Chương 4 Các bộ khuếch đại cao tần có tạp âm nhỏ
2. Nguyên lí khuếch đại cơ l−ợng tử
Xuất phát từ tính chất của hệ phân tử người ta đưa ra nguyên lí khuếch đại cơ l−ợng tử dùng 3 mức năng l−ợng. Nguyên lí đó có thể giải thích theo đồ thị (H×nh 4 - 28).
Tr−ớc tiên ta cần kích thích hệ, cho các hạt chuyển trạng thái từ thấp lên cao
(ví dụ gây nên sự d− thừa các
hạt m
ạt ở mức w1 sẽ nhỏ hơn, không còn bằng N1 n÷a.
có một lúc đạt trạng thái cân bằng động mới, t−ơng
w3 xuống w trực tiếp hoặc qua w , nh−ng cũng ngần ấy hạt chuyển từ w1 lên w3.
Lúc này s là hỗn loạn, nên các l−ợng tử
chun
tần số t−ơng ứng víi b
h−ờng dùng hai ph−ơng pháp chính : ph−ơng pháp
cho một dải thông rất hẹp; cho nên thường dùng để tạo tần số chuẩn mà thôi.
, bằng tần số f13 làm hạt chuyển từ mức w1 lên w3)
ang mức năng l−ợng cao (w3) so với hạt cần có mà định luật Bolzman đã qui
định (∆N3). Tất nhiên lúc đó số h
Sự d− thừa này phải duy trì đủ lâu bằng cách tác động kích thích liên tục, chọn vật chất và giảm nhiệt độ, của nó một cách thích hợp, sao cho thời gian chuyển trạng thái đủ lớn (có khi đến 0,1s).
Khi kích thích liên tục, sẽ
ứng với ∆N3 nhất định. Khi đó tuy vẫn có một số hạt chuyển trạng thái từ
1 2
ự chuyển trạng thái từ cao xuống thấp g phát ra sẽ tạo thành các tạp âm nhiệt.
Nếu khi đó ta đưa vào hệ một dao động điện từ trường có
−ớc nhảy năng l−ợng ∆W32(f32). Thì tr−ờng này sẽ t−ơng tác với các l−ợng tử W32
∆ khiến cho chúng tương can (đồng pha) với trường. Khi đó xảy ra hiện t−ợng bức xạ cảm ứng, tạp âm nhiệt ở tần số này hoàn toàn mất đi, dao động điện từ f32 đ−ợc khuếch đại lên.
Để kích thích hệ ng−ời ta t
phân loại và ph−ơng pháp dùng điện từ tr−ờng.
Phương pháp phân loại thường dùng cho một chất khí, và bộ khuếch đại chỉ
Ph−ơng pháp kích bằng điện từ tr−ờng th−ờng dùng cho vật chất thể rắn nh−
ngọc đỏ Al203Cr203 hoặc xianua Crôm K3Cr(CN)6. Phương pháp này do hai nhà bác học Nga Baxov và Prokhorov đề ra năm 1955 và chế tạo ra bộ khuếch đại và máy phát năm 1959.
Phương pháp kích thích bằng điện từ trường theo nguyên lí khuếch đại dùng 3 mức năng l−ợng nói trên. Điên từ tr−ờng kích thích, còn gọi là nguồn “bơm” có tần số f31. Còn điện từ trường yếu cần khuếch đại có tần số f32. Vật chất để khuếch
đại là các chất rắn nh− ngọc đỏ, xianua Crôm.
H×nh 4 - 29
h tần số của bộ khuếch đại, các chất rắn đ−ợc chọn thường là các chất thuận từ. Các chất thuận từ ngoài các tính chất đã nêu ở phần trước, chúng còn chịu sự chi phối của hiệu ứng Zeeman. Cụ thể là, khi đặt chất
thuận ặc bị thay đổi
hoặc l−ợng
tỉ lệ thuận với từ tr−ờng tĩnh (hình 4 - 29).
Để có thể điều chỉn
từ trong một từ tr−ờng tĩnh thì mức năng l−ợng của nó ho
một mức sinh ra nhiều mức khác thứ cấp có độ chênh lệch mức năng H
W =2β
∆ β
Trong đó : là hằng số;
−
ệu cần khuếch đại.
H là cường độ từ tr ờng
Nhờ thay đổi được ∆W nên ta có thể tạo được các bước nhảy mức thích hợp víi tÇn sè tÝn hi
Các bộ khuếch đại dùng chất rắn cho phép ta mở rộng dải thông bộ khuếch
đại. Bởi vì các hạt vật chất của chất rắn luôn dao động xung quanh một vị trí nhất
định
i cách khác là dải thông của bộ khuÕ
khuếch đại gồm có hốc cộng hưởng tín hiệu cần khuếch đại trong có chứa chất rắn thuận từ, nguồn “bơm” đ−ợc nối với hốc bằng ống dẫn sóng, tín hiệu cần khuếch đại đ−a vào hốc qua bộ tuần hoàn và ống dẫn sóng vào ra 2.
Ngoài ra bộ tuần hoàn còn nối với máy thu ở cửa 3 và nối với tải hấp thụ ở cửa 4.
trong mạng tinh thể. Do đó, khi tương tác với trường, hiệu ứng Doppler sẽ làm cho phổ của tín hiệu t−ơng tác rộng ra, hay nó
ch đại đ−ợc mở rộng ra.
Đến đây, ta có thể đ−a ra sơ đồ cấu trúc đơn giản của bộ khuếch đại cơ
l−ợng tử nh− (hình 4 - 30).
Bé
Ng Bơ
uồn m
Tải hÊp thô
Máy thu
N S
1
2
3 4 Pv
Chất thuận từ Hê li lỏng
Ni tơ lỏng (78oK) ) K 2 , 4 ( o
H×nh 4 - 30
−ợc giữ ở một nhiệt độ thấp để tạo sự chênh lệch số hạt giữa các m
việc bảo quản Hêli lỏng đ−ợc
dễ dàng ể ho áp suất bình
giảm xuống, làm cho nhiệt độ trong bình chỉ còn 1 - 2o Kelvin.
ChÊt thuËn tõ ®
ức nhờ hai bình Hêli lỏng và Nitơ lỏng. Đồng thời, thời gian chuyển trạng thái cũng đ−ợc tăng hơn. Bình Nitơ lỏng sẽ giữ cho
hơn. Ng−ời ta còn có thể liên tục bơm rút khí Hêli đ c
Nhờ từ trường S - N mà chất thuận từ được điều chỉnh đến vùng tần số làm việc của bộ khuếch đại theo hiệu ứng Zeeman, nghĩa là có độ chênh lệch năng l−ợng ∆W phù hợp với các tần số tín hiệu và tần số nguồn bơm.
Tín hiệu vào PV theo bộ tuần hoàn đ−ợc đ−a vào bộ khuếch đại. Tại hốc cộng h−ởng có chất thuận từ, nó đ−ợc tín hiệu nguồn bơm trao năng l−ợng cho, rồi phản xạ lại bộ tuần hoàn, để đến máy thu. Trong trường hợp có sự mất phối hợp trở kháng đầu vào máy thu, thì một phần tín hiệu phản xạ từ đầu vào máy thu sẽ đ−
h đại công suất
đủ lớn và dải thông t p ở dải sóng siêu cao tần. Có thể đạt đ−ợc hệ số tạp âm 1,04; độ khuếch đại công su
Nh−ợc điểm của bộ khuếch đại là không khuếch đại đ−ợc các tín hiệu vào lớn (l W), dải thông và dải tần làm việc còn hạn chế, kích th−ớc và trọng l−
ợc bộ hấp thụ triệt tiêu hết.
Bộ khuếch đại cơ l−ợng tử có hệ số tạp âm rất nhỏ, độ khuếc
−ơng đối hẹ
ất 20db ; khi dải thông 11MHz.
ớn hơn 10 - 8 ữ10 - 9 ợng lớn.
Ch−ơng 5
Tuyến trung tần và âm tần
Trong máy thu đổi tần, tuyến trung tần bao gồm các tầng sau:
- Bé biÕ n ®−
điều chế, hay là giữ nguyên cấu trúc phổ tín hiệu. Thông th−ờng phổ của tí
p hơn n
n tần dùng để dịch chuyển phổ của tín hiệu nhậ ợc từ một miền của dải tần số vô tuyến này đến một miền khác nh−ng không làm thay đổi dạng và tham số
n hiệu đ−ợc truyền đến miền tần số thấp hơn gọi là tần số trung gian : ftg. - Bộ khuếch đại trung tần: do tần số trung gian ở đầu ra bộ biến tần thấ
hiều so với tần số tín hiệu nhận đ−ợc (ftg << fth) và cố định trong dải tần công tác nên trong bộ KTG ta có thể dùng các hệ thống chọn lọc phức tạp và nhiều tầng với mục đích:
u t o ®−êng l©n cËn nh−ng víi
độ m tuyến tần số có dạng gần nh− hình chữ nhật).
+ Đảm bảo phần chủ y yến tần số vô tuyến
của máy thu.
ng của bộ khuếch đại trung tần phụ thuộc vào độ rộng phổ của tín hiệu nhận đ đại và độ chọn lọc. ở các máy thu sóng ngắn nó gồm 2 đến 4 tầng, ở siêu cao tần từ 8 đến 10 tầng.
D−ới đây ta sẽ xét kỹ hơn về các yêu cầ tÇn.
Bé biÕn tÇn
ế phần tử biến đổi và hệ thống chọn lọc. Để thực hiện
nhiệm n tử b t
ên thực tế hiện nay nhất là ở trong dải tần số thấp hơn 300 MH , trong máy thu th−ờng sử
dụng n tử đ
tất cả các thành phần tần số phụ, cũng nh− suy giảm nhiễu theo đ−ờng lân cận.
+ Đảm bảo độ chọn lọc rất cao của máy th he éo tần số nhỏ (đặc
ếu về hệ số khuếch đại trong tu Sè tÇ
−ợc, yêu cầu về khuếch
u đối với từng bộ trong tuyến trung
5.1.
Bộ bi n tần bao gồm
vụ biến đổi tần số theo yêu cầu phầ iến đổi phải có đặc uyến vôn - ampe không đường thẳng hay là có tham số biến đổi theo thời gian. Tr
Z
các phần tử không đường thẳng làm phầ biến ổi. Ví dụ như : các đèn
điện tử (hai, ba, năm và bảy cực) và các dụng cụ bán dẫn (điốt bán dẫn và transistor). Hệ thống chọn lọc cần phải tách lấy phổ tín hiệu có ích và suy giảm
Để thực hiện nhiện vụ này, hệ thống chọn lọc có thể là mạch dao động cộng hưởng đơn hoặc các mạch dao động ghép phức tạp hơn. Sơ đồ khối của bộ biến tần đ−ợc vẽ ở (hình 5- 1), ghép giữa dụng cụ điện tử với hệ thống chọn lọc và giữa hệ thống chọn lọc với đầu vào tầng sau qua các phần tử ghép GH1, GH2.
Từ sơ đồ khối này ta có thể xác định các tham số cơ bản và yêu cầu đối với bé biÕn tÇn.
Hệ số truyền đạt điệ
H×nh 5 - 1