Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 5: Trộn tần

Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin
KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG

BÀI GIẢNG
NHẬP MÔN ĐIỆN TỬ
THÁNG 9/2012


Chương 5: Trộn tần
1.

Cơ sở lý thuyết

2.

Mạch trộn tần dùng điốt

3.

Mạch trộn tần dùng tranzito

4.

Bộ trộn bằng vi mạch tích hợp

5.

Nhiễu trong mạch trộn tần


1.Cơ sở lý thuyết

a). 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 và hiệu của hai tín hiệu đó (thường lấy hiệu tần số).
Có hai tín hiệu:
- Tín hiệu đơn âm (có một vạch phổ): tín hiệu ngoại
sai và có tần số fns.;
- Tín hiệu hữu ích với tần số fth 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, là tần số trung gian ftg.
Để thực hiện trộn tần phải dùng phần tử phi tuyến (các linh
kiện bán dẫn) hoặc dùng phần tử tuyến tính tham số.


b). Nguyên lý trộn tần

Phần tử phi tuyến được biểu diễn theo chuỗi Taylor:

i = a0+a1u+ a2u2+ a3u3+...+ anun+...
Điện áp đặt lên phần tử phi tuyến:

u=uns+uth=Unscosωnst+ Uthcosωtht

Þ i = a0+a1(Unscosωnst+Uthcosωtht)+ a2(Unscosωnst+Uthcosωtht)2+
+ a3(Unscosωnst + Uthcosωtht)3+...+ an(Unscosωnst +Uthcosωtht)n+...
Các tín hiệu ra gồm các thành phần:

+ Thành phần cơ bản: ωns, ωth;

+ Các thành phần tần số tổng và hiệu ωns ± ωth;
+ Thành phần bậc 2: 2ωns, 2ωth;
+ Thành phần bậc cao: ω = ± nωns ± mωωth


- Nếu chọn n = mω = 1, đầu ra bộ trộn tần lấy tín hiệu có
tần số ω=ωns - ωth : trộn tần đơn giản (thường chọn).
- Trường hợp lấy ω = n.ωns - mωωth với n,mω ≥ 2 : trộn tần tổ
hợp.
Phân loại:
+ Trộn tần bằng phần tử tuyến tính thamω số (mạch nhân);
+ Trộn tần bằng phần tử phi tuyến (diot, transitor,..)
+ Trộn tần bằng chuyển phổ (về tần số thấp hoặc cao tùy thuộc
vào vị trí tương đối giữa tần số đầu vào fth với tần số trung gian ftg
đầu ra).
Ứng dụng:
- Trộn tần được dùng trong máy thu đổi tần. Nhờ bộ trộn tần,
mạch cộng hưởng của các tầng trung gian 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 ftg = fns -


c). H phng trỡnh c trng:
+ Dòng điện đi ra: ir=f(uns ,uth ,utg)
với: uns=Uns cosωnst
uth=Uth cosωtht
utg=Utg cosωtgt
thường Uth, Utg<Þ ir =
Với:

ins(uns)=I0+I1 cosωnst+ I2 cos2ωnst + I3 cos3ωnst+....
s(uns)=S0+S1 cosωnst+ S2 cos2ωnst + S3 cos3ωnst+....
g(uns)=G0+G1 cosωnst+ G2 cos2ωnst + G3 cos3ωnst+....
Þ


t tg = nns th ị
: Phơng trình biến đổi thuận
- Sn l biên độ hi bậc n của hm
- Gn l thnh phần một chiều của hm

+ Dòng điện đi vo: iv=f(uns ,uth ,utg) vi Uth, Utg< Uns
ị

: Phơng trình biến đổi ngc

- Sm:biên độ thnh phần bậc m(=n trên) của hỗ dẫn biến đổi ngợc

- Gm: thnh phần mét chiỊu cđa ®iƯn dÉn vào


d). Các tham số của bộ trộn tần :
+ Hỗ dẫn trộn tần:
+ Điện dẫn trộn tần:
+ Hệ số khuếch đại tĩnh:
+ Hỗ dẫn trộn tần ngợc:
+ Điện dẫn (trong khi có hiện tợng trộn tần ngợc):
+ Hệ số khuếch đại tĩnh (khi đổi tần ngợc):

ị

Mch trn tn dựng it
i, Mạch trộn tần đơn:
Phơng trình biểu diễn đặc tuyến V-A:
a: l hằng số đợc xác ®Þnh b»ng thùc nghiƯm


ii, Mạch trộn tần cõn bng:

Mạch trộn tần cân bằng lm tăng dòng điện trung gian ở đầu ra v
có khả năng khử tạp âm tần số trung gian do nguồn ngoại sai mang
đến.


iii, Mạch trộn tần vũng:

Với cách tính toán giống nh ở mạch điều chế, ta thu đợc ở đầu ra sơ ợc ở đầu ra sơ
đồ ny chỉ có các thnh phần tần số ns th , các thnh phần khác bị
khử, do đó dễ tách đợc thnh phần có tần số trung gian mong muốn,
bằng các mạch läc.


3. Mạch trộn tần dùng tranzito.
-Ưu điểm của mạch trộn tần kiểu này là ngồi nhiệm vụ trộn tần
cịn khuếch đại 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 Bozo (mạch gốc) chung hay Emitto (mạch
phát) chung.
-Mạch mắc B 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 khụng
bng mch E chung.
-Các tham số của sơ đồ trộn tần phụ thuộc vo điểm lm việc, vo
độ lớn của điện áp ngoại sai v vo tham số của tranzistor.
- Có mạch trộn tần dùng tranzito đơn, tranzito đẩy kéo hoặc
tranzito đẩy kéo kép.


i, Mạch trộn tần dùng tranzito đơn

EC- uns ®ưa vào Emitto

EC- uns ®ưa vào Bazo


BC- uns đa vo Emitto

BC- uns đa vo Bazo

Điện áp ngoại sai đợc ghép lỏng với bazo của tranzistor trộn tần để
tránh ảnh hởng tơng hỗ giữa mạch tín hiệu và m¹ch ngo¹i sai.


ii, Mạch trộn tần dùng tranzito đẩy kéo

- Ở mạch này T1, T2 mắc C chung đối với uth và uns. Khi uns tăng
dòng iC2 tăng → uRE tăng →iC1 giảm. Còn khi uth tăng dòng iC1
tăng → uRE tăng → iC2 giảm. Như vậy uth và uns tạo ra dịng ở
đầu ra iC ngược pha nhau, do đó dịng điện ra chứa tần số ωtg =
ωns - ωth cho ra tín hiệu tần số trung gian.

Ưu ®iĨmu ®iĨm: MÐo phi tuyến nhỏ (hi bậc chẵn bị triệt tiêu); - Phổ tín hiệu ra hẹp;
-Liên hệ giữa mạch tín hiệu v mạch ngoại sai ít;
- Khả năng xuất hiện điều chế giao thoa thấp.
Vì những u điểm đó, nên loại mạch ny hay đợc dùng trong bộ trộn tần của
máy ph¸t tÝn hiƯu.


4. Bộ trộn bằng vi mạch tích hợp
(Mạch trộn tần dùng tranzito đẩy kéo kép)

Khi kh«ng cã tÝn hiƯu vào, dòng qua T5
v T6 bằng nhau, do đó dũng qua T1 T2 và
T3 T4 cịng b»ng nhau, sao cho dßng điện
qua các chân ra 12 v 13 nh nhau v
bằng nửa dòng điện tổng.
- Khi có điện áp ngoại sai đặt vo chân
6 v 14 v với trị số no đó T6 ngắt,
chỉ còn dòng chảy qua T5 v dòng chảy
qua T1 v T2 cũng bằng một nửa dòng
tổng
- Do đó cũng nh trờng hợp trên (không có điện áp uns), dòng qua các
chân 12 v 13 bằng nhau. Tơng tự đối với những thời đỉêm khác nhau
của điện áp ngoại sai hoặc điện áp tín hiệu, ta đều có kết quả nh vậy.
-

- Dòng điện ở các đầu ra chỉ biến đổi khi điện áp ngoại sai v iện áp tín
hiệu đồng thời tác động lên các đầu vo.


Nhiu trong mch trn tn

- ầu vo, điện áp tín hiệu với tần số fv=fth, nhờ tính chọn lọc của
tải, trên đầu ra, điện áp với tần số ftg=nfnfns mf mfth nf. Tuy nhiên cũng
có những thnh phần tần số khác fth gây ra nhiễu.
ftg= nfns mfv ; ftg= -nfns - mfv
ftg= nfns- mfv ; ftg= -nfns+ mfv
+ n=0; m=1, tøc là ftg=fv, ta cã nhiƠu lät th¼ng.
+ n=1; m=1, fv = fns ± mf ftg :
* fv = fns - ftg, đây chính l tần số tín hiệu vo: fth nên không coi l nhiễu
* fv = fns + ftg, gäi là nhiƠu ¶nh
+ m=1; n=2, tøc là fv = 2fns mf ftg
- Trong các loại nhiễu ny, nhiễu lọt thẳng có thể lọc đợc nhờ các mạch
lọc ®Çu vào, nhiƠu fv = 2fns ± mf ftg cã thể loại bỏ khi chọn phần tử tích cực
lm việc; chỉ có nhiễu tần số ảnh l khó lọc, nhất là khi ftg <