Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ tổ hợp tần số sử dụng vòng khóa pha (PLL) băng tần c cho máy thu thông tin vệ tinh

Jkk;v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP
TẦN SỐ SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA BĂNG TẦN C
CHO MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2014


I

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP
TẦN SỐ SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA BĂNG TẦN C
CHO MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã ngành: 60520203
LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương

HÀ NỘI - 2014


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Bạch Gia Dương đã tận tình
chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho em có những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu
trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài của luận văn.
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại
Học Quốc Gia Hà Nội đã luôn nhiệt tình giảng dạy và chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian
học tập vừa qua.
Em xin cảm ơn các cán bộ Trung tâm Nghiên cứu Điện tử - Viễn thông đã tạo điều
kiện tốt nhất và tận tình giúp đỡ, hướng dẫn thực hành, thử nghiệm các thiết bị phụ trợ cho
công tác nghiên cứu và thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của tôi, những người đã luôn
bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong thời gian qua.
Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện luận văn có hạn, vốn kiến thức và
kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế. Em rất mong nhận được
nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn đề tài nghiên cứu của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
.
Hà Nội, ngày 17 tháng 4 năm 2014.
Học viên

Nguyễn Anh Tuấn


I

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ tổ hợp tần số sử dụng
vòng khóa pha (PLL) băng tần C cho máy thu thông tin vệ tinh” là công trình nghiên
cứu của bản thân. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo, các tài liệu tham
khảo này đã được liệt kê trong mục “tài liệu tham khảo” ở phần cuối luận văn.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm và kỷ luật từ phía nhà trường.

Hà Nội, ngày 17 tháng 4 năm 2014
Học viên

Nguyễn Anh Tuấn


II

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................................ I
MỤC LỤC ...................................................................................................................................................II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. IV
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................................................... V
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÒNG KHÓA PHA VÀ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ (PHASE
LOCKED LOOP - PLL) ............................................................................................................................. 2
1.1. Tổng quan về hệ thống thu, phát thông tin vệ tinh ...................................................................... 2
1.1.1. Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh .............................................................. 2
1.1.2. Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat ........................................................................................ 2
1.1.3. Cấu trúc các bộ thu tín hiệu thông tin vệ tinh ........................................................................ 3

1.1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu tín hiệu ................................................................. 3
1.1.3.2 Chức năng các module trong hệ thống ............................................................... 3
1.2. Tổng quan về mạch dao động......................................................................................................... 4
1.2.1. Khái niệm: ................................................................................................................................ 4
1.2.2. Mạch tạo dao động kiểu ba điểm ............................................................................................. 6
1.2.3. Mạch tạo dao động ba điểm điện dung ................................................................................... 7
1.3. Tổng quan về mạch vòng khóa pha (PLL) .................................................................................... 8
1.3.1. PLL ........................................................................................................................................... 8
1.3.2. Sơ đồ khối ................................................................................................................................. 8
1.3.3 Nguyên lý hoạt động ................................................................................................................. 8
1.4. Các thành phần của PLL .............................................................................................................. 10
1.4.1. Bộ tách sóng pha (Phase Detector): ...................................................................................... 10

1.4.1.1. Loại tương tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào.10
1.4.1.2 Loại số thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop : .................................... 11
1.4.1.3. Loại tách sóng pha lấy mẫu. ............................................................................. 11
1.4.2. Lọc thông thấp LPF .............................................................................................................. 11
1.4.3. Khuếch đại một chiều ............................................................................................................ 12
1.4.4. VCO (Voltage controlled oscillator) ...................................................................................... 12
1.5. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha PLL................................................................................. 13
1.6. Một số ứng dụng ............................................................................................................................ 13
1.6.1 Bộ tổ hợp tần số đơn ............................................................................................................... 13
1.6.2 Bộ giải điều chế FM, AM, SK .v.v… ...................................................................................... 14


III
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH DAO ĐỘNG VCO ....................................................... 15
2.1. Nguyên lý mạch VCO: .................................................................................................................. 15
2.3. Thiết kế, chế tạo VCO dùng spf-3043: ........................................................................................ 16
2.3.1. Nguyên lý: .............................................................................................................................. 16

2.3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch: ........................................................................................................... 17
2.3.3. Thiết kế: .................................................................................................................................. 19
2.4. Kết quả, nhận xét: ......................................................................................................................... 19
CHƯƠNG III : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ BẰNG VI MẠCH ADF 411X ........ 27
3.1. Giới thiệu họ vi mạch ADF411x ................................................................................................... 27
3.2. Mô tả chức năng các chân ............................................................................................................ 28
3.3. Mô tả chức năng mạch điện ......................................................................................................... 29
3.3.1.Tầng lối vào chuẩn ................................................................................................................. 29
3.3.2. Tầng lối vào RF...................................................................................................................... 29
3.3.3. Bộ chia trước (P/P+l) ............................................................................................................. 30
3.3.4. Bộ chia A và B........................................................................................................................ 30
3.3.5. Bộ chia R ................................................................................................................................ 31
3.3.6. Bộ tách sóng pha/tần số và bơm nạp..................................................................................... 31
3.3.7. Thanh ghi dịch 24 bít ............................................................................................................. 31
3.3.8. Bộ ghép bội lối ra và bộ tách xung đồng bộ .......................................................................... 32
3.4. Ứng dụng của họ IC ADF411X .................................................................................................... 32
3.4.1. Tạo bộ dao động tần số cục bộ dùng cho trạm cơ sở BTS ................................................... 32
3.4.2. Sử dụng chuyển đổi D/A điều khiển chân RSET .................................................................... 33
3.4.3. Mạch ngắt dòng ..................................................................................................................... 33
3.4.4. Khóa pha dải tần (wideband PLL) ........................................................................................ 34
3.5. Thiết kế chế tạo bộ Tổ hợp tần số ................................................................................................ 34
3.5.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................... 34
3.5.2. Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................................................... 35
3.5.3. Thiết kế mạch Loop Filter ..................................................................................................... 37
3.5.4. Quá trình nạp Code cho PLL ................................................................................................ 37
3.5.5. Bộ Tổ hợp tần số hoàn chỉnh: ............................................................................................... 40
3.6. Kết quả: .......................................................................................................................................... 41
3.7. Nhận xét: ........................................................................................................................................ 46
KẾT LUẬN ................................................................................................................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................ 48

IV

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
VCO

Voltage Controlled Oscillator

Bộ dao động điều khiển bằng
điện áp

PLL

Phase Loop Locked

Mạch vòng khóa pha

IC

integrated circuit

Vi mạch bán dẫn

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

LO

Local Oscillato

Bộ dao động chuẩn

LNA

Low-noise amplifier

Khuếch đại tạp âm thấp

MIXER

Bộ trộn

PFD

phase frequency detector

Bộ tách sóng pha

LPF

Low pass filter

Lọc thông thấp

RF

Radio frequency

Tấn số sóng vô tuyến

CP

Charge Pump

Bơm nạp điện

CLK

Clock

Xung đồng hồ

LE

Load Enable

Mức hoạt động của tải

CE

Chip Enable

Mức hoạt động của Chíp

ADS

Advanced Design System

Phần mềm thiết kế, mô phỏng
mạch cao tần

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống truyền thông di động

FM

Frequency modulation

Điều chế theo tần số

AM

Amplitude modulation

Điều chế theo biên độ

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

FSK

Frequency shift keying

Điều chế dịch tần


V

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hinh 1.1. Vệ tinh quỹ đạo tầm thấp
Hình 1.2. Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh.
Hình 1.3. Vùng phủ sóng vệ tinh Vinasat 1 băng tần C
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu
Hình 1.5. Bộ trộn tần có dạng mạng 3 cửa
Hình 1.6. Sơ đồ thuật toán bộ tạo dao động
Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn thuật toán theo mã thời gian
Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ dao động tự kích
Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo mạch dao động 3 điểm tổng quát.
Hình 1.10. Mạch tạo dao động sử dụng transistor
Hình 1.11. Sơ đồ khối PLL.
Hình 1.12. Dải bắt và dải khóa
Hình 1.13. Điện áp sau bộ lọc LPF
Hình 1.14. Bộ tách sóng pha
Hình 1.15. Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha tương tự

Hình 1.16. Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số
Hình 1.17. Bộ tách sóng pha số
Hình 1.18. Mạch lọc thông thấp
Hình 1.19. Mạch khuếch đại một chiều
Hình 1.20. Mạch VCO tiêu biểu
Hình 1.21. Sơ đồ khối mạch PLL lập trình được
Hình 1.22. Mạch giải điều chế FM
Hình 1.23. Mạch giải điều chế FSK
Hình 1.24. Mạch giải điều chế AM
Hình 2.1. Mạch VCO và mạch dao động Clapp dùng Diode biến dung
Hình 2.2. Mạch VCO Colpitts điều chỉnh song song
Hình 2.3. Mạch VCO Colpitts điều chỉnh nối tiếp
Hình 2.4. Mạch VCO Colpitts dải rộng
Hình 2.5. Độ lợi của Transistor SPF-3043
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch VCO dùng Transistor SPF-3043
Hình 2.7. Khung dao động LC
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh
Hình 2.9. Bố trí PCB thông thường
Hình 2.10. Mạch in PCB của VCO
Hình 2.11. Mạch VCO hoàn chỉnh
Hình 2.12. Kiểm thử trên máy phân tích phổ
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =0V tại tần số 3,914GHz
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =0,5V tại tần số 3,982GHz


VI

Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =1V tại tần số 4,031GHz
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =1,5V tại tần số 4,09GHz
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =2V tại tần số 4,139GHz

Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =2,5V tại tần số 4,207GHz
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =3V tại tần số 4,246GHz
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =3,5V tại tần số 4,324GHz
Hinh 2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =4V tại tần số 4,351GHz
Hinh2.13. Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =4,5V tại tần số 4,4GHz
Hình 3.1. Sơ đồ chức năng họ IC ADF411X
Hình 3.2. Cấu trúc IC ADF411X
Hình 3.3. Tầng lối vào chuẩn
Hình 3.4. Lối vào RF
Hình 3.5. Bộ chia A-B
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý đã được tối giản của PFD và giản đồ xung của bộ tách sóng
pha/tần số
Hình 3.7. Bảng chân lý cho các bít điều khiển
Hình 3.8. Sơ đồ khố MUXOUT
Hình 3.9. Bộ dao động dùng cho BTS
Hình 3.10. Bộ dao động dùng cho BTS – trong chuyển đổi D-A
Hình 3.11. Mạch ngắt dòng
Hình 3.12. Bộ dao động dùng cho BTS-Khóa pha dải tần
Hình 3.13. Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp tần số
Hình 3.15. Mạch in PCB bộ tổ hợp tần số
Hình 3.16. Mạch lọc Loop Filter
Hình 3.17. Kết quả tính toán các giá trị mạch Loop filter
Hình 3.18. Quá trình nạp Code điều khiển PLL
Hình 3.19. Tín hiệu xung điều khiển PLL
Hình 3.20. Mặt trước Bộ tổ hợp tần số
Hinh 3.21. Mặt sau Bộ tổ hợp tần số
Hình 3.22. Bộ tổ hợp tần số hoàn chỉnh
Hình 3.24. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,1GHz
Hình 3.25. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,126GHz

Hình 3.26. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,139GHz
Hình 3.27. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,145GHz
Hình 3.28. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,158GHz
Hình 3.29. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,165GHz
Hình 3.30. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,184GHz
Hình 3.31. Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,204GHz


1

MỞ ĐẦU
Hiện này ngành công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ và đạt được
nhiều thành tựu quan trọng. Trong đó, sự phát triển của thông tin vô tuyến bằng vệ tinh đã
cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt được dung lượng cao hơn, băng
tần rộng hơn, nó có ý nghĩa chính trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ mới và thuận
tiện với chi phí thấp. Ở Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đang được đầu tư nghiên cứu, đây
là hướng đi mới, mở ra nhiều lợi ích to lớn cho đất nước. Không ngừng lại với thành công
của dự án phóng vệ tinh Vinasat-1, Vinasat-2 mà nhiều dự án thiết kế các vệ tinh và những
hệ thống truyền thông sử dụng sóng siêu cao tần đã, đang được triển khai. Đây là hai vệ tinh
điển hình của thuộc quyền sở hữu của Việt Nam hoạt động ở băng tần C và Ku. Việc chúng
ta có thể làm chủ công nghệ và sử dụng hiệu quả trang thiết bị này là vấn đề rất được quan
tâm đầu tư nghiên cứu, phát triển.
Trong thông tin vệ tinh các bộ thu, phát đóng vai trò rất quan trọng, việc thu được tín
hiêu với chất lượng tốt phụ thuộc vào khả năng hoạt động có tính ổn định cao của thiết bị.
Bộ tổ hợp tần số là một trong những thành phần cơ bản của bộ thu, phát vệ tinh. Việc
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Bộ tổ hợp tần số với mục tiêu góp phần vào thiết kế chế tạo
hoàn chỉnh bộ thu tín hiệu thông tin vệ tinh và tăng chất lượng tín hiệu thu được.
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo Bộ Tổ hợp tần số sử dụng vòng khóa pha (PLL)
băng tần C cho máy thu thông tin vệ tinh” với mục tiêu nắm bắt công nghệ, khai thác hiệu
quả công nghệ thông tin vệ tinh, tăng chất lượng thu tín hiệu của thiết bị thu thông tin vệ

tinh ở tần số cao với Bộ Tổ hợp tần số có độ ổn định tương đương với thạch anh.
Bằng lý thuyết và thực nghiệm, đề tài thực hiện các nội dung sau:
• Nghiên cứu về hệ thống thông tin vệ tinh và kĩ thuật siêu cao tần.
• Nghiên cứu nguyên lý mạch tạo dao động, mạch VCO, mạch lọc và mạch PLL.
• Thiết kế, chế tạo máy phát dao động VCO băng tần C với dải tần từ 4÷4,4GHz bằng
JFET SPF3043.
• Thiết kế chế tạo Bộ tổ hợp tần số sử dụng mạch vòng khóa pha (PLL) bằng IC ADF
411X
Trong quá trình thực hiện đề tài, chắc hẳn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong được sự chỉ bảo, nhận xét tận tình của các thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn!


2

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÒNG KHÓA PHA VÀ
BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ (PHASE LOCKED LOOP - PLL)
1.1. Tổng quan về hệ thống thu, phát thông tin vệ tinh
1.1.1. Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh
Hệ thống thông tin liên lạc qua vệ tinh có những ưu điểm chủ yếu như sau:
- Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của vệ tinh có độ cao lớn so với trái đất, các vệ tinh
có thể nhìn thấy một vùng rộng của trái đất.
- Dung lượng thông tin lớn, do sử dụng băng tần công tác rộng và kĩ thuật đa truy
nhập cho phép đạt dung lượng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hình thông tin khác có
được.
- Độ tin cậy và chất lượng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm mặt
đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hưởng do nhiễu khí quyển không
đáng kể.
- Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh được thiết lập nhanh chóng và có thể
thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng.
- Có khảng năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn cầu.

Do có nhiều ưu điểm nổi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hệ thống thông
tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, như thoại, truyền hình, thông tin di động,
truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển,
dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng... Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ
chế tạo, phóng vệ tinh và công nghệ chế tạo các thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường
và điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ tinh…đã cho phép tăng dung lượng bộ phát đáp và
áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc
sống.
1.1.2. Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat
Sóng vô tuyến trong thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li và khí
quyển bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hảo nhỏ nhất trong khoảng “cửa sổ
vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz các băng tần được sử dụng nhiều hơn cả là band C và band
Ku


3

Band C: Từ 4-8GHz thường sử dụng dải tần 5,85-5,92-7,025GHz cho tuyến phát lên,
và dải tần 3,7-4,2GHz cho tuyến phát xuống

Hình 1.3:Vùng phủ của vệ tinh Vinasat 1 band C
1.1.3. Cấu trúc hệ thống thu tín hiệu thông tin vệ tinh
1.1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu tín hiệu
Anten thu

fif
fRF

MIX

LNA

flo

PLL

VCO

Bộ tổ hợp
tần số

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu
1.1.3.2 Chức năng các module trong hệ thống
Anten thu: thu tín hiệu thông tin từ vệ tinh xuống, dải tần số nằm trong băng C
Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuếch đại đặc biệt, sử dụng
trong các hệ vô tuyến để khuếch đại những tín hiệu rất yếu được thu từ anten. Nó thường
được đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao. Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu
thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ được giảm bởi hệ số khuếch đại của nó. Trong khi đó, ồn


4

nhiễu của LNA lại được cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận được. Việc sử dụng LNA là cần
thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ được xử lý ở những tầng tiếp
theo.
VCO: Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp là mạch tạo ra điện áp xoay chiều có
dạng theo yêu cầu là mạch tạo dao động. Các mạch tạo dao động được sử dụng trong hệ
thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz. Để tạo dao động
có hể sử dụng các phần tử tích cực như đèn điện tử, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán…

Bộ tổ hợp tần số : tạo tín hiệu fLO bám theo pha tín hiệu vào fRF
Bộ trộn tần MIXER: Bộ trộn tần số là một thiết bị không tuyến tính hoặc tuyến tính
mà tham số đầu vào là 2 tần số khác nhau và ở đầu ra thu được tín hiệu là các thành phần
tổng và hiệu của 2 tần số đầu vào. Thông thường một trong hai tín hiệu vào là tín hiệu đơn
âm (có một vạch phổ), được gọi là tín hiệu ngoại sai có tần số là fLO . Lối vào còn lại do vị
trí của bộ trộn tần quyết định: Nếu bộ trộn được sử dụng ở trong máy phát thì lối vào này sẽ
có tần số trung gian hay trung tần . Ngược lại, nếu bộ trộn được dùng ở máy thu thì lối vào
này sẽ là tín hiệu cao tần có tần số là fRF.

Hình 1.5 Bộ trộn tần có dạng mạng 3 cửa
Tín hiệu thu được ở băng tần C sau khi khuếch đại tại LNA được đưa vào bộ trộn dải
rộng MIXER trộn với tín hiệu của bộ dao động ngoại sai (LO). Với yêu cầu tần số fif sau bộ
trộn nằm trong khoảng 950÷2150MHz điều này phụ thuộc vào bộ phát tín hiệu LO. Để máy
thu thu được tần số fIF với chất lượng cao đòi hỏi phải có bộ phát tần số fLO ổn định và có độ
chính xác cao, vậy Bộ Tổ hợp tần số là thiết bị có vai trò quan trọng trong vấn đề này, và
mục tiêu đề tài chính là tạo Bộ Tổ hợp tần số có tần số lối ra ổn định tương đương với thạch
anh ở tần số cao băng tần C trong thông tin vệ tinh.
1.2. Tổng quan về mạch dao động
1.2.1. Khái niệm:
Mạch tạo ra điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu là mạch tạo dao động. Các mạch
tạo dao động được sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz
cho tới hàng GHz. Để tạo dao động có thể sử dụng các phần tử tích cực như đèn điện tử,
trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán…
Các tham số cơ bản của mạch dao động:
- Tần số dao động
- Biên độ điện áp ra


5

- Độ ổn định tần số lối ra
- Công suất của mạch
- Hiệu suất của mạch
Có thể tạo dao động điều hòa theo 2 nguyên tắc sau:
- Tạo dao động bằng mạch khuếch đại có hồi tiếp dương.
- Mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch
Để tạo được mạch dao động cần thỏa mãn 2 điều kiện là:
- Thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ
- Thỏa mãn điều kiện cân bằng pha

Hình. 1.6. Sơ đồ thuật toán bộ tạo dao động
Tỷ lệ tín hiệu lối ra/lối vào:

Vout
Hs
=
Vin 1 + H s

(1.1)

Các tín hiệu được qua bộ khuếch đại, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Sau khi
đưa về hồi tiếp, 2 tín hiệu đồng pha sẽ tiếp tục được khuếch đại lớn cho tới khi thỏa mãn hệ
số để có thể tự kích.

Hình. 1.7. Sơ đồ biểu diễn thuật toán theo thời gian

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ dao động tự kích
Một hệ dao động tự kích có quan hệ:

Kβ =

K
1 − K .β

(1.2)

Trong đó K là hệ số khuếch đại của phần tử khuếch đại, β là hàm truyền đạt phức của
mạch hồi tiếp, Kβ là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại có hồi tiếp.
Từ đó ta thấy khi:

Kβ = K β e

j(ϕk +ϕβ )

=1

Thì Kβ = ∞, mạch ở trạng thái tự kích. Mạch sẽ tạo dao động.

(1.3)


6

Công thức trên có thể viết cụ thể hơn: K β = 1 ; ϕ K + φβ = 2kπ

(1.4)

Hai điều kiện trên tương ứng là điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng pha.
Về mặt vật lý, hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng lượng tổn hao
trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân bằng pha). Nếu

điều kiện cân bằng pha chỉ đúng cho một tần số thì dao động tạo ra sẽ dao động hình sin của
tần số đó.
1.2.2. Mạch tạo dao động kiểu ba điểm

Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo mạch dao động ba điểm tổng quát
Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần tử
khuếch đại. Lúc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phân áp điện dung hoặc
điện cảm. Đầu tiên xét nguyên lý chung như sơ đồ hình 1.9. Trong đó Z1, Z2, Z3 là các phần
tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với
Z1 = r1 + jX1
Z2 = r2 + jX2
(1.5)
Z3 = r3 + jX3
Với ri - điện trở tổn hao của tổng trở Zi, Xi có thể âm hoặc dương tùy theo tính chất
của Zi và luôn thoả mãn: ri << Xi
Hệ số khuếch đại của mạch là: K = - S . Zt
(1.6)
Trong đó Zt là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại :
Zt ≈ Z 3 / /( Z1 + Z 2 ) = Z 3 =

Z 3 ( Z1 + Z 2 )
Z1 + Z 2 + Z 3

Hệ số truyền của mạch hồi tiếp: β =

(1.7)
U ht
Z2
≈
U ra Z1 + Z 2

(1.8)

Điều kiện của công thức 1.3 và 1.4 sẽ là :
Kβ =

Z 3 ( Z1 + Z 2 ) Z 2
Z 2 Z3
=−
=1
Z1 + Z 2 + Z 3 Z1 + Z 2
Z1 + Z 2 + Z 3

Như vậy : X1+X2+X3 =0 và

(1.9)

SX 2 X 3
= 1 lần lượt là điều kiện cân bằng pha và cân
r1 + r2 + r3

bằng biên độ. Từ công thức trên suy ra X2 và X3 phải cùng tính cảm hoặc cùng tính dung và
X1 phải khác dấu với X2 và X3 .


7

1.2.3. Mạch tạo dao động ba điểm điện dung

Hình 1.10. Mạch dao động 3 điểm sử dụng transistor

Trong mạch tạo dao động 3 điểm điện dung, ta có:
X 1 = X CB = ω L > 0
X 2 = X BE = −

1
<0
ωC2

X 3 = X CE = −

1
<0
ωC1

Hệ số hồi tiếp: β = −

(1.10)

C1
= −n
C2

(1.11)

Hệ số khuếch đại: K = − g 21e Ztch = −
Với

h21e  2
h11e 
p

Rtd
/
/
h11e 
n 2 

(1.12)

h11e
trở kháng vào của tranzisto phản ánh vào khung cộng hưởng
n2

S=g21 hỗ dẫn của tranzisto.
Điều kiện (1.12) trở thành:(1+n2)h11e + n2Rtđ - nRtđh21e ≤ 0
(1.13)
Trong biểu thức dấu " < " ứng với giai đoạn quá độ ( khi Kβ > 1 ); dấu " = " ứng với
giai đoạn xác lập dao động.
Thường n << 1 nên suy ra : n 2

Rtd
h e
− n 21 Rtd + 1 ≤ 0
h11e
h11e

(1.14)

Giải phương trình với dấu "=" tìm được hai giá trị của n là n1 và n2 :
n1,2 =

h21e
h  h
±  21e  − 11
2
 2  Rtd

( 1.15)

Giá trị của n nằm trong khoảng: n2 < n < n1 thì mạch sẽ dao động .
Khi dao động đã xác lập thì n nhận giá trị n1 hoặc n2 .
Tần số của dao động tạo ra sẽ là: f dd = fch =

1
CC
2Π L 1 2
C1 + C2

(1.16)


8

1.3. Tổng quan về mạch vòng khóa pha (PLL)
1.3.1. PLL
Vòng khóa pha PLL là một hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng
để khóa tần số và pha tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào. Tín hiệu vào có thể có dạng
tương tự hình Sine hoặc dạng số. Ứng dụng đầu tiên của PLL vào năm 1932 trong việc tách
sóng đồng bộ. Ngày nay, nhờ công nghệ cao làm cho PLL có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao,
giá thành rẻ, dễ sử dụng. Kỹ thuật PLL được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổ hợp
tần số, điều chế và giải điều chế, điều khiển tự động, bộ tạo dao động …. Có hàng chục kiểu

vi mạch PLL khác nhau được chế tạo phổ thông như tách âm(Tone), giải mã Stereo, tổ hợp
tần số.
1.3.2. Sơ đồ khối

Hình 1.11. Sơ đồ khối của PLL
+ Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO để tạo ra tín
hiệu sai lệch Vd(t) .
+ Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp Vd(t) để trở thành điện áp biến đổi chậm và
đưa vào mạch khuếch đại một chiều .
+ Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều Vdk(t) để đưa vào điều khiển
tần số của mạch VCO .
+ VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động mà tần số ra được điều khiển
bằng điện áp DC đưa vào.
1.3.3 Nguyên lý hoạt động
Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và 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 ra. Nghĩa là PLL làm cho tần
số f0 của tín hiệu VCO bám theo tần số fi của tín hiệu vào.
Khi không có tín hiệu Vi ở ngõ vào, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại Vdc(t) =0, bộ dao
động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN được cài đặt bởi điện trở, tụ điện ngoài. Khi có tín
hiệu vào Vi , bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với tín hiệu ra của


9

VCO. Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch Vd(t) , chỉ sự sai khác về pha và tần số của
hai tín hiệu. Điện áp sai lệch Vd(t) được lọc lấy thành phần biến đổi chậm Vdc(t) nhờ bộ lọc
thông thấp LPF, khuếch đại để thành tín hiệu Vdk(t) đưa đến ngõ vào VCO, để điều khiển
tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào. Đến khi tần số f0 của VCO bằng tần số fi của tín
hiệu vào, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vào. Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này

chỉ còn là sự sai lệch về pha mà thôi. Bộ tách sóng pha sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín
hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá trị
bé nhất.

Hình 1.12. Dải bắt và dải khoa của PLL
Dải bắt BC (Capture range): kí hiệu BC=f2- f1, là dải tần số mà tín hiệu vào thay đổi
nhưng PLL vẫn đạt được sự khoá pha, nghĩa là bộ VCO vẫn bắt kịp tần số tín hiệu vào. Nói
cách khác, là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL có thể thiết lập chế độ
đồng bộ (chế độ khóa).
BC phụ thuộc vào băng thông LPF. Để PLL đạt được sự khóa pha thì độ sai lệch tần số
(fi – fN) phải nằm trong băng thông LPF. Nếu nó nằm ngoài băng thông thì PLL sẽ không
đạt được khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh.

Hình 1.13: Điện áp sau bộ lọc thông thấp
Giả sử mạch PLL đã đạt được chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vào. Bây giờ
ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo. Tuy
nhiên khi tăng đến một giá trị nào đó thì VCO sẽ không bám theo được nữa và quay về tần
số tự nhiên ban đầu của nó. Ta làm tương tự như trên nhưng thay đổi tần số tín hiệu vào
theo hướng nhỏ hơn tần số VCO. Đến một giá trị nào đó của tần số tín hiệu vào thì VCO sẽ


10

không bám theo được nữa và cũng trở về tần số tự nhiên của nó. Dải giá trị tần số từ thấp
nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vào được gọi là dải khoá. Từ đó ta định nghĩa:
Dải khóa BL (Lock range): ký hiệu BL=fmax- fmin, là dải tần số mà PLL đồng nhất
đựợc tần số f0 với fi. Dải này còn gọi là đồng chỉnh (Tracking range). Các tần số fmax, fmin tần
số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khóa pha (đồng bộ). Dải khóa phụ thuộc hàm
truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO. Nó không phụ thuộc vào đáp
tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì fi- f0 = 0.

Khi PLL chưa khóa pha: fi ≠ f0. Khi PLL khóa pha: fi = f0. Ở chế độ khóa pha, dao
động f0 của VCO bám đồng bộ theo fi trong dải tần khóa BL rộng hơn dải tần bắt BC.
1.4. Các thành phần của PLL
1.4.1. Bộ tách sóng pha (Phase Detector):
Còn gọi là bộ so sánh pha. Có ba loại tách sóng pha
1.4.1.1. Loại tương tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào.

Hình 1.14. Bộ tách sóng pha
Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự
Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu. Ngõ ra của nó có điện áp: Vd(t)
= Asin[(ω1-ω0)t + (θ1- θ2)] + Asin[(ω1-ω0)t + (θ1+ θ2)]
Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn thành phần tần số thấp. Khi khóa pha (ωi=ω0) có
Vd = Asin (θi- θ2) . Điện áp này tỷ lệ với biên độ điện áp vào A và độ sai pha θe=θi-θ0. Nếu θe
nhỏ, hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha coi như tuyến tính. Dải khóa giới hạn trong
|θe|<π/2. Ta có độ lợi tách sóng pha k tính được theo công thức: k = A (V/radian)
ϕ

ϕ

Hình 1.15. Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha tương tự


11

1.4.1.2 Loại số thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop :
Có tín hiệu ra biến đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức là phụ thuộc sai lệch
về pha giữa hai tín hiệu vào.

Hình 1.16. Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số

Hình 1.17. Bộ tách sóng pha dạng số
Điện áp sai lệch biến đổi chậm Vd tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ rộng
xung ngõ ra tức là tỷ lệ độ sai lệch về pha θe (hay tần số tức thời) của hai tín hiệu vào.
1.4.1.3. Loại tách sóng pha lấy mẫu.
1.4.2. Lọc thông thấp LPF
LPF thường là mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt thành phần
AC theo yêu cầu. LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực.
Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thành phần f0, fi, fi-f0, fi+f0, v.v...


12

Sau LPF chỉ còn thành phần tần số rất thấp (fi-f0) đến bộ khuếch đại để điều khiển tần
số VCO bám theo fi. Sau khi qua vòng điều khiển hồi tiếp PLL được đồng bộ (khóa pha)
fi=f0, tần số phách (fi-f0)=0. Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vào fi, f0 thấp
khoảng vài trăm KHz trở lại.

Hình 1.18. Mạch lọc thông thấp
1.4.3. Khuếch đại một chiều
Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thông thấp LPF. Độ lợi khuếch đại
kA.

Hình 1.19. Khuếch đại một chiều
1.4.4. VCO (Voltage controlled oscillator)
Là mạch dao động có tần số được kiểm soát bằng điện áp DC .
Yêu cầu chung của mạch VCO là quan hệ giữa điện áp điều khiển Vdk(t) và tần số ra
fo(t) phải tuyến tính. Ngoài ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần sô
theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ hợp thành vi mạch
(không có điện cảm).

13

Hình 1.20. Mạch VCO tiêu biểu
1.5. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha (PLL)
Bộ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha về nguyên tắc hoạt động hoàn toàn dựa trên
nguyên lý của vòng khóa pha nhưng thêm vào hai bộ chia là bộ chia R (dùng để chia tần số
của tần số chuẩn fref đầu vào) và bộ chia M (dùng để chia tần số fVCO của bộ VCO bên
ngoài). Khi đó, tần số dao động của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO bên ngoài
sau khi giữ chập sẽ là: f

VCO

=

M * f ref
R

(1.17)

Hình 1.21. Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số sử dụng bộ chia lập trình được
1.6. Một số ứng dụng
1.6.1 Bộ tổ hợp tần số đơn
Bộ tổ hợp tần số đơn được thiết kế bằng cách đưa tín hiệu chuẩn từ dao động thạch
anh vào so pha một mạch PLL có bộ chia lập trình được. Khi PLL thực hiện khoá pha, thì ta
có: fref=

fVCO
N

Suy ra :

(1.18)
fVCO=Nfref=f0

(1.19)


14

1.6.2 Bộ giải điều chế FM, AM, SK .v.v…

Hình 1.22. Bộ giải điều chế FM

Hình 1.23. Bộ giải điều chế FSK

Hình 1.24. Bộ giải điều chế AM


15

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH DAO ĐỘNG VCO
2.1. Nguyên lý mạch VCO:
Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống thông
tin vì nó tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Do vậy,
tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo
chất lượng của hệ thống.
Mạch dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) là một máy phát dao động hoạt động
bằng cách sử dụng điện áp điều khiển dung kháng của diode biến dung (varicap) để tạo ra
thành phần mạch điện điều chỉnh. Dung kháng của varicap thay đổi phụ thuộc vào giá trị

của điện thế VDC. Tần số tạo ra biến đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp điều khiển
VDC
2.2. Một số mạch VCO cơ bản

Hình 2.1. VCO và mạch dao động Colpitts

, Clapp dùng diode biến dung.

Sơ đồ một số mạch VCO Colpitts tần số cao:

Hình 2.2. VCO Colpitts điều chỉnh song song.


16

Hình 2.3. VCO Colpitts điều chỉnh nối tiếp.
Tần số hoạt động của mạch quy định bởi:
ω2 L = [1/(C2+Cvar)]+(1/C3)+(1/C4)

(2.1)

Hình 2.4. Mạch VCO Colpitts dải rộng.
2.3. Thiết kế, chế tạo VCO dùng spf-3043:
2.3.1. Nguyên lý:
Mạch tạo dao động theo kiểu ba điểm điện dung, sử dụng FET spf-3403. Đây là linh
kiện GaAs có hiệu suất cao, độ ồn thấp; thường được sử dụng chế tạo LNA, ứng dụng trong
các hệ thống không dây số và tuyến tính, 3G, thiết bị không dây cố định, máy nhắn tin
(Pager system),...