33

Độ lợi điện áp của các tầng được xác định

1 2 2

2

hie

C V

E C

V

R hie A

hie R

R tai A

β

ββ

. C V

E

R tai A

Hình 2.12 Mạch thực tế khuếch đại 2 tầng liên lạc trực tiếp

1UF

Q1

VCC

Q2 3K3

8K2

100UF 1K

V Vht

p V

A A

1000

C V

E

R A

R

β

Nếu không tính đến sự tổn hao trên mạch từ và khe từ với băng từ tiêu chuẩn

có đặc tuyến đường ghi băng phẳng, biên độ từ thông gửi qua lõi sắt từ không thay đổi, thì đặc tuyến đầu ra của đầu từ tỉ lệ với tần số Ta có

Đặc tuyến đầu từ Đặc tuyến tín hiệu ra Đặc tuyến của mạch khuếch đại 16Hz 16Kz

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 35

Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tỉ lệ với Z NF, ở tần số thấp trở kháng

NF

Z nhỏ do ZC & Rht Khi ở tần số cao Z C&R ht ≈R ht& ⇒Z NF giảm dần ⇒ A Vgiảm

ở tần số cao

™ Một số dạng sơ đồ mạch thực tế

1.Mạch khuếch đại đầu từ trong máy SONY 7C-140:

Các tụ 1nF mắc giữa các cực B-E của các transistor để bù một phần biên độ tín hiệu tần số cao

Trong mạch có một đường hồi tiếp âm chính là điện trở 2 7k , tụ 47µ, điện trở

150, 120k& 22nF và biến trở 10K để cân bằng đặc tuyến tần số cho mạch

Các tụ 47p và 10p có tác dụng chống dao động tự kích Điện trở 4k7 và tụ

10 Fµ hạn dòng và lọc ra để tạo điện áp DC phẳng cung cấp cho tầng đầu tiên của mạch tiền khuếch đại

2 Mạch khuếch đại dùng 3BTT ( SONY TC540 )

Hình 2.13 Mạch khuếch đại đầu từ máy SONY 7C-140

3K9 10UF

47UF

10K 2K7

10UF 3K3

10PF

Q1, Q2 : 2SC362; β = 350

Q3 = 2SC364 ; β = 400

Tầng khuếch đại đầu tiên được phân cực với dòng tĩnh nhỏ để giảm tạp âm

3 Mạch tiền khuếch đại dùng IC

Trong các máy cassette hiện nay vi mạch được dùng phổ biến để thay thế cho linh kiện rời Trên lý thuyết IC có độ ổn định hơn hẳn linh kiện rời, ngoài ra còn có ưu điểm là gọn nhẹ, cần ít linh kiện đi kèm và lắp ráp mạch đơn giản Tuy nhiên nguồn cấp điện cho IC cần ổn định và không được vượt quá điện áp danh định

Xem mạch điển hình dùng BA328 IC gồm op-amp được mắc thành 2 mạch khuếch đại đảo AC có độ lợi thay đổi theo tần số để sửa đáp tuyến tần số cho mạch khuếch đại đầu

Hình 2.14 Mạch khuếch đại đầu từ dùng 3 BJT

150K

4K7 154K

100UF

10UF 22K

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 37

Q1 là mạch nguồn dòng cung cấp điện áp ổn định cho IC

Khi hoạt động ở chế độ DC, các tụ 47µ được xem như hở mạch, k i ≈ ∞

⇒ Độ lợi 1 f 1

V

i

R A

R

= + ≈ giảm độ khuếch đại để giảm tạp âm

Ở chế độ AC, các tụ này xem như ngắn mạch, R i ≈ 100 , Ω R f = 4 7 100k + k Z& C. Ở

R

⇒ = + ⇒ Độ khuếch đại của

mạch giảm đáng kể để sửa đáp tuyến tần số

VII.MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHI

1 Nhiệm vụ và tính chất cơ bản

Nhiệm vụ chủ yếu của tầng khuếch đại ghi là sửa méo đặc tuyến đầu ghi và cung cấp tín hiệu cho nó Để thực hiện nhiệm vụ này, mạch cần có những tính chất sau:

• Ngõ ra mạch làm việc được với phụ tải là cuộn cảm ( đầu ghi )

• Có mạch sửa đặc tuyến tần số trong mạch khuếch đại

• Trộn tín hiệu ghi với tín hiệu siêu âm để từ hóa tín hiệu ghi trên băng từ

Hình 2.15 Mạch tiền khuếch đại dùng IC

4K7

33nF 4K7

3 6

47UF

1nF

2SC1815 100K

1nF

1UF 2

33nF

1UF

+

+

-47UF

220UF 9

100

5

10UF

22 8

450UF

9V

4

L Z

Tạp âm riêng của mạch khuếch đại ghi không quan trọng bằng mạch tín hiệu phát vì tín hiệu ghi luôn có biên độ lớn Mạch ra thường dùng nguồn có điện áp cao và

sử dụng hồi tiếp sâu để sửa méo tín hiệu

Tải của mạch khuếch đại ghi là trở kháng của cuộn dây đầu từ, có ghi thay đổi theo tần số tín hiệu ghi

Như vậy cần phải sửa đặc tuyến cho mạch khuếch đại ghi Trở kháng Z ở tần

số thấp sẽ gây méo phi tuyến Để ổn định trở kháng trong cả dải tần tín hiệu ghi, người ta mắc thêm điện trở hạn chế R nối tiếp với tải đầu từ, với điều kiện R phải có giá trị đủ lớn ( RLω) phụ tải của mạch khuếch đại ghi lúc này xem như là điện trở thuần R

Trong thực tế R được chọn theo công thức:

R= ω L= π f L f C: tần số cắt

L: cảm kháng cuộn dây đầu từ

Để cải thiện thêm, người ta còn mắc tụ C song song với điện trở R

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 39

Từ đặc tuyến trên ta thấy, khi α= 1, 6thì tổng trở ra của mạch ổn định, do đó ta chọn c L 1, 6

Tuy nhiên, khi sử dụng thêm R và RC để ổn định trở kháng sẽ làm suy hao biên

độ tín hiệu ghi do đó, ta phải tăng cường biên độ tín hiệu ghi

Dạng cơ bản của một mạch khuếch đại ghi:

Mạch khuếch đại ghi OSC sieu âm

5 2

R C& là bộ ổn định trở kháng cho tải ở đầu ra, L C1& 3là khung cộng hưởng LC để trộn tín hiệu ghi với tín hiệu siêu âm

2 Sơ đồ chi tiết một mạch khuếch đại ghi:

VIII MẠCH KHUẾCH ĐẠI MICRO

Micro thường dùng là micro điện động, có biên độ tín hiệu ra khoảng

1mv→ 5mv, lớn hơn biên độ tín hiệu đầu từ, nhưng có đặc tuyến tần số gần giống với tín hiệu đầu từ, nên mạch khuếch đại micro cũng có chức năng làm phẳng đặc tuyến tần số Trong máy cassette thông dụng, để đơn giản và tiết kiệm người ta thường dùng mạch khuếch đại tín hiệu đầu từ làm mạch khuếch đại micro chỉ cần dùng thêm switch

để thay đổi tín hiệu vào và thay đổi hồi tiếp âm thích hợp

1 Mạch khuếch đại micro dùng 1 transistor

Mạch 1:

Hình 2.17 Sơ đồ chi tiết mạch ghi

4.7UF

10K 150K

1 2

1 2

10n 330p

47UF

560 Q2

Normal

0

VCC

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 41

- Tụ 220p là hồi tiếp dương để nâng biên độ cho tín hiệu có tần số cao

- 680k hồi tiếp âm, có tác dụng khử nhiễu và tăng độ rộng băng tần

- Tụ 02 phối hợp tổng trở tải để sửa đáp tuyến tần số

22

10UF

1K5 4,7UF

Out 1K

4K7 20nF

Hình 2.19 Mạch khuếch đại micro 02