Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông 21 Chương II NGUYÊN LÝ GHI PHÁT ÂM

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
21

Chương II
NGUYÊN LÝ GHI PHÁT ÂM
I. NGUYÊN LÝ GHI ÂM TỪ TÍNH
Nguyên lý ghi âm từ tính dựa vào chất từ dư của sắt từ. Khi từ hóa chất sắt từ
bằng từ trường ngoài, khi lấy sắt từ ra khỏi từ trường ngoài thì chất sắt từ vẫn còn bị
từ hóa và trở thành nam châm
• Mô tả hiện tượng từ hóa:


F
B
JJG
: Từ tính trong chất sắt từ

0
B
JJG
: từ rường ngòai




Đặt 1 miếng sắt từ chưa bị từ hóa vào từ trường ngoài có cường độ
0
B
JJG

. Cho
0
B
JJG
tăng dần và khảo sát hiện tượng từ hóa chất sắt từ. Ta thấy khi tăng
0
B
JJG
thì từ tính
của chất sắt từ cũng tăng lên. Tiếp tục tăng
0
B
JJG
thì từ tính của chất sắt từ sẽ đạt trạng
thái bảo hòa từ, lúc này ta giảm dần
0
B
JJG
thì từ tính trong chất sắt từ cũng giảm theo,
nhưng quá trình này diễn ra chậm hơn, đến khi từ trường ngoài giảm về
∅
thì từ tính
trên chất sắt từ vẫn còn. Tiếp theo ta đổi chiều và tăng dần
0
B
JJG
thì từ tính của chất sắt
từ giảm nhanh về
∅
. Khi từ trường ngoài đạt giá trị B

0k
. B
0k
được gọi là lực khử từ.
Lúc này, nếu tiếp tục tăng từ trường ngoài thì chất sắt từ sẽ bị từ hóa theo hướng
ngược lại và cũng đạt đến giá trị bảo hòa từ ở hướng này . Nếu ta đổi chiều từ trường
và tăng dần từ trường đến một giá trị nhất định thì từ trường trong chất sắt từ sẽ đạt
đến trạng thái bảo hòa mới, và như vậy kết quả của khảo sát cho ta một đường cong
khép kín mô tả trạng thái nhiễm từ của chất sắt từ.
B
0k
-B
0k
B
d
B
h
-B
hd
-B
h
Hình 2.1 Quá trình từ hóa
0
B
JJG
F
B
JJG

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
22
Người ta chứng minh được rằng: đới với chất sắt từ, không cần từ hóa đến
trạng thái bảo hòa thì vẫn xuất hiện hiện tượng từ dư. Tuy nhiên, tùy theo cường độ từ
trường ngoài thế nào mà ta sẽ có biên độ từ dư trên sắt từ tương ứng.











Và trong thực tế, băng từ ( băng hộp cassette ) được chế tạo dựa trên nguyên lý
xuất hiện hiện tượng từ dư trong chất sắt từ.

II.BĂNG TỪ
( Băng hộp Cassette ).
Kích thước băng và hộp băng được qui định lần đầu tiên bởi hãng Phillips và
sau đó được cải tiến và trở thành tiêu chuẩn quốc tế ISO.
Cấu tạo của băng từ gồm một đế polyester, trên đó là một lớp keo bột từ. Các
hạt từ có kích thước khoảng 1
µ
m. Đế băng phải chịu được độ uốn cong thích hợp và
chịu đựng được một lực treo ứng với trọng lượng không nhỏ hơn 2,5 KG. Mặt băng
phải phẳng, và có độ ổn định ghi/ phát với độ ẩm và nhiệt. Người ta chia băng từ ra

làm 3 loại: C-60, C-90, C-120 với các thông số kỹ thuật sau:

Chỉ tiêu Đơn vị C-60 C-90 C-120
Độ dày băng
Độ dày lớp bột từ
Độ từ dư
Lực kháng từ
µ
m.
µ
m.
Gauss
Oersted
18
6
1200
300
12
4
1300
330
8
2
1300
350
0
B
JJG
F
B

JJG
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
23
Thời gian thu/phát 60 second 60 90 120

Băng từ có thể ghi/ phát ở mặt A và mặt B, mỗi mặt là một nữa của độ rộng
băng từ. Độ rộng toàn thể của băng từ là 3,81mm, được chia làm 2 phần:





Tùy theo tín hiệu ghi là mono hay stereo mà mỗi mặt lại được chia thành những
phần khác nhau:






Tốc độ di chuyển của băng từ là 4,76 cm/s
Dựa trên vật liệu chế tạo bột từ mà người ta chia băng từ thành những loại sau:
• Băng thường ( Normal ): bột từ là ôxit sắt từ ( Fe
2
O
3
), đây là loại băng từ ra đời
đầu tiên, có độ nhạy cao nên từ trường ghi không cần lớn, tần số tín hiệu ghi có

thể đạt đến 15KHz. Tuy nhiên loại băng này có độ ổn định kém.
• Băng ôxit crôm ( CrO
2
): bột từ làm bằng ôxit Crôm, có độ nhạy trung bình nên
cần từ trường ghi khá mạnh, có đáp tuyến tần số rộng, ghi tốt ở tín hiệu có tần
số cao, nhưng kém hơn băng Normal ghi tín hiệu ghi có tần số thấp. Độ ổn định
tốt, hệ số méo nhỏ.
• Băng Metal: lớp bột từ là ion sắt thuần, so với các loại băng trên, chất lượng
băng Metal cao hơn rất nhiều, ít tạp âm, độ méo thấp, độ nhạy cao và dải thông
rộng, do đó giá thành của băng này cũng rất cao. Nhược điểm : do bột từ làm
bằng ion sắt nên băng cứng và nhám nên mau mòn đầu đọc.


Mặt B

Mặt A
0.8mm
Hình 2.2 cấu tạo băng từ
Hình 2.3 cấu tạo các lọai băng từ

Mặt B

Mặt A
0.8mm
0.005mm
Mono



0.3mm

R
L
L
Stereo
R
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
24

III.ĐẦU TỪ

Là thiết bị biến đổi điện từ, khi máy thực hiện chức năng ghi, đầu từ đóng vai
trò là một nam châm điện, khi máy thực hiện chức năng phát, đầu từ đóng vai trò là
cuộn cảm.
Cấu tạo của đầu từ : Là một cuộn dây được quấn trên một lõi sắt từ mềm, lõi
sắt từ gần như khép kín, chỉ chừa một khe rất nhỏ, nơi vùng từ tiếp xúc với băng từ và
được gọi là khe từ. Khe từ là cửa thoát từ khi ghi và thu nhận đường sức cảm ứng từ
vào nòng từ khi phát. Khe từ phải thật hẹp, khoảng 1 đến 1,6
µ
m để làm việc được với
tín hiệu có tần số cao. Tất cả được đặt trong vỏ bọc kim loại.
Ký hiệu

Trong đầu từ, cuộn dây được quấn đồng đều hai bên lõi sắt từ sao cho tạo ra
đường sức cảm ứng cùng chiều trên mặt từ.
Để tránh dòng điện Faucault, lõi sắt từ gồm nhiều lá sắt mỏng ghép lại và được
đặt trong vỏ bọc kim loại để ngăn nhiễu. Vỏ bọc phải đảm bảo chống được sự mài
mòn, do đó thường được làm bằng hợp kim.
Để tăng từ trường tiêu thụ và tránh bụi, khe từ thường được đóng bằng các vật
liệu nghịch từ như : Cu, Ag…
Dựa vào chức năng của đầu từ, ta có thể phân làm 3 loại sau:
1. Đầu ghi
2. Đầu đọc
3. Đầu xóa : thường có khe từ rộng từ 0,1
→
1mm.
Trong hầu hết các máy cassette, đầu ghi / đọc thường dùng chung. Khi đầu từ
mòn thì chức năng phát vẫn tốt, nhưng chức năng ghi lại kém chất lượng.
Cuộn dây
Lỗi sắt
Khe từ
Đầu thu/phát
Đầu xóa
Cuộn dây
Lỗi sắt
Khe từ
Đầu thu/phát
Đầu xóa
Hình 2.4 Cấu tạo đầu từ
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng

25
Dựa vào số mạch từ và số cuộn dây trong vỏ bọc kim loại ta chia đầu từ thành
các loại sau:
1. Đầu từ mono:







2. Đầu từ Stereo, hai khe từ, 4 dây ra







3. Đầu Stereo đảo chiều tự động ( Auto reverse ): có 4 khe từ và 8 dây ra, có đế
quay được 180
0
theo chiều trên băng.






Kí hiệu

Đầu ra



1 2
Mặt trước
Mặt sau
Khe từ
Hình 2.5 Đầu tư mono

1 2

3 4
Mặt trước Mặt sau
Khe từ
Đầu ra
Hình 2.6 Đầu tư stereo




Mặt trước Mặt sau
Đầu ra
Hình 2.7 Đầu tư stereo đảo chiều tự động

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
26
1
2
Sw1
SPEAKER
1
2
Sw1
1
2
1
2
Sw1
Sw1












IV. NGUYỆN LÝ GHI VÀ ĐỌC TỪ TÍNH

1. Băng từ chưa ghi : Các nam châm nguyên tố trên lớp từ tính sắp xếp hỗn
lọan theo mọi hướng nên từ trường tổng hợp bằng 0.
2. Nguyên lý ghi :





Đầu từ được đặt cố định, cho băng từ chạy qua với vận tốc
V
JG
sao cho
băng từ ép sát vào đầu từ tại vị trí khe từ. Cho dòng điện âm tần chạy qua cuộn
dây đầu từ, từ trường sinh ra trong lõi sắt từ biến thiên theo qui luật biến đổi
của dòng điện âm tần. Từ trường tiêu thụ thóat ra từ khe từ sẽ từ hóa lớp từ tính
trên mặt băng.
Mức độ mạnh yếu của từ trường phát ra tại khe từ được đo bằng cường
độ từ trường H.
H = Kµi
Trong đó :
K: hệ số, phụ thuộc vào số vòng dây trong đầu từ và độ dài cuộn dây.
µ
: độ từ thẩm của lõi sắt từ

Chiều
băng di
chuyển
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông

Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
27
i: dòng điện âm tần chạy qua cuộn dây đầu từ
Nếu i là một tín hiệu hình sin:
sin 2
m
iI ft
π
=
thì dạng của tín hiệu trên băng như sau:












Các vết ghi trên băng từ tương đương với những nam châm nhỏ sắp xếp đảo
chiều nhau liên tục trên băng từ.
Độ dài bước sóng tín hiệu ghi trên băng được xác định theo công thức:
v
f
λ
=

v
G
: vận tốc di chuyển của băng

f
: tần số tín hiệu ghi
Để tín hiệu ghi tốt trên băng thì độ rộng của khe từ tối thiểu phải bằng nửa
bước sóng
2
d
λ
=

Nếu khe từ có độ rộng lớn thì tín hiệu ghi sẽ bị trùng lập trên mặt băng.
Ví dụ:
10f KHz=
→
11
..
22
v
dvT
f
==

V. Nguyên lý xóa băng từ:
V.1 Xóa bằng nam châm vĩnh cữu:
V.2 Xóa bằng đầu từ xóa:

i

B
Hình 2.8
Tín hiệu ghi trên băng từ
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông


Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
28


VI.MẠCH TIỀN KHUẾCH ĐẠI

Có 2 nhiệm vụ chính:
• Khuếch đại tín hiệu rất nhỏ đến mức đủ lớn để đưa vào tần điều chỉnh âm sắc
hoặc tần khuếch đại công suất.
• Sửa lại đặc tuyến tần số cho đầu phát
Với đầu từ, tín hiệu ra có biên độ rất nhỏ phụ thuộc vào tần số của tín hiệu ghi
và thường không vượt quá 150mv. Do đó để hòan thành 2 nhiệm vụ trên là rất khó
khăn, khó khăn thứ nhất là làm suy giảm tạp âm ngay từ tầng khuếch đại đầu với hệ số
khuếch đại rất lớn, thứ hai là hiệu chỉnh độ khuếch đại đồng đều trên một dải tần làm
việc rộng. Đồng thời yêu cầu về độ méo phi tuyến cũng phải nhỏ, cụ thể là không
được vượt quá 1,5%; với hệ thống HIFI yêu cầu này là
≤
0,06%
1. Tạp âm trong bộ khuếch đại nhiều tầng
Khi có nhiều bộ khuếch đại ghép nối tiếp thì mức tạp âm của cả bộ khuếch đại được
quyết định chủ yếu bởi tầng đầu.

S
NV
: nguồn nhiễu từ tín hiệu ngõ vào
S
NX1
: nguồn nhiễu từ bên ngoài thâm nhập vào tầng khuếch đại 1
S
NX2
: nguồn nhiễu bên ngoài thâm nhập vào tầng khuếch đại 2
Gọi:
S
N01
: Tín hiệu nhiễu ở ngõ ra tầng khuếch đại 1
S
N02
: Tín hiệu nhiễu ở ngõ ra tầng khuếch đại 2
Ta có:
( )
01 1 1NNVNXp
SSSK=+

( )
02 01 2 2
NNNXp
SSSK
=+

Kp1 Kp2

S
NV
S
NX1
S
NX2
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông


Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
29
⇒

( )
02 1 1 2 2NNVNXpNXp
SSSKSK

=+ +



( )
112 22
..
NV NX p p NX p
SSKKSK

=+ +


Ta thấy : thành phần thứ nhất là tạp âm xuất hiện ở ngõ vào tầng khuếch đại 1
gây ra.
Thành phần thứ 2 là tạp âm do xuất hiện ở ngõ vào tầng 2 gây ra.
Nếu chọn
12p pp
K KK==
thì tạp âm tầng đầu gấp
p
K
lần tạp âm ở tầng sau.
Như vậy: tạp âm chủ yếu do tầng đầu quyết định.
2. Tạp âm riêng trong cuộn dây đầu từ
Do tác dụng nhiệt lên cuộn dây làm cho các điện tử chuyển động gây nên tạp
âm. Sức điện động của tạp âm đầu từ được tính bằng
1, 3 .
n
eRf
=∆

n
e
: Sức điện động tạp âm hiệu dụng (
µν
)
R
: Trở kháng của cuộn dây (KΩ)
f
∆
: Dải tần làm việc, tính bằng KHz
Ta thấy: tạp âm tăng theo căn bậc 2 của trở kháng cuộn dây và dải tầng làm

việc.
Qua nghiên cứu về tạp âm, ta thấy tạp âm do nhiều nguyên nhân sinh ra và vấn
đề quan trọng đối với 1 tầng khuếch đại là nâng cao tỉ số
S
N
. Đối với nhiễu từ bên
ngoài, ta có thể bố trí tầng khuếch đại đầu ở vị trí thích hợp như: tránh xa nguồn điện,
mạch dao động và dùng vỏ bọc kim loại để chống nhiễu.
Đối với tạp âm nội bộ ta có thể chọn loại transistor với hệ số tạp âm nhỏ, chấp
nhận giảm hệ số khuếch đại ở tầng đầu, trong trường hợp cần thiết ta sẽ tăng hệ số
khuếch đại ở tầng sau.
Một số transistor có hệ số tạp âm nhỏ: 2CC2240 (BL), 25C2458GR,
25C1642GR, BC109, BC107, BCY51R, SE4010, 25C26314,…..
3. Tín hiệu lấy ra từ đầu từ:
Khi băng dịch chuyển qua đầu từ, từ thông
Φ
do các vết từ tạo ra gửi qua khe
từ:
d
en
dt
φ
=−

Nếu tín hiệu hình sin thì sức điện động trên 2 đầu cuộn dây đầu từ được xác định:
2
enf
π φ
=−

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông


Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
30
f
: tần số tín hiệu
n
: số cuộn dây của đầu từ
φ
: từ thông, phụ thuộc tiết diện của lõi sắt.
Ngoài ra, trong thực tế để đặc trưng cho sự tiêu hao trên mạch từ và khe từ,
người ta đưa tỉ số suy giảm tín hiệu
sin
d
S
d
π
λ
π
λ
=

d
: độ rộng khe từ

λ
: độ dài sóng
.
v

vT
f
λ
==


v
: tốc độ di chuyển của băng = 4,76 cm/s
Như vậy:

2.enfS
π φ
=−


Ta thấy: ở tần số thấp và trung bình
λ
đủ lớn, do đó
0
d
X
π
→

sin 0
lim lim 1
0
S
⇒= =

Khi tần số đủ cao:
d
π
λ
→∞

sin
lim lim 0S
∞
⇒= =
∞

làm cho tín hiệu ra ở cuộn dây qua cuộn dây đầu từ suy giảm nhanh chóng.
Để tăng tín hiệu trên cuộn dây đầu từ ta có thể tăng
n
, tuy nhiên khi tăng
n
thì
dẫn đến L tăng
→
tăng nhiễu ( thực tế người ta khống chế giá trị này
≤
(1,6-1,6mH ),
hoặc tăng
φ
bằng cách tăng tiết diện lõi sắt. Tuy nhiên tiết diện lõi sắt bị giới hạn bởi
độ rộng khe từ và độ rộng track ghi. Do đó để tăng
e
ta phải phối hợp nhiều yếu tố kỹ
thuật trong đầu từ.

4. Mạch khuếch đại đầu từ dùng transistor
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông


Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
31
Mạch khuếch đại đầu từ dùng 1 transistor với hồi tiếp âm điện áp và dòng điện
thường dùng thường dùng trong các máy cassette công suất nhỏ, chất lượng thấp.
Thông thường mạch khuếch đại đầu từ dùng từ 2 tầng khuếch đại trở lên, liên lạc
thẳng, nhờ đó có thể dùng hồi tiếp âm để sửa đặc tuyến tần số. Để giảm tạp âm, người
ta có thể dùng tầng khuếch đại cascade
a). Mạch khuếch đại đầu từ kiểu cascade













β 1

= β2 = 100

Nguồn
cc
V
cần được ổn áp và lọc kỹ để tránh được nhiễu nguồn xoay chiều và
tầng công suất gây ra trên đường cấp điện
Trên sơ đồ mạch ta có:
E1 E2 1 2
12 1 2
CC
bb
II II
II
βββ
=⇒=
⇒==⇒ =

Hình 2.9
Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu từ Cascade
Vin
Vout
VCC
Hình 2.10
Sơ đồ mạch khuếch đại đầu từ điển hình
RB2
5K6
Vout

Q2
2UF
Q1
RB1
6K8
RB3
4K7
RE
1K
5UF
10U
18V
Rc
1K8
Vin