MÁY PHÁT
Định nghĩa và phân loại máy phát
Hệ thống thông tin bao gồm máy phát, máy thu và môi trường truyền sóng Máy phát là thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ, được biểu diễn qua nhiều hình thức khác nhau.
Hình 6.1.1.1: Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị thu phát
Sóng điện từ, hay còn gọi là sóng mang, có nhiệm vụ chuyển tải thông tin đến điểm thu thông qua hình thức điều chế thích hợp Để đảm bảo tín hiệu rõ ràng, máy phát cần cung cấp công suất đủ lớn để tỷ số tín hiệu trên nhiễu đạt yêu cầu Việc sử dụng điều chế chính xác là cần thiết để bảo vệ thông tin không bị biến dạng Ngoài ra, tần số hoạt động của máy phát được lựa chọn dựa trên các kênh và vùng phủ sóng theo quy định của hiệp hội thông tin quốc tế (ITU-R), với yêu cầu tần số trung tâm phải có độ ổn định cao.
Do đó, chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát là:
• Công suất của máy phát, công suất càng lớn càng đắt, đòi hỏi diện tích, hình thức bảo vệ và nguồn điện thích hợp để sử dụng máy phát
• Độ ổn định tần số: 3 7
= , càng cao càng tốt, tránh trường hợp tần số biến động
• Chỉ số điều chế AM (m), chỉ số điều tần FM ( m t ) và các kỹ thuật con để truyền tần số đi xa
• Dải tần điều chế, liên hệ với một cơ quan quản lý để được cấp dải tần số sử dụng thích hợp
Hình 6.2.1.1.1: Phân loại máy phát theo công dụng
Máy phát có ba công dụng chính: phát thông tin, phát chương trình và phát ứng dụng
• Phát thông tin, thuộc về lĩnh vực bưu điện và hàng không, có hai loại thông tin:
Cố định: có loại không dây cố định, chẳng hạn như điện thoại Cordless, nhưng chỉ có thể sử dụng trong một khoảng cách nhất định
Điện thoại di động là thiết bị thông minh hiện đại mà chúng ta sử dụng hàng ngày, cho phép kết nối và giao tiếp ở bất kỳ đâu, miễn là có sóng di động.
• Phát chương trình, gồm có hai loại:
Phát thanh, chỉ phát âm thanh
Truyền hình, phát âm thanh và hình ảnh
• Phát ứng dụng, như chúng ta đang sử dụng trong ngành hàng không, chính là đó khoảng cách và radar
- Từ (3 ÷ 30)KHz ≈ (100km ÷ 10km): Đài phát sóng cực dài
- Từ (30 ÷ 300)KHz ≈ (10km ÷ 1km): Đài phát sóng dài (LW)
- Từ (300 ÷ 3000)KHz ≈ (1km ÷ 100m): Đài phát sóng trung (MW)
- Từ (3 ÷ 30)MHz ≈ (100m ÷ 10m): Đài phát sóng ngắn (SW)
- Từ (30 ÷ 300)MHz ≈ (10m ÷ 1m): Đài phát sóng m
- Từ (300 ÷ 3000)MHz ≈ (1m ÷ 0.1m): Đài phát sóng dm
❖ Đối với thông tin viba và rada
- Từ (3 ÷ 30)GHz ≈ (0.1m ÷ 0.01m): Đài phát sóng cm
- Từ (30 ÷ 300)GHz ≈ (0.01m ÷ 0.001m): Đài phát sóng mm
6.1.2.3 Theo phương pháp điều chế
❖ Máy phát điều biên (AM), DSB
❖ Máy phát đơn biên (SSB)
❖ Máy phát điều tần (FM) và máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo)
❖ Máy phát điều xung (PM)
❖ Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM, M-QAM
❖ Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK, M-PSK
❖ Máy phát khoá dịch tần FSK
❖ Máy phát công suất nhỏ Pout 1000KW khi đó sóng điện từ bức xạ ra ngoài không gian rất lớn, ảnh hưởng đến sức khỏe
Hiện nay, các máy phát công suất nhỏ và trung bình thường sử dụng BJT, FET và MOSFET công suất Trong khi đó, các máy phát công suất lớn và cực lớn thường áp dụng các loại đèn điện tử đặc biệt.
Sơ đồ khối của các loại máy phát
6.2.1 Sơ đồ khối của máy phát điều biên( AM)
Tiền khuếch đại âm tần đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại điện áp tín hiệu vào, đảm bảo mức cần thiết trước khi đưa vào tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT) Đối với máy phát AM, biên độ điện áp âm tần cần phải lớn để đạt được độ điều chế sâu (m lớn), do đó, tầng này thường bao gồm cả khuếch đại micro và khuếch đại điện áp mức cao.
+ Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn để tiến hành điều chế tín hiệu cao tần
Khối chủ sóng (dao động) có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) với biên độ và tần số ổn định, đồng thời có khả năng biến đổi tần số rộng Để đạt được điều này, có thể sử dụng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC) hoặc sử dụng dao động thạch anh.
Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT) đóng vai trò quan trọng trong việc nhân tần số và khuếch đại dao động cao tần, giúp kích thích tần công suất cần thiết cho hoạt động Ngoài ra, nó còn có chức năng đệm, giảm thiểu ảnh hưởng từ các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng Do đó, khối TKĐCT thường bao gồm nhiều tầng như tầng đệm, tầng nhân tần và tầng tiền khuếch đại công suất cao tần (TKĐCSCT).
Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp công suất cần thiết cho máy phát Khi công suất ra yêu cầu tăng cao, số tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT sẽ phải tăng theo để đáp ứng nhu cầu này.
Để đạt được công suất ra tối ưu, cần thiết phải điều chỉnh trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng và anten, đồng thời thực hiện lọc các hài bậc cao nhằm tránh ảnh hưởng đến các đài xung quanh.
+ Anten để bức xạ năng lượng cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian
Bộ điều chế được sử dụng để điều chỉnh dao động cao tần trong máy phát AM, yêu cầu biên độ điện áp âm tần lớn để đạt độ điều chế sâu với hệ số m lớn Tín hiệu âm tần từ micro cần được xử lý qua bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại công suất âm tần Sau đó, tín hiệu âm tần sẽ được đưa tới Collector của tầng khuếch đại công suất cao tần cuối cùng hoặc tới Collector của tầng khuếch đại công suất cao tần trước cuối để thực hiện điều chế Collector phụ.
+ Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc đèn điện tử công suất
Máy phát điện cần được trang bị các thiết bị an toàn như bảo hiểm, thiết bị đóng mở, và hệ thống kiểm tra chế độ hoạt động Ngoài ra, để đảm bảo hiệu suất, máy phát cũng cần có hệ thống làm mát cho các transistor công suất, sử dụng phiến tỏa nhiệt lớn và làm mát cho các đèn điện tử công suất thông qua phương pháp thổi không khí vào anode, bơm nước theo chu trình kín, hoặc phương pháp bốc hơi.
6.2.2 Sơ đồ khối của máy phát đơn biên SSB
Hình 6.2.2.1 Sơ đồ khối của máy phát đơn biên
Ngoài các yêu cầu kỹ thuật chung của máy phát, máy phát đơn biên (SSB) còn phải có thêm một số chỉ tiêu kỹ thuật sau đây:
- Mức méo phi tuyến - 35 dB
- Bề rộng mỗi kênh thoại và tổng số kênh thoại
Tần số làm việc: 1MHZ - 30 MHz
Sơ đồ khối của máy phát đơn biên có những đặc điểm riêng biệt so với máy phát điều biên (AM), với việc sử dụng bộ điều biên cân bằng và bộ lọc dải hẹp để tạo tín hiệu đơn biên, mặc dù công suất chỉ đạt vài mW Khi sóng mang ở tần số cao (sóng trung và sóng ngắn), việc thực hiện bộ lọc với yêu cầu dải thông hẹp và sườn dốc đứng trở nên khó khăn, dẫn đến nhiễu xuyên tâm giữa các kênh và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu Do đó, tần số sóng mang cơ bản cho máy phát đơn biên được xác định trong khoảng tần số trung gian (0KHZ-500KHZ) Cấu trúc của máy đơn biên bao gồm bộ tạo tín hiệu đơn biên ở tần số trung gian (100-500 KHz), sau đó sử dụng một số bộ đổi tần để chuyển đổi đến phạm vi tần số làm việc (1MHZ-30MHZ), và cuối cùng là bộ khuếch đại tuyến tính để đạt được công suất cần thiết.
Thiết bị đầu vào có vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu âm tần khi tín hiệu yếu hoặc hạn chế tín hiệu âm tần khi tín hiệu quá lớn.
Bộ điều chế đơn biên (BĐCĐB) là một thành phần quan trọng trong các máy phát công suất lớn, thường được thiết kế theo phương pháp lọc tổng hợp Đối với các máy phát công suất nhỏ, yêu cầu kỹ thuật không cao, bộ điều chế đơn biên có thể sử dụng phương pháp lọc - quay pha Với phương pháp này, tín hiệu đơn biên có thể được điều chế ngay tại tần số làm việc, giúp loại bỏ sự cần thiết của bộ đổi tần và bộ lọc 1.
Bộ tổng hợp tần số của máy phát đơn biên là một thiết bị phức tạp và chất lượng cao, yêu cầu đảm bảo độ ổn định tần số rất cao cho tần số sóng mang gốc (f1) và các tần số khác (f2 ).
10 −9 10) Vì vậy, cần dùng thạch anh để tạo các tần số gốc
+ Bộ đổi tần: thực chất là bộ khuếch đại cộng hưởng để lấy thành phần hài f2
= nf1 Chính nhờ bộ đổi tần mà độ ổn định tần số của máy phát tăng lên
+ Bộ lọc 1: có nhiệm vụ lọc các sản phẩm của quá trình đổi tần
Bộ khuếch đại dao động điều chế (KĐDĐĐC) có số tầng từ 2 đến 4 tùy thuộc vào công suất ra Để đơn giản hóa việc điều chỉnh, các tầng đầu tiên thường là khuếch đại dải rộng không điều hưởng, trong khi các tầng sau là các bộ khuếch đại cộng hưởng.
Hệ thống dao động tầng ra có chức năng triệt các bức xạ hài và phối hợp trở kháng Trong máy phát đơn biên, bộ lọc đầu ra thường gồm một hoặc hai bộ lọc hình II ghép nối, với phần tử điều chỉnh độ ghép giữa chúng để tối ưu hóa tải cho máy phát Tầng KĐDĐĐC đơn giản hơn tầng đẩy kéo, nhưng gặp khó khăn trong việc phối hợp trở kháng với anten sóng ngắn đối xứng Đối với máy phát có công suất ra Pm từ 20 đến 40 kW, thường sử dụng biến áp ra đối xứng với lõi.
Ferrite Còn đối với máy phát công suất ra P, = 100KW người ta dùng biến áp đối xứng không có lõi
Bộ lọc 2, hay còn gọi là bộ lọc tín hiệu truyền hình, được sử dụng để loại bỏ các thành phần cao tần trong dải tần số truyền hình Đối với máy thu đơn biên, cần chuyển đổi tín hiệu đơn biên thành điều biên để tách sóng chính xác, điều này yêu cầu phục hồi sóng mang thông qua vòng khoá pha PLL Do đó, máy phát không hoàn toàn triệt tiêu tần số sóng mang mà giữ lại khoảng 5-20% biên độ của nó, được gọi là tần số lái, phát cùng với tín hiệu đơn biên Nhờ vào hệ thống tự động điều chỉnh tần số AFC theo nguyên lý PLL, máy thu đơn biên có thể khôi phục tín hiệu một cách chính xác.
+ Các máy phát đơn biên công suất trung bình và công suất lớn bao gồm hai thiết bị độc lập:
- Bộ kích thích đơn biên gồm hai phần: bộ tổng hợp tần số và bộ điều chế tín hiệu đơn biên
Bộ khuếch đại tuyến tính bao gồm các thành phần chính như khuếch đại dao động điều chế, hệ thống dao động tầng ra và bộ lọc 2 Mức tín hiệu ở đầu ra của bộ kích thích đơn biên thường nhỏ, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của toàn bộ hệ thống.
(7 ÷10mV) nên bộ khuếch đại tuyến tính phải có hệ số khuếch đại công suất rất lớn (>50dB) để tạo ra công suất lớn hơn 1KW
6.2.3 Sơ đồ khối của máy phát AM đa kênh ghép kênh FDM
Hình 6.2.3.1: Sơ đồ khối của máy phát đa kênh AM ghép kênh
6.2.4 Sơ đồ khối của máy phát điều tần FM
Hình 6.2.4.1: Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FM
Trở kháng và cách phối hợp
Trong kỹ thuật điện, trở kháng (ký hiệu Z) là đại lượng vật lý thể hiện sự cản trở dòng điện trong mạch điện khi có hiệu điện thế Đơn vị đo của trở kháng trong hệ SI là ôm (Ω) Khái niệm trở kháng mở rộng từ điện trở, áp dụng cho dòng điện xoay chiều và bao gồm thông tin về độ lệch pha.
Để đạt được công suất tối đa trên tải và giảm thiểu tổn hao công suất trên đường truyền, cần phối hợp trở kháng cho các phần tử nhạy thu như anten và LNA, nhằm tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu của hệ thống.
Phối hợp trở kháng trong một mạng phân phối công suất (mạng nuôi anten mảng) sẽ cho phép giảm biên độ và lỗi pha
Nếu ZL có phần thực khác 0, mạng phối hợp Tn kháng sẽ luôn tìm được Có nhiều phương án phối hợp, nhưng cần tuân thủ các tiêu chí nhất định.
- Độ phức tạp: đơn giản, rẻ, dễ thực hiện, ít hao tổn
- Độ rộng băng: cần phối hợp trở kháng tốt trong một dải tần rộng, tuy nhiên sẽ phức tạp hơn
- Lắp đặt: Tùy vào dạng đường truyền hoặc ống dẫn sóng quyết định phương án phối hợp TK
- Khả năng điều chỉnh: trong 1 số trường hợp có thể yêu cầu MN hoạt động tốt khi ZL thay đổi
Phối hợp trở kháng hiệu quả giúp giảm thiểu tín hiệu "dội" do năng lượng bị phản xạ, đồng thời hạn chế nhiễu nội mạch và suy hao tín hiệu, từ đó nâng cao tổng công suất ngõ ra.
Tần số hoạt động của mạch càng cao thì yêu cầu phối hợp trở kháng càng chặt chẽ, đặc biệt là trong kỹ thuật bức xạ cao tần (RF - Radio Frequency).
- Cụ thể và tiêu biểu nhất là phối hợp trở kháng antenna - Tx trong kỹ thuật cao tần, phối hợp trở kháng Ampli - loa trong kỹ thuật truyền thanh
6.3.2 Cách phối hợp trở kháng
6.3.2.1 Phối hợp trở kháng với các phần tử tập trung (L – networks)
Dạng đơn giản nhất của PHTK là dùng khâu L, sử dụng 2 phần tử điện kháng để phối hợp 1 tải tùy ý với đường truyền có 2 cấu hình khả dĩ
Nếu trở kháng tải chuẩn hóa 𝑧 𝐿 = 𝑍 𝐿
⁄ nằm trong vòng tròn 1 + jx trên giản đồ Smith
Các phần tử điện kháng có thể là C hoặc L tùy thuộc vào ZL Do đó có 8 khả năng xảy ra
Nếu tần số đủ nhỏ hoặc kích thước đủ nhỏ, có thể sử dụng các tụ điện và điện cảm thực cho mạch L, với khả năng hoạt động lên đến 1 GHz Tuy nhiên, đây là một hạn chế cần lưu ý trong thiết kế mạch.
6.3.2.2 Phối hợp trở kháng dùng đoạn dây chêm Ưu điểm: không dùng các phần tử tập trung → dễ chế tạo; dạng shunt stub đặc biệt dễ chế tạo cho mạch ghi giải (microstrip) hoặc mạch dải (stripline) - Hai thông số điều chỉnh là khoảng cách d và Y hoặc Z - Chẳng hạn với h4.3a
15 nếu dẫn nạp nhìn vào đoạn dây cách tải 1 khoảng d có dạng Y0 + jB thì dẫn nạp của dây chêm sẽ được chọn là – jB
Nếu trở kháng của đoạn dây nối tải, cách tải đoạn bằng d, là Z0 + jX thì trở kháng dây chêm nối tiếp (series stub) được chọn là – jX
Hình 6.3.2.2.1: Phối hợp trở kháng 1 dây chêm
Hình 6.3.2.2.2: Phối hợp trở kháng hai dây chêm
6.3.2.3 Bộ ghép một phần tư bước sóng
Các bộ ghép nhiều đoạn ẳ λ có khả năng tổng hợp các bộ phối hợp trở kháng hoạt động ở nhiều dải tần mong muốn Bộ ghép ẳ λ chỉ được thiết kế cho tỉ lệ thuần trở.
Một tải phức có thể chuyển thành tải thuần trở bằng cách sử dụng đoạn đường truyền có chiều dài phù hợp giữa tải và bộ phối hợp, hoặc thông qua đoạn dây chêm nối tiếp hoặc song song Kỹ thuật này thường làm thay đổi sự phụ thuộc tần số của tải tương đương và dẫn đến giảm độ rộng băng của sự phối hợp trở kháng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ nghiên cứu độ rộng băng thông như một hàm của sự mất phối hợp trở kháng, điều này sẽ tạo nền tảng cho các bộ ghép nhiều khâu trong các phần tiếp theo.
Khi tần số f ≠ f0, thì độ dài điện βl ≠ λ0/4, khi đó trở kháng vào của đoạn ghép là:
Gọi Γm là giá trị biên độ cực đại có thể chấp nhận được thì độ rộng băng của bộ ghép được định nghĩa là:
|𝑍 𝑙 − 𝑍 0 | Độ rộng băng tỷ đối ∇𝑓
𝑓 0 thường được biểu diễn theo %:100 ∇𝑓
𝑓 0 (%) Độ rộng băng của bộ ghép tăng nếu ZL → Z0
Nối sóng non – TEM (ống dẫn sóng) có hệ số truyền không còn là hàm tuyến tính của tần số, dẫn đến trở kháng sóng phụ thuộc vào tần số Điều này làm phức tạp các đặc trưng của bộ ghép ẳ λ Tuy nhiên, trong thực tế, độ rộng băng của bộ ghép thường đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến kết quả Các điện kháng xuất hiện do sự không liên tục (thay đổi kích thước đường truyền) có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh độ dài của đoạn ghép.
Các mạch lọc cơ bản trong máy phát
Các bộ lọc chỉ có một phần tử L hoặc C có độ dốc suy giảm chậm ở tần số cắt fc, cho phép tín hiệu với tần số f > fc đi qua với mức suy giảm nhỏ Để cải thiện độ chọn lọc và phối hợp trở kháng, các mạch lọc hai phần tử L, C như Γ, T, Π thường được sử dụng trong các thiết bị phát và thu Mạch cắt này có hệ số truyền đạt thay đổi đáng kể (12dB), với độ dốc tiêu biểu là 12 dB/octave cho bộ lọc hai phần tử L/C Ở tần số lớn hơn tần số cắt, đặc tính của bộ lọc sẽ được thể hiện rõ hơn.
𝑋 𝐿 + 𝑋 𝐶 Tại tần số cộng hưởng nối tiếp của L, C ta có:
Khi đó hệ số phẩm chất chung của toàn mạch (dạng của đường cong) phụ thuộc vào tổ hợp của cả hai giá trị:
𝑄 𝑖 + 𝑄 0 (𝑐á𝑐 𝑡ℎà𝑛ℎ 𝑝ℎầ𝑛 𝑛ố𝑖 𝑡𝑖ế𝑝) Để sự truyền đạt công suất lớn nhất và đáp tuyến tần số bằng phẳng nhất, ta thiết kế mạch sao cho Qi = Q0 nghĩa là Qtđ = 0,5Qi
Nếu hai tụ C1 và C2 có giá trị giống nhau (C) và điện trở nguồn bằng điện trở tải (Ri = RL), thì mạch lọc Π sẽ có đáp ứng tần số tương ứng Đối với mạch lọc ba phần tử đối xứng, điều này cũng áp dụng.
√𝐿.𝐶2Nếu C1 # C2; Ri # RL thì mạch lọc Π đơn thỏa mãn đồng thời ba yêu cầu:
1 Phối hợp giữa điện trở nguồn và mạch lọc:
2 Phối hợp mạch lọc với tải:
Nếu C1 # C2 # C3; L1 # L2; Ri # RL thì mạch lọc Π đôi phải thỏa mãn đồng thời năm yêu cầu sau:
- Điều kiện phối hợp mạch lọc với điện trở nguồn và mạch lọc với tải:
Từ năm phương trình trên ta có:
Và Qtđ = Qi = Q0 (khi mạch đối xứng)
Trước khi tiến hành tính toán mạch, ta phải kiếm tra xem điện trở tai (Ranten hay
Rphi đơ) có lớn hơn giá trị tối thiểu cho phép hay không: Đối với mạch Π đơn:
(𝑄 𝑡đ 2 − 1) 2 Với Qtđ được xác định bằng công thức:
Ngoài ra, theo tài liệu nước ngoài thì người viết có đưa ra định nghĩa hệ số lọc hài:
𝐼 𝑐1 , 𝐼 𝑐𝑛 là thành phần hài bậc 1 và bậc n của dòng collector
𝐼 𝐿1 , 𝐼 𝐿𝑛 là thành phần hài bậc 1 và bậc n của dòng điện trên tải
𝛼 1 , 𝛼 𝑛 là hệ số phân giải xung dòng collector bậc 1 và bậc n
𝑃 ∑ 1 Tổng công suất của các thành phần hài bậc 1
𝑃 ∑ 𝑛 : Tổng công suất của các thành phần hài bậc n
Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số
Các tín hiệu âm thanh, khi lan truyền trong không gian, sẽ dần yếu đi và không thể đi xa, do đó cần sử dụng bộ khuếch đại công suất Những tín hiệu âm thanh này là sóng cơ học, vì vậy cần chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện để khuếch đại và phát ra ngoài antenna Khi đó, các tín hiệu này có thể truyền đi với tốc độ ánh sáng.
6.5.1 Khuếch đại công suất cao tần
Mạch KĐCSCT được thiết kế ở ngõ ra của máy phát, đáp ứng yêu cầu về hiệu suất cao, giảm thiểu sái dạng và khả năng chọn lọc tần số Mạch này tối ưu hóa khả năng cung cấp công suất của các phần tử tích cực, với công suất đầu ra có thể dao động từ mW đến MW tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Hình 6.5.1.1: Mạch KĐCSCT dùng BJT
Hình 6.5.1.2: Mạch KĐCSCT dùng FET
6.5.1.1 Các Mode hoạt động của bộ Khuếch đại công suất cao tần lớp C dùng Transistor β: là hệ số khuếch đại dòng của Transistor
Lưu ý: Khi hoạt động ở tần số cao, ta phải lựa chọn Transistor phù hợp
Dải tần làm việc của Transistor được chia làm ba giai đoạn:
0 0, 3 f f : tần số thấp, các tham số được xem như không đổi, h fe = 0
0.3 f f 0 3 f : tần số trung bình, các tham số của Transistor thay đổi và xuất hiện điện trở kí sinh (rbb’), điện dung kí sinh (Cb’e, Cb’c)
Trong khu vực giao thoa giữa BC, BE và các mối nối, khi hoạt động ở tần số trung bình đến cao, sẽ xuất hiện thêm các tụ điện với giá trị nhất định, ảnh hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng của mạch điện.
0 3 f f : tần số cao, các tham số của Transistor thay đổi, xuất hiện rbb’, Cb’e,
Cb’c, các điện cảm kí sinh Lks, do trong lúc làm mạch, những đường dây dẫn mạch vô tình tạo ra điện cảm này
6.5.1.2 Bộ khuếch đại công suất cao tần dùng transistor Ở các mạch điện nhỏ, những điểm màu vàng chính là tụ điện dùng để lọc, những linh kiện màu xám cùng kích thước là điện trở
Vì phải hoạt động liên tục, nên các Transistor này sẽ có một phím giải nhiệt để giúp nó hoạt động tốt hơn
Các tụ lớn được hàn trên mạch dùng để lọc nguồn
1 Ở chế độ kém áp mắc Emitter chung
Tín hiệu vào ở cực B, ra ở cực C, đa phần tín hiệu sẽ bị đảo pha, ta có thể tận dụng điều này để cắt pha mong muốn
Sơ đồ bộ khuếch đại công suất cao tần theo kiểu E chung:
Cng là tụ ngăn, dùng để chặn thành phần DC chạy qua nó, nhưng dẫn các thành phần AC có chứa tín hiệu
Rn là điện trở nội bên trong của nguồn phát tín hiệu
VBB là điện áp phân cực cho cực B của Transistor được cấp thông qua Rb của nó
Lch là cuộn dây cộng hưởng
Các bước thiết kế bộ Khuếch đại công suất cao tần khi không chịu tác động của mạch ghép đầu vào và đầu ra
1- V CC =(0,5 0,8) V CE max cho phép
3- Chọn hệ số lợi dụng điện áp: 1 = 0,85 0,95 = V Cm 1 / V CC
4- Xác định biên độ hài bậc nhất trên Collector: V Cm 1 = 1 V CC
5- Xác định các dòng điện:
B n BO n bm BO CO Cm i I t I I I I I I I
Nếu kể cả rb’e, ta được: Z ’ iEC = rb’e // ZiEC
Nếu rb’e >> ZiEC, ta có Z ’ iEC ≈ ZiEC.
Nếu rb’e so sánh được với ZiEC, ta có:
7- Biên độ điện áp kích thích vào: Vbm1 = I ’ n |ZiEC|
8- Công suất vào của nguồn kích thích: 1 '2 i 2 n iEC
P = I Z 9- Xác định nguồn trở kháng tương đương:
= = = Để dòng điện đầu vào không bị méo: n =, ta được:
11- Điện trở tải tương đương:
12- Công suất nguồn cung cấp: P CC = I V CO CC
13- Công suất hữu ích trên tải:
L Cm Cm Cm td td
Từ đó, ta tính được:
14- Công suất tiêu thụ tiêu tán trên Collector: P C =P CC −P L
2 Ở chế độ kém áp mắc Base chung
Các bước thiết kế của bộ này tương tự như trên
Nếu đầu vào của bộ Khuếch đại công suất cao tần có mạch cộng hưởng Lb, Cb thì ta xác định được tương tự như trên với:
= + với C * b’ được tính theo bước 6 ở trên
Một dạng đặc biệt của khuếch đại chế độ C là nhân tần số Phân tích hài cho thấy khi tải cộng hưởng ở n lần tần số vào, thành phần sóng hài ICn sẽ tạo ra sụt áp 𝑉 𝐶𝑛 = 𝐼 𝐶𝑛 cos(𝑛𝜔 0 𝑡) Điều này cho thấy 𝑅𝑒𝑞(𝑛𝜔 0 ) có tần số gấp n lần tần số vào, chứng tỏ sự tồn tại của nhân tần số.
Nhân tần số là một yếu tố quan trọng trong máy phát FM, giúp tạo ra tần số cao ổn định từ dao động chuẩn thạch anh Để đạt chế độ tối ưu, cần đảm bảo rằng 𝐼 𝐶𝑛𝑀𝑎𝑥 = 𝛼 𝑛𝑀𝑎𝑥, với góc cắt 𝜃 𝑛 khoảng 120 °.
Khi n tăng, ICn và Pn giảm nhanh, vì vậy thường chỉ cần nhân 2, 3, 4, 5 Để thực hiện việc nhân nhiều hơn, nên khuyến nghị khuếch đại giữa các tầng nhân Mạch thực tế nhân tần không nhất thiết phải hoạt động ở chế độ tối ưu để đơn giản hóa việc thực hiện, mà chỉ cần lấy ra tần số mong muốn.
Hình 6.5.2.1: Mạch nhân hai tần số
Hình 6.5.2.2: Khuếch đại cao tần và nhân tần só n = 12
Nhân tần số là một kỹ thuật quan trọng trong máy phát FM và PM, giúp tăng cường độ di tần và độ di pha, đồng thời cải thiện chỉ số điều chế Phương pháp này cho phép thực hiện FM và PM với dải rộng, mang lại chất lượng tín hiệu tốt hơn.
Trung hòa và chống dao động ký sinh
Hiện tượng hồi tiếp ký sinh gây ra các dao động ký sinh trong mạch, nhưng có thể được triệt tiêu bằng cách sử dụng các tụ điện và cuộn cảm trung hòa Ngoài ra, mạch cũng có thể xuất hiện các dao động ký sinh khác với tần số cộng hưởng Để ngăn chặn hiện tượng kích thích tự động trong mạch, cần phải phá vỡ điều kiện pha và/hoặc điều kiện biên Những dao động ký sinh này có thể dẫn đến sự cố đột tử của Transistor hoặc vi mạch.
6.6.1 Hiện tượng trực thông và hồi ký sinh
Hiện tượng trực thông xảy ra khi một phần công suất đi thẳng đến đầu ra thông qua transistor, dẫn đến hiện tượng công suất ra quay trở lại đầu vào, được gọi là hồi tiếp ký sinh.
Tác hại của hiện tượng trực thông và hồi tiếp ký sinh:
Khi transistor không hoạt động, một lượng công suất đầu vào vẫn truyền qua CKS đến đầu ra, gây ra hiện tượng tạp âm Điều này làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu, ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch điện.
- Khi transistor hoạt động, công suất đầu vào thông qua CKS = Cbc đến đầu ra làm giảm công suất ra nếu transistor mắc theo kiểu emitter chung (EC)
- Không thực hiện được điều biên có độ sâu điều chế 100%
Cbc tạo nên hồi tiếp dương hoặc âm tùy thuộc vào quan hệ pha giữa dòng điện hồi tiếp với điện áp vào và điện áp ra
Tại cộng hưởng Lệch cộng hưởng gây tự kích
Lệch cộng hưởng gây hồi tiếp âm
- Tại tần số cộng hưởng 𝑓 = 𝑓 0 = 1
Cả hai mạch cộng hưởng có trở thuần Ztđ = Rtđ và điện kháng Xtđ = 0 Một phần dòng điện ra ic đi qua Cbc vào mạch cộng hưởng đầu vào tạo ra V’b Vì V’b lệch pha 90º với V’b, hiện tượng phản hồi này không gây ra tự kích.
Khi mạch cộng hưởng không hoạt động hoàn toàn như hình b, dòng điện hồi tiếp ibc sẽ tạo ra điện áp V’b với hai thành phần V’b1 và V’b2 Trong đó, V’b1 ngược pha với Vb, cho thấy sự tồn tại của hồi tiếp âm trong mạch, dẫn đến việc suy giảm điện áp đầu vào.
Vb Muốn đảm bảo công suất ra như cũ, trong trường hợp này ta phải tăng hệ số khuếch đại của mạch lên
Ta có thể thấy rằng để khử được hiện tượng trực thông và hồi tiếp ký sinh, ta phải dùng mạch trung hòa
6.6.2 Các biện pháp để chống dao động kí sinh
Hiện tượng hồi tiếp ký sinh có thể dẫn đến dao động ký sinh, và chúng ta đã khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng các tụ điện và cuộn cảm trung hòa tại tần số fKS nhỏ hơn tần số cộng hưởng fcộng hưởng.
Trong mạch điện, có thể xuất hiện dao động ký sinh với tần số khác tần số cộng hưởng của mạch (fKS < f0 hoặc fKS > f0) Để ngăn chặn hiện tượng tự kích, cần điều chỉnh điều kiện pha bằng cách mắc thêm tụ bên ngoài hoặc điều kiện biên độ thông qua việc mắc R hồi tiếp âm Dao động ký sinh có khả năng gây hỏng transistor, do đó, việc sử dụng đèn neon để điều khiển là một giải pháp phổ biến.
32 hay collector, khi không có điện áp kích thích (Vin = 0) mà đèn sóng là mạch có dao động ký sinh và phải khử ngay lập tức
Các mạch khuếch đại được sắp xếp hợp lý giúp hạn chế tình trạng dây dẫn của hệ thống đầu vào và đầu ra chạm vào nhau, từ đó giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ghép nối điện dung và cảm ứng.
Lá chắn kim loại được sử dụng để bảo vệ các phần nhạy cảm của mạch điện Để đảm bảo tín hiệu AC được truyền tải hiệu quả, cần đặt các tụ điện rẽ nhánh tại các điểm kết nối nguồn điện, giúp cung cấp đường dẫn trở kháng thấp và ngăn chặn việc ghép nối không mong muốn qua nguồn cấp.
Khi sử dụng bảng mạch in, cần tách biệt các giai đoạn công suất cao và thấp Đồng thời, các dầu vết nối đất nên được bố trí hợp lý để ngăn chặn dòng điện nặng gây nhiệt, từ đó giảm nguy cơ cháy nổ và đảm bảo an toàn cho các phần được chia theo dấu nối đất.
Trong một số trường hợp đặc biệt, việc giải quyết vấn đề yêu cầu sử dụng một tụ trung hóa phản hồi khác mạng Tụ này cần được tính toán và điều chỉnh cẩn thận để loại bỏ các phản hồi tiêu cực trong băng tần của thiết bị.
Đo lường máy phát
Trong quá trình thiết kế hoặc bảo trì máy phát, việc đo lường các tham số của máy phát là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động Các tham số này cần được so sánh với các chỉ tiêu kỹ thuật của nhà sản xuất cũng như các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế Việc này giúp xác định xem máy phát có hoạt động hiệu quả và hợp pháp hay không Các chỉ tiêu kỹ thuật cần được đo lường thường xuyên bao gồm:
- Kiểm tra tín hiệu không mong muốn (hài)
- Hệ số điều chế, dạng tín hiệu điều chế
- Công suất cung cấp một chiều (PCC)
- Công suất cao tần ở đầu ra (Pra)
Khi kiểm tra và điều chỉnh máy phát, cần sử dụng tải giả để tránh gây nhiễu cho máy thu Không bao giờ vận hành máy phát mà không có tải giả hoặc anten, vì điều này có thể làm hỏng transistor công suất cao tần trong vài mili giây Để đo tần số vận hành, sử dụng máy đềm tần số chính xác cao nối sau tải giả hoặc qua bộ suy giảm 20Db để bảo vệ máy đếm tần số Để đo độ lớn các thành phần hài, máy phân tích phổ được kết nối trực tiếp với tải giả hoặc qua bộ suy giảm Để kiểm tra dạng tín hiệu điều chế và hệ số điều chế, có thể dùng máy heienj sóng tần số cao kết hợp với máy phân tích phổ Để đo công suất cung cấp một chiều, sử dụng Volt – Ampe kế để đo điện áp và dòng collector trung bình của tầng khuếch đại công suất ra Đối với đo công suất cao tần đầu ra, có hai phương pháp được áp dụng.
Đo công suất nung nóng thực tế bằng năng lượng cao tần được thực hiện thông qua sự thay đổi điện trở của thermistor hoặc sự gia tăng nhiệt độ của nước lạnh Thermistor là thiết bị đo lường nhạy bén, có khả năng phát hiện công suất dưới 1mW và thường được sử dụng ở tần số siêu cao.
- Kiểm tra điệp áp cao tần trên tải giả và tính toán công suất cao tần ở đầu ra theo biểu thức:
MÁY THU
Định nghĩa và phân loại máy thu
Máy thu là thiết bị quan trọng trong hệ thống thông tin vô tuyến, có nhiệm vụ tiếp nhận và tái lập thông tin từ tín hiệu phát ra dưới dạng sóng điện từ Để đảm bảo chất lượng tín hiệu, máy thu cần loại bỏ các loại nhiễu không mong muốn như nhiễu tự nhiên, nhiễu do đường truyền và điều kiện thời tiết Sau đó, máy thu khuếch đại tín hiệu và giải điều chế để nhận được thông tin ban đầu một cách chính xác.
Các tham số kỹ thuật:
Hệ số khuếch đại (K RX) là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng khuếch đại tín hiệu nhỏ nhất tại đầu vào của máy thu, quyết định độ nhạy của thiết bị Độ nhạy cho thấy khả năng thu tín hiệu yếu nhất từ các đài phát ở khoảng cách xa hoặc trong môi trường hẻo lánh, đồng thời đảm bảo công suất ra danh định PL và tỷ số nén tín hiệu trên nhiễu (S/N) đạt yêu cầu, với tỷ số này càng lớn càng tốt Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không phản ánh khả năng khuếch đại công suất hay cường độ công suất của máy thu.
Để nâng cao độ nhạy của máy thu, cần phải có hệ số khuếch đại Av và Ai lớn, đồng thời giảm thiểu tạp âm nội bộ và cải thiện tính chất của linh kiện Việc giảm tạp âm ngay từ tầng đầu tiên trong quá trình truyền thông tin là rất quan trọng Ở trạng thái siêu cao tần, khi tần số f > 30MHz, độ nhạy của máy thu sẽ được xác định dựa trên công suất Độ chọn lọc của máy thu là khả năng loại bỏ các dạng nhiễu không phải tín hiệu cần thu, được thể hiện qua công thức E 0 1 f.
Độ chọn lọc (SE) được xác định bởi công thức A ≥ A0, trong đó A0 là hệ số khuếch đại ở tần số f0 và Af là hệ số khuếch đại tại tần số f Điều này có nghĩa là độ chọn lọc thể hiện khả năng phân biệt tín hiệu mong muốn khỏi các nhiễu đầu vào có trong máy thu.
Độ ổn định tần số của máy thu được đánh giá qua độ di tần ∆f, với ∆f càng nhỏ thì độ ổn định tần số càng cao Bên cạnh đó, độ chính xác của tần số được xác định bằng độ sai lệch giữa tần số hiển thị trên bộ chỉ thị của máy thu và tần số cộng hưởng tại đầu vào của máy thu.
Dải tần công tác là tham số quan trọng để đánh giá khả năng thu của máy thu, bao gồm dải tần số và độ rộng băng tần thu được Một điểm nổi bật của máy thu vô tuyến điện là dải tần làm việc rộng hơn so với máy phát.
Chế độ công tác của máy thu là khả năng tiếp nhận các loại tín hiệu thông qua nhiều chế độ điều chế khác nhau, bao gồm máy thu đơn biên, đa biên, máy thu tương tự và máy thu kỹ thuật số.
Chất lượng lặp lại tin tức: để đánh giá được độ méo tín hiệu, chủ yếu ta xét độ méo ở tầng khuếch đại cuối cùng
Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bao gồm công suất ra, thể hiện qua chất lượng âm thanh phát ra; dải tầng công tác, với dải rộng mang lại hiệu suất tốt hơn; và tính ổn định về biên độ cũng như tầng số, góp phần nâng cao trải nghiệm âm thanh.
Phân loại máy thu có thể thực hiện dựa trên nhiều tiêu chí như chức năng, công suất, chế độ hoạt động, dải tần số làm việc hoặc kiến trúc của máy thu.
- Phân loại theo công suất thu
Phân loại theo công suất nhỏ: 𝑃 < 10𝑊
Phân loại theo công suất vừa: 10𝑊 ≤ 𝑃 ≤ 1𝐾𝑊
Phân loại theo công suất lớn: 𝑃 ≥ 1𝐾𝑊
- Phân loại theo dải tần số công tắc gồm:
Máy thu sóng dài: dải tần từ 3 – 300KHz
Máy thu sóng trung: dài tần từ 300KHz – 3MHz
Máy thu sóng ngắn: dải tần từ 3 – 30MhHz
Máy thu sóng cực ngắn: dải tần từ 30 – 3000MHz
Máy thu sóng siêu cao tần
- Phân loại theo phương pháp điều chế: Điều chế biên độ (AM): đơn biên, đa biên Điều chế tần số (FM)
• Máy thu điều pha (PM)
- Phân loại theo tín hiệu tin tức:
Sơ đồ máy thu
Sơ đồ khối tổng quát của mạch khuếch đại trực tiếp cho thấy rằng việc nâng cấp độ nhạy và độ chọn lọc gặp nhiều hạn chế do cấu trúc đơn giản của mạch Khi điều chỉnh để cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc, số tầng khuếch đại không thể tăng lên tùy ý, vì số tầng càng nhiều thì tính ổn định của bộ khuếch đại cao tần RF giảm Số mạch cộng hưởng cũng sẽ tăng theo, dẫn đến chi phí cao hơn cho mạch khuếch đại trực tiếp Việc thêm thiết bị từ bên ngoài một cách không có kế hoạch có thể làm cho mạch không hoạt động hiệu quả Đặc biệt, với tần số cao và dải thông rộng, việc đạt được hệ số khuếch đại tối đa trở nên khó khăn hơn Dải thông tối ưu cho máy thu khuếch đại trực tiếp được xác định bằng một công thức cụ thể.
Hệ số phẩm chất Q cao trong mạch cộng hưởng dẫn đến dải thông D hẹp hơn, giúp máy thu hoạt động hiệu quả hơn Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho các hệ thống cộng hưởng phức tạp.
Hình 7.2.1: Sơ đồ khối đơn giản của máy thu khuếch đại trực tiếp
Hình 7.2.1.1: Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần
Sơ đồ khối tổng quá mạch đổi tần AM và FM, mang tính chất phổ thông Những ưu điểm của máy thu đổi tầng:
• Có thể đạt hệ số khuếch đại lớn
• Bộ Khuếch Đại trước tách sóng được thực hiện ở hai tần số khác nhau
• Có thể đạt được độ chọn lọc cao
• Giải quyết đồng thời yêu cầu về độ chọn lọc và dải thông
• Những nhược điểm còn tồn đọng:
• Mạch thiết kế phức tạp
• Tạp âm nội bộ cao
• Phát sinh nhiễu mới không có tác động bên ngoài
Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần giúp khắc phục các yếu điểm của máy thu KĐ trực tiếp, đồng thời cho thấy đây là loại máy thu được sản xuất và kinh doanh phổ biến hơn.
• Mạch vào thực tế là bộ lọc băng thông
Tần số trung gian (trung tần KĐ IF) thường có giá trị thấp hơn tần số tín hiệu, điều này giúp tăng cường tính ổn định và khả năng điều khiển Đây là một giá trị cố định không thay đổi.
7.2.2 Máy thu đổi tần AM
Máy thu đổi tần AM sử dụng mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại (AGC) để giữ biên độ điện áp ra ổn định, bất chấp hiện tượng pha đinh và các nguyên nhân khác Để đảm bảo chất lượng âm thanh cao, mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC) được áp dụng trong máy thu AM.
7.2.3 Máy thu đổi tần FM
Hình 7.2.3.1: Sơ đồ tổng quát máy thu đổi tần FM
Sơ đồ khối của máy thu AM có cấu trúc tương tự, với tần số trung tần 9,7 MHz và bộ tách sóng là bộ tách sóng tần số Để ngăn chặn hiện tượng điều biên ký sinh gây méo tín hiệu sau khi tách sóng, cần đặt bộ hạn chế biên độ trước bộ tách sóng tần số hoặc sử dụng bộ tách sóng tỉ số, vì nó đã tích hợp mạch hạn biên Đối với máy thu đổi tần FM, yêu cầu về độ ổn định tần số rất cao, do đó, mạch AFC là cần thiết.
7.2.4 Máy thu đơn biên SSB
Máy thu đơn biên đặc trưng bởi việc sử dụng nhiều bộ đổi tần để chuyển đổi phổ tín hiệu tần số cao về miền tần số thấp Thiết bị này bao gồm 5 khối chính, mỗi khối đảm nhiệm một chức năng quan trọng trong quá trình thu tín hiệu.
Khối tuyến tính bao gồm các thành phần chính như mạch vào (MV), khuếch đại cao tần (KĐCT1), đổi tần 1 (ĐTI), khuếch đại trung gian 1 (KTG1), và đổi tần 2 (ĐT2) Trong khối này, tín hiệu được chuyển đổi tần số hai lần thông qua việc trộn với tín hiệu dao động từ bộ dao động 1 và 2.
+ Khối tách sóng bao gồm: Lọc thông dải (LTD), khuếch đại trung gian 2 (KTG2), đổi tần 3 (ĐT3) và tách sóng biên độ (TSBĐ)
+ Khối tự động điều chỉnh độ khuếch đại (AVC) bao gồm: mạch lọc dải hẹp (LDH), khuếch đại trung gian 3 (KTG3) và AVC
+ Khối tự động điều chỉnh tần số (AFC) bao gồm: Dao động 4 (DĐ4), đổi tần
4 (ĐT4), đổi tấn 5 (ĐT5), hạn chế biên độ (HCBĐ), tách sóng tần số (TSTS), và bộ điều khiển (ĐK)
+ Khối khuếch đại công suất âm tần( KĐCSÂT)
Hình 7.2.4.1: Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đơn biên SSB
Nguyên lý hoạt động của mạch tín hiệu bắt đầu bằng việc nhận tín hiệu cao tần từ anten, sau đó tín hiệu này được khuếch đại qua mạch khuếch đại trung gian (KĐCT) Tín hiệu được chuyển đổi xuống tần số trung gian nhờ phối hợp với dao động 1, tiếp tục được khuếch đại bởi khuếch đại trung gian 1, rồi qua hai giai đoạn đổi tần và mạch lọc thông dải để loại bỏ nhiễu và lấy tín hiệu hữu ích Tiếp theo, tín hiệu được nâng biên độ qua bộ khuếch đại trung gian 2 và trộn với tín hiệu hình sine từ bộ dao động 3, có tần số sóng mang phụ f8KHZ Cuối cùng, tín hiệu ra được đưa vào bộ tách sóng biên độ, đơn giản chỉ gồm diode và R,C, để tái tạo tín hiệu âm tần, trước khi được đưa vào tầng khuếch đại âm tần để phát ra loa.
Máy phát với tần số sóng mang phụ 38KHZ yêu cầu máy thu có bộ khôi phục tần số sóng mang phụ và mạch tự động điều chỉnh tần số AFC Tín hiệu trung tần tại điểm A được đưa vào bộ lọc dải hẹp để lọc tần số sóng báo 8KHZ, sau đó khuếch đại và đưa vào bộ đổi tần 4 để trộn với tần số ổn định từ bộ dao động thạch anh Tín hiệu sau khi trộn sẽ được đưa vào bộ đổi tần 4 để kết hợp với tần số sóng mang phụ Kết quả đầu ra là tín hiệu (f,-f,-f), được xử lý qua bộ hạn chế biên độ và tách sóng tần số, rồi chuyển đến bộ điều khiển của hệ thống tự động điều chỉnh tần số Điện áp đầu ra của bộ điều khiển sẽ bằng 0 khi f, bằng f, và sẽ điều chỉnh để đạt được f, bằng fm khi f,z khác fm.
Mạch vào máy thu
7.3.1 Khái niệm và đặc điểm chung
Mạch vào máy thu là thành phần đầu tiên trong thiết bị, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu cao tần từ anten thu đến tầng KĐCT Đồng thời, mạch này cũng đảm nhận một phần quan trọng trong việc chọn lọc tín hiệu, bao gồm chọn lọc tần số ảnh và lọc tín hiệu thẳng.
Tùy thuộc vào loại mạch vào của máy thu, thiết bị có khả năng chọn lọc tần số cần thu, dải tần số thu hoặc kênh có tần số lân cận.
Mạch vào là mạch điện nối liên anten với đầu vào của máy thu Nó có đặc điểm như sau:
- truyền đạt tín hiệu từ anten vào máy thu
- là phần quan trọng quyết định chất lượng máy thu
Bảo đảm hệ số truyền đạt lớn và đồng đều trong cả dải băng sóng
Ví dụ băng sóng MW: 550KHZ-1600KHZ, v0 uv
Hình 7.3.1.1: Hệ số truyền đạt đồng đều cả băng sóng MW
- Độ chọn lọc tần số, tần số lân cận, tần số trung tần, tần số ảnh phải bảo đảm chỉ tiêu đề ra
- Bảo đảm thu hết băng thông cho từng đài phát
Mạch vào bao gồm 3 thành phần:
+ Hệ thống cộng hưởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu + Mạch ghép với nguồn tín hiệu từ anten
Mạch ghép với tải của mạch vào (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên) thường sử dụng tụ điện có điện dung biến đổi để điều chỉnh cộng hưởng mạch vào, vì chúng dễ chế tạo chính xác hơn cuộn dây có điện cảm biến đổi Tụ điện có phạm vi biến đổi lớn, bền và ổn định, ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện bên ngoài Trong các mạch làm việc ở tần số rộng, cần kết hợp cả hai phương pháp điều chỉnh liên tục và từng nấc Băng sóng được chia thành nhiều băng nhỏ, yêu cầu điều chỉnh theo từng nấc khi chuyển băng, trong khi trong mỗi băng, mạch cộng hưởng điều chỉnh liên tục được sử dụng để chọn kênh Đối với máy thu thế hệ mới, Varicap được sử dụng để thực hiện việc điều chỉnh cộng hưởng này.
7.3.2 Các yêu cầu của mạch vào máy thu
Là tỉ số giữa điện áp ra của mạch vào điều chỉnh cộng hưởng ở một tần số nào đó và sức điện động cảm ứng trên anten (Ea)
Hệ số khuếch đại chung của máy thu tỉ lệ thuận với giá trị AMV; do đó, trong các máy thu giá rẻ, việc nâng cao AMV là cần thiết để đảm bảo độ nhạy Tuy nhiên, cả máy thu AM và FM đều cần đạt hệ số truyền đạt nhất định để hoạt động hiệu quả Tiêu chí này là yếu tố quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của máy thu.
7.3.2.2 Độ chọn lọc Độ chọn lọc của mạch vào được xác định bởi tỉ số giữa hệ số truyền đạt tại tần số cộng hưởng với một tần số f1 nào đó:
Để đảm bảo độ nhọn lớn cho đặc tuyến cộng hưởng trong mạch vào, cần tối ưu hóa giá trị δ Độ chọn lọc của mạch phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q của các linh kiện Do đó, việc nâng cao độ chọn lọc yêu cầu các linh kiện trong khung cộng hưởng phải có phẩm chất cao, phù hợp với dải tần hoạt động.
7.3.2.3 Dải thông D (BW) 7.3.2.4 Dải tần làm việc
Gọi dải tần số làm việc của máy thu là: fomin-fomax Tần đoạn làm việc được định nghĩa như sau:
Dải tần có thể được phân chia thành nhiều băng tần bằng cách sử dụng nhiều cuộn dây, với mỗi băng tần tương ứng với một cuộn dây riêng biệt Tỉ số giữa fbmax và fbmin cho mỗi băng tần được gọi là hệ số trùm băng.
7.3.3 Phân loại mạch vào máy thu
Phân loại theo dải tần làm việc:
Mạch vào cộng hưởng ở một số tần số cho phép chọn lọc và lọc nhiễu hiệu quả, giúp loại bỏ tần số lân cận và cải thiện tần số ảnh tốt Để thu được các tần số khác nhau, cần tích hợp nhiều khung cộng hưởng, điều này gây khó khăn trong việc thực hiện trên các mạch tích hợp Hơn nữa, cường độ tín hiệu đầu vào lớn sẽ dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) cao ở đầu vào của KĐCT.
Mạch vào cộng hưởng ở các dải tần số của máy thu, hay còn gọi là mạch vào dải rộng, có khả năng thu nhận tất cả các tín hiệu trong dải tần công tác.
Mạch có độ rộng dải thông lớn và biên độ tần số vào nhỏ, tuy nhiên tỷ số S/N thấp và độ chọn lọc kém Mặc dù vậy, kết cấu mạch nhỏ gọn dễ tích hợp, phù hợp với các loại mẫu thu có tự động điều khiển Phân loại mạch dựa trên cấu trúc.
Hình 7.3.3.1: Mạch vào máy thu
- Mạch vào LC: dùng khung cộng hưởng LC, tần số cộng hưởng f0 được hiệu chỉnh qua trị số của tụ điện biến đổi: 𝑓 0 = 1
2𝜋√𝐿𝐶 Đặc tính biên độ tần số nhọn,
45 dải tần hẹp, độ chọn lọc cao song dải tần điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị điều chỉnh C
Mạch vào RLC kết hợp giữa cơ cấu LC và điện trở R, giúp mở rộng dải tần công tác nhưng đồng thời giảm độ chọn lọc Sự tham gia của điện trở R làm giảm đặc tính biên độ tần số của mạch, góp phần vào việc cải thiện khả năng hoạt động ở dải tần rộng hơn.
Mạch vào sử dụng diode biến dung kết hợp với khung LC là một giải pháp hiệu quả, cho phép tạo ra một mạch nhỏ gọn với dải tần công tác rộng Để mở rộng khả năng điều chỉnh tần số, người ta thêm các mắt lọc LC và điều khiển chúng thông qua rơle Việc sử dụng diode biến dung cho phép điều chỉnh giá trị dung kháng qua điện áp, giúp mạch có khả năng điều khiển có nhớ nhờ vào bộ xử lý CPU và chip nhớ Do đó, mạch này thường được ứng dụng trong các máy thu dải rộng, tự động điều chỉnh tần số thu một cách linh hoạt.
- Mạch vào dùng RC: kích thước khá nhỏ gọn, dải tần công tác khá rộng nhưng độ chọn lọc và ổn định tần số rất kém
Mạch vào sử dụng tinh thể thạch anh giúp tăng độ chọn lọc và ổn định tần số nhờ vào khả năng tạo ra tần số cộng hưởng chính xác Loại mạch này thường ít được sử dụng và chủ yếu dành cho các thiết bị chuyên dụng, có khả năng thu một tần số cụ thể, với kích thước nhỏ gọn và chất lượng cao.
7.3.4 Các tham số mạch vào máy thu
Hệ số truyền đạt: là thông số quan trọng của mạch vào 𝐾 = 𝑈 𝑟0
𝐸 𝑎 Với Ea là suất điện động cảm ứng trên anten;
Ur0 là điện áp ra của mạch vào tại tần số cộng hưởng
Nếu anten và mạch vào ghép biến áp th́ì hệ số truyền đạt được xác định như sau: 𝐾 = 𝑈 𝑟0
𝐸 𝑎 tại tần số cộng hưởng f0
Độ chọn lọc δ của mạch vào được xác định bởi tỉ số giữa hệ số truyền đạt tại tần số cộng hưởng và một tần số f1 cụ thể, được biểu diễn bằng công thức 𝛿 = 𝐾(𝑓 0 ).
Đặc tuyến cộng hưởng trong mạch vào yêu cầu độ nhọn lớn, vì vậy giá trị δ càng lớn càng tốt Độ chọn lọc phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q của các linh kiện trong mạch Để nâng cao độ chọn lọc, các linh kiện trong khung cộng hưởng cần có chất lượng cao, phù hợp với dải tần công tác.
Đổi tần
Bộ đổi tần có nhiệm vụ tạo ra tần số trung gian bằng cách tổng hợp hai thành phần tín hiệu Khi tín hiệu dao động nội và tín hiệu cao tần cộng hưởng được đưa vào phần tử trộn như diode, transistor, hay IC, đặc tuyến phi tuyến của nó sẽ biến đổi tín hiệu đầu vào thành tần số mới Tầng khuếch đại cao tầng PF hoạt động với hai tần số khác nhau, tạo ra đầu ra với nhiều tần số mf ns ± nf th Để thu được tần số trung gian f tg = f ns − f th, trong đó f ns là tần số dao động nội và f th là tần số tín hiệu thu vào, yêu cầu tần số dao động nội phải lớn hơn giá trị tín hiệu cần thu.
Các chỉ số đặc trưng cơ bản của bộ trộn tần
- Dải tần làm việc: phụ thuộc vào dải tần làm việc của bộ dao động nội
- Hệ số khuếch đại công suất: Kp = Ptt/Ps
- Hệ số khuếch đại điện áp: KU= Utt/Us
- Độ chọn lọc: Bộ trộn tần không chọn lọc nhiễu các tần số ảnh, hệ số này phải được nâng cao ngay từ các tầng trước trộn tần.
Khuếch đại trung tần IF và các bộ lọc
Khuếch đại trung tần đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu trung tần đến một giá trị nhất định, trước khi tín hiệu được đưa vào mạch tách sóng Quy trình này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chọn lọc và độ nhạy của máy thu.
Có độ chọn lọc cao nhờ các bộ lọc IF
Bộ khuếch đại sau bộ đổi tần có vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu nhỏ đến mức cần thiết để giải điều chế, đồng thời đảm bảo độ chọn lọc cao nhờ vào các bộ lọc IF Nó giúp loại bỏ nhiễu ngoài băng thông và tích hợp tính năng AGC (Automatic Gain Control) để tránh quá tải cho quá trình giải điều chế, từ đó giảm thiểu méo tín hiệu 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 1
V, Độ lợi khuếch đại điện áp trung tần (60√100)dB Hai hoặc 3 tầng khuếch đại IF dùng BJT, FET, MOSFET cho phép đạt giá trị này Công nghệ vi mạch hiện đại hầu như đã chuẩn hóa vi mạch sau đổi tần
7.5.2 Các dạng mạch trung tần
Hình 7.5.2.1: Vi mạch AN7224 khuếch đại IF, giải điều chế
FM, AN7116 khuếch đại âm tần
Hình 7.5.2.2: IC khuếch đại IF MFC4010 khuếch đại hạn biên
60dB, điện áp ra 200mW, IC MC1357 khuếch đại hạn biên- giải điều chế FM
Hình 7.5.2.3: Khuếch đại IF có AGC dùng MOFEST, BJT
Vi mạch phổ thông CA3028A có thể làm bộ trộn, khuếch đại RF tới 120MHZ, khuếch đại IF có AGC
Hình 7.5.2.4: Vi mạch CA3028A làm khuếch dại IF có AGC
Hình 7.5.2.5: Khuếch đại IF dāi rộng nhiễu thấp trong viba và
7.5.3 Các bộ lọc trung tần
1) Mạch cộng hưởng song song:
Một dạng bộ lọc trung tần có bảng hẹp Q khoảng 50√100
2) Bộ lọc ghép hổ cảm hai mạch điều hướng:
Bộ lọc trung tần được tạo ra từ hai mạch điều hưởng ghép hổ cảm, có độ dốc lớn và băng thông mong muốn, cho phép điều chỉnh thông qua việc thay đổi hệ số ghép.
Hình 7.5.3.1: Đáp tuyến truyền đạt mạch điều hưởng ghép hổ cảm
3) Bộ lọc ghép điện dung hai mạch điều hướng:
Hình 7.5.3.2: Bộ lọc IF dùng 2 mạch điều hưởng ghép điện dung
Kiểu ghép này sở hữu những ưu điểm tương tự như ghép hổ cảm, bao gồm đáp tuyến phẳng trong băng thông IF, độ dốc lớn và độ chọn lọc cao Ngoài ra, việc thay đổi băng thông cũng rất dễ dàng.
C ghép Phương pháp tính toán được đề cập trong tài liệu lý thuyết mạch - tín hiệu và kỹ thuật mạch điện tử thông tin
4) Bộ lọc thạch anh (Crystal Filter)
Bộ lọc thạch anh được chế tạo từ thạch anh SiO2, nổi bật với hiệu ứng piezoelectric, cho phép nó dao động ở tần số cộng hưởng ổn định khi có điện áp tác động Tần số dao động này phụ thuộc vào kích thước, độ dày và hướng trục của thạch anh; trong đó, phiến cát mỏng hơn sẽ tạo ra tần số dao động cao hơn Tần số dao động ổn định của thạch anh thường nằm trong khoảng từ 20 kHz đến 50 MHz.
Hình 7.5.3.3: Ký hiệu thạch anh và mạch điện tương đương, điện kháng thạch anh
Tại tần số cộng hưởng song song 𝜔 𝑠, thạch anh có trở kháng rất lớn, gần bằng tần số 𝜔 𝑝 Điều này khiến thạch anh trở thành linh kiện lý tưởng cho bộ lọc IF với độ dốc cao.
Tổ hợp các thạch anh với sự lựa chọn hợp lý tần số 𝜔 𝑠 , 𝜔 𝑝 cấu tạo nên các bộ lọc với bảng thông cần thiết, độ chọn lọc cao
Hình 7.5.3.4: Bộ lọc TA và đáp tuyến
TA1 và TA2 cộng hưởng nối tiếp tại một tần số, trong khi TA3 và TA4 cộng hưởng ở một tần số khác Sự khác biệt giữa hai tần số này xác định băng thông của bộ lọc, khoảng 1,5 lần hiệu giữa hai tần số đó.
Bộ lọc BPF lý tưởng có hệ số chất lượng (SF) bằng 1, trong khi bộ lọc TA có SF gần bằng 1 ở tần số 100KHZ đến 50MHZ, phù hợp với giới hạn độ dày thạch anh Mặc dù bộ lọc này có giá thành cao và khó chế tạo, nhưng nó cung cấp chất lượng vượt trội, thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin chuyên dụng cao cấp.
Hình 7.5.3.5: Các dạng mạch lọc TA
5) Bộ lọc gốm sứ (Ceramic Filter - CF):
Bộ lọc gốm sứ được cấu tạo từ Zirconate - Titanote có hiệu ứng áp điện tương tự như thạch anh, với hệ số phẩm chất Q đạt khoảng 2000 Sản phẩm này có giá thành rẻ và kích thước nhỏ gọn, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Khoảng tần số làm việc của bộ lọc dao động từ 100KHZ đến 20MHZ với băng thông là (2√350.)KHz Các tần số trung tần phổ biến bao gồm 200KHZ và 455KHZ, cùng với các tần số khác như 2, 4,5, 5,5, 6,5 và 10,7 MHz Tỷ số băng thông trên tần số trung tâm là 15√0,8.
Hình 7.5.3.6: Ký hiệu và đáp tuyến bộ lọc CF
SF của bộ lọc CF trên: CF= 8kHz/ 6,8kHz= 1,18
6) Bộ lọc SAW ( Surface Acoustic Wave Filter):
Bộ lọc SAW được chế tạo từ công nghệ vật liệu áp điện như Lithium Niobate, cho phép sóng âm học bề mặt (SAW) lan truyền trên bề mặt với vận tốc 3000 m/s, thấp hơn nhiều so với sóng vô tuyến Điều này dẫn đến bước sóng âm học ngắn hơn, giúp giảm kích thước bộ lọc SAW Đặc tính lan truyền của SAW phụ thuộc vào kích cỡ và khoảng cách giữa các điện cực; khi tín hiệu xoay chiều được cung cấp, sóng âm học sẽ lan truyền từ điện cực ngõ vào đến điện cực ngõ ra Khoảng cách giữa các điện cực quyết định bước sóng và tần số, trong khi độ dài của các điện cực ảnh hưởng đến độ mạnh của tín hiệu Số lượng điện cực tỉ lệ nghịch với băng thông, ví dụ, với tần số f = 100MHz, bước sóng lan truyền trong bộ lọc SAW là 3*10^-5m.
Hình 7.5.3.6: Ký hiệu và cấu trúc bộ lọc SAW
Tự động điều chỉnh AFC/AGC
7.6.1 Mạch tự động điều chỉnh AFC( Automatic Frequency
AFC (tự động điều chỉnh tần số) là một kiểu mạch điều khiển hồi tiếp tương tự AGC được sử dụng trong máy thu cao tần Mạch này giúp ổn định tần số dao động nội của máy thu, ngăn chặn hiện tượng trôi tần số do các yếu tố như thay đổi nhiệt độ và thông số ký sinh ảnh hưởng đến độ ổn định của dao động.
Trong các máy thu tần số cố định như điện thoại không dây, vấn đề trôi tần số được khắc phục nhờ vào tần số dao động ổn định của thạch anh.
Nguyên lý mạch liên quan đến việc tách sóng tín hiệu đầu ra của bộ KĐTT, tạo ra điện áp tỷ lệ với sự chênh lệch tần số trung tần Sau khi được lọc và khuếch đại, điện áp này sẽ qua mạch điều chỉnh, tác động vào mạch tạo dao động ngoại sai, nhằm giảm thiểu sự sai lệch tần số trung tần.
Mạch tự động điều khiển tần số có khả năng cảm biến tín hiệu trung bình và kiểm tra độ sai lệch tần số, từ đó tự động điều chỉnh tần số để đảm bảo sự phù hợp.
Trong các máy thu hiện nay, mạch AFC đã được thay thế bằng mạch vòng khóa pha PLL, hoạt động dựa trên nguyên tắc của vòng điều khiển.
Hình 7.6.1.1: Mạch AFC sử dụng vòng khóa pha
7.6.2 Mạch tự động điều chỉnh AGC( Automatic Gain Control)
Mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại (AGC) được thiết lập ở tầng khuếch đại IF, giúp tăng hoặc giảm độ khuếch đại tùy thuộc vào tín hiệu thu yếu hoặc mạnh bằng cách điều chỉnh điện áp phân cực Nhiệm vụ chính của mạch AGC là duy trì sự ổn định của điện áp và công suất tải đầu ra khi tín hiệu vào thay đổi hoặc do các yếu tố nội tại Trong các máy thu, mạch AGC được ứng dụng trong cả mạch điều khiển tần số (KĐCT) và mạch điều khiển tín hiệu (KĐTT).
AGC là hệ thống điều chỉnh hồi tiếp giúp tối ưu độ lợi của máy thu dựa trên biên độ tín hiệu nhận được, đồng thời mở rộng dải động (Dynamic Range - DR) Hệ thống này cho phép cải thiện khả năng thu tín hiệu trong các điều kiện khác nhau, mang lại hiệu suất hoạt động tốt hơn.
56 là khoảng điện áp ngỏ vào Rx nhỏ nhất đến lớn nhất mà tín hiệu ra không bị méo, Nó biểu diễn dưới dạng:
𝑉 𝑚𝑖𝑛 (𝑑𝐵) Thông thường DR của máy thu có AGC từ 40 √100 dB
Tín hiệu AGC thường xuất hiện dưới dạng điện áp một chiều, được tách sóng và tỷ lệ với mức tín hiệu thu được Điện áp này được sử dụng để điều chỉnh điện áp phân cực của tầng RF hoặc IF, từ đó kiểm soát độ khuếch đại của máy thu.
Ví dụ độ khuếch đại A, của 1 tầng khuếch đại BJT có dạng:
AGC có thể điều chỉnh dòng điện trong các thiết bị khác nhau: nếu AGC giảm dòng L(A), ta có -AGC (AGC ngược), thường được sử dụng trong bộ phát đáp thông tin vệ tinh và máy thu sử dụng pin với nguồn cung cấp hạn chế Ngược lại, nếu AGC tăng dòng I(A), ta có +AGC (AGC thuận), thường thấy trong tivi và máy thu bán dẫn AM-FM.
Hình 7.6.2.1: Mạch AGC đơn giản của máy thu AM Đảo chiều diode ta được +AGC, Thời hằng t = RC; đủ lớn để điện áp ra thuần
Trong máy thu FM, tín hiệu DC biến đổi theo biên độ tín hiệu vào, với điện đáp AGC được tách trực tiếp từ mạch giải điều chế FM Cả hai phương pháp tách sóng Foster - Seeley và tách sóng tỷ lệ đều cho phép lấy điện áp DC tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu Đặc biệt, ở một số máy thu chất lượng cao, có thiết lập mạch AGC đáp ứng nhanh để cải thiện hiệu suất thu tín hiệu.
Diode D1 và D2 có chức năng nắn nhân hai điện áp, trong khi mạch RC với thời gian đủ lớn giúp tách lấy thành phần DC Bên cạnh đó, khuếch đại Op có thể được cấu hình theo kiểu đảo hoặc không đảo để tạo ra cực tính điện áp AGC cần thiết.
