Báo cáo bài tập lớn FM TRANSMITTER FM JAMMER và RF AMPLIFIER

Báo cáo bài tập lớn FM TRANSMITTER FM JAMMER và RF AMPLIFIER

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

FM TRANSMITTER, FM JAMMER VÀ RF AMPLIFIER

GVHD: PGS.TS HOÀNG ĐÌNH CHIẾN

SVTH: TRẦN NHẬT HOÀI BẢO 41100249

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2015

FM TRANSMITTER, FM JAMMER VÀ RF

AMPLIFIER

3 Thiết kế và thi công mạch khuếch đại siêu cao tần 13

LỜI CẢM ƠN

Nhóm xin gửi lời tri ân chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Hoàng Đình Chiến vì tất cả kiến thức, tấm lòng và sự nhiệt huyết của thầy trong hai môn học “Mạch Điện Tử Thông Tin” và “Tổng Hợp Tần Số” cũng như sự hướng dẫn tận tình khi thực hiện bài tập lớn này Ngoài những kiến thức chuyên môn quý báu từ lý thuyết tới ứng dụng thực tế, nhóm còn học được ở thầy một phương pháp học – làm việc mới đầy hiệu quả cho kỹ sư và sinh viên kỹ thuật Nhóm cũng gởi lời cảm ơn tới phòng thí nghiệm 209B1 đã hết sức tạo điều kiện cho nhóm làm việc và kiểm tra hoạt động của mạch

I YÊU CẦU ĐỀ TÀI

o Thiết kế và thi công mạch phát sóng hoạt động trong dải tần số FM 88MHz – 108MHz dựa trên nguyên lí hoạt động của IC BA1404, kiểm tra bằng các thiết

II THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Nguyên lí phát thanh trên sóng FM

FM là viết tắt của ( Frequency Moducation : Điều chế tần số ) là điều chế theo phương thức làm thay đổi tần số của tín hiệu cao tần theo biên độ của tín hiệu âm tần, khoảng tần số biến đổi là 150KHz

Sóng FM là sóng cực ngắn đối với tín hiệu Radio, sóng FM thường phát ở dải tần từ 88MHz đến 108MHz

a Khái niệm về tín hiệu âm tần

Tín hiệu âm tần là tín hiệu của sóng âm thanh sau khi được đổi thành tín hiệu điện thông qua Micro

Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong không gian, khi sóng âm thanh

va chạm vào màng Micro làm cho màng Micro rung lên, làm cho cuộn dây gắn với màng Micro được đặt trong từ trường của nam châm dao động, hai đầu cuộn dây ta thu được một điện áp cảm ứng  đó chính là tín hiệu âm tần

Tín hiệu âm tần có giải tần từ 20Hz đến 20KHz và không có khả năng bức xạ thành sóng điện từ để truyền trong không gian, do đó để truyền tín hiệu âm tần đi xa hàng trăm, hàng ngàn Km Người ta phải giử tín hiệu âm tần cần truyền vào sóng cao tần gọi là sóng mang, sau đó cho sóng mang bức xạ thành sóng điện từ truyền đi xa với vận tốc ánh sáng

b Khái niệm về tín hiệu cao tần và sóng điện từ

Tín hiệu cao tần là các tín hiệu điện có tần số trên 30kHz, tín hiệu cao tần có tính chất bức xạ thành sóng điện từ Thí dụ trên một dây dẫn có tín hiệu cao tần chạy qua, thì dây dẫn có một sóng gây can nhiễu ra xung quanh, đó chính là sóng điện từ do dòng điện cao tần bức xạ ra không gian

Sóng điện từ: Là sóng truyền dẫn trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng, có tần số từ 30KHz đến hàng ngàn MHz, cong người đã sử dụng sóng điện từ trong các lĩnh vực thông tin, vô tuyến điện, truyền thanh, truyền hình, trong đó Radio

là lĩnh vực truyền thanh chiếm giải tần từ 30KHz đến khoảng 16MHz với các sóng điều chế AM, và từ 76MHz đến 130MHz với các sóng điều chế FM

c Ưu và nhược điểm của sóng FM

Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực và có thể truyền âm thanh stereo, sóng FM ít bị can nhiễu hơn só với sóng AM

Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm km, do đó sóng FM thường được sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương

d Máy phát FM cơ bản

H ÌNH 1 S Ơ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA MÁY PHÁT ĐIỀU TẦN (FM)

Khối chủ sóng có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ và tần

số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng Muốn vậy ta phải dùng mạch dao động

LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC)

Khối tiền khuếch đại có thể dùng để nhân tần hoặc khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết đểkích thích tầng công suất làm việc Nó còn có nhiệm vụ đệm, làm giảm ảnh hưởng của các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng Vì vậy mà khối tiền khuếch đại có thểcó nhiều tầng: tầng đệm; tầng nhân tần và tầng tiền khuếch đại cao tần

Khối khuếch đại công suất cao tần có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra Pra của máy phát Công suất ra yêu cầu càng lớn thì số tầng khuếch đại trong khối khuếch đại công suất cao tần càng nhiều

Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại công suất cao tần cuối cùng

và anten để có công suất ra tối ưu nhất (Pra tối ưu)

Anten để bức xạ năng lượng cao tần (biến đổi năng lượng dao động cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian)

Đối với máy phát điều tần thì yêu cầu điện áp âm tần không lớn lắm, nên tín hiệu âm tần từ micro chỉ cần qua một bộ tiền khuếch đại âm tần rồi đưa tới bộ chủ sóng Mặt khác do tín hiệu điều tần có tần sốlàm việc cao hơn nhiều so với tín hiệu điều biên nên số tầng nhân tần trong bộ tiền khuếch đại công suất nhiều hơn Đồng thời dùng nhiều tầng nhân tần thì độ di tần lớn hơn (∆f = ±75 KHz) Độ ổn định tần số của máy

phát điều tần cũng yêu cầu cao hơn (10-5÷ 10-7), nên hệ thống AFC thường có cấu tạo phức tạp

e Điều chế FM

H ÌNH 2 Đ IỀU CHẾ FM

Với mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay đổi theo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số cao tần tăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm Như vậy sóng mang FM có tần

số tăng giảm theo tín hiệu âm tần và giới hạn tăng giảm này là +150KHz và 150KHz, như vậy tần số sóng mang điều tần có dải thông là 300KHZ

Thí dụ nếu đài tiếng nói việt nam phát trên sóng FM 100MHz thì nó truyền đi một dải tần từ 99,85 MHz đến 100,15 MHz

Tín hiệu sau điều chế FM

xc(t) = Accos(2fct + (t)) Với: fc là tần số của sóng mang

Ac là biên độ của sóng mang

(t) là góc pha thay đổi theo tín hiệu

-2 0 2 4

thoi gian

H ÌNH 4 S ÓNG MANG SAU ĐIỀU CHẾ

Băng thông của tín hiệu điều chế FM

Xét tín hiệu x(t) có dạng x(t) = Amcos(mt) suy ra (t) = sin(mt) với  = fAm / fm

xc(t) = Ac[ cos((t))cos(2fct) - sin((t))sin(2fct)]

= Ac[cos(sin(mt))cos(2fct) - sin(sin(mt))sin(2fct)]

Áp dụng phép khai triển:

cos(sin(mt)) = J0()+2Jn()cos(nmt) với n chẵn

sin(sin(mt)) = 2Jn()sin(nmt) với n lẻ

Các giá trị của Jn(1) cho bởi hình sau

H ÌNH 5 H ÀM B ESSEL 𝑱𝒏(𝟏)

Ta thấy phổ tần của tín hiệu fm là vô hạn (không thể truyền như vậy) Tuy nhiên biên

độ của các hài bậc cao rất bé, ta có thể loại bỏ Như vậy băng thông có thể được giới hạn tuy nhiên sẽ gây méo tín hiệu do mất hài bậc cao.Vì vậy cần lựa chọn để tín hiệu méo dạng có thể chấp nhận được

0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-3-4

-2 0 2 4

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Hình 1 mô tả sơ đồ khối của mạch tách sóng phân biệt

Mạch dịch pha tuyến tính có chức năng tạo độ trễ pha t1, đồng thời tạo độ lệch pha

H ÌNH 8 B Ộ GIẢI ĐIỀU CHẾ FM DÙNG PLL

Bộ so sánh pha (Phase comparator) hay bộ phát hiện pha (Phase detector) là một thiết

bị so sánh các tần số ở lối vào, tín hiệu lối ra phản ánh sự khác nhau về pha giữa chúng (ví dụ, nếu như chúng khác nhau về tần số, nó sẽ tạo ra ở lối ra một dao động tuần hoàn có tần số bằng hiệu hai tần số) Nếu tần số tín hiệu vào f0 không bằng tần

số dao động của bộ VCO thì tín hiệu sai pha từ ngõ ra bộ so sánh pha, sau khi được lọc và khuếch đại, lại được đưa đến VCO Điều khiển tần số của VCO hướng tới f0

Cứ thế, bộ VCO sẽ nhanh chóng “khoá” vào f0 và duy trì một mối liên hệ vững chắc với tín hiệu lối vào

Bằng các phép biến đổi toán học, người ta chứng minh được sai số pha tức thời ở ngõ

ra bộ so sánh là tỷ lệ với tín hiệu điều chế x(t)

Ưu và nhược điểm của vòng khoá pha (PLL)

Sử dụng vòng khóa pha PLL như một hệ thống lọc so với bộ lọc tích cực RC dùng

kỹ thuật hồi tiếp hay những mạch cộng hưởng LC có những ưu điểm sau

o Khả năng hoạt động ở tần số cao:

Vòng khóa pha PLL đơn khối có thể hoạt động ở phạm vi tần số cao (

2÷160MHz), trong khi phần nhiều kỹ thuật hồi tiếp RC tích cực bị giới hạn ở dải tần số dưới 100Hz

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

Tần số trung tâm thì được “tần số chạy tự do” của VCO (Vottage Controlled Oscillator), còn tính chọn lọc của PLL được xác định bằng bộ lọc thông thấp của vòng này Điều này loại trừ được vấn đề đồng chỉnh phức tạp khi dùng nhiều tầng lọc điều hưởng LC nối kết với nhau Mặt khác việc thay đổi tần số của PLL không làm thay đổi phẩm chất Q như mạch cộng hưởng LC

o Dễ dàng trong việc điều hưởng

PLL có thể được điều hưởng theo1 tần số yêu cầu nào đấy, bởi sự chọn lọc riêng của“tần số chạy tự do VCO” Tần số này thông thường được quyết định bởi phần

tử đơn bên ngoài (tụ điện C) và có thể được điều chỉnh liên tục từ 1Hz đến phạm

vi lệch tần số mong muốn là 50MHz

Tuy có nhiều ưu điểm nhưtrên, PLL vẫn không thểthay thế hoàn toàn cho những

bộ lọc cộng hưởng LC hay bộ lọc tích cực RC trong tất cả các ứng dụng vì:

o Sự thiếu thông tin về biên độ tín hiệu

PLL chỉ đáp ứng với tần số của tín hiệu vào, mà không đáp ứng với biên độ, miễn

là biên độ vào cao đủ để duy từ khóa Như vậy, PLL chỉ lọc được những tần số mong muốn Trong khi dùng mạch cộng hưởng LC (hay dùng mạch lọc tích cực

RC có hồi tiếp) thì không những lọc được tần sốmong muốn mà tại tần số đó biên

độ tín hiệu là cực đại

o Sự khó khăn trong vấn đề tự động điều chỉnh hiệu số khuếch đại (AGC) Mặc dù 1 số khuyết đểm như vậy, nhưng PLL dưới dạng vi mạch đơn khối có khả năng thực hiện nhiều chức năng nhất trong các thiết bị điện tử viễn thông tương

tự, công tác ở nhiều lĩnh vực khác nhau

2 Thiết kế và thi công mạch phát sóng FM

Ngày nay, mạch tích hợp (IC) đang là xu thế phát triển của kỹ thuật hiện đại vì rất nhiều

ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, nhiều chức năng, dễ sửa chữa bảo trì Theo sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Đình Chiến, nhóm chọn IC BA1404 để thực hiện thi công mạch phát sóng FM

a Cấu trúc IC BA1404

IC BA1404 là một IC phát FM stereo, mỗi IC gồm 3 khối chức năng chính:

o Khối điều chế stereo: Tạo tín hiệu stereo tổng hợp từ tín hiệu MAIN (L+R), SUB (L-R) và tín hiệu pilot từ bộ dao động thạch anh 38kHz

o Khối điều chế FM: Tạo sóng FM có tần số sóng mang nằm trong dải tần 75- 108MHz

o Khối khuếch đại RF: Phát đi tín hiệu FM đã mã hóa và cũng là bộ đệm cho khối điều chế FM

IC BA1404 gồm 18 chân với sơ đồ kết nối và chức năng cụ thể như sau

H ÌNH 9: S Ơ ĐỒ KHỐI IC BA1404

Chân số Tên Chức năng

1 Ngõ vào tín hiệu audio kênh

R

Kết nối đến mạch tiền nhấn

2 Ngõ vào bộ khuếch đại Kết nối đến tụ bypass

4 Bộ dao động 38 kHz Kết nối đến tụ bypass

5 Bộ dao động 38 kHz Kết nối với bộ tạo dao động

11 Nguồn áp Kết nối đến varicap

12 Ngõ vào tín hiệu điều chế Kết nối đến tụ bypass và nguồn

tín hiệu đã điều chế

13 Ngõ ra tín hiệu pilot Kết nối đến mạch trộn RC

14 Ngõ ra tín hiệu ghép kênh Kết nối đến mạch trộn RC

Tín hiệu đầu ra được điều chế FM với giá trị tần số sóng mang được xác định nhờ

bộ LC resonator nối ở chân 10 Tín hiệu RF sau điều chế được xuất ra ở chân 7 và nối ra ăng ten để phát đi hoặc bộ khuếch đại RF trước khi nối ra angten để khuếch đại công suất, tăng tầm phát sóng

H ÌNH 13: MẠCH PHÁT FM

Kết quả phát sóng FM: Sau khi thực hiện mạch phát sóng FM, tần số thu được tại 104.3MHz, công suất phát đo được tại phòng thí nghiệm là -43dBm

Bán kính phủ sóng (chưa thưc hiện mạch khuếch đại) khoảng 5m

3 Thiết kế và thi công mạch khuếch đại siêu cao tần

Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như Thông tin vô tuyến, Truyền hình, Radar…

Các kỹ thuật cơ bản dùng trong khuếch đại công suất cao tần có thể sử dụng các lớp như A, B, AB, C, D,… cho dãy tần số từ VHF đến siêu cao tần

Công suất ngõ ra từ vài mW đến hàng MW, tùy ứng dụng

Chức năng chính của 1 mạch khuếch đại (MKĐ) là nhận tín hiệu vào và làm cho biên độ của nó lớn hơn Có nhiều loại MKĐ tùy theo mục đích sử dụng Ví dụ mạch phát sóng vô tuyến dùng MKĐ tần số vô tuyến (RF) để khuếch đại tín hiệu trước khi đưa đến anten phát

Các thông số quan trọng nhất cần quan tâm đối với một MKĐ công suất siêu cao tần là:

 Tính bền vững

a Các khối chức năng chính của một mạch khuếch đại

Khối công suất nguồn: Chức năng đầu tiên của khối này là nhận công suất xoay

chiều từ ổ cắm và chuyển đổi nó thành điện áp một chiều Quá trình chuyển đổi này là cần thiết vì các thiết bị bán dẫn bên trong MKĐ (transistors, FETs,

MOSFETs, v.v ) chỉ hoạt động với dạng áp này

Tầng ngõ vào: Thu nhận tín hiệu chuẩn bị cho việc khuếch đại ở tầng ngõ ra Tầng ngõ ra: Chuyển đổi tín hiệu vào biên độ thấp thành một bản sao có năng

lượng lớn hơn nhiều lần có khả năng truyền tải công suất lớn đến anten Khối này thường sử dụng các transistor công suất hoặc MOSFETs và tỏa nhiệt nhiều nhất trong MKĐ

b Các lớp khuếch đại

Lớp trong MKĐ liên quan đến việc thiết kế mạch, thường là ở tầng ngõ ra Trong thực tế có nhiều lớp được sử dụng trong 1 MKĐ, các lớp phổ biến bao gồm:

Lớp A: Các mạch khuếch đại lớp A có sự méo dạng rất thấp, tuy nhiên chúng có

hiệu suất kém (khoảng 50%) và hiếm khi được dùng cho các thiết kế công suất lớn Sự méo dạng thấp là do transistor trong mạch được phân cực ON khi mạch chạy không tải

o MKĐ lớp A thường được sử dụng cho các mạch công suất thấp

o Lớp A có tính tuyến tính cao nhất trong các lớp

o Góc dẫn: 3600: Transistor dẫn trong toàn chu kỳ của tín hiệu vào

H ÌNH 14 Đ Ồ THỊ BIỂU DIỄN TÍN HIỆU VÀO VI ( T ) VÀ DÒNG I C ( T ) CỦA MKĐ LỚP A Lớp B: MKĐ lớp B được dùng trong các thiết kế giá thành thấp Nó có hiệu suất

đáng kể hơn so với lớp A (khoảng 78.5%), tuy nhiên chúng chịu sự méo dạng lớn (tính tuyến tính thấp) khi tín hiệu nhỏ

o Trước sự xuất hiện của các MKĐ IC, MKĐ lớp B khá phổ biến trong các mạch vô tuyến hoặc các ứng dụng mà chất lượng âm thanh không quan trọng

o Góc dẫn: 1800: Transistor dẫn trong ½ chu kỳ của tín hiệu vào

H ÌNH 15 V Í DỤ VỀ MKĐ LỚP B

H ÌNH 16 Đ Ồ THỊ BIỂU DIỄN TÍN HIỆU VÀO VI ( T ) VÀ DÒNG I C ( T ) CỦA MKĐ LỚP B

Lớp AB: đây là lớp khuếch đại được dùng nhiều nhất hiện nay trong các MKĐ

stereo và tương tự Nó là sự kết hợp những ưu điểm của lớp A và lớp B: hiệu suất cao của lớp B và tính ít méo dạng của lớp A Sự méo dạng lớn nhất khi tín hiệu nhỏ và nhỏ nhất khi tín hiệu qua điểm cắt

o Góc dẫn: giữa 1800 và 3600 : Transistor dẫn trong hơn ½ chu kỳ của tín hiệu vào

H ÌNH 17 Đ Ồ THỊ BIỂU DIỄN TÍN HIỆU VÀO VI ( T ) VÀ DÒNG I C ( T ) CỦA MKĐ LỚP AB

c Cấu trúc và datasheet transistor BFR96

Transistor BFR96 là sản phẩm của Motorola Semiconductor Nó là transistor NPN

tần số cao Các đặc trưng khi làm việc của BFR:

Độ lợi công suất cao

Noise figure thấp

Độ lợi dòng cao

H ÌNH 18 T ÍNH CHẤT TRANSISTOR BFR96

Nó thường được sử dụng với các mạch khuếch đại MAT/CATV

Thông số S của transistor BFR96 ở dải tần 100MHz đến 1500MHz

H ÌNH 19 T HÔNG SỐ S TRANSISTOR BFR96 ( PHÂN CỰC V EC =10V )

Ở đây, nhóm thiết kế mạch phát sóng FM ở tần số 104.3 MHz, nên thông số S được chọn là

Do 𝑆12 có giá trị nhỏ không đáng kế, có thể xem transistor BFR96 hoạt động trong

dải tần có tần số trung tâm 100MHz là phần tử định hướng

Độ lợi của transistor BFR96 tại tần số xấp xỉ 100MHz

2

G  S  dB

d Thiết kế mạch khuếch đại tần số cao

H ÌNH 20 S CHEMATIC MẠCH PHÂN CỰC TRANSISTOR BFR96