Giáo trình điện tử thông tin phần 2

Sơ đồ khối bộ dao động Mạch dao động gồm mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp dương đồng thời làm tải chọn lọc cao tần của khuếch đại.. Các tham số cơ bản của mạch dao động: tần số dao động,

CHƯƠNG 4 MẠCH DAO ĐỘNG

Trang bị cho sinh viên: Kiến thức về nguyên lý hoạt động và xác định các thơng số của mạch dao động

4.1 NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH DAO ĐỘNG

Dao động và tổng hợp tần số là phần rất quan trọng của điện tử thơng tin Trong tài liệu này chỉ xét dao động sin cao tần Mạch dao động biến đổi năng lượng điện nguồn một chiều thành xoay chiều Thơng số quan trọng nhất của bộ dao động: độ bất ổn tần số tương đối

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ dao động

Mạch dao động gồm mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp dương đồng thời làm tải chọn lọc cao tần của khuếch đại

Độ lợi khuếch đại điện áp khơng hồi tiếp

)đạikhuếchmạch

vàoápđiện(V

)đạikhuếchmạch

raápđiện(VA

Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp:

Xét hồi tiếp dương:

o f v s v v o f s v f s v i

Dạng khác, Vs= 0 ta có : vf

f v

v i

BA1

AV

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 này ta chỉ xét mạch dao động LC, dao động thạch anh và chỉ xét điều kiện dao động của mạch

4.2 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG KHI PHÂN TÍCH MẠCH DAO ĐỘNG

Xét mạch dao động Colpitt như sau:

Hình 4.2 Mạch dao động dạng Colpitt Mạch tương đương của mạch dao động như hình sau:

Hình 4.3 Mạch tương đương Giả sử bỏ qua điện trở ra BJT, RB đủ lớn, tụ CB coi như nối tắt về AC

Ta có: |Av|.|Bf| = 1 và A = B = 0 là điều kiện dao động

Tụ C2//RE//ri =

)mA(I

)mV(26I

VC C

T  (điện trở vào tầng khuếch đại mắc CB)

Hệ số phẩm chất Q của mạch dao động có tải lớn Điện áp ngỏ ra mạch hồi tiếp:

2 1

1 oCC

CVV



Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng:

2 1

2 1 E i

E i

C

CRr

Rr

1 o

CV

V

Tại cộng hưởng:

2 1

2 1 o

CC

CCL

L eq m L m

o

R.R.gZ.gV

VA

C.RR

R.R.gB.A

2 1

1 L eq

L eq m f

2 1

2 1 i

CC

C

CrgB.A

2 1

1 2

1

1 i m f

Chọn RL >> Req để ít ảnh hưởng tới trở kháng tương đương mạch cộng hưởng

Ví dụ 4.1: Cho sơ đồ trên, cho IC = lmA; Vcc = 12V; fo = 20MHz,  = 100 Tính mạch dao động

Giải:

mA1

mV26I

Vg

1r

C

T m i

2 1

2 1 i eqChọn RL = 1,5K >> Req

C = 1F

VR

C

E E

6312I

VVVR

C

CE E cc C

763

12)

/I

7VVVR

C

R E cc

3 2 1

L

LX

XB

Hình 4.5 Mạch dao động Colpitt Các thông số của mạch được xác định: xem R1,2 >> hie

2 1

2 1 3

o

CC

CCL

C

CX

XB

1

2 

Mạch dao động dịch pha dùng Op-Amp

Hình 4.6 Sơ đồ khối của mạch dao động dịch pha Trong dao động dịch pha, khối A là mạch khuếch đại đảo và được nối tới ba bộ lọc thông cao RC, nên gọi là mạch dao động dịch pha

Các mạch lọc RC dùng để dịch pha tín hiệu đi 1800 tạo tín hiệu hồi tiếp dương ở ngõ vào Đối với mạch lọc thông cao RC, tín hiệu sau khi đi qua mạch lọc thông cao sẽ lệch pha

đi so với tín hiệu vào từ 0 đến 900 tùy thuộc vào tần số của tín hiệu vào Như vậy số mạch lọc RC phải thỏa mãn sao cho khi tín hiệu đi qua sẽ tạo được tín hiệu hồi tiếp dương ở ngõ vào hay tổng góc lệch pha của tín hiệu sau khi đi qua khâu hồi tiếp là 1800, vậy trong

trường hợp sử dụng ba mạch lọc RC như hình 4.6 thì mạch sẽ dao động tại tần số tín hiệu

có góc lệch pha 600 sau khi đi qua một mạch lọc RC

Hình 4.7 Khâu hồi tiếp của mạch dao động dịch pha Xét hình 4.7 ta có:

Vậy để mạch duy trì dao động, mạch khuếch đại A phải có hệ số khuếch đại A 29

Mạch dao động dịch pha dùng transistor

Hình 4.8 a Mạch dao động dùng JFET; b Mạch dao động dùng BJT

- BJT và FET được phân cực ở trạng thái khuếch đại

Hình 4.9 Mạch dao động dịch pha RC Theo điều kiện dao động thì A 1, ta suy ra

Chú ý: giá trị của RI vì ngõ vào V-=V+=0V nên RI//R của tầng RC cuối cùng sẽ gây sai

số lệch pha Để kết quả trùng với tính toán thì RI >> R để RI//R≈R hoặc bỏ qua điện trở

R và RI được thay bằng R Mạch hoàn chỉnh như hình 4.10

Hình 4.10 Mạch dao động dịch pha trong thực tế

- A bộ khuếch đại

- Biến trở R ổn định chống tạp âm

Một bộ dao động thực tế là dùng khuếch đại thuật toán và mạch cầu RC, với tần số dao động được xác định bởi R và C (gồm RC nối tiếp và RC mắc song song)

Hình 4.11 Sơ đồ khối của mạch dao động cầu Wien Với A là bộ khuếch đại không đảo

Hình 4.12 Sơ đồ mạch cầu Wien Xét sơ đồ như hình 4.12 ta có:

C fb

R C

C R arctg

f RC





Và để mạch dao động thì mạch khuếch đại A phải thỏa: A=3

Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát một mạch dao động cầu Wien dùng Op-Amp

Hình 4.13 Mạch dao động cầu Wien Điều kiện dao động là A 1 nhưng để dao động được thực hiện khi mới cấp điện, điều kiện sẽ là A 1sau đó mạch phải tự ổn định A 1

Mạch dao động cầu Wien dùng Op-Amp thực tế như hình 4.14

Hình 4.14 Mạch dao động cầu Wien trong thực tế

Hệ số ghép ngõ ra mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng:

1

eq C

CC

CX

XP

1C

1C

1C

Hình 4.15 Mạch dao động Clapp

)CntCntC(L

1

3 2 1 3

o 

Nếu C1,2 >> C3  Ceq  C3 

3 3

3 

 tức là ghép lỏng ngỏ ra mạch khuếch đại vào mạch cộng hưởng, giảm ảnh hưởng điện dung ký sinh BJT đến tần

số dao động Do đó mạch dao động Clapp ổn định hơn Colpitt

2

1 C

C

CX

XB

1

2 

4.3.6 Dao động thạch anh (Crystal OSC)

Mạch điện tương đương thạch anh: gồm nhiều nhánh có tần số cộng hưởng nối tiếp gần bằng số lẻ tần số cơ bản (fs, fp) Các tần số này gọi là overtones Frequency Trong một khoảng tần số nhỏ quanh tần số cộng hưởng, mạch điện tương đương có sơ đồ đơn giản sau:

Hình 4.16 Mạch tương đương của thạch anh

Bảng 4.1 Thông số thạch anh của JAN crystals Tần số (MHz) Mode cơ bản rT () CT (pF) Co (pF)

T T

o T

T T

TA

Cj

1C

j

1L

jr

Cj

1.Cj

1L

jrz

2 o T

T T 2

TA (C C ) L C C

1CLj

1 1 o )

j (TA

1

1CCjz

Hình 4.17 Đặc tính điện kháng của thạch anh Tần số cộng hưởng nối tiếp suy ra từ S2LTCT - 1 = 0 suy ra:

T T

T o T

p

CC

CCL

1 s

C2

C1C

C1f

C1/ff

;400008,0

2,

3C

Ck

o

1 p

s 1

BÀI TẬP CHƯƠNG 4

4.1 Thiết kế bộ dao động Colpits, cộng hưởng tại tần số fo = 10 MHz; hệ số phẩm chất riêng của khung cộng hưởng Qo = 100; L = 1H; dùng Transistor có các tham số fT = 3500MHz, hfe = 100, Cb’c = 1pF; Cb’e = 100pF; CCE = 5pF

4.2 Thiết kế bộ dao động Colpits có giả thiết như bài 4.1 nhưng chỉ khác fT = 350MHz, r’be = 500

4.3 Một mạch dao động Colpits dùng transistor có C1=10nF; C2=2500pF và L=40µH

Hãy tính tần số dao động của mạch

4.4 Hãy thiết kế một mạch dao động dịch pha sử dụng Op-Amp có RI=20kΩ; R=1kΩ Hãy tính giá trị RF và C để mạch tạo ra són sin có tần số f0=1kHz

4.5 Tính tần số dao động của mạch cầu Wien có R1=R2=51kΩ; C1=C2=1nF

4.6 Thiết kế mạch dao động cầu Wien có f0=10kHz

4.7 Thiết kế bộ dao động Clapp có giả thiết như bài 4.2

4.8 Thiết kế bộ dao động Clapp có giả thiết như bài 4.2 nhưng chỉ khác cộng hưởng tại

4.11 Thiết kế bộ dao động cầu Wien có tần số dao động fo = 1 KHz và R = 1K

4.12 Thiết kế bộ dao động cầu T có tần số dao động fo = 1 KHz và R = 1K

4.13 Thiết kế bộ dao động dời pha RC có tần số dao động fo = 1 KHz và R = 1K

4.14 Thiết kế bộ dao động LC dùng OP-AMP có tần số dao động fo = 100 KHz; Qo = 50

và Rtđo = 5K trong hai trường hợp:

a) L, C mắc nối tiếp

b) L, C mắc song song

CHƯƠNG 5 MẠCH CỘNG HƯỞNG

Trang bị cho sinh viên: Kiến thức về nguyên lý hoạt động, thông số của mạch cộng hưởng và mạch phối hợp trở kháng

5.1 MẠCH CỘNG HƯỞNG SONG SONG

Trong chương này ta sẽ khảo sát mạch khuếch đại tín hiệu trong một băng tần hẹp với tần

số trung tâm là w0 Mạch khuếch đại này được thiết kế để loại bỏ các tần số nằm dưới tần

số cắt thấp fL và trên tần số cắt cao fh Mạch cộng hưởng được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các thiết bị viễn thông

Hình 5.1 Đáp ứng mạch cộng hưởng Mạch khuếch đại cộng hưởng song song như hình vẽ (bỏ qua các thành phần phân cực)

ii

ri

rc

Rc RL C’

69

Với C = C’ + Cb’e + (1+gmRL)Cb’c C’ là điện dung bên ngoài được cộng vào Cuộn dây được xem tương đương với một L và một điện trở rc mắc nối tiếp tiêu biểu cho sự mất mát Hệ số phẩm chất tiêu biểu cho cuộn dây là:

1r

LQ

c

c   

Điện dẫn tương đương của cuộn dây:

Lj

1R

1Lj

1L

rr

1Lr

LjrLjr

1Y

p

2 c c 2 2 2 c c c

c c 2 c c

r

Lr

Rg

sL

1sCR1

gi

vv

ii

i

i

' b ' b L i

L i

0

m m

i

RCj1

RgL

RRCj1

Rg

với:

LC

12

0 

Chúng ta định nghĩa hệ số phẩm chất ngõ vào điều hợp ở tần số cộng hưởng w0 là:

RCL

i

m i

jQ1

Rg

Đạt cực đại tại tần số = w0 và bằng Aim = -gmR

Băng thông của mạch khuếch đại

được xác định bằng cách cho:

2 0 0

1Q

2ffBW

i

0 L h

gBWA

mà không làm giảm độ rộng của đường cong tính bằng Hz

Ví dụ 5.1: Thiết kế một bộ khuếch đại đơn tầng hoạt động ở tần số giữa là 455 kHz có

băng thông 10kHz Transistor có các thông số sau: gm = 0.04 (1/) hfe = 100, Cb’e = 1000pF

và Cb’c = 10pF Mạch phân cực và điện trở vào được chỉnh để ri = 5K và RL = 500

Giải:

Để có băng thông 10kHz, áp dụng công thức ta được:

410.2

1BW

2

1RC

m

fe e '

C

QLQR

0

c 0

c P

105.2//

105R

0

c 3 3

C1045522500

15000

12

10R1021C

Điện dung tổng cộng ngõ vào:

1 g R )C  C' 1200pFC

'C

C  b'e   m L b'c  

Do đó:

c

8 12

Q5.451

1095.010

Độ lợi dãy giữa: Aim gmR0.04 910 36.4

5.2 MẠCH CỘNG HƯỞNG NỐI TIẾP

Ở tần số rất cao (f0 > 50MHz), mạch cộng hưởng song song dùng ở các thí dụ trên có Q thấp làm cho dãy thông rộng vì lý do sau: Nếu C’ không dùng và nếu ri, Rp và Rb vô hạn thì Qi có thể xấp xỉ bằng: Qi 0rb'eCb' Nếu bỏ qua điện dung Miller, Cb’ ≈ Cb’e và

Hình 5.4 Mạch cộng hưởng nối tiếp

Ví dụ 5.2: Bộ khuếch đại có băng thông 3dB là 2 MHz và tần số công hưởng 100 MHz

(Qc = 108/(2.106) = 50) Transistor có các thông số rb’e = 50, gm = 0.1-1, Cb’e = 10pF, Cb’c

= 1pF Mạch ngõ vào gồm có các điện trở 50 (ri = 50) mắc song song với tụ C’ = 4pF Tải RL = 50

a Mô tả hoạt động của mạch

Giải:

a Mạch khuếch đại này được thiết kế để Q của mạch được xác định bởi mạch cộng hưởng nối tiếp Mạch RLC song song ở ngõ vào và mạch base được thiết kế có Q thấp

R’i = ri//điện trở song song hiệu dụng của L’(R’p) R’b = Rb//rb’e//điện trở song song hiệu dụng của Lb (Rp)

Cb’ = Cb’e + CM và

' b b c c

2 0

CL

1C

L

1'C'L

Hệ số phẩm chất của mạch Q có thể tìm được từ mạch sau:

Giả sử Q của mạch base và của mạch vào đủ nhỏ để:

'L

1'C'

c 0 c

'RarR

LQ

1'

Mạch tương đương

-       

K4110

65.0102100'L'Q'

17.0102100

Và vì rb’e = 50 Rb' Rp//Rb //rb'e 50 (giả sử rằng Rb>>rb’e = 50)

Chú ý rằng Q của mạch là:

12.0'C'R

150

a r

L a

r C

Q

c c c

c c

bộ mạch Qc tương đương 50 Cuộn cảm Lc có Q = 250 ở 100 MHz Ta giả sử thiết kế Lc



Mạch điều hợp được dễ dàng có thể dùng biến dung thay cho Cc

5.3 TRUYỀN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO TẢI

Dựa trên sơ đồ mạng 2 cửa Chọn trở kháng 2 đầu để công suất trên tải cực đại

Điều kiện: khảo sát hàm công suất

Tổng trở 2 đầu trong điều kiện tối ưu:

vb’

+

Tổng trở 2 đầu trong điều kiện không tối ưu:

5.4 MẠCH PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG

Phối hợp trở kháng để tăng độ lợi:

Hình 5.5 Mạch phối hợp trở kháng Mạch tương đương:

v

vn

na

1

e ' b 2

i

L i

jQ1

1R

agi

iA

Với Qi 0RC , C = C’ + a2Cb’ và b '

p i

R//

R//

+

Rp

n2L’

ii ri

Rb’

RL C’

iL +

-v1

  L'C'

1C

a'C'L

1C

'L

1

' b 2 2

1f

ag





Kết luận: Dùng biến áp đạt được độ lợi rất cao, băng thông hẹp nhưng GBW lại giảm

Ví dụ 5.3: Một mạch điều hợp đơn hoạt động tại tần số f0 = 455 kHz và có băng thông

a107101000

a2000

15000

1R

Từ hình vẽ mạch tương đương:

6 2 2 2 0 2

0

101200.a'C

1

109.6

1C

'L

110.455.4f

2

10017.02.57

1010

a12'

1'

RC2

1RC

2

110

Độ lợi dãy giữa là:

0.63  0.1 930 59R

ag

Ta thấy lợi điểm của việc dùng biến áp Trong bài tập trước rb’e = 2500, gm = 0.04 (hfe = 100) Độ lợi dãy giữa là 36.4 (BW = 10 kHz) Trong bài tập này rb’e = 1K, gm = 0.1 (hfe =

100), điện trở rb’e được nhân lên bởi hệ số 1 a2 2.5 Do đó độ lợi tăng lên 1.6

4.36

59



lần với cùng băng thông 3dB là 10 kHz

Lưu ý nếu không dùng biến áp, rb’e = 1K, gm = 0.1 -1, độ lợi dãy giữa là:

r //R //r  0.15000//2000//1000 59g

Tuy nhiên băng thông là:

10017.05902

1RC

Bài 1: Cho mạch khuếch đại cộng hưởng như hình sau:

Tìm L sao cho mạch cộng hưởng tại 30MHz

a Băng thông của mạch khuếch đại là bao

nhiêu?

b Tính độ lợi dòng

Bài 2: Cho mạch khuếch đại cộng hưởng như hình vẽ: Biết Transistor có fT = 500MHz,

Cb’c = 2pF, rbb’ = 0, rb’e = 1K, hfe = 100 Mạch cộng hưởng tại tần số fo = 10MHz với L = 1ìH, cuộn dây có hệ số phẩm chất là Q = 100

a Vẽ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ

b Tìm tỷ số biến áp a = n1/n2

c Tìm tần số cắt 3dB của mạch: fh và fL

d Xác định hệ số khuếch đại dòng tại tần số cộng hưởng và viết hàm truyền Ai

Bài 3: Cho Transistor có hfe = 50, VBEQ = 0.5V, Cb’e = 200pF, Cb’c = 10pF Biết rằng L tương đương ở cuộn sơ cấp của biến áp là 1ìH

a Tìm tần số cộng hưởng của mạch

b Tính băng thông và viết hàm truyền Ai của mạch

c Vẽ đáp tuyến của A i theo tần số

Bài 4: Cho mạch khuếch đại cộng hưởng (xét ở chế độ AC) như hình vẽ:

Cho biết mạch cộng hưởng ở tần số fo = 10MHz, với hfe = 50, rb’e = 1K, ri = 9K, rbb’ = 0,

-Bài 5: Cho mạch điện cộng hưởng như hình vẽ (xét ở chế độ AC):

Tụ điện C1 được chọn sao cho mạch điện cộng hưởng ở tần số 10MHz

a Tính độ lợi điện áp Av = vL/vi

b Xác định băng thông 3dB

c Tính hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng

Bài 6: Cho mạch khuếch đại cộng hưởng (xét ở chế độ AC) như hình vẽ:

Biết transistor có: hfe = 50, rb’e = 1K, rbb’ = 0, Cb’c = 1pF, T = 5.109 rad/s

CHƯƠNG 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

Trang bị cho sinh viên: Kiến thức về các phương pháp điều chế tín hiệu tương tự và số

và nguyên lý của các mạch điều chế và giải điều chế

6.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

Định nghĩa:

Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ, hoặc tần số hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band)

Điều kiện điều chế:

1 Tần số sóng mang cao tần fC  (8  10)Fmax, trong đó Fmax - tần số cực đại tín hiệu điều chế BB

2 Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó

3 Biên độ sóng mang cao tần (biên độ tín hiệu điều chế BB)

4 Trong điều chế xung – số, tần số lấy mẫu (Fmax – tần số cực đại tín hiệu băng gốc)

Phân loại điều chế:

Các phương pháp điều chế tương tự: AM, FM, PM, SSB, DSB

Các phương pháp điều chế số: ASK, FSK, PSK, QPSK, …

Các phương pháp điều chế xung: PAM (Pulse Amplitude Modulation), PWM (Pulse, PPM

Điều chế xung mã PCM điều chế xung và điều chế Delta không đề cập trong tài liệu này

6.2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ THEO BIÊN ĐỘ

Biên độ sóng mang cao tần tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc gọi là điều biên AM Ta

có đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế mt = Vm cosmt

Ở chế độ sóng mang, điện áp hài 1 là V1T cos ot, V1T - biên độ sóng mang

Khi có tín hiệu điều chế(Vm  0), điện áp tín hiệu AM biến đổi theo hàm:

vAM(t) =V1T (1+mA cos mt).cosot

vAM(t) =V1T cosot + Vm cos mt.cosot

min 1 max 1

min 1 max 1 T 1

~ 1 T 1

m

VV

V

VV

Vm

Hình 6.1 Tín hiệu điều chế AM Phổ AM điều chế đơn âm và phổ AM phức tạp (hình vẽ):

V1max = V1T(1 + mA); V1min = V1T(1 - mA)

Để điều chế AM không méo, mA  1

Công suất ra ở chế độ sóng mang:

eq

2 T 1 eq

2 T c T

VR

.I2

1

V1T =Ic1T.Req biên độ điện áp sóng mang trên tải tương đương Req

Trong điều chế AM collector tầng cuối, điện áp ra cực đại bằng 4 lần điện áp nguồn cung cấp Do đó VCEmax BJT  4Vcc

Công suất trung bình AM:

1

T 1 m

2 2

0

m TB T

1

mmm

3

2 2

2 1

TB    hệ số điều chế trung bình tín hiệu phức hợp

PAMTB = P1T + Pbiên trên USB + Pbiên dưới LSB

Ví dụ 6.1: Cho tín hiệu AM có: V1max = 50V; V1min = 10V Tính ma? Vm ? PAM trên tải

Req = 50

Giải:

1050

1050

= 20V peak

W950.2/2

10

50R

.2

VP

2 eq

2 T 1 T

m1P

T 1

Giả sử ta có điều chế AM ghép biến áp tín hiệu điều chế m vào tầng điều chế

Công suất tín hiệu điều chế:  

1

T 1 t

PP

Trở kháng ra về mặt AC cuộn thứ cấp

o C

cc Audio I

V

Nhận xét AM:

Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích

Công suất cao tần tải tin nhỏ của hai biên như nhau và phụ thuộc hệ số điều chế

mA

Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu

Hiệu quả sử dụng công suất cao tần kém, rất nhỏ