Mạch điều tần trực tiếp

A, B, C, D trong các biểu thức (1.37a), (1.40) được xác định theo biểu

III. Mạch điều tần và điều pha

1. Mạch điều tần trực tiếp

Khi điều tần trực tiếp, tần số dao động riêng của mạch tạo dao động được điều khiển theo tín hiệu điều chế.

Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tạo dao động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bởi dòng điện hoặc áp (VCO: Voltage controlled oscillator và CCO: Circuit controlled oscillator) hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp – tần số. Các mạch tạo dao động biến đổi theo điện áp đặt vào có thể là mạch tạo dao động xung hoặc các mạch tạo dao động điều hòa LC. Các mạch tạo dao động LC cho khả năng biến đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng diode biến dung (varicap) và transistor điện kháng.

a) Điều tần dùng trasistor điện kháng:

Phần tử điện kháng: dung tính hoặc cảm tính có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nó được mắc song song với hệ dao động của bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phần tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của một transistor. Có 4 cách mắc mạch phần tử điện kháng như biểu diễn trong bảng 3.1

Với mạch phân áp RC ta tính được:

C j S 1

C j R 1

C j R 1

C j

1 SU

U SU

U I Z U

BE 

 





 









S: hoã daãn

K IL O B O O K S .C O M

Nếu chọn các linh kiện sao cho R C j

1 

 thì trở kháng Z có thể xác định theo biểu thức:

Cách maéc

Sơ đồ nguyên lý Đồ thị vector Trị số điện kháng

Tham soá tửụng ủửụng Mạch

phaân áp RC

S RC Z j

S Ltủ  RC

Mạch phaân áp RL

LS Z jR



 R

Ctủ  LS

Mạch phaân áp RC

RCS Z j



  Ctủ RCS

Mạch phaân áp LC

RS Z j

RS Ltủ  L Z  = jXjCR L = jLtủ (3.24)

S Trong đó: Ltd = SC

S

I V VR

VL

I V

VC

VR

I V

VL

VR

Bảng 3-1

I V VC

VR

R

C I

V

I

L R

V

R

I C

V

I

R L

V

K IL O B O O K S .C O M

Tương tự như vậy, có thể chứng minh cho các sơ đồ phân áp còn lại trong bảng 3-1. Các tham số tương đương của thành phần điện kháng điều phụ thuộc vào hổ dẫn S.

Rõ ràng, khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số Ltđ hoặc Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo V.

Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối f/ft khoảng 2%.

Trên hình 3.7 là sơ đồ bộ dao động ghép biến áp được điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC. Trong đó T1 là transistor điện kháng, T2 là transistor tạo dao động. Transistor điện kháng được mắc một phần (trên L1) với hệ dao động.

Cũng có thể mắc hai transistor điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần trên hình 3.8.

Trên sơ đồ này (hình 3-8), T1 là phần tử điện kháng cảm tính, với Ltđ

=

1

ST

CR và T2 là phần tử điện kháng dung tính với Ctđ = CRST2.

Hình3-7: Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC.

CB1  CB4: Tụ điện ngắn mạch cao tần LC: Cuộn chặn cao tần

LK

CB2

CB3

CB4

CK

LC

L1

CB1

VCC Us

R1

R2 R3

R4

T1 T2

K IL O B O O K S .C O M

Theo sơ đồ, khi USSB tăng thì ST1 tăng, còn ST2 giảm, làm cho Ltđ và Ctđ đều giảm, do đó tần số giảm nhanh hơn theo điện áp điều chế và lượng di tần tăng lên gấp đôi (nếu T1, T2 có tham số giống nhau). Mạch còn có ưu tiên, tăng được độ ổn định tần số trung tâm ft của bộ tạo dao động (T3). Thật vậy, giả thiết điện áp nguồn cung cấp tăng thì hỗ dẫn của cả T1 và T2 đều tăng một lượng S. Lúc đó Ltđ

giảm, Ctđ tăng. Nếu mạch điện T1, T2 hoàn toàn đối xứng thì lượng tăng của Ctđ sẽ bù được lượng giảm của Ltđ , do đó có thể coi tần số trung tâm không đổi.

b) ẹieàu taàn duứng diode Tunel:

Người ta có thể đưa điện áp ngược vào hai đầu diode để thay đổi điện dung gián tiếp của diode theo tín hiệu điều chế âm tần. Khi đó:

Cẹ  Vẹ

k (3.25) k = const

VĐ  0,8 VĐ đánh thủng

Hình 3-8: Sơ đồ tạo dao động điều tần bằng mạch điện kháng đẩy kéo.

CB1 CB4: tụ điện ngắn mạch cao tần:

CB5: tụ điện ngắn mạch âm tần (u)

Vcc

US

UB

R R1

R2

R3

R4

CB1

C2

C1

CB5 CB3

CB2

CE

CB4

CK

LK

T3 T2

T1

R4

LC

K IL O B O O K S .C O M

Nhưng do CĐ biến đổi trong một phạm vi rất nhỏ và không tuyến tính, nên nó chỉ được sử dụng trong các mạch tự động điều chỉnh tần số, mà không dùng để tạo nên tín hiệu điều tần. Để tạo tín hiệu FM ta có thể dùng diode tunel như hình 3-9

 R1, R2: tạo phân cực cho diode Tunel nằm ở đoạn có điện trở âm.

 C1: cho điện áp âm tần đi qua, ngăn điện áp một chieàu.

 C2: ngắn mạch điện áp cao tần không cho vào nguồn cung caáp VCC .

Đối với diode Tunel tần số dao động của mạch biến thiên theo điện áp phân cực. Từ hình 3-9b ta nhận thấy chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của điện áp phân cực cũng gây nên sự biến thiên lớn của điện trở âm và làm cho tần số dao động thay đổi theo biểu thức:

 Khi V tăng thì VĐ tăng và IĐ giảm nên R = VĐ/IĐ tăng làm f0 tăng lên.

 Khi V giảm thì VĐ giảm và IĐ tăng nên R = VĐ/IĐ giảm làm f0 giảm xuống.

Mạch điều tần bằng diode Tunel khá đơn giản và tuyến tính hơn dùng diode thường song độ di tần khá hẹp ( nhỏ).

f0 = - (3.26) 1 2

1 LK(CK + C2)

1

C2(CK + C1)R2

V

VCC

R+

0 0

I

V

V

b) a) V

Hỡnh 3-9: ẹieàu taàn baống Diode Tunel.

a) Sơ đồ điều tần;

b) Đặc tuyến Volt-ampe và R

Vcc

R2

C1

C1 CK

LK

K IL O B O O K S .C O M

Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng, bằng diode và diode Tunel có độ di tần hẹp do chúng không trực tiếp tác động lên tần số dao động f0. Từ khi Varicap ra đời người ta chủ yếu sử dụng nó làm phần tử điều tần vì điện dung của nó thay đổi theo điện áp phân cực và trực tiếp làm thay đổi tần số dao động. Ở phạm vi tần số cao khi CV thay đổi làm f0 thay đổi rất nhiều tạo nên độ di tần lớn và đặc tuyến của Varicap tuyến tính, tính chống nhiễu cao, không tiêu thụ năng lượng nên nó dùng để điều tần rất tốt.

c) ẹieàu taàn duứng Varicap:

Diode biến dung (Varicap) có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào. Nó có sơ đồ tương đương ở hình 3-10a. Trị số RV và CV phụ thuộc vào điện áp đặt trên diode. Trường hợp diode phân cực ngược RV =  và còn CV được xác định theo công thức:

Trong đó:

CD CD

CD

0 0 t

V c)

Hình 3-10: Sơ đồ tương đương (a); Sơ đồ mắc mạch của Varicap (b); và đặc tuyến điều chế CV theo V(c)

LK

CK

VPC

V RPC

CD

RD

b) a)

CV = (3.27) (Vẹ +T)

k

K IL O B O O K S .C O M

 k: Hệ số tỷ lệ; k = CV0. T; CV0 :CV ban đầu khi VĐ= 0.

 : hiệu điện thế tiếp xúc của mặt ghép; với diode Silic T  0,7V.

 : hệ số phụ thuộc vật liệu;  = 1/3 1/2 Vẹ = VPC + V (3.28)

 VPC: điện áp cung cấp một chiều định điểm làm việc ban đầu cho Varicap.

 Đối với transistor Silic   ẵ.

 Nếu R >>1/CV thì ta có tần số dao động của hình 3-10b gần đúng như sau:

 Nếu ta chọn CV >> CK ta có biểu thức gần đúng:

Ta thấy tần số tỷ lệ với điện áp điều chế V qua căn bậc 4 nên V phải đủ lớn để tần số dao động thay đổi theo V.

 Trên hình 3-10b ta thấy điện áp cao tần trên LK, CK sẽ phân cực thuận Varicap tăng lên. Dẫn tới làm hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng giảm và tạo nên sóng hài khi Varicap được phân cực liên tiếp âm, dương. Để khắc phục hiện tượng này ta có một số biện pháp sau:

- Tính toán để sao cho diode luôn luôn phân cực ngược khi trên nó có cả điện áp cao tần. Điện áp đặt trên diode:

VD=V0cos0t + Vcost – VPC (3.21) VDmax = V0 + V - VPC  0 (3.22)

Nhưng điện áp ngược đặt lên diode cũng không được vượt quá trị số cho phép, nó đồng thời thỏa mãn công thức:

VDmin = - V0 - V - VPC  Vng cho pheùp (3.23)

   (3.29) 1 LK(CK + CV)

1

K VPC + V +0,7 LK CK +

  L .K 7 , 0 + V + V

K

4 PC (3.20)

K IL O B O O K S .C O M

Mắc thêm tụ ghép Cgh nó sẽ ngăn không cho điện áp cao tần xuất hiện trên Varicap. Nhưng như vậy khi V thay đổi CV thay đổi nhưng

gh V

gh V

C C

C . C C

  seõ

thay đổi rất ít, nên độ di tần sẽ hẹp.

- Để khắc phục cả hai nhược điểm trên, người ta không mắc Cgh , mà mắc hai Varicap ngược nhau như hình 3-11. Cách mắc này gọi là mắc đẩy kéo Varicap. Hai Varicap được phân cực cùng một lúc. Khi tín hiệu cao tần áp vào 2 varicap giống nhau, nó sẽ lái chúng đến những giá trị điện dung cao và thấp luân phiên nhau: Do đó điện dung đúng trong mạch gần như không thay đổi theo điện áp cao tần, mà chỉ thay đổi điện áp âm tần.

Khi đó để Varicap phân cực ngược ta chỉ cần thỏa mãn đều kiện:

VDmax = V - Vpc  0 và VDmin = - V -Vpc Vng cho phép

Như vậy phạm vi thay đổi của điện áp điều chế V sẽ lớn hơn, dẫn tới phạm vi biến đổi của CV cũng lớn hơn, nghĩa là độ di tần sẽ lớn hơn. Tuy nhiên mắc 2 Varicap đẩy kéo sẽ làm giảm điện dung tương đương Ctđ = CV/2 (nếu 2 Varicap giống nhau). Để bù lại người ta chọn những Varicap có giá trị bằng 2 lần Ctổng mà ta mong muốn. (Ví dụ CV = 15pF thì ta phải chọn CV1 = CV2 =30pF).

 Vì dòng phân cực Icp =0 nên biến trở VR1 và R có thể có giá trị rất lớn. Tuy nhiên để Varicap đáp ứng nhanh với V thì R và VR1 không nên chọn lớn lắm vì hằng số thời gian  = (R + VR1) CV

 Khi điều tần dùng Varicap cần chú ý những đặc điểm sau:

- Luôn luôn phân cực ngược cho Varicap để tránh ảnh hưởng của RV đến phẩm chất của hệ dao động , nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch.

+Vpc Vcc

Rpc Cgh

CK L

L Vpc

V

V

CK

Lch

R VR1

Hình 3-11: Mắc đẩy kéo Varicap

K IL O B O O K S .C O M

- Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặt tuyến CV = f(VD) để giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng Varicap đạt khoảng 1%.

- Dùng Varicap để điều tần thì kích thước bộ điều tần nhỏ và có thể điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz.

Tuy nhiên độ tạp tán của bán dẫn lớn hơn nên kém ổn định.

Ta có sơ đồ điều tần dùng Varicap đẩy kéo (3-12)

- R1, R2, Re tạo thiên áp tự cấp để lúc đầu mạch dao động ở chế độ lớp A (dễ dao động) sau chuyển về dao động ở lớp B,C (để có hiệu suất cao). Đây là mạch ba điểm điện dung. Trong đó LK cùng Varicap tạo thành mạch cộng hưởng song song, nhưng ở tần số dao động f0 thì nó phải tương đương như một

điện cảm 

 





 



V 0

0 C

L 1 . Các tụ thoát C   ngắn mạch đối với tín hiệu cao Hình 3-12: Điều tần dùng Varicap đẩy kéo

Vcc

C

C

C2

C1

C

R

R2

R1 RE

LK

C

+VCC

VFM

VR

E

B LchK

V

Phần tử dao động

K IL O B O O K S .C O M

tần. Lch cho tín hiệu âm tần đi qua, ngăn tín hiệu cao tần lại. R và VRđiều chỉnh cho điểm phân cực ban đầu của Varicap ở điểm giữa của đoạn thẳng đặc tuyến CV = f(VĐ) là phi tuyến nên thực chất tín hiệu FM vẫn bị méo. Để khắc phục, đối với những bộ điều chế yêu cầu độ méo phi tuyến nhỏ người ta mắc bộ điều tần theo sơ đồ đẩy kéo (hình 3-13)

Sơ đồ hình 3.13 gồm hai bộ đổi tần đẩy kéo làm việc ở hai tần số khác nhau: f01 và f02 và đầu ra bộ đổi tần ta có tần số trung gian: f0 = f01 – f02. Điện áp điều chế âm tần V được đưa đồng pha tới hai bộ điều chế, nhưng do Varicap 2 (V2) mắc ngược pha với Varicap 1 (V1) nên khi f01tăng thì f02 giảm và ngược lại như hình 3-14. Độ lợi của hai bộ điều tần có thể viết như sau:

+ a1, a2, b1, số phụ thuộc độ dốc và dạng của đặc tuyến điều chế.

+ Vpc1, Vpc2: điện áp phân cực ngược định điểm làm việc ban đầu cho Varicap.

f1= f01 a1 +a2 +… (3.24)

f2= f02 b1 - +b2 +… (3.25) V

V

V

V

Vpc1 Vpc1

Vpc2 Vpc2

2 2

Hình 3-13: Sơ đồ điều chế đẩy kéo dùng varicap đơn

Acc Acc

Đổi taàn

L’3

L’2

L’1

L’4

L’5

L5

L4

L3

L2

L1

R’1 R’2

Re2

Re1

R2

R1

C’1

C’2

C’3

C’4

C’6

C’5

C5

C6

C4

C3

C2

C1

f = f01 – f02

V

-Vpc1

+Vpc2 -VEE

K IL O B O O K S .C O M

+ V: điện áp điều chế.

Dấu (-) trong biểu thức biểu hiện sự mắc ngược pha của Varicap.

Để bù méo bậc hai ta phải thực hiện điều kiện:

Trong thực tế ta thường thiết kế Vpc1 = Vpc2

Khi đó (3.26) trở thành: f01. a2 = f02.b2 (3.27)

Nếu ta chọn Varicap trước (biết trước a2, b2) thì ta chỉ việc chọn f01, f02 thỏa mãn (3.27) ta sẽ triệt được méo bậc 2.

 Khi chưa điều chế, sau bộ đổi tần ta thu được: ftg = f01 – f02. ftg + f = (f01+f1) – (f02+f2). Nghĩa là : f =

f1 - f2 mà f1, f2 lại ngược dấu nên độ di tần chung tăng lên (f tăng). Như vậy dùng điều chế tần số đẩy kéo ngoài việc bù được méo hài bậc 2, còn làm tăng độ di tần.

 Để bù méo bậc 3 người ta dùng mạng 4 cực hiệu chỉnh C4, L4, R2, C5, L5 và C’4, L’4, R’2, C’5, L’5.

 Nếu ta chọn f01, f02 cao thì độ di tần tương đối sẽ thấp (f1/f01 và f2/f02) làm giảm tất cả các thành phần hài.

Méo do hài bậc 2 gây ra được bù phần như hoàn toàn.

 Để tăng độ di tần, tăng độ ổn định tần số và giảm méo phi tuyến, ở dải sóng cực ngắn người ta sử dụng sơ đồ điều tần đẩy kéo dùng Varicap đẩy kéo như hình 3-15.

) 26 . 3 V (

f b V

f a

2 pc

2 0

1 pc

2

0 

CV2

C’V2

CV20

C’V1

CV10

CV1

0 0

V

V

VPC2

VPC1

- +

Hình 3-14: Đặc tuyến CV = f(VD)

K IL O B O O K S .C O M

+ L1, L2, L3, L7, L’1, L’2, L’3, L’7 là các cuộn chặn cho điện áp điều chế V qua, không cho điện áp cao tần Vo qua.

+ Zaa’ và Zbb’ phải tương đương với điện cảm để tạo thành mạch dao động 3 điểm C (Clapp) có độ ổn định cao.

+ AFC: hệ số tự động điều chỉnh tần số.

 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 3-15 tương tự sơ đồ hình 3-13, chỉ khác là các Varicap được mắc thành từng cặp đẩy kéo.

Hình 3-15: Sơ đồ đổi tần đẩy kéo dùng Varicap

Đổi Taàn CCE

C4

C1 C2

C6

C5

C’5

C’6

C’4

C’2

C’3

C’1

L’3

L’2

R’1

+VPC2

L’4 L’5

L’1 L’6

L’7

L’8 C’CE

V

Tới AFC +VCC

L2

L3

L5

AFC

R’2

R1

-VPC1

L7

R2

L4

L6

L8

L1

+VCC

K IL O B O O K S .C O M

 Sau đổi tần ta thu được tần số trung gian: 0 = 01 - 02

  = 1 - 2 = 15% 0 và méo phi tuyến  = 1%.

Để tần số trung gian 0 khá cao thì 01 và 02 phải rất cao, do đó ta cần có hệ thống AFC để tự động điều chỉnh tần 01 và 02 đảm bảo yêu cầu về độ ổn định đã cho.

2 . Các mạch điều pha:

a) ẹieàu cheỏ pha theo Amstrong:

Tín hiệu tải tin được tạo ra từ bộ dao động thạch anh (để có độ ổn định tần số cao), được đưa tới hai bộ điều biên (ĐB1 và ĐB2) lệch pha nhau 900. Còn tín hiệu điều chế âm tần V được đưa đến hai mạch điều biên ngược pha. Điện áp ra trên hai bộ điều biên sẽ là:

Đồ thị vector của VAM và VAM2 và Vector V = VPM được biểu diễn trên hình 3-17

VAM1 = V01(1 + mcost) cos0t

= V01cos0t + V01 cos(0t + ) + cos(0t - )t (3.28) VAM2 = V02(1 + mcost) cos0t

= V02cos0t + V02 sin(0t + ) + sin(0t - )t (3.29) m

2

m 2

Dao động

thạch anh ĐB

1

ẹB 2 Di pha

900

Toồng

Hỡnh 3-16: ẹieàu cheỏ pha theo Amstrong V

K IL O B O O K S .C O M

mV01 V01 VAM1

VAM2

mV02

V02





V

V

V

0

Hình 3-17: Đồ thị vector của tín hieọu ủieàu pha Amstrong

Từ đồ thị ta thấy rằng tổng các dao động đã điều biên V = VAM1 + VAM2 là một dao động điều chế về pha và biên độ. Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. Mạch có nhược điểm là độ di pha nhỏ. Để hạn chế mức điều biên ký sinh, chọn  nhỏ. Để có điều biên ký sinh nhỏ hơn 1% thì   0,35.

Mặc khác sau bộ điều pha ta có thể đặt bộ hạn chế biên độ để loại bỏ điều bieân kyù sinh.

Do gaõy ra ủieàu bieõn kyự sinh và độ di pha nhỏ ( nhỏ) nên phương pháp này ít được sử dụng.

b) Mạch điều chế pha dùng mạch lọc:

Trong hình 3-18 bộ điều chế pha được thực hiện bởi 3 mắc lọc là ba mạch cộng hưởng dao động giống nhau, được điều chỉnh cộng hưởng bởi Varicap.