GIÁO TRÌNH CHẾ TẠO MÁY

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 t

PHẦN I

LÝ THUYẾT

Trang 1

Chương 1: MẠCH LỌC TÍCH CỰC

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

(2)(3)

R2 R3

Bộ khuếch đại khong đảo

C

0

AV0 H

C1

R1

R2

+ -

Bộ khuếch đại đảo

C1

V2 R1

R2

+ -

Hàm truyền: (1)

(2)(3)

a- Mạch LTT2

(2)(3)(4)

(1)(2)

Trang 3

0

AV0 H

+ -

Mạch LTT2 dùng hồi tiếp dương

+ -

Bộ LTC dùng hồi tiếp dương

(5)Điều kiện: A0L > 2Q2.

Trang 5

C1

V2 R1

V1

R3 R2

C2

+ -

Bộ LTD hồi tiếp âm 2 vòng

D

Q H

R2 C2

+

-LTD bậc 2

Hàm truyền: (1)

(2)(3)(4)

Trang 6

0

A H

f2 f3

-40dB

Chương 2: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN

2.2Các mode hoạt động của bộ KĐCSCT lớp C dùng Transistor

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

- f0  f: tần số thấp, các tham số được coi là không thay đổi; hfe = 0;

- 0,3f  f0  3 f: tần số trung bình, các tham số của Transistor thayđổi và xuất hiện điện trở ký sinh (rbb’), điện dung ký sinh (Cb’e, Cb’c)

iC Imax

T t0

- f0  3 f: tần số cao, các tham số của Transistor thay đổi, xuất hiện

rbb’, Cb’e, Cb’c và các điệm cảm ký sinh Lks

(4)

Trong giáo trình Điện tử thông tin chủ yếu chúng ta sẽ nghiên cứu

bộ KĐCSCT ở tần số thấp và tần số trung bình và chỉ xét ở chế độkém áp (Transistor như mộ nguồn dòng)

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 mạchghép đầu vào và đầu ra (Chú ý: các bước thiết kế không nhất thiếttheo trình tự đưa ra)

1- Xác định phạm vi làm việc của Transistor theo (2-2) để vẽ sơ đồ

tương đương tín hiệu nhỏ chó đúng

+ VBB -

Nếu 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:

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

9- Công suất vào của nguồn kích thích:

10- Xác định trở kháng nguồn tương đương

Để dòng điện đầu vào không bị méo thì:

11- Thiên áp Base

12- Điện trở tải tương đương:

13- Công suất nguồn cung cấp: PCC = ICOVCC

14- Công suất hữu ích trên tải

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

16- Hiệu suất của mạch:

Trong thực tế thường công suất ra trên tải được biết trước nên ta cóthể tính các bước 0  4, 13, 11, 5,

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

; ; Các bước thiết kế tương tự như trên

Rtđ1 = 0Q0LC  với Q0 = 50  100

Nếu ở đầu vào bộ KĐCSCT có mạch cộng hưởng Lb, Cb thì ta cũngxác định tương tự như trên với:

; Rtđ1 = 0Q0LC; 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:

với với ;

 Tần số cộng hưởng đầu ra:

;

 Góc cắt tối ưu của bộ nhân tần dùng Transistor

; k: hệ số nhân tần của bộ nhân

Các bước thiết kế của bộ nhân tần:

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

2- VCC = (0,5  0,8)VCEmax cho phép

3- Chọn góc cắt tối ưu:

Trang 10

CC LC

+ VBB -

tương đương của mạch ra ứng với hài bậc k:

8- Hiệu suất của bộ nhân tần:

Nếu kể cả rb’e ta có Z’iEC = rb’e//ZiEC (tính như trên)

11- Biên độ điện áp kích thích vào: Vbm1 = In|ZiEC|

12- Công suất của nguồn kích thích:

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: 0,3f  f0  3f dùng Transistor + LChoặc 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

+ Modul hệ số khuếch đại:

+ A góc di pha của bộ khuếch đại

- Hệ số truyền đạt của bộ hồi tiếp

+ Modul hệ số hồi tiếp:

+ B góc di pha của bộ hồi tiếp

- Điều kiện pha để mạch dao động:  = B + B = 0,2

- Điểu kiện biên bộ để mạch dao động:

Cng

L R2

RE Cb’e

Cng

C1 C2

Vk

C E

B

Bộ khuếch đại A

Bộ hồi tiếp

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

Các bước thiết bộ tạo dao động 3 điểm C:

- 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

(3)

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

- Ở tần số trung bình: ;

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

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

 Hệ số ghép đầu ra của Transistor với khung cộng hưởng:

- Bước 5: Điều kiện biên độ để mạch dao động:

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

RE Cb’e

Cng

C1 C2

Vk

C E

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 vớikhung cộng hưởng

với

Nếu ta chọn C1, C2 >> C0 thì Ctđ  Co khi đó nhánh cộng hưởng nốitiếp L, C0 sẽ quyết định tần số cộng hưởng của mạch và mạch sẽ ổnđịnh tần số hơn

- Hệ số ghép p:

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 Colpitsmắc 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 vídụ: Ctđ = 25pF thì ta chọn C0 = 30pF

- Hệ số ghép p:

Trang 15

L RE

C1 C2

Vk

C E

B C0

Lch

R1

+VCC

L R2

RE Cng

C1 C2

Vk

C E

B C0

L C1 C2

Vk

C E

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 = 0)

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

- Tần số cộng hưởng song song:

- Trở kháng tương của thạch anh:

(6)

 Để giảm ảnh hưởng của Cpngười ta mắc tụ C0 song song với Cq

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

Trang 16

Lch

+VCC

Cng R2

C1 C2

LTA

Cng

Cng R1 RE

Cq

 Để mạch dao động theo kiểu 3 điểm C kiểu Colpits, thạch anh phảitương đương như cuộn cảm, nghĩa là: q < 0 < p

Thực tế 0  p nhưng để tính toán đơn giản do p  q ta coi (1)

(2)

Biết , Cq, Cp ta tính được q

- Điện cảm tương đương của thạch anh:

(4)(5)

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

Trong loại mạch này thạch anh đóngvai trò mạch hồi tiếp Chỉ đúng tại tần sốcộng hưởng nối tiếp của thạch anh thì Zq

 0 khi đó B  B’ và mạch sẽ hoạt độngnhư 3 điểm C kiểu Colpits hoặc Clapp vàcũng có thể mắc EC hay BC

R D1

Chương 4: ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ 4.1 Điều biên

a- Phổ của tín hiệu điều biên và quan hệ năng lượng trong điều biên.

(4)

Đây là điều kiện để chọn Transistor sao cho

b- Điều biên Collector

 Điện áp Collector biến đổi theo điện áp âm tần:

(11)với

 Để đảm bảo Transistor không bị đánh thủng, phải thỏa mãn điều

 Nếu đầu ra của mạch điều biên là mạch lọc có hiệu suất CH thìđiều biên Collector có công suất đỉnh là:

(14)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 nhưsau:

- Cho trước khi đã biết ta tiến hành các bước thiết kế như đối vớimạch KĐCSCT (mục 2-3)

- Thiết kế phần điều biên:

- Phổ của điều biên (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 pha PM:

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 tầncủa 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 emphasis và phía thu có mạch de-emphasis

 Cin: điện dung ban đầu khi e = 0

 : hiệu điện thế tiếp xúc si  0,7V

 n: hệ số phụ thuộc loại varicap

0

Vpc

V

V

Nếu chọn thì tạo phân cực ngược cho varicap Điện trở R thường đượcchọn vài trăm k Do dòng trên R bằng 0 nên VR = 0V Để thiết kế mạchđiều tần varicap cần tiến hành 2 phần

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

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

C2 R2

Lch

RE R1

Cng CV2

C

R RE

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

Về lý thuyết , trên thực tế giá trị hay gặp ; ví dụ 

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 đếnphức tạp:

- Điều tần trực tiếp bằng thạch anh: độ di tần hẹp, chỉ dùng trongphát 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 địnhtần số

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

- Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số hỗn hợp AFC-F vàAFC-P: AFC-F điều chỉnh thô, còn AFC-P điều chỉnh tinh đưa

Trang 24

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 trungtâm

- 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 nhữngsai sót về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, nghĩa là PLL làmcho tần số ra của tín hiệu song song bám theo tần số vào của tínhiệu vào

 Khi tín hiệu vào đã lọt vào dải bắt của PLL, thì tần số f0 của VCO

- 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

Trang 26

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:

- 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

c- Mạch lọc  đôi.

(1)(2)

Trang 28

C1 Vi

C2

Ri

RL L

9 (3)

(4)(5)(6)(7)

Trang 29

Chương 7: MÁY THU 7.1 Định nghĩa và phân loại máy thu:

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

 Độ nhạy: biểu thị khả năng thu tín hiệu yếu của máy thu mà vẫn

đảm bảo:

- Công suất ra danh định PL

- Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N)

 Độ chọn lọc: là khả năng chèn ép các dạng nhiễu không phải là tín

hiệu cần thu:

 Chất lượng lập lại tin tức

7.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu:

 Sơ đồ khối tổng quát mạch khuếch đại trực tiếp.

 Sơ đồ khối tổng quát mạch đổi tần AM và FM.

 Sơ đồ khối tổng quát mạch đơn biên (SSB).

7.3 Mạch vào máy thu:

Một số chỉ tiêu kỹ thuật của mạch vào:

 Dải thông D (BW)

 Tần đoạn làm việc.

a- Ảnh hưởng của Anten hoặc tầng đầu đến mạch vào

 Điện dẫn tương đương lúc cộng hưởng:

(4)hoặc điện dẫn của mạch vào tầng khuếch đại đầu:

(5)điện dẫn tưong đương của mạch cộng hưởng trở thành:

(6)(7)

 Hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng sẽ giảm từ Q0 xuống Qi

theo quan hệ:

(8)

 Nếu (9) khá nhỏ thì độ sai lệch tần số cộng hưởng sẽ là:

 Nguyên tắc xác định hệ số mắc mạch (m)

- Mức tăng tổn hao không vượt quá giới hạn cho phép

- Sự biến thiên của tham số anten và dẫn nạp vào tầng đầukhông gây ảnh hưởng đến chỉ tiêu của mạch vào

 Các mạch lọc nhiễu lọt thẳng (nhiễu tần số trung gian)

b- Các mạch ghép anten với mạch cộng hưởng vào

 Tách sóng nối tiếp: Dựa vào quá trình phóng nạp của tụ ta sẽ códạng điện áp âm tần đã tách sóng trên điện trở tải RL.

 Điều kiện để tụ C lọc tần số trung gian ở đầu vào:

 Yêu cầu của bộ tách sóng tần số

 Hệ số truyền đạt cao Smax lớn:

 Đặc tuyến truyền đạt phẳng trong một phạm vi tần số rộng.

 Điện áp vào không cần lớn.

 Để mà không phụ thuộc biên độ điện áp vào nên trước bộ

Trang 32

- Làm cho tần số của tín hiệu FM bám theo tần số VCO củaPLL, điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.

Trang 33

PHẦN II BÀI TẬP

Trang 34

Chương 1: MẠCH LỌC TÍCH CỰC Bài 1.3 Thiết kế bộ LLT bậc 2 có tần số cắt trên fc = 1Khz, C1 =

0,1F, |Av0| = 1 trong hai trường hợp:

1 Bộ LLT có hồi tiếp dương

2 Bộ LLT có hồi tiếp âm nhiều vòng

 Bộ LLT có hồi tiếp dương.

R2

R3

+ -

+

V’2

R5 R6

C C

V2

V1

C2

C1 R1

R2

+ - R3

-V1

C2

C1 R1

V2

Vì cho mọi C bằng nhau nên chỉ có thể dùng bộ LLT2 hồi tiếpdương 1 vòng.

C2

C3 C4

V2

+ -

0

1 0 H

V2

R2

R3 C1

C2

+ -

Chương 2:

KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN

I Khuếch đại công suất cao tần: (KĐCSCT)

Rb en

Cng

Lch

+ VBB -

+ VCC

suy ra mạch hoạt động ở tần số trung bình có các CKS.

Các bước 2 8 giống hệt như trên

9 Hệ số khuếch đại dòng điện ở dải tần số trung bình:

Bài 2.8: Giống bài 2.1, chỉ khác ở đầu vào khung cộng hưởng chỉ

được ghép một phần vào đầu vào để giảm ảnh hưởng của điệndung ký sinh và giảm ảnh hưởng của r’be.

 Các bước từ 1  10 giống bài 2.2, nhưng cách tính mạch vào khác vì

ở đầu vào có khung cộng hưởng

Các bước từ 15  19 giống bài 2.2

 Như trên ta có: C’b’ = 5,55nF, khi đó điện dung ở đầu vào:

 Do trở kháng vào của Transistor rất nhỏ, nên cách mắc như bài 2.8được sử dụng rất nhiều Mặt khác tầng KĐCSCT là tầng cuối cùngnên đứng trước nó sẽ là tầng tiền KĐCSCT, nghĩa là Lb, C’b của tầngKĐCSCT chính là LC, CC của tầng tiền KĐCSCT trước đó

+ VCC

5 Dòng điện hài bậc hai:

6 Điện trở tương đương của mạch cộng hưởng ra:

7 Nếu coi giả thiết của bài 2.1 trong đó Q0 là hệ số chẩm chất của khungcộng hưởng đầu ra: Q02 =50 ta có:

Cb

Các bước 2 đến 10 giống như bài 2.5.

12 Ở tần số trung bình:

13

14

15 Vbm1 = Ibm1.Zi = Ibm1 = (Rtđ1//rb’e) = 3.10-5(1636//164) = 4,47mV

Các bước 15, 16, 17, 18 như trên chỉ chú ý: Cb = C’bmắc + C’b*

20 Trong mạch nhân tần do tần số cộng hưởng ở đầu vào (0) và đầu

ra (20) khác nhau, nên không có ảnh hưởng của CM* Khi đó ta có:

Ta thấy Cb’* = 2000p >> Cb = 510pF Do đó mạch này làm việc không

ổn định, ta phải cải tiến mạch như bài 2.9

VK R2

RE CE

C1 C2

3 Hệ số hồi tiếp:

n có thể chọn theo kinh nghiệm: n = 0,010,05 (E.C) và n = 0,10,5(B.C) hoặc tính theo công thức

Chọn n = 0,01  C2 = 100C1

4 Điện dung tươnd đương của khung cộng hưởng:

5 Hệ số khuếch đại của sở đố mắc E.C:

h21e = hfe = 100; h11e = rb’e = 500;

Bài 3.1: Mạch dao động ở tần số trung bình

1 Bước 1: như trên

2

Suy ra sơ đồ làm việc ở tần số trung bình (có các điện dung ký sinh)

3 Hệ số hồi tiếp có thể chọn như trên, khi đó C1, C2 giống hệt bài 3.2.Nhưng để mạch hoạt động ổn định ta có thể chọn C2 = 10Cb’e = 10.10-