Giáo trình phân tích quy trình ứng dụng kỹ thuật nối tiếp tín hiệu điều biên p5 pps

Nhưng do C
Đ
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
 R
1
, R
2
: tạo phân cực cho
diode Tunel nằm ở đoạn có
điện trở âm.
 C
1
: cho điện áp âm tần đi
qua, ngăn điện áp một
chiều.
 C
2
:

ngắn mạch điện áp cao
tần không cho vào nguồn
cung cấp V
CC

.



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 V
Đ
tăng và I
Đ
giảm nên R = V
Đ
/I
Đ
tăng làm f
0
tăng lên.
 Khi V

giảm thì V
Đ
giảm và I
Đ
tăng nên R = V
Đ

/I
Đ
giảm làm f
0
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).


f
0
= - (3.26)

1
2
1
L
K
(C
K
+ C
2
)
1
C
2
(C
K
+ C
1

)R
2

V

V
CC
R+

0

0

I

V

V

b)

a)

V

Hình 3-9: Điều tần bằng Diode Tunel.
a) Sơ đồ điều tần;
b) Đặc tuyến Volt-ampe và R
R
2

C
1


C
1


C
K

L
K

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 f
0
.
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 C
V
thay đổi làm f
0
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) Điều tần dùng 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. Trò số R
V
và C
V
phụ thuộc vào
điện áp đặt trên diode. Trường hợp diode phân cực ngược R
V
=  và còn C
V
được
xác đònh theo công thức:

Trong đó:
C
D
C
D
C

D
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 C
V
theo V

(c)
L
K
C
K
V
PC
V

R
PC
C
D
R

D
b)

a)


C
V
= (3.27)
(V
Đ
+
T
)



k

 k: Hệ số tỷ lệ; k = C
V0
. 
T
; C
V0
:C
V
ban đầu khi V
Đ
= 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
V
Đ
= V
PC
+ V

(3.28)
 V
PC
: điện áp cung cấp một chiều đònh điểm làm việc ban đầu cho Varicap.
 Đối với transistor Silic   ½.
 Nếu R >>1/
CV
thì ta có tần số dao động của hình 3-10b gần đúng như sau:


 Nếu ta chọn C
V
>> C
K
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 L
K
, C
K
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:
V
D
=V
0
cos
0
t + V

cost – V
PC
(3.21)
V
Dmax
= V
0
+ V


- V
PC
 0 (3.22)
Nhưng điện áp ngược đặt lên diode cũng không được vượt quá trò số
cho phép, nó đồng thời thỏa mãn công thức:
V
Dmin
= - V
0
- V

- V
PC
  V
ng cho phép
(3.23)

   (3.29)
1
L
K
(C
K
+ C
V
)
1

K

V
PC
+ V

+0,7
L
K
C
K
+

 
K.L
7,0+V+V
K
4
Ω
PC
(3.20)
Mắc thêm tụ ghép C
gh
nó sẽ ngăn không cho điện áp cao tần xuất hiện
trên Varicap. Nhưng như vậy khi V

thay đổi C
V
thay đổi nhưng
ghV
ghV
CC

C.C
C


sẽ
thay đổi rất ít, nên độ di tần sẽ hẹp.
- Để khắc phục cả hai nhược điểm
trên, người ta không mắc C
gh
, 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 trò
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:
V
Dmax
= V

- V
pc
 0 và V

Dmin
= - V

-V
pc
 V
ng cho phép

Như vậy phạm vi thay đổi của điện áp điều chế V

sẽ lớn hơn, dẫn tới
phạm vi biến đổi của C
V
cũng lớn hơn, nghóa là độ di tần sẽ lớn hơn. Tuy nhiên
mắc 2 Varicap đẩy kéo sẽ làm giảm điện dung tương đương C
tđ
= C
V
/2 (nếu 2
Varicap giống nhau). Để bù lại người ta chọn những Varicap có giá trò bằng 2 lần
C
tổng
mà ta mong muốn. (Ví dụ C
V
= 15pF thì ta phải chọn C
V1
= C
V2
=30pF).
 Vì dòng phân cực I

cp
=0 nên biến trở VR
1
và R có thể có giá trò rất lớn. Tuy
nhiên để Varicap đáp ứng nhanh với V

thì R và V
R1
không nên chọn lớn lắm
vì hằng số thời gian  = (R + VR
1
) C
V

 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 , nghóa là đến độ ổn đònh tần số của mạch.
Vcc
+Vpc

R
pc

C
gh
C
K
L
L
Vpc

V

V

C
K
L
ch
R

VR
1
Hình 3
-
11: Mắc đẩy kéo Varicap

- Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặt tuyến C
V
= f(V
D
)
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 đònh.
Ta có sơ đồ điều tần dùng Varicap đẩy kéo (3-12)

- R
1
, R
2
, R
e
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 L
K
cùng Varicap tạo thành mạch cộng
hưởng song song, nhưng ở tần số dao động f
0
thì nó phải tương đương như một
điện cảm











V0
0
C
1
L
. Các tụ thoát C   ngắn mạch đối với tín hiệu cao
H
ình 3
-
12: Điều tần dùng Varicap đẩy kéo

C


C


C
2
C
1
C


R

R
2

R
1

R
E

L
K
C


+V
CC
V
FM
V
R
E

B

L
chK
V

Phần tử

dao động

tần. L
ch
cho tín hiệu âm tần đi qua, ngăn tín hiệu cao tần lại. R và VR điều
chỉnh cho điểm phân cực ban đầu của Varicap ở điểm giữa của đoạn thẳng đặc
tuyến C
V
= f(V
Đ
) là phi tuyến nên thực chất tín hiệu FM vẫn bò 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: f
01
và f
02
và đầu ra bộ đổi tần ta có tần số trung gian: f
0

= f
01
– f
02
. Điện áp
điều chế âm tần V

được đưa đồng pha tới hai bộ điều chế, nhưng do Varicap 2
(V
2
) mắc ngược pha với Varicap 1 (V
1
) nên khi f
01
tăng thì f
02
giảm và ngược lại
như hình 3-14. Độ lợi của hai bộ điều tần có thể viết như sau:



+ a
1
, a
2
, b
1
, số phụ thuộc độ dốc và dạng của đặc tuyến điều chế.
+ V
pc1

, V
pc2
: điện áp phân cực ngược đònh điểm làm việc ban đầu cho Varicap.

f
1
= f
01
a
1
+a
2
+… (3.24)


f
2
= f
02
b
1
- +b
2
+… (3.25)

V

V

V


V

V
pc1
V
pc1
V
pc2
V
pc2
2

2

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

L’
3

L’
2

L’
1

L’
4

L’
5

L
5

L
4

L
3

L
2

L
1

R’
1

R’
2

Re
2

Re
1

R
2

R
1

C’
1

C’
2

C’
3

C’
4

C
’
6

C’
5

C
5

C

6

C
4

C
3

C
2

C
1

f = f
01

–
f
02
V

-
V
pc1
+V
pc2
-
V
EE

+ 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 V
pc1
= V
pc2

Khi đó (3.26) trở thành: f
01
. a
2
= f
02
.b
2
(3.27)
Nếu ta chọn Varicap trước (biết trước a
2
, b
2
) thì ta chỉ việc chọn f
01
, f
02
thỏa mãn
(3.27) ta sẽ triệt được méo bậc 2.

 Khi chưa điều chế, sau bộ đổi tần ta
thu được: f
tg
= f
01
– f
02
. f
tg
+ f =
(f
01
+f
1
) – (f
02
+f
2
). Nghóa là : f =
f
1
- f
2
mà f
1
, f
2
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 C
4
, L
4
, R
2
,
C
5
, L
5
và C’
4
, L’
4
, R’
2
, C’
5
, L’
5
.
 Nếu ta chọn f
01
, f
02
cao thì độ di tần

tương đối sẽ thấp (f
1
/f
01
và f
2
/f
02
)
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 đònh 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
b
f
V
a
f
2pc
2
0
1pc
2
0


C
V2
C’
V2
C
V20
C’
V1
C
V10
C
V1
0

0

V

V

V
PC2
V
PC1
-

+

Hình 3
-

14: Đặc tuyến C
V
= f(V
D
)



















+ L
1
, L
2
, L
3

, L
7
, 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.
+ Z
aa’
và Z
bb’
phải tương đương với điện cảm để tạo thành mạch dao động 3 điểm
C (Clapp) có độ ổn đònh 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

C
CE

C
4

C
1

C
2

C
6

C
5

C’
5
C’
6
C’
4
C’
2
C’
3
C’
1

L’
3
L’
2
R’
1
+V
PC2
L’
4
L’
5
L’
1
L’
6
L’
7
L’
8
C’
CE
V


Tới AFC

+V
CC
L

2
L
3
L
5
AFC

R’
2
R
1
-
V
PC1
L
7
R
2
L
4
L
6
L
8
L
1
+V
CC
 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
đònh đã cho.
2 . Các mạch điều pha:
a) Điều chế pha theo Amstrong:
Tín hiệu tải tin
được tạo ra từ bộ dao
động thạch anh (để có độ

ổn đònh tần số cao), được
đưa tới hai bộ điều biên
(ĐB
1
và ĐB
2
) lệch pha
nhau 90
0
. 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 thò vector của V
AM
và V
AM2
và Vector V

= V

PM
được biểu diễn trên
hình 3-17
V
AM1
= V
01
(1 + mcos

t) cos

0
t


= V
01
cos
0
t + V
01
cos(
0
t + ) + cos(
0
t - )t (3.28)

V
AM2
= V

02
(1 + mcost) cos
0
t

= V
02
cos
0
t + V
02
sin(
0
t + ) + sin(
0
t - )t (3.29)



m
2
m
2
Dao động
thạch anh

ĐB
1
ĐB
2

Di pha
90
0

Tổng

Hình 3
-
16: Điều chế pha theo Amstrong

V


mV
01
V
01
V
AM1
V
AM2
mV
02
V
02






V

V

V

0

Hình 3-17: Đồ thò vector của tín
hiệu điều pha Amstrong
Từ đồ thò ta thấy rằng tổng các
dao động đã điều biên V

= V
AM1
+
V
AM2
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
biên ký sinh.

Do gây ra điều biên ký 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.







Khi V

thay đổi, C
V
thay đổi, dẫn tới tần số cộng hưởng f
0
thay đổi
nên trở kháng tương đương của mạch cộng hưởng thay đổi theo:




Z
K
= (3.30)

Trong đó: R
K
= , Q = = , 
0
=
R
K

2

0
1+jQ

L

Cr

1


Cr



r

LC
V

1

Hình 3
-
18: Điều chế pha dùng mạch lọc

V
PM
V

V
CC
L
ch
C

C

C

C’

C’

C’

R
1

R
2

 =  - 
0
và 
0
+   2
0

Góc pha của trở kháng tương đương được xác đònh theo biểu thức:


Rõ ràng khi V

thay đổi thì  thay đổi, do góc pha  biến thiên một lượng
tương ứng. Do Z
K
cũng biến thiên theo  nên mạch này có điều biên ký sinh.
Nếu chọn các mạch cộng hưởng lọc LC hợp lý (mỗi mắc lọc di pha 60
0
), có thể
làm cho đặt tuyến  = f(V

) tuyến tính hơn, do đó đạt được lượng di pha tương đối
lớn  =  và méo phi tuyến nhỏ   1%.
Trên hình 3-19. Các tụ ghép C để ngăn điện áp một chiều và cho điện áp
cao tần đi qua; Các tụ thoát C’ để ngăn điện áp một chiều và điện áp cao tần, chỉ
cho điện áp âm tần V

đi qua. Do đó C’ >> C. Một dạng điều chế pha khác:

Trong sơ đồ, R
1
làm giảm bớt biên độ đa cao tần V
o
. R
2
, R
3
, R
4
, R
5
, R
6
để
tạo phân cực ngược cho Varicap V
1
, V
2
. Để V
2
phân cực ngược thì R
3

>> R
4
. Các tụ
C ngăn điện áp một chiều, cho tín hiệu cao tần qua. C’ ngăn điện áp một chiều và
tín hiệu cao tần, chỉ cho tín hiệu âm tần qua nên C’ >> C.
Các phần tử điện kháng tạo thành một mạng 4 cực di pha như hình 3.19b.
Dưới tác dụng của điện áp điều chế V

thì C
V1
và C
V2
sẽ thay đổi. Mặc dù sự thay
đổi của điện dung là nhỏ nhưng do biên độ của hệ số truyền đạt thay đổi không
đáng kể nên sự thay đổi pha có thể đạt tới  7%.
Trong thực tế, các mạch điều pha thường được dùng kết hợp với mạch
tích phân để thực hiện điều tần gián tiếp. Mạch điều tần gián tiếp so với
mạch điều tần trực tiếp thì lượng di tần nhỏ hơn vì  nhỏ, nhưng có độ ổn

 = arctg (3.30)
-
2Q



0

Hình 3
-
19: Điều pha bằng mạch di pha hai cửa

V
PM
+V
pc
V

V

0
L
ch
C’

C
2

C

C

R
3

R
4

R
5

R
2

V
1
(C
V1
)

V
1

V
2

V
2

L
2
L
1
C
2

V

V
PM
V


0
R
6