Tài liệu Các mạch biến đổi tần số pptx

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

130
CHƯƠNG V: CÁC MẠCH BIẾN ĐỔI TẦN SỐ
GIỚI THIỆU CHUNG
Chương này trình bày các mạch biến đổi tần số của tín hiệu: điều chế, tách sóng, trộn
tần, nhân chia tần số.
- Điều chế: Khái niệm về điều chế. Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao
tần (tải tin).
- Điều chế biên độ: phổ của tín hiệu điều biên, quan hệ năng lượng trong điều biên,
các chỉ tiêu cơ bản củ
a dao động điều biên.
- Mạch điều biên: mạch điều biên là một mạng sáu cực, có thể dùng điốt hay tranzito
thực hiện. Có mạch điều biên cân bằng và điều biên vòng.
- Điều chế đơn biên. Khái niệm về tín hiệu đơn biên. Ưu điểm trong thông tin khi
dùng tín hiệu đơn biên. Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo phương pháp lọc hai cấp.
- Đ
iều tần và điều pha: hai loại điều chế này đều làm góc pha thay đổi nên gọi chung
là điều chế góc.
- Biểu thức tín hỉệu điều tần, điều pha. Mạch điều tần: nghiên cứu mạch điều tần dùng
điốt biến dung, mạch điều tần dùng tranzito điện kháng.
+ Mạch điều pha: nghiên cứu mạch điều pha theo Armstrong.
+ Tách sóng, khái niệm v
ề tách sóng.
- Tách sóng điều biên: các tham số cơ bản. Mạch tách sóng điều biên.
+ Tách sóng điều tần điều pha: nguyên tắc chung tách sóng điều tần điều pha.
Nghiên cứu các mạch tách sóng: mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng,
mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng kép, mạch tách sóng điều tần kiểu tách
sóng tỷ số.
+ Mạch tách sóng điều pha cân bằ
ng dùng điốt.

- Trộn tần. Khái niệm về trộn tần, định nghĩa trộn tần. Nguyên lý trộn tần.
+ Mạch trộn tần: mạch trộn tần dùng điốt, mạch trộn tần dùng tranzito.
- Nhân chia tần số: vòng giữ pha (PLL) và nguyên lý hoạt động của nó. Mạch nhân
chia tần số dùng vòng giữ pha.
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

131
NỘI DUNG
5.1. ĐIỀU CHẾ
5.1.1. Khái niệm
Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào
đó như biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức.
Thông qua điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển lên vùng tần số cao để
bức xạ, truyền đi xa.
- Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế.
- Dao động cao tần
được gọi là tải tin hay tải tần.
- Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế.
Đối với tải tin điều hoà, ta phân biệt ra hai loại điều chế là điều biên và điều chế góc,
trong đó điều chế góc bao gồm cả điều tần và điều pha.
5.1.2. Điều chế biên độ
5.1.2.1. Phổ của tín hiệu đ
iều biên
Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức.
Để đơn giản, giả thiết tin tức U
S
và tải tin
t
U đều là dao động điều hoà và tần số tin
tức biến thiên từ

maxSminS
ω÷ω
, ta có:

tUU
SSS
ω
cos.
ˆ
=


tUU
ttt
ω
cos.
ˆ
=
và
St
ω
>>
ω

Do đó tín hiệu điều biên:
U
đb
ttmUttUU
ttttSSt
ωωωω

cos).cos.1.(
ˆ
cos).cos.
ˆˆ
( +=+=
(5-1)
trong đó:
t
S
U
U
m
ˆ
ˆ
=
là hệ số điều chế.
Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện
1
m
≤
. Khi
1
m
>
thì mạch có hiện tượng
quá điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng. (Hình 5-1).
Áp dụng biến đổi lượng giác (5-1) được:
t
Um
t

Um
tUU
St
t
St
t
ttdb
)cos(
2
ˆ
)cos(
2
ˆ
cos
ˆ
ωωωωω
−+++=
(5-2)
Như vậy, ngoài thành phần tải tin, tín hiệu điều biên còn có hai biên tần. Biên tần trên
có tần số từ
)()(
maxStminSt
ω
+ω÷ω+ω và biên tần dưới từ

)()(
minStmaxSt
ω−ω÷ω−ω .
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

132
5.1.2.2. Quan hệ năng lượng trong điều biên.
Trong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức. Ta
xét xem năng lượng được phân bố thế nào trong tín hiệu điều biên.
Công suất của tải tin
: là công suất trung bình trong một chu kỳ tải tin.

~P
t~
(tỷ lệ)
2
2
1
t
U
)

Công suất biên tần:


2
)
2
ˆ
.
(
~
2
~
t

bt
Um
P





















Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín
hiệu điều chế.

~
P
db

)
2
m
1(PP2P
2
t~bt~t~
+=+=
Hình 5-1: Tín hiệu điều biên
a) Phổ của tin tức;
b) Phổ của tín hiệu điều biên;
c) Đồ thị thời gian của tin tức và tín
hiệu điều biên khi m < 1 và m > 1
ω
ω
smin
ω
smax
0
U
ω
0
U
đb
U
t
ω
t
-ω
Smax
ω

t
-ω
Smin
ω
t
+ω
Smax
ω
t
+ω
Smi
ω
t

a)
b)
U
S

0 t
U
đb

0 t
t
U
đb
m < 1
m > 1
c)

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

133
Ta thấy rằng công suất của tín hiệu đã điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m. Hệ
số điều chế m càng lớn thì công suất tín hiệu đã điều biên càng lớn. Khi m = 1 thì ta có quan
hệ công suất hai biên tần và tải tần như sau:

2
P
P2
t~
bt~
=

Để giảm méo hệ số điều chế m < 1 do đó công suất các biên tần thực tế chỉ khoảng
một phần ba công suất tải tin. Nghĩa là phần lớn công suất phát xạ được phân bổ cho tải tin,
còn công suất của tin tức chỉ chiếm phần nhỏ. Đó là nhược điểm của tín hiệu điều biên so
với tín hiệu đơn biên.
5.2. MẠCH ĐIỀU BIÊN
Mạch điều biên có thể dùng các kiểu điều biên đơn, điều biên cân bằng và điều biên
vòng.
- Mạch điều biên đơn chỉ dùng một phần trở tích cực như điốt hoặc tranzito.
- Mạch điều biên cân bằng có ưu điểm giảm được méo phi tuyến. Hình 5-3 là các
mạch điều biên cân bằng dùng điốt và tranzito lưỡng cực.
Theo hình 5-3a điện áp đặt lên các đ
iốt Đ
1
, Đ
2
lần lượt là:

tUtUU
tUtUU
ttSS
ttSS
ωω
ωω
cos.cos.
cos.cos.
2
1
))
)
)
+−=
+=
(5-3)
Dòng điện qua mỗi điốt được biểu diễn theo chuỗi Taylor:



3
23
2
212102
3
13
2
121101
++++=

++++=
UaUaUaai
UaUaUaai
(5-4)
Dòng điện ra:
i = i
1
- i
2
(5-5)
Thay (5-3) và (5-4) vào (5-5), chỉ lấy bốn số hạng đầu được:

]t)2cos(t)2.[cos(D
]t)cos(t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai
StSt
StStSS
ω−ω+ω+ω+
+
ω
−
ω
+
ω
+
ω
+
ω
+ω=
(5-6)
trong đó:

.
ˆ
.
ˆ

2
3
ˆ
.
ˆ
2
ˆ

2
1
ˆ

2
1
ˆ
).32(
ˆ
3
2
3
3
2
3
2
31

tS
tS
s
stS
UUaD
UUaC
UaB
UaUaaUA
=
=
=
+++=
(5-7)
Cũng có thể chứng minh tương tự cho mạch hình 5-3b.
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

134
Trong trường hợp cần có tải tin ở đầu ra, sau khi điều chế đưa thêm tải tin vào.
Phổ của tín hiệu ra của mạch điều biên cân bằng như ở hình 5-3c.

Mạch điều chế vòng:

Mạch điều chế vòng: thực chất là hai mạch điều chế cân bằng chung tải.
Gọi dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng D
1
D
2
là
I
i
và dòng điện ra của mạch
điều chế cân bằng D
3
D
4
là
II
i

Ta có:
U
t
Đ
1

U
S
U
đb
Đ
4

C
B
C
B
Đ
2

Đ
3

Hình 5-3: Mạch điều chế vòng
U

S
U
đb
Đ
1
i
1
Đ
2
i
2
C
B
C
B

U
t
(a)

U
S
T
1
(b)

U
đb
T
2

U
t
E
C
- +

U
đb
ω
S
3ω
S

ω
St
- ω
S
ω
St
+ ω
S

2ω
St
- ω
S
2ω
St
+ ω
S

ω

(c)
Hình 5-2: Mạch điều biên cân bằng
a) Dùng điốt; b) Dùng tranzito; c) Phổ tín hiệu ra
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

135

)]2cos(t)2.[cos(D]t)cos(
t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai
StStSt
StSSI
ω−ω+ω+ω+ω−ω
+
ω
+
ω
+
ω
+
ω=


4D3DII
iii −=

trong đó:

3
43
2
424104
3
33
2
323103
++++=
++++=
UaUaUaai
UaUaUaai
D
D

với u
3
và u
4
là điện áp đặt lên D
3
, D
4
xác định

tUtUU
tUtUU
SStt

SStt
ωω
ωω
cos.
ˆ
cos.
ˆ
cos.
ˆ
cos.
ˆ
4
3
+−=
−−=

thay vào

]t)2cos(t)2.[cos(D
]t)cos(t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai
StSt
StStSSII
ω−ω+ω+ω−
ω−ω
+
ω
+
ω
+
ω

−
ω
−=

A, B, C, D xác định như ở mạch điều chế cân bằng trước đây.
Nên:
i
đb
])cos().[cos(.2 ttCii
StStIII
ω
ω
ω
ω
−
+
+
=
+
=
Phổ có dạng:



Điều chế vòng cho méo nhỏ nhất vì nó khử được các hài bậc lẻ của
S
ω
và các biên tần
t
ω

2 .
5.3. ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN
- Khái niệm:
Như đã trình bày ở phần trước, phổ của tín hiệu điều biên gồm tải tần và hai biên tần,
trong đó chỉ có biên tần mang tin tức. Vì hai giải biên tần mang tin tức như nhau nên chỉ
cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức. Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng, do
đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi. Quá trình đ
iều chế để nhằm
tạo ra một giải biên tần gọi là điều chế đơn biên.
Điều chế đơn biên tuy tốn kém nhưng có các ưu điểm sau:
- Độ rộng tải tần giảm một nửa.
- Công suất bức xạ yêu cầu thấp hơn cùng với một cự ly thông tin. Vì có thể
tập trung công suất của tải tần và một biên tần cho biên tần còn lại.
- Tạp âm đầu thu giảm do giải tần của tín hiệu hẹp hơn.
Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên trên là:
U
đb
tU
m
t
Stt
)cos(.
ˆ
.
2
)(
ωω
+=
(5-8)
ω

t
+ω
S
ω
t
-ω
S
0

ω
t
ω

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

136
trong đó
t
S
U
U
m
)
)
= được gọi là hệ số nén tải tin, m có thể nhận các giá trị từ
∞÷0
.
- Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc.
Từ sự phân tích phổ của tín hiệu điều biên rõ ràng muốn có tín hiệu đơn biên ta chỉ
cần lọc bớt một giải biên tần. Nhưng thực tế không làm được như vậy. Khi tải tần là cao tần

thì vấn đề lọc để tách ra một giải biên tần gặp khó khăn. Thật vậy, giả thiết tần số thấp nh
ất
của tin tức
Hz200f
minS
=
, lúc đó khoảng cách giữa hai biên tần
Hz400f2f
minS
=
=
Δ

(xem hình 5-1b). Nếu tải tần
MHz10f
t
=
thì hệ số lọc của bộ lọc
5
t
10.4
f
f
X
−
=
Δ
=
, khá
nhỏ. Khi đó sự phân bố của hai biên tần gần nhau đến nỗi ngay dùng một mạch lọc Thạch

anh cũng rất khó lọc được giải biên tần mong muốn. Do đó trong phương pháp lọc, người ta
dùng một bộ biến đổi trung gian để có thể hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc







Sơ đồ khối của mạch điều chế
đơn biên như vậy được biểu diễn trên hình 5-4 và phổ
của tín hiệu trên đầu ra của từng khối được biểu diễn trên hình 5-5.
Trong sơ đồ khối trên đây, trước hết dùng tin tức điều chế tải tin trung gian có tần số
f
t1
khá thấp so với tải tần yêu cầu sao cho hệ số lọc vừa phải để lọc bỏ một biên tần dễ dàng.
Trên đầu ra của bộ lọc thứ nhất nhận được một tín hiệu có giải phổ bằng giải phổ của tín
hiệu vào
minSmaxS
fff −=Δ nhưng dịch đi một lượng f
t1
trên thang tần số. Tín hiệu này được
đưa vào điều chế ở bộ điều chế cân bằng 2 mà trên đầu ra có phổ cả hai biên tần cách nhau
một khoảng
)ff.(2f
minS1t
+=
′
Δ sao cho việc lọc lấy một biên tần nhờ bộ lọc 2 dễ thực
hiện. Khi đó tín hiệu ra là tín hiệu đơn biên. Bộ điều chế cân bằng thường là mạch điều biên

cân bằng hay là mạch điều biên vòng. Trên sơ đồ khối trên đây tải tần yêu cầu là tổng của
hai tải tần phụ.
2t1tt
fff +=
.
Ngoài ra còn có mạch điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha hay mạch điều
chế đơn biên theo phương pháp lọc và quay pha kết hợp mà ta không trình bày ở đây.




f
t2
±(f
t1
+f
S
)
f
t2
+f
t1
+f
a
b
c
ĐCB1 Lọc I Lọc II ĐCB2
f
t1
±f

S
f
t1
+f
S
U
S
d
Tạo dao
đ
ộ
n
g
1
Tạo dao
đ
ộ
n
g
2
f
t2
f
t1
Hình 5-4: Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc
f
Smin

f
Smax

f
U
S
0

f
Smin

0

U
b
f
f
t1
U
c
a)
b)
)
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

137

5.4. ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA
Các công thức cơ bản và quan hệ giữa điều tần và điều pha:
Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ

dt
dΨ
=ω
(5-9)
Điều tần và điều pha là ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải
tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế. Với tải tin là dao động điều hoà:

)(0
cos.)cos(.
ttttt
UtUU ψϕω
)
)
=+=
(5-10)
Từ (5-9) rút ra:

)t(
t
0
)t()t(
dt ϕ+ω=Ψ
∫
(5-11)
Thay (5-11) vào (5-10) ta được:

]cos[.
ˆ
)(
0
)(
t
t
ttt
dtUU ϕω
+=
∫
(5-12)
Giả thiết tín hiệu điều chế là đơn âm.

tUU
SSS
ω
cos.
)
=
(5-13)

Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần
biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng được xác định lần lượt theo biểu thức:
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

138

+ω=ω
t)t(
k
đt

tU
SS
ω
cos
ˆ
(5-14)

+ϕ=ϕ
o)t(
k
đp

tU
SS
ω
cos.
)
(5-15)
trong đó

t
ω
là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần
Đặt: k
đt

mS
U
ω
Δ=
ˆ
.
và gọi là lượng di tần cực đại.
k
đp

mS
U
ϕ
Δ=
)
.
và gọi là lượng di pha cực đại.
Khi đó các biểu thức (5-14), (5-15) viết lại như sau:

tcos.)t(
Smt
ω
ω
Δ

+ω=ω (5-16)

tcos.)t(
Sm0
ω
ϕ
Δ
+ϕ=ϕ (5-17)
Khi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên
0
)t(
ϕ
=
ϕ
. Thay (5-16) và
(5-17) vào (5-12) và tích phân lên được biểu thức của dao động điều tần:
U
đt
)sin.cos(.
ˆ
0
ϕω
ω
ω
ω
+
Δ
+= ttU
S
S

m
tt
(5-18)
Tương tự như vậy, ta có biểu thức dao động điều pha khi cho
const
t
=
ω
=
ω
:
U
đp
)cos.cos(.
0
ϕωϕω
+Δ+= ttU
Smtt
)
(5-19)
Lượng di pha đạt được khi điều pha

tcos.
Sm
ω
ϕΔ=ϕΔ
Tương ứng có lượng di tần là:

tsin
dt

)(d
SSm
ωωϕΔ=
ϕΔ
=ωΔ

và lượng di tần cực đại khi điều pha là:


SmSm
ω
=
ϕ
Δω=ωΔ
k
đp
S
U
)
.
(5-20)
Lượng di tần cực đại khi điều tần là:

=ωΔ
m
k
đt
S
U
ˆ

.
(5-21)
Như vậy ta thấy điều tần và điều pha đều làm cho góc pha thay đổi nên thường gọi
chung là điều chế góc. Điểm khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di tần khi
điều pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu điều chế và tần số điều chế, còn lượng di tần của tín
hiệu điề
u tần tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế mà thôi.
5.5. MẠCH ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA
5.5.1. Mạch điều tần.
Có thể dùng mạch điều tần trực tiếp hay điều tần gián tiếp.
Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tao dao động mà tần số
dao động riêng của nó được điều khiển bằng điện áp (VCO) hoặc bởi các mạch biến đổi
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

139
điện áp - tần số. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động là làm biến đổi trị
số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng
điốt biến dung (varicap) và tranzito điện kháng. Sau đây xét loại điều chế đó.
Mạch điều tần trực tiếp dùng điố
t biến dung. Điốt biến dung có điện dung mặt ghép
biến đổi theo điện áp đặt vào. Nó có sơ đồ tương đương hình 5-7a. Trị số R
D
và C
D
phụ
thuộc vào điện áp đặt lên điốt. Trường hợp điốt được phân cực ngược R
D
= ∞ còn C
D
được

xác định theo biểu thức:
γ
ϕ+
=
)U(
k
C
kD
D
(5-22)
trong đó k là hệ số tỷ lệ.
ϕ
k
là hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic
7,0
k
≈
ϕ
V
γ là hệ số phụ thuộc vật liệu:
2
1
, ,
3
1
=γ

Mắc điốt song song với hệ tạo dao động của bộ tạo dao động, đồng thời đặt điện
áp điều chế lên điốt thì C
D

thay đổi theo điện áp điều chế, do đó tần số cộng hưởng riêng
của bộ tạo dao động cũng biến đổi theo. Trên hình 5-6b là mạch điện bộ tạo dao động điều
tần bằng điốt biến dung. Trong mạch điện này điốt được phân cực ngược bởi nguồn E
2
.














Tần số dao động của mạch gần bằng tần số cộng hưởng riêng của hệ dao động và
được xác định như sau:
f
đd
)CC.(L.2
1
D3
+π
=
(5-23)
C

D
xác định theo biểu thức (5-22)
E
0
L
3
C D
R
D
C
D
(a)

+E
1
L
1
C
1
R
1
R
2
R
3
R
4
C
2

C
L
2
U
S
+E
2
C
4
L
5
L
4
R
5
(b)
Hình 5-6: Mạch điều tần bằng điốt biến dung.
a, Sơ đồ tương đương của điốt.
b, Mạch tạo dao động điều tần bằng điốt biến dung
C
5
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

140
Điện áp đặt lên điốt:

00
cos.cos. EtUtUEUUU
SSttStD
−−=−−=

ωω
)
(5-24)
Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện:

0
ˆˆ
0
≤−+== EUUUU
StDMaxD
và
ngcpStDD
UEUUUU ≤−−−==
0min
)
)
(5-25)
Khi điều tần bằng điốt biến dung phải chú ý những đặc điểm sau:
- Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng của R
D
đến phẩm chất của hệ tạo
dao động nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch.
- Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến
)U(fC
DD
=

của điốt biến dung (hình 5-8) để giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần
dùng điốt biến dung đạt được khoảng 1%.
- Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích thước nhỏ. Có thể dùng điốt bán

dẫn để điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz. Tuy nhiên độ tạp tán của tham s
ố
bán dẫn lớn, nên kém ổn định.










Điều tần dùng tranzito điện kháng: phần tử điện kháng dung tính hoặc cảm tính
đượcmắc 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 gồm một tranzito và hai linh kiện RC hoặc RL tạo
thành mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của tranzito. Xem thêm ở tài liệu tham khảo 1.
5.5.2. Mạch điều pha
Mạch điều chế pha theo Armstrong ở hình 5-9 được thực hiện theo nguyên lý: tải tin
từ bộ tạo dao động Thạch anh được đưa đến bộ điều biên 1 (ĐB1) và điều biên 2 (ĐB2)
lệch pha nhau 90
0
, còn tín hiệu điều chế u
S
đưa đến hai mạch điều biên ngược pha. Điện áp
đầu ra trên hai bộ điều biên là:

])cos().[cos(
2
ˆ

.
cos.
ˆ

cos).cos.1.(
ˆ
1
1
11
tt
Um
tU
ttmUU
StSt
t
tt
tStdb
ωωωωω
ωω
−+++=
+=

C
D
C
D
0

U
U

t

E
0
t
C
Dma
C
Dmi
0

Hình 5-7: Đặc tuyến C
D
=f(U
D
) của điốt biến dung và
nguyên lý biến đổi điện dung mặc ghép của điốt theo
điện áp dặt vào
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

141

])sin().[sin(
2
ˆ
.
sin.
ˆ

sin).cos.1.(

ˆ
2
2
22
tt
Um
tU
ttmUU
StSt
t
tt
tStdb
ωωωω
ωω
−++−=
−=

Đồ thị véc tơ của U
đb1
và U
đb2
và véc tơ tổng của chúng được biểu diễn trên hình 5-11.

Từ đồ thị đó, thấy rằng: tổng các dao động đã điều biên U = U
đb1
+ U
đb2
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 lượng di pha nhỏ. Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn Δϕ nhỏ. Để có điều biên ký
sinh nhỏ hơn 1% thì Δϕ < 0,35.
5.6. TÁCH SÓNG
5.6.1 Khái niệm
Tách sóng là quá trình lấy lại tín hiệu điều chế. Tín hiệu sau tách sóng phải giống
dạng tín hiệu điều chế ban đầu. Để tín hiệu ra không méo thì tín hiệu vào tách sóng phải có
biên độ đủ lớn. Tương ứng với các loại điều chế, ta cũng có các mạch tách sóng sau đây:
tách sóng điều biên, tách sóng điều tần, tách sóng điều pha.
ĐB1
ĐB2
Di pha 90
0

Tổng


1
t
U


2
t
U

U

1
t
U

U
đb2
U
đb1
Tín hiệu điều pha

Hình 5-8: Sơ đồ khối mạch điều pha theo ArmStrong
Hình 5-9: Đồ thị véc tơ của tín hiệu điều pha theo mạch Arstrong
Δϕ
→
U

2
ˆ
t
U

2
ˆ
.
t
Um

2
ˆ
.
t
Um


1
ˆ
t
U

1
ˆ
.
t
Um

1

ˆ
.
t
Um

1
db
U
r

2
db
U
r
u
đb2
Δϕ
0
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

142
5.6.2. Tách sóng điều biên.
5.6.2.1. Các tham số cơ bản
- Hệ số tách sóng
:
Tín hiệu vào bộ tách sóng là tín hiệu đã điều biên.

tUU
tVTSVTS
ω

cos.
ˆ
=
trong đó
VT
S
U
ˆ
biến thiên theo quy luật tin tức.
Tín hiệu ra bộ tách sóng điều biên:

VTSTSRTS
UKU
ˆ
.
ˆ
=

K
TS
là hệ số tỷ lệ và được gọi là hệ số tách sóng.

VTS
RTS
TS
U
U
K
ˆ
ˆ

=

- Thực tế, đối với quá trình tách sóng chỉ cần quan tâm đến thành phần biến thiên
chậm (mang tin tức) mà thôi, do đó thường xác định hệ số tách sóng như sau:

VTS
RTS
TS
U
U
K
ˆ
ˆ
=
(5-26)
- Trở kháng vào bộ tách sóng:


t
t
VTS
VTS
VTS
I
U
I
U
Z
ω
ω

==
ˆ
(5-27)
- Méo phi tuyến:


%100.

2
3
2
2
S
SS
I
II
k
ω
ωω
++
=

trong đó
SS
II
ωω
32
,
là thành phần dòng điện các sóng hài của tín hiệu điều chế xuất
hiện khi qua mạch tách sóng.

Ở đây không quan tâm đến các sóng hài dòng điện cao tần vì dễ dàng lọc bỏ chúng.
5.6.2.2. Mạch tách sóng điều biên.
Xét mạch tách sóng điều biên dùng điốt mắc nối tiếp hình 5-10. Nếu tín hiệu vào đủ
lớn sao cho điốt làm việc trong đoạn thẳng của đặc tuyến như trên hình 5-11 ta có quá trình
tách sóng tín hiệu lớn. Lúc đ
ó dòng điện qua điốt biểu diễn:

=
D
i
⎩
⎨
⎧
<
≥
0 0
0
D
DD
Ukhi
UkhiSU
(5-28)



R
C
D
U
C

= U
S
U
đb
(a)
R
C
D
U
R
= U
S
U
đb
(b)
Hình 5-10: Sơ đồ tách sóng dùng điốt.
a, Tách sóng nối tiếp. b, Tách sóng song song
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

143




Trong sơ đồ hình 5-10 điốt chỉ thông với nửa chu kỳ dương của dao động cao tần đầu
vào. Hình bao của dao động nhận được nhờ sự nạp, phóng của tụ C (hình 5-11). Do tín hiệu
vào có tần số rất cao các nửa hình sin rất sát nhau, hình bao do sự nạp phóng của tụ xem
như một đường trơn, đó chính là tín hiệu U
s
cần tách.

Trong sơ đồ hình 5-10 phải chọn hằng số thời gian τ = R.C đủ lớn sao cho dạng điện
áp ra tải gần với dạng hình bao của điện áp cao tần đầu vào. Thông thường điện áp vào lớn
hơn 1 vôn hiệu dụng và R >> R
i
, R
v
thì có thể tách sóng được điện áp đỉnh. Tuy nhiên cũng
không được chọn τ quá lớn để tránh méo do điện dung gây nên. Điều kiện tổng quát để
chọn τ là:


















St
CR
ω

τ
ω
1
.
1
<<=<<
(5-29)
Trường hợp chọn C lớn quá làm cho vế thứ hai của bất đẳng thức (5-29) không thoả
mãn thì điện áp ra khi tụ phóng không biến thiên kịp với biên độ điện áp vào, gây méo tín
hiệu như ở hình 5-13.
i
d
i
d
U
d
U
đb
t

θ

0

0

t

Hình 5-11: Quá trình tách sóng tín hiệu lớn
nhờ mạch chỉnh lưu dùng điốt

Hình 5-12: Đồ thị thời gian điện áp ra U
C
trên tải bộ tách sóng nối tiếp
2θ
U
c
t

0

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

144
Thực tế thường chọn R, C theo điều kiện:

max
1
.
10
St
CR
ωω
<<
(5-30)
Muốn dễ dàng thoả mãn (5-30) cần
maxSt
100
ω
≥
ω

5.7. TÁCH SÓNG ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA
Tách sóng điều tần và điều pha thường được thực hiện theo một trong những nguyên
tắc sau:
- Biến đổi tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên rồi thực hiện tách
sóng biên độ.
- Biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung rồi thực hiện tách
sóng tín hiệu điều chế độ
rộng xung nhờ mạch tích phân.
- Làm cho tần số tín hiệu cần tách sóng bám theo tần số của một bộ tạo dao động nhờ
hệ thống vòng giữ pha PLL, điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.
Ta xét một số mạch cụ thể:
a. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng.
Hình 5-14. là sơ đồ mạch tách sóng điều tần số dùng mạch lệch cộng hưở
ng. Đầu vào
hai bộ tách sóng biên độ (D
1
, D
2

) là hai mạch cộng hưởng được điều chỉnh tại các tần số ω
1
,
và ω
2
. Nếu gọi tần số trung tâm của tín hiệu điều tần đầu vào là ω
0
= ω
t
thì:

ω
Δ+ω=ω
01
;
ω
Δ
−
ω
=
ω
02

Sự điều chuẩn mạch cộng hưởng lệch khỏi tần số trung bình của tín hiệu vào làm biên
độ điện áp vào của hai bộ tách sóng biên độ (U
1
, U
2
) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp
vào. Từ mạch điện hình 5-14 xác định được:

2dt2
1dt1
Z.U
ˆ
.mU
ˆ
Z.U
ˆ
.mU
ˆ
=
=
(5-31)
U
c
U
đb
db
U
ˆ

U
c
0

Hình 5-13: Hiện tượng méo tín hiệu tách sóng do tải điện dung quá lớn.
t
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

145
trong đó m là hệ số ghép của biến áp vào (
L
M
=
)








Z
1
, Z
2
là trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2. Mà Z
1
, Z
2
được xác định theo:

2
0
1td
2
1
1

1
1td
1
)(1
R
]
)(
.Q.2[1
R
Z
ξ−ξ+
=
ω
ω−ω
+
=
(5-32)

2
0
2td
2
2
2
2
2td
2
)(1
R
]

)(
.Q.2[1
R
Z
ξ+ξ+
=
ω
ω−ω
+
=

R
td1
, R
td2
lần lượt là hai trở kháng của hai mạch cộng hưởng ở tần số cộng hưởng
ω
1
và ω
2
.
Q
1
, Q
2
là phẩm chất của các mạch cộng hưởng tương ứng.
Chọn hai mạch cộng hưởng như nhau ta có:

td2td1td
RRR == , QQQ

21
=
=


0
2,10
0
Q.2
ω
ω−ω
=ξ
là độ lệch số tần số tương đối giữa tần số cộng hưởng
riêng của mạch dao động với tần số trung bình của tín hiệu vào.

0
0
Q.2
ω
ω−ω
=ξ
là độ lệch lệch số tần số tương đối giữa tần số tín hiệu vào
và tần số trung bình.
Theo (5-32) khi tần số tín hiệu vào ω thay đổi thì Z
1
, Z
2
thay đổi kéo theo sự thay đổi
của biên độ điện áp vào
21

U
ˆ
,U
ˆ
nghĩa là quá trình biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu
điều biên đã được thực hiện. Qua bộ tách sóng biên độ ta nhận được các điện áp.

2
0
1td
dtTS1TS1S
)(1
R
.U
ˆ
.m.KU
ˆ
.Ku
ξ−ξ+
==
)
(5-33)
Hình 5-14: Mạch điện bộ tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng
D
1
D
2
C

C

R

1
U
ˆ

R

2
U
ˆ
2

1

U
S1

U
S2

U
S

U
đt

M

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

146

2
0
2td
dtTS2TS2S
)(1
R
.U
ˆ
.m.KU
ˆ
.Ku
ξ+ξ+
==
)
(5-34)
Điện áp ra tổng.

),.(.U
ˆ
.R.m.Kuuu
0dttdTS2S1SS
ξξψ=−=
Tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng có nhược điểm la khó điều chỉnh cho hai
mạch cộng hưởng hoàn toàn đối xứng nên ít được dùng.
b. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép
Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép ở hình 5-15. Mạch điện làm

việc theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên về pha, sau đó thực hiện tách
sóng pha nhờ tách sóng biên độ. Tín hi
ệu điều tần một mặt ghép qua biến áp đưa sang cuộn
thứ cấp, một mặt được ghép qua tụ C
gh
. Do đó điện áp đặt lên các điốt D
1
, D
2
lần lượt là:

2212D
2111D
UUU
UUU
+=
+=
(5-35)

Ta phân biệt 3 trường hợp:
+ Khi tần số tín hiệu vào f = f
0
(đồ thị véc tơ hình 5-16). Trong đó f
0
là tần số cộng
hưởng của mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp, dòng điện qua điện cảm L
1
chậm pha so với
1
U
một góc 90
0
và được xác định như sau:

1
1
L1
L j
U
I
ω
=
(5-36)
Dòng
L1
I
gây ra trong cuộn thứ cấp L

2
sức điện động.
21
U
1D
U
22
U
2D
U
2
I
I, L
ϕ
I
2
E
M
ϕ
1

1 2
U
1
Hình 5-16:
Đồ thị véc tơ các dòng điện và điện áp
vào của bộ tách sóng tần số dùng mạch
cộng hưởng ghép
U
đt

C
1
C
g
L
1
L
2
U
2
U
2
D
1
D
2
C

C

R

R

U
s
Hình 5-15: Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép.
C
L
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

147

L1M
I.M jE ω=
(5-37)
Giả thiết M > 0 nên
M
E
sớm pha so với
L
I
1
một góc 90
0
.
M
E
sinh ra dòng
2
I
trong
mạch cộng hưởng thứ cấp. Vì f = f
0
nên
2
I
đồng pha với
M
E

.

2
M
2
r
E
I =
(5-38)
trong đó r
2
là điện trở tổn hao của mạch cộng hưởng thứ cấp. Điện áp
21
U và
22
U
ngược pha nhau và lệch pha so với
2
I
là ± 90
0
. Vì
1D
U ,
2D
U
có biên độ bằng nhau nên
điện áp ra.

0)UU.(KU

2D1DTSS
=−=
.
+ Trường hợp f > f
0
(đường đứt nét trên đồ thị véc tơ hình 5-16). Mạch cộng hưởng
thứ cấp mang tính chất điện cảm nên
2
I
chậm pha so với
M
E
một góc ϕ < 90
0
.
21
u
ˆ
và
22
U

ngược pha nhau và vuông góc với
2
I
. Giữa
1
U
và
21

U ,
22
u
ˆ
có một góc lệch pha lần lượt
là ϕ
1
và π - ϕ
1
. Tần số tín hiệu vào càng lệch khỏi tần số cộng hưởng trung tâm f
0
thì biên
độ
1D
U
càng lớn hơn biên độ
2D
U
, do đó trị số điện áp ra U
S
càng lớn.
+ Trường hợp f < f
0
thì mạch thứ cấp mang tính chất điện dung nên
2
I
sớm pha hơn
M
E
, do đó

1D
U
<
2D
U
và u
S
âm.
- Tóm lại khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì đầu nút của véc tơ
1D
U
và
2D
U
di
chuyển trên các vòng tròn 1 và 2 trên hình 5-16 làm cho điện áp ra thay đổi về trị số và cực
tính. Trị số điện áp ra đặc trưng cho độ lệch của tần số tín hiệu vào so với tần số trung tâm
f
0
, còn cực tính của điện áp ra cho biết tần số tín hiệu vào lệch khỏi tần số trung tâm về phía
nào (lớn hơn hay nhỏ hơn f
0
).
Tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép ít gây méo và dễ điều chỉnh vì cả hai mạch
đều cộng hưởng ở tần số f
0
. Tuy nhiên điện áp ra trong bộ tách sóng này vừa phụ thuộc tần
số vừa phụ thuộc biên độ tín hiệu vào
1
U

nên nó sinh ra nhiễu biên độ. Để khắc phục
nhược điểm này, phải đặt trước mạch tách sóng một mạch hạn chế biên độ.
c. Mạch tách sóng tỷ số







D
1
U
đt
1
U

2
U
D
2
C

C

U
S1
U
S2
C

1
R

R

U
0
U
S
Hình 5-17: Sơ đồ mạch tách sóng tỷ số
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

148

Mạch tách sóng điều tần tỷ số có sơ đồ ở hình 5-17. Các điốt tách sóng được mắc nối
tiếp nhau. Mạch vừa làm nhiệm vụ tách sóng vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ.
Dòng qua các điốt nạp điện cho tụ C
1
. Hằng số thời gian )2,01,0(C.R
1
÷≈
=
τ

giây khá lớn nên điện áp trên C
1
biến thiên rất chậm làm cho nhiễu biên độ giảm. Có thể
chứng minh điều đó bằng biểu thức sau:
U
S

= U
S1
- U
R

với
22
21
0
SS
R
UU
U
U
+
==

Thay vào ta có:

21
21
0
21
.
22
SS
SSSS
S
UU
UU

U
UU
U
+
−
=
−
=

Hay
1/
1/
.
2
21
21
0
+
−
=
SS
SS
S
UU
UU
U
U
(5-39)
Khi U
0

≈ const, điện áp ra chỉ chỉ phụ thuộc vào tỷ số U
S1
/ U
S2
, hơn nữa U
S1
, U
S2

giống như trong bộ tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép, phụ thuộc vào biến thiên tần số
ở đầu vào. Vì vậy bộ tách sóng tỷ số không có phản ứng với các biến thiên về biên độ ở đầu
vào nên tránh được nhiễu biên độ.
d. Mạch tách sóng pha cân bằng dùng điốt












Mạch tách sóng pha cân bằng là hai mạch tách sóng biên độ dùng điốt ghép với nhau
hình 5-18. Tín hiệu cần tách sóng chính là tín hiệu
đã điều pha, U
dp
được so sánh về pha với

một dao động chuẩn U
ch
. Biểu thức U
dp
và U
ch
như sau:
U
đp
)t(cos.U])t(tcos[.U
1101011
ϕ=ϕ+ϕ+ω=
)
)


)(cos.]cos[.
2202022
tUtUU
ch
ϕϕω
)
)
=+=

U
S2

U
®p

U
S
U
ch
R
R
C
C
Đ
2
Đ
1
U
S1

+
_
+
_
+
a)
1D
U
ˆ

1
U
ˆ
1
U

ˆ
−

2D
U
ˆ

U
2
Δ
b)

Hình 5-18: a) Mạch điện bộ tách sóng điều pha dùng điốt.
b) Đồ thị véc tơ của các điện áp.
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

149
Điện áp đặt lên hai bộ tách sóng tương ứng là:

])(cos[.
010111
ϕϕω
++= ttUU
D
)
+
]cos[.
02022
ϕω
+tU

)


])t(tcos[.UU
010112D
ϕ+ϕ+ω−=
)
+
]cos[.
02022
ϕω
+tU
)

Điện áp ra tương ứng trên hai bộ tách sóng biên độ xác định được theo đồ thị véc tơ
hình 5-18b.

)(cos 2
21
2
2
2
1111
tUUUUKUKUU
TSDTSSt
ϕ
Δ++===
)
)
)

)
)
)


)(cos 2
21
2
2
2
1222
tUUUUKUKUU
TSDTSSt
ϕ
Δ−+===
)
)
)
)
)
)
(5-40)
trong đó
TS
K
là hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ.

t
S
TS

Um
U
K
.
=
(5-41)

)(t
ϕ
Δ
là hiệu pha của hai điện áp vào.

)()()(
0201)(0201
ϕ
ϕ
ϕ
ω
ω
ϕ
−
+
+
−=Δ
t
tt

Điện áp ra trên bộ tách sóng:

21 SSS

UUU −=
=
S
U
)(21
2
2
2
1
cos 2.[
tTS
UUUUK
ϕ
Δ++
)
)
)
)
)(cos 2
212
2
1
tUUUU
ϕ
Δ−+−
)
)
)
)
]

(5-42)
Vậy trị số tức thời của điện áp ra trên bộ tách sóng phụ thuộc hiệu pha của tín hiệu
điều pha và tín hiệu chuẩn. Trường hợp
0201
ωω
=
và
0201
ϕ
ϕ
=
thì điện áp ra chỉ còn phụ
thuộc vào pha của tín hiệu vào ϕ(t).
5.8. TRỘN TẦN
5.8.1. Định nghĩa
Trộn tần là quá trình tác dụng vào hai tín hiệu sao cho trên đầu ra bộ trộn tần nhận
được các thành phần tần số tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó (thường lấy hiệu tần số).
Thông thường một trong hai tín hiệu đó là đơn âm (có một vạch phổ), tín hiệu đó gọi
là tín hiệu ngoại sai và có tần số f
ns
. Tín hiệu còn lại là tín hiệu hữu ích với tần số f
th
cố định
hoặc biến thiên trong một phạm vi nào đó. Tín hiệu có tần số mong muốn ở đầu ra được
tách nhờ bộ lọc, tần số của nó thường được gọi là tần số trung tần f
tt
.
Để thực hiện trộn tần phải dùng phần tử phi tuyến hoặc dùng phần tử tuyến tính tham số.
5.8.2. Nguyên lý trộn tần
Giả thiết đặc tuyến của phần tử phi tuyến được biểu diễn theo chuỗi Taylor sau đây:

2
210
+++++=
n
n
uauauaai
(5-43)
trong đó U là phần điện áp đặt lên phần tử phi tuyến để trộn tần. Trong trường hợp
này U = U
ns
+ U
th

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

150
Giả thiết

tUU
nsnsns
ω
cos.
)
=


tUU
ththth

ω
cos.
)
=

Thay vào (5-57) ta có:

.(
10
aai +=
tU
nsns
ω
cos.
)
)cos. tU
thth
ω
)
+


).(
2
22
2
thns
UU
a
))

++ tU
a
nsns
ω
2cos (
2
2
2
)
+ )2cos.
2
tU
thth
ω
)
+

])cos().[cos(
2
+−+++ ttUUa
thnsthnsthns
ωωωω
)
)
(5-44)
Vậy tín hiệu ra gồm có tín hiệu một chiều, thành phần cơ bản
thns
ω
ω
,

; các thành
phần tần số tổng và hiệu
thns
ω
ω
± , thành phần bậc cao
thns
ω
ω
2,2 . Tính các vế tiếp theo
của (5-58) ta thấy trong dòng điện còn có các thành phần bậc cao:

thns
mn
ωωω
±±=

trong đó
mn,
là những số nguyên dương.
Nếu trên đầu ra bộ trộn tần lấy tín hiệu có tần số
=
ω
thns
ω
ω
−
, nghĩa là chọn
1== mn
thì ta có trộn tần đơn giản.

Có trường hợp lấy
=
ω
thns
n
ω
ω
−
với
2≥n
ta có trộn tần tổ hợp.
Trộn tần được dùng trong máy thu đổi tần. Nhờ bộ trộn tần, mạch cộng hưởng của
các tầng trung tần của máy thu tần được điều chỉnh cộng hưởng ở một tần số cố định. Tần
số ngoại sai được đồng chuẩn với tần số tín hiệu vào sao cho
tt ns th
f
f f const
=
−=
.
Cần chú ý rằng quá trình trộn tần biên độ điện áp ngoại sai rất lớn hơn điện áp tín
hiệu nên đôí với tín hiệu đặc tuyến vôn-ampe của phần tử trộn tần xem như tuyến tính còn
với điện áp ngoại sai xem như phi tuyến.
5.8.3. Mạch trộn tần
5.8.3.1. Mạch trộn tần dùng điốt.
Mạch trộn tần dùng điốt được dùng rộng rãi
ở mọi tần số đặc biệt ở phạm vi tần số
cao (trên 1GHz). Mạch trộn tần dùng điốt có nhược điểm là làm suy giảm tín hiệu. Mạch
trộn tần dùng điốt được biểu diễn trên hình 5-19.

th
U
U
tt
ns
U
a)
i
tt1
+
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

151

Trong sơ đồ trộn tần đơn mạch tín hiệu, mạch ngoại sai và mạch trung trung tần mắc
nối tiếp nhau. Có thể tính
itttt
GS , cho sơ đồ dựa vào đặc tuyến lý tưởng hoá của điốt biểu
diễn trên hình 5-20. Theo đặc tuyến đó:
Viết được biểu thức dòng điện qua điốt.

⎩
⎨
⎧
<
≥
=
0Ukhi0
0UkhiU.S
i



ở đây
i
i
G
Rdu
di
S ===
1

π/2
S
S
S
0
0
i
U
i
ω
nst
0
θ
U
ns
ω
nst
Hình 5-20: Đặc tuyến volt - ampe

của điôt và quan hệ )( tfS
ns
ω
=

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

152

Vì điện áp ngoại sai là hàm tuần hoàn theo thời gian nên hỗ dẫn
S
là một dãy xung
vuông với độ rộng xung phụ thuộc góc cắt
θ
. Với điểm tĩnh chọn ở gốc toạ độ thì
2
)90(
0
π
θ
==
.
Theo Furiê khi đó ta tính được biên độ
S sóng cơ bản là:

π
S
S
.2
1

=
)


π
S
SS
tt
==
1
.
2
1
)

còn
2
S
GG
ioitt
==

Để chống tạp âm ngoại sai, dùng sơ đồ trộn tần cân bằng (hình 5-20b). Trong bộ trộn
tần này điện áp tín hiệu đặt lên hai điôt ngược pha còn điện áp ngoại sai đặt lên hai điôt
đồng pha, nghĩa là:

tUU
thththD
ω
cos.

1
)
=


)cos(.
2
πω
+= tUU
thththD
)

và
nsnsDnsD
UUU ==
21
. Do đó dòng điện trung tần qua các điôt do
th
U tạo ra:

11
.cos( )
tt tt ns th
iI t
ωω
=−
)


22

.cos[( ) ]
tt tt ns th
iI t
ω
ωπ
=− − +
)
2
.cos( )
tt ns th
It
ωω
=−
)

trong đó
1tt
I =
)
2tt
I
)
tt
I=
)
thtt
US
)
.=

Trên mạch cộng hưởng ra ta nhận được:

tt
i =
1tt
i +
2tt
i
=
2. .cos
tt tt
It
ω

Mạch này tạo ra dòng điện tạp âm đầu ra ngược pha nhau trên mạch cộng hưởng ra
nên nó tự triệt tiêu nhau.
Như vậy mạch trộn tần cân bằng làm tăng dòng điện trung tần đầu ra và giảm được
tạp âm. Cũng có thể dùng mạch trộn tần vòng.
5.8.3.2. Mạch trộn tần dùng Tranzito.
Ưu điểm của mạch trộn tần kiểu này là ngoài nhiệm vụ trộn tần còn khuếch đạ
i nên
tín hiệu ra có biên độ lớn. Có thể dùng Tranzito trường hay Tranzito lưỡng cực để trộn tần.
Có thể dùng cách mắc gốc chung hay phát chung. Mạch mắc gốc chung dùng ở phạm vi tần
số cao hay siêu cao vì tần số giới hạn của nó cao. Tuy nhiên sơ đồ này độ khuếch đại không
bằng mạch phát chung.
Mạch trộn tần dùng Tranzito lưỡng cực hình 5-21.

R
1
C

2
C
1
U
h
U
tt
+E
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

153

Mạch trộn tần dùng tranzito trường cũng có kết cấu tương tự. Mạch dùng tranzito
trường có hai cực cửa như hình 5-22.











+E
C
R
1
R
2
R
3
C
4
C
2
C
1

C
3
U
tt
U
th
U
ns
Hình 5-22: Mạch trộn tần dùng Tranzito trường có hai cực cửa.
Hình 5-21.b: Mạch trộn tần dùng Tranzito.
U
tt
U
th
U
ns
R
1
R
2
R
3
C
2
C
1
+E
C
3
Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

154

5.9. MẠCH NHÂN CHIA TẦN SỐ
Để tạo ra tín hiệu có tần số theo yêu cầu từ một tín hiệu có tần số chuẩn ta dùng mạch nhân
hoặc chia tần số. Mạch nhân chia tần số hiện nay phổ biến dùng vòng giữ pha viết tắt là PLL.
Nguyên lý làm việc của PLL được chỉ ra ở hình 5-23. PLL hoạt động theo nguyên tắc
vòng điều khiển. Khác với vòng điều khiển thường dùng trong kỹ thuật điện tử, trong đó
điện áp ho
ặc dòng điện là các đại lượng vào và đại lượng ra, trong PLL đại lượng vào và đại
lượng ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm
vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, nghĩa
là PLL làm cho tần số f
r
của tín hiệu so sánh bám theo tần số f
v
của tín hiệu vào, cho ®Õn khi
tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số của tín hiệu ra ( f
r
= f
v
).

Để có tín hiệu điều chỉnh U
d
(hoặc i
d
) tỷ lệ với hiệu pha Δϕ = ϕ
v
- ϕ
r
phải dùng bộ
tách sóng pha. ở đầu ra bộ tách sóng pha là tín hiệu hiệu chỉnh được đưa đến bộ tạo bộ dao
động khống chế bằng điện áp (VCO) làm thay đổi tần số dao động của nó sao cho hiệu tần
số của tín hiệu vào và tín hiệu ra giảm dần và tiến tới không, nghĩa là f
r
= f
v
.
Các phần tử cơ bản của vòng giữ pha gồm có bộ tách sóng pha, bộ lọc thông thấp và
một bộ lọc tạo dao động điều khiển bằng điện áp VCO.
Để hiểu rõ nguyên lý làn việc của mạch, ta xét trường hợp đơn giản tín hiệu vào và tín
hiệu ra so sánh đều là tín hiệu hình sin, vòng giữ pha thuộc loại tuyến tính dùng mạch nhân
tương tự để tách sóng pha.
Với giả thuyết trên, ta thấy khi không có tín hiệ
u vào thì tín hiệu hiệu chỉnh U
d
= 0,
và tín hiệu ra của bộ tách sóng pha là tích U
v0
.U
r
. Mạch VCO dao động tại tần số dao động

riêng f
0
của nó. f
0
còn được gọi là tần số dao động tự do. Khi có tín hiệu vào, bộ tách sóng
pha sẽ so pha tần số của tín hiệu vào với tín hiệu so sánh. Đầu ra bộ tách sóng pha xuất hiện
tín hiệu U
d
mà trị số tức thời của nó tỷ lệ với hiệu pha (hiệu tần số ) của hai tín hiệu vào tại
thời điểm đó.
Vì U
d
=K.U
v
.U
r
nên trong tín hiệu ra bộ tách sóng pha có các thành phần tần số f
v
- f
r

và f
v
+ f
r
. Tần số tổng bị loại bỏ nhờ bộ lọc thông thấp, còn tần số hiệu được khuếch đại lên
và dùng làm tín hiệu điều khiển tần số dao động của VCO. Tần số của VCO được thay đổi
sao cho f
v
- f

r
tiến tới không, nghĩa là f
v
=f
r
.
U
V
f
V

VCO LTT và KĐ
U
d
=K
d
U
V
U
r

(f
V
- f
r
)
(f
V
+ f
r

)
Tín hiệu so sánh U
r

(ω'
r
= ω
r
/n
Hình 5-23: Sơ đồ khối vòng giữ pha.
U
r
f
r