HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG IT NGÔ ĐỨC THIỆN - LÊ ĐỨC TOÀN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ PT (Tài liệu dùng cho hệ Đại học - Cao đẳng) HÀ NỘI 2013 LỜI NÓI ĐẦU Điện tử tương tự là môn học cơ sở, nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các mạch điện trong hệ thống mạch điện tử. Để nghiên cứu tài liệu này được thuận lợi, người đọc cần có kiến thức của các môn học Lý thuyết mạch và Cấu kiện điện tử. Cuốn sách này được chia thành 7 chương. Chương 1: Mạch khuếch đại transistor. Đề cập các cách mắc mạch khuếch đại cơ bản, vấn đề hồi tiếp trong mạch khuếch đại, cách ghép giữa các tầng trong một bộ khuếch đại, các mạch khuếch đại công suất và một số mạch khuếch đại khác: như khuếch đại Cascade, khuếch đại Darlingtơn, mạch khuếch đại dải rộng, mạch khuếch đại cộng hưởng. Chương 2: Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT). Các đặc điểm và tính chất của bộ khuếch đại thuật toán, các biện pháp chống trôi và bù điểm không của khuếch đại thuật toán, cũng như các ứng dụng của nó: mạch khuếch đại, mạch cộng, mạch trừ, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch tạo hàm lôga, hàm mũ, mạch nhân tương tự, mạch lọc tích cực. IT Chương 3: Mạch tạo dao động sin: Nguyên lý tạo dao động sin. Phân tích mạch tạo dao động sin ghép biến áp, dao động sin ghép RC, mạch dao động sin ba điểm. Mạch tạo dao động sin ổn định tần số dùng phần tử áp điện thạch anh. Mạch tạo sin kiểu xấp xỉ tuyến tính. PT Chương 4: Mạch xung: Nêu các tham số của tín hiệu xung, tranzito và BKĐTT làm việc ở chế độ xung, các mạch tạo xung: gồm mạch đa hài tự dao động, đa hài đợi, trigger, dao động nghẹt, mạch hạn chế, mạch tạo điện áp răng cưa, mạch tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO). Chương 5: Điều chế - Tách sóng – Trộn tần: Điều biên, các mạch điều biên, điều chế đơn biên. Điều tần và điều pha, mạch điều tần điều pha. Tách sóng: các mạch tách sóng điều biên, điều tần, điều pha. Trộn tần, mạch trộn tần. Nhân chia tần số dùng vòng giữ pha (PLL). Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A. Giải thích quá trình biến đổi A/D và các mạch thực hiện. Giải thích quá trình biến đổi D/A và các mạch thực hiện. Nêu tóm tắt quá trình chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến. Chương 7: Mạch cung cấp nguồn. Phân tích mạch cung cấp nguồn một chiều: biến áp, chỉnh lưu, lọc và ổn áp. Phương pháp bảo vệ quá dòng, quá áp của bộ nguồn. Nguyên lý bộ nguồn chuyển mạch. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng cuốn sách chắc chắn còn thiếu sót, rất mong bạn đọc đóng góp ý kiến để sửa chữa, bổ sung thêm. Xin chân thành cảm ơn! Các tác giả 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 2 MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR............................................. 7 1.1. Định nghĩa, các chỉ tiêu và tham số cơ bản của mạch khuếch đại ................................. 7 1.1.1. Định nghĩa mạch khuếch đại ................................................................................. 7 1.1.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại ....................................... 8 1.2. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường và transistor lưỡng cực 10 1.2.1. Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực ................................................ 10 1.2.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho transistor lưỡng cực .................................. 11 1.2.3. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định .............................. 122 1.2.4. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường .............................. 13 1.3. Hồi tiếp trong các tầng khuếch đại ............................................................................. 15 IT 1.3.1. Định nghĩa .......................................................................................................... 15 1.3.2. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp .................................... 16 1.3.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tham số tầng khuếch đại .............................. 17 1.4. Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor lưỡng cực (BJT) ........................... 19 1.4.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 19 PT 1.4.2. Tầng khuếch đại Emitơ chung............................................................................. 19 1.4.3. Tầng khuếch đại Colectơ chung ........................................................................ 210 1.4.4. Sơ đồ Bazơ chung ............................................................................................. 222 1.5. Các sơ đồ cơ bản dùng transistor trường (FET)........................................................ 233 1.5.1. Sơ đồ Source chung .......................................................................................... 233 1.5.2. Sơ đồ Drain chung ............................................................................................ 244 1.6. Một số mạch khuếch đại khác .................................................................................. 255 1.6.1. Mạch khuếch đại Darlingtơn ............................................................................. 255 1.6.2. Mạch Kaskode .................................................................................................. 266 1.6.3. Mạch khuếch đại dải rộng ............................................................................... 2727 1.6.4. Mạch khuếch đại cộng hưởng ......................................................................... 2727 1.6.5. Tầng khuếch đại đảo pha ................................................................................... 27 1.6.6. Mạch khuếch đại vi sai ....................................................................................... 29 1.7. Các phương pháp ghép tầng trong bộ khuếch đại ....................................................... 30 1.7.1. Ghép tầng bằng tụ điện ..................................................................................... 311 1.7.2. Ghép bằng biến áp ............................................................................................ 312 1.7.3. Mạch ghép trực tiếp .......................................................................................... 322 1.8. Tầng khuếch đại công suất....................................................................................... 322 3 1.8.1. Chế độ công tác và điểm làm việc của tầng khuếch đại công suất...................... 322 1.8.2. Tầng khuếch đại công suất chế độ A ................................................................. 344 1.8.3. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo ................................................................. 3737 CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN .......................................................... 455 2.1. Tính chất và tham số cơ bản .................................................................................... 455 2.1.1. Các tính chất cơ bản ......................................................................................... 455 2.1.2. Hệ số khuếch đại hiệu ....................................................................................... 455 2.1.3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha ........................................................ 466 2.1.4. Hệ số nén đồng pha .......................................................................................... 466 2.2. Các mạch khuếch đại ............................................................................................. 4747 2.2.1. Mạch khuếch đại đảo .......................................................................................... 47 2.2.2. Mạch khuếch đại không đảo ............................................................................... 48 2.2.3. Hiện tượng lệch không và biện pháp bù.. ............................................................ 49 2.3. Các mạch điện ứng dụng bộ KĐTT ........................................................................... 49 IT 2.3.1. Mạch cộng .......................................................................................................... 49 2.3.2. Mạch trừ ............................................................................................................. 50 2.3.3. Mạch tích phân ................................................................................................. 511 2.3.4. Mạch vi phân .................................................................................................... 511 2.3.5. Mạch tạo hàm loga ........................................................................................... 511 PT 2.3.6. Mạch tạo hàm đối loga...................................................................................... 522 2.3.7. Mạch nhân ........................................................................................................ 522 2.3.8. Mạch chia ......................................................................................................... 533 2.3.9. Mạch so sánh .................................................................................................... 544 CHƯƠNG 3 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA ................................................... 56 3.1. Khái niệm chung về dao động ................................................................................... 56 3.2. Điều kiện tạo dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động. ..................................... 56 3.3. Ổn định biên độ và tần số dao động ........................................................................... 57 3.4. Mạch dao động LC .................................................................................................... 58 3.4.1. Mạch dao động ghép biến áp .............................................................................. 58 3.4.2. Mạch tạo dao động ba điểm ................................................................................ 58 3.5. Mạch dao động RC .................................................................................................... 60 3.5.1. Mạch dao động dùng 3 mắt RC trong khâu hồi tiếp............................................. 60 3.5.2. Mạch dao động dùng mạch cầu Viên trong khâu hồi tiếp .................................... 61 3.6. Mạch dao động dùng thạch anh ................................................................................. 63 3.6.1. Các tính chất của thạch anh................................................................................. 63 3.6.2. Một số mạch dao động dùng thạch anh ............................................................... 64 3.7. Mạch tạo sóng sin kiểu xấp xỉ tuyến tính ................................................................... 65 4 CHƯƠNG 4 MẠCH XUNG ........................................................................................ 67 4.1. Tín hiệu xung và các tham số ................................................................................... 67 4.2. Chế độ khóa của transistor ........................................................................................ 67 4.3. Chế độ khóa của bộ KĐTT ........................................................................................ 68 4.4 . Trigơ ........................................................................................................................ 69 4.4.1. Trigơ đảo ............................................................................................................ 69 4.4.2. Trigơ thuận ......................................................................................................... 70 4.5. Mạch đa hài đợi ......................................................................................................... 70 4.6. Mạch đa hài tự dao động ........................................................................................... 72 4.6.1. Mạch đa hài tự dao động dùng transistor ............................................................. 72 4.6.2. Mạch đa hài tự dao động dùng bộ khuếch đại thuật toán ..................................... 74 4.7. Mạch hạn chế biên độ ................................................................................................ 76 4.7.1. Mạch hạn chế trên .............................................................................................. 76 4.7.2. Mạch hạn chế dưới ............................................................................................. 77 IT 4.7.3. Mạch hạn chế hai phía ........................................................................................ 78 4.8. Mạch tạo xung răng cưa ............................................................................................ 79 4.8.1 Tham số tín hiệu xung răng cưa ........................................................................... 79 4.8.2. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch tích phân RC.............................................. 79 4.8.3. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng .......................................................... 80 PT 4.8.4. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp .................................. 81 4.9. Mạch tạo dao động có tần số điều khiển bằng điện áp (VCO) .................................... 82 CHƯƠNG 5 ĐIỀU CHẾ - TÁCH SÓNG - TRỘN TẦN ............................................. 84 5.1. Điều chế .................................................................................................................... 84 5.1.1. Khái niệm ........................................................................................................... 84 5.1.2. Điều chế biên độ ................................................................................................. 84 5.1.3. Điều chế đơn biên ............................................................................................... 89 5.1.4. Điều tần và điều pha ........................................................................................... 93 5.2. Tách sóng .................................................................................................................. 98 5.2.1. Khái niệm ........................................................................................................... 98 5.2.2. Tách sóng điều biên. ........................................................................................... 98 5.2.3. Tách sóng điều tần và điều pha ......................................................................... 101 5.3. Trộn tần................................................................................................................... 104 5.3.1. Định nghĩa ........................................................................................................ 104 5.3.2. Nguyên lý trộn tần ............................................................................................ 104 5.3.3. Mạch trộn tần ................................................................................................... 105 5.4. Mạch nhân chia tần số ............................................................................................. 108 CHƯƠNG 6 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ VÀ SỐ - TƯƠNG TỰ ...................... 111 5 6.1. Khái niệm và các tham số cơ bản ............................................................................. 111 6.1.1. Khái niệm chung............................................................................................... 111 6.1.2. Các tham số cơ bản ....................................................................................... 11212 6.1.3. Nguyên tắc làm việc của A/D ........................................................................... 113 6.2. Các phương pháp chuyển đổi tương tự số ................................................................ 115 6.2.1. Phân loại........................................................................................................... 115 6.2.2. Một số mạch chuyển đổi tương tự - số .............................................................. 115 6.3. Các phương pháp chuyển đổi số tương tự ............................................................ 12424 6.3.1. Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở ........................................... 124 6.3.2 Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở ............................................ 125 CHƯƠNG 7 MẠCH CUNG CẤP NGUỒN MỘT CHIỀU ..................................... 12727 7.1. Khái niệm chung ................................................................................................. 12727 7.2. Biến áp nguồn và mạch chỉnh lưu ........................................................................ 12727 7.2.1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ.................................................................................... 12828 IT 7.2.2. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ .............................................................................. 12828 7.3. Bộ lọc nguồn ....................................................................................................... 13030 7.3.1. Bộ lọc dùng tụ điện ....................................................................................... 13131 7.3.2. Bộ lọc RC, LC .............................................................................................. 13131 7.4. Mạch ổn áp.......................................................................................................... 13232 PT 7.4.1. Ổn áp dùng điốt Zener .................................................................................. 13232 7.4.2. Ổn áp dùng transistor .................................................................................... 13333 7.4.3. Ổn áp dùng IC .............................................................................................. 13737 7.5. Nguồn ổn áp chuyển mạch................................................................................... 13838 7.5.1 Khái niệm về nguồn chuyển mạch ................................................................. 13838 7.5.2. Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch ......................................................... 14040 7.5.3 Các khối trong bộ nguồn chuyển mạch .......................................................... 14141 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 14545 6 CHƯƠNG 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR 1.1. Định nghĩa, các chỉ tiêu và tham số cơ bản của mạch khuếch đại 1.1.1. Định nghĩa mạch khuếch đại Một trong số những ứng dụng quan trọng nhất của transistor là sử dụng nó trong các mạch để làm tăng cường độ điện áp hay dòng điện của tín hiệu mà thường gọi là mạch khuếch đại. Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp (không chứa thông tin), được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào (chứa đựng thông tin), làm cho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. Phần tử điều khiển đó là transistor. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại hình 1-1, trong đó Un là nguồn tín hiệu vào, Rn là điện trở trong của nguồn tín hiệu, Rt tải nơi nhận tín hiệu ra. Iv Un ~ Uv Mạch khuếch đại IT Rn Ir Ur Rt PT Nguồn cung cấp (UCC) Hình 1-1. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại. Hình 1-2 đưa ra cấu trúc nguyên lý để xây dựng một tầng khuếch đại. Phần tử cơ bản là phần tử điều khiển transistor có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực điều khiển (cực gốc) của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của mạch ra bao gồm transistor và điện trở RC. Tại lối ra giữa cực góp và cực phát, ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần. Để đơn giản, giả thiết điện áp đặt vào cực gốc có dạng hình sin. Từ sơ đồ hình 1-2 ta thấy rằng dòng điện và điện áp ở mạch ra (tỷ lệ với dòng điện và điện áp tín hiệu vào) là tổng các thành phần xoay chiều (dòng điện và điện áp) trên nền của thành phần một chiều Ir0 và Ur0. Phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều không vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là I r 0  I r và U r 0  U r . Nếu điều kiện đó không được ^ ^ thoả mãn thì sẽ làm méo dạng tín hiệu ra. Như vậy để đảm bảo công tác cho tầng khuếch đại (khi tín hiệu vào là xoay chiều) thì ở mạch ra của nó phải tạo nên thành phần dòng một chiều Ir0 và điện áp một chiều Ur0. Chính vì vậy, ở mạch vào của tầng, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta cũng phải đặt thêm điện áp một chiều Uv0 (hay dòng điện một chiều Iv0). Các thành phần dòng điện và điện áp một chiều đó xác định chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại. Tham số của chế độ tĩnh theo 7 mạch vào (Iv0, Uv0) và theo mạch ra (Ir0, Ur0) đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi chưa có tín hiệu vào. Ir +UCC Uv i Iˆr Ur RC t Ir0 t B C 0 PĐK E Uv t Ur Rt Ur Uˆ r Ur0 0 a. t b. a. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại. IT Hình 1-2. b. Biểu đồ thời gian. 1.1.2. Các chỉ tiêu và tham số cơ bản của một tầng khuếch đại PT Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại người ta đưa ra các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau: 1.1.2.1. Hệ số khuếch đại. K = Đại lượng đầu ra Đại lượng tương ứng đầu vào (1-1) Nói chung vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức. K = K exp(j. k) Mô đun |K| thể hiện quan hệ về cường độ (biên độ) giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, phần góc k thể hiện độ dịch pha giữa chúng. Độ lớn của |K| và k phụ thuộc vào tần số  của tín hiệu vào. Đồ thị hàm số |K| = f() được gọi là đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại. Đồ thị hàm số k = f() được gọi là đặc tuyến pha - tần số của nó. Có thể tính |K| theo đơn vị logarit, gọi là đơn vị đề xi ben (dB) K (dB)  20 lg K Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại tương ứng là K1, K2,...Kn thì hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại xác định: KTP = K1.K2...Kn. 8 Nếu tính theo đơn vị dB ta có: KTP(dB) = K1(dB) + K2(dB) +... + Kn(dB) Hình 1-3 là dạng của K = f() đối với một bộ khuếch đại điện áp tần số thấp. |K| K0 0 f (Hz) Hình 1-3. Đặc tuyến biên độ - tần số. IT 1.1.2.2. Trở kháng lối vào và lối ra Trở kháng vào, ra của tầng khuếch đại được định nghĩa: ZV  UV ; IV Zr  Ur Ir (1-2) PT Nói chung chúng là các đại lượng phức nên ta có thể viết: Z = R + jX. 1.1.2.3. Méo tần số Méo tần số là méo do hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu giải tần. ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt, ở vùng tần số cao có méo tần số cao MC. Chúng được xác định theo biểu thức: Mt  Trong đó: K0 ; Kt MC  K0 KC (1-3) K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình. KC là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao. Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp. Méo tần số cũng có thể được tính theo đơn vị đề xi ben. 1.1.2.4. Méo phi tuyến Méo phi tuyến do tính chất phi tuyến của các phần tử như transistor gây ra thể hiện trong tín hiệu đầu ra xuất hiện thành phần tần số mới (không có ở đầu vào). Khi Uv chỉ có thành phần tần số  thì Ur nói chung có các thành phần n (với n = 0,1,2...) với các biên độ tương ứng là Ûn. Lúc đó hệ số méo không đường thẳng do tầng khuếch đại gây ra được đánh giá là: 9  22  U  32  ...  U  2n U  % 1 U (1-4) 1.1.2.5. Hiệu suất của tầng khuếch đại Hiệu suất của một tầng khuếch đại là đại lượng được tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra tải Pr với công suất một chiều của nguồn cung cấp P0. H Pr % P0 (1-5) Trên đây đã nêu một số chỉ tiêu quan trọng của một tầng (hay một bộ khuếch đại gồm nhiều tầng). Căn cứ vào các chỉ tiêu này người ta có thể phân loại các bộ khuếch đại với các tên gọi với đặc điểm khác nhau. Có thể phân loại theo dạng đặc tuyến tần số K = f(), từ đó có bộ khuếch đại một chiều, bộ khuếch đại tần số thấp, bộ khuếch đại tần số cao, bộ khuếch đại chọn lọc tần số...v.v. 1.2. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của transistor trường và transistor lưỡng cực IT 1.2.1. Nguyên tắc chung phân cực transistor lưỡng cực PT Để transistor làm việc như là một phần tử tích cực thì các tham số của nó phải thoả mãn điều kiện thích hợp. Những tham số này của transistor phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyển tiếp góp, phát. Nói một cách khác giá trị các tham số phụ thuộc vào điểm làm việc của transistor. Một cách tổng quát, dù transistor được mắc theo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau: chuyển tiếp gốc-phát luôn phân cực thuận, chuyển tiếp gốc - góp luôn phân cực ngược. Đối với transistor n-p-n điều kiện phân cực để nó làm việc ở chế độ khuếch đại là: UBE = UB - UE > 0 UCE = UC - UE > 0 UE < UB < UC Hình 1-4 biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực của transistor ở chế độ khuếch đại. IC UC IB UCE > 0 UB UB UE UCE < 0 UE IE IE UBE > 0 IC UC IB UBE <0 a. Hình 1-4. b. a. Biểu diễn điện áp và dòng điện phân cực transistor n-p-n. b. Transistor p-n-p. 10 Trong đó UE, UB, UC là điện thế các cực phát, gốc, góp của transistor như trên hình 1- 4. Với transistor p-n-p thì điều kiện phân cực có dấu ngược lại. 1.2.2. Mạch cung cấp điện áp phân cực cho transistor lưỡng cực 1.2.2.1. Mạch cấp điện áp phân cực Có hai cách phân áp cho transistor là phương pháp định dòng Bazơ và định áp Bazơ, hình 1-5. +Ucc +Ucc Rc IP Cr RB + Cv + Rc Cr R1 IB0 Cv + + Ur Ur Uv Uv a. Định dòng Bazơ IT R2 b. Định áp Bazơ Hình 1-5. Phương pháp cấp thiên áp cho transistor lưỡng cực PT Mạch điện hình 1-5a cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định dòng. Điện áp UBE0 được lấy từ nguồn UCC dẫn qua điện trở RB vào cực gốc. Điện trở RB có trị số lớn hơn nhiều so với điện trở một chiều của mặt ghép gốc-phát, do đó dòng định thiên IB0 được xác định gần đúng. I B0  U CC  U BE 0 U CC  RB RB Dòng điện một chiều ở đầu ra (dòng cực góp) IC0 và điện áp một chiều ở đầu ra UCE0: IC0 = .IB0; UCE0 = UCC - IC0.RC Mạch này đơn giản nhưng độ ổn định điểm làm việc kém. Mạch điện hình 1-5b cung cấp điện áp cho cực gốc theo phương pháp định áp nhờ bộ phân áp R1, R2. Thường chọn IP >> IB0, nên điện áp tại điểm làm việc của cực gốc được xác định theo biểu thức: U BE0  U CC .R 2 = U CC - Ip .R 1 R 1 +R 2 Trong đó IP là dòng phân áp chạy qua điện trở R1, R2. 11 Ta thấy rằng UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của transistor và nhiệt độ nên ổn định. Rõ ràng dòng IP càng lớn UBE0 càng ổn định, nhưng khi đó R1, R2 phải có giá trị nhỏ sẽ làm giảm trở kháng vào của mạch. 1.2.2.2. Điểm làm việc tĩnh của transistor lưỡng cực Các tham số UBE0, UCE0, IB0, IC0 thể hiện chế độ một chiều của transistor lưỡng cực, nếu biểu diễn chúng trên đường tải một chiều của transistor thì còn được gọi là điểm làm việc một chiều hay điểm làm việc tĩnh ( Điểm Q trên đường tải một chiều). IC U CC RC  RE +12V +UCC Rc R1 + Cv + IB0 Q IC0 Cr Ur CE IBmin IT R2 RE + Uv IBmax UCC U CE 0 Hình 1-7. Điểm làm việc tĩnh của transistor. PT Hình 1-6. UCE Từ hình 1-6 ta xác định được: U CC  U CE  I C .RC  I E RE vì I E  I C nên ta có thể viết: U CE  U CC  I C ( RC  RE ) (1-6) Biểu thức (1-6) là phương trình đường tải một chiều, nó được vẽ trên hình 1-7. Trên đường tải điểm làm việc Q được xác định bằng các giá trị một chều IC0, UCE0. 1.2.3. Hiện tượng trôi điểm làm việc và các phương pháp ổn định Trong quá tình làm việc của transistor điểm làm việc tĩnh có thể bị dịch chuyển do nhiệt hay tạp tán của nó. Để giữ điểm làm việc của transistor ổn định người ta dùng các phương pháp ổn định điểm làm việc. +UCC +12V RB Có hai phương pháp ổn định điểm làm việc là ổn định tuyến tính và ổn định phi tuyến: Ổn định tuyến tính: dùng hồi tiếp âm một chiều, làm thay đổi thiên áp mạch vào của transistor để hạn chế sự di chuyển của điểm làm việc. Rc Cr + Cv + Ur Uv Hình 1-8. 12 Hình 1-8 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm điện áp. Ở đây RB vừa làm nhiệm vụ đưa điện áp vào cực gốc bằng phương pháp định dòng Bazơ, vừa dẫn điện áp hồi tiếp về mạch vào. Nếu có một nguyên nhân mất ổn định nào đó làm cho dòng một chiều IC0 tăng lên thì điện thế UCE0 giảm (do UCE0  UCC – IC0.RC) làm UBE0 giảm, kéo theo dòng IB0 giảm làm cho IC0 giảm (vì IC0 = . I B 0 ), nghĩa là dòng IC0 ban đầu được giữ ổn định tương đối. Hình 1-9 là sơ đồ ổn định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện. Trong sơ đồ này RE làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện một chiều. Khi IC0 tăng do nhiệt độ thay đổi hay do độ tạp tán tham số của transistor thì điện áp hạ trên RE(UE0 = IE0.RE) tăng. Vì điện áp UR2 lấy trên điện trở R2 hầu như không đổi nên điện áp UBE0 = UR2 - UE0 giảm, làm cho IB0 giảm, do đó IC0 không tăng lên được, tức là IC0 được giữ ổn định tương đối. +UCC +12V R1 Rc + Cv Cr + Uv Ur R2 Ổn định phi tuyến: dùng phương pháp bù nhiệt nhờ các phần tử có tham số phụ thuộc vào nhiệt độ như transistor, điốt, điện trở nhiệt. RE IT Hình 1-9. 1.2.4. Phân cực và chế độ làm việc một chiều của tranzito trường Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định điểm làm việc của transistor trường cũng giống như transistor lưỡng cực. Đối với transistor trường xác định điểm làm việc thông qua ID, UGS, và UDS. PT Transistor hiệu ứng trường(FET) có hai loại chính là FET điều khiển bằng tiếp xúc p-n (viết tắt là JFET) và FET có cực cửa cách điện (viết tắt là IGFET). Sau đây chúng ta xét phân cực và chế độ làm việc của JFET kênh n. Để JFET làm việc trong miền khuếch đại phải có các điều kiện sau: + 0 < ID < IDSS + Điện áp cực cửa – cực nguồn: UP < UGS với kênh n UP > UGS với kênh p +UD RD Cr Ur Cv Uv + Q1 RG Rs Cs Hình 1-10. Sơ đồ cung cấp và ổn định điểm làm việc cho JFET 13 Để phân cực cho JFET người ta thường dùng phương pháp tự phân cực ( hình 1-10 ). Ở đây RS được mắc vào cực nguồn vừa tạo thiên áp âm cho UGS vừa có tác dụng hồi tiếp âm dòng điện để ổn định điểm làm việc. ID ID IDSS UD RD  RS ID0 UGS0 0 UGS Q 0 U DS 0 IT UP ID0 UD UDS a. b. Hình 1-11. Đặc tuyến truyền đạt (a) và điểm làm việc tĩnh (b) của JFET kênh n PT Phương trình hàm truyền đạt của JFET kênh n được vẽ trên hình 1-11a. Biểu thức phương trình đặc tuyến truyền đạt trên hình 1-11a là: I D  I DSS (1  U GS 2 ) UP (1-7) Vì dòng qua RG gần như bằng không nên ta có: UGS = - ID.RS (1-8) Giải hệ hai phương trình (1-7) và (1-8) ta sẽ nhận được ID0 và UGS0 là các giá trị một chiều, tương ứng với điểm làm việc Q trên hình 1-11b. Từ mạch điện hình 1-10, ta có phương trình đường tải một chiều: UDS = UD – ID(RS + RD) (1-9) Mạch ổn định điểm làm việc dùng hồi tiếp âm thông qua RS. Nếu muốn bỏ hồi tiếp âm xoay chiều ta mắc thêm CS như trên mạch điện. Ưu điểm lớn nhất của transistor trường là trở kháng vào rất lớn, nên để RG ít ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch người ta chọn RG rất lớn (cỡ M). 14 1.3. Hồi tiếp trong các tầng khuếch đại 1.3.1. Định nghĩa Hồi tiếp là ghép một phần tín hiệu ra (điện áp hoặc dòng điện) của bộ khuếch đại về đầu vào thông qua mạch hồi tiếp. Phân loại hồi tiếp: Xr Xv Hồi tiếp dương: tín hiệu hồi tiếp cùng pha với tín vào, hồi tiếp dương sẽ làm bộ khuếch đại mất ổn định, do đó nó không được sử dụng trong mạch khuếch đại, hồi tiếp dương được sử dụng trong mạch tạo dao động. K Xht K ht Hình 1-12. Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. trong đó K là hệ số khuếch đại, Kht là hệ số hồi tiếp. Hồi tiếp âm: tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, hồi tiếp âm đóng vai trò rất quan trọng trong mạch khuếch đại. Hồi tiếp âm cải thiện các tính chất của mạch khuếch đại. IT Trong hồi tiếp âm có hồi tiếp âm một chiều và hồi tiếp âm xoay chiều. Hồi tiếp âm một chiều được dùng để ổn định điểm làm việc tĩnh. Hồi tiếp âm xoay chiều được dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại. Mạch điện bộ khuếch đại có hồi tiếp được phân làm 4 loại: PT Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra, hình 1-13a. Hồi tiếp nối tiếp dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào nối tiếp với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra, hình 1-13b . Hồi tiếp song song điện áp: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với điện áp đầu ra, hình 1-13c. Hồi tiếp song song dòng điện: Tín hiệu đưa về đầu vào song song với nguồn tín hiệu vào và tỷ lệ với dòng điện ra, hình 1-13d. IvK’ IvK UVK a. Hồi tiếp nối tiếp điện áp UvK’ IrK UrK K UrK’ Ivht Irht Urht IrK’ Kht Uvht 15 IvK’ IvK IrK UvK b. Hồi tiếp nối tiếp dòng điện Kht IrK UvK UrK Irht Uvht IT IvK IrK Irht Urht PT IrK’ K UvK UvK’ UrK’ Ivht Kht IvK’ IrK’ K Urht d. Hồi tiếp song song dòng điện Uvht IvK UvK’ UrK’ Ivht Irht Urht c. Hồi tiếp song song điện áp UrK K UvK’ IvK’ IrK’ Kht UrK UrK’ Ivht Uvht Hình 1-13. Các loại mạch hồi tiếp. 1.3.2. Các phương trình của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp K’ Xv Xh Từ sơ đồ hình 1-14 ta có: Xr = K.Xh; Xht = Kht.Xr; Xh = Xv – Xht. Xht K ht Từ 3 phương trình trên ta rút ra được: K' Xr K  X V 1  K .K ht Xr K (1-10) Trong đó: Hình 1-14. Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp. K’ là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực khuếch đại có hồi tiếp âm. K là hệ số khuếch đại của mạng 4 cực không có hồi tiếp. Kht là hệ số hồi tiếp. Kv = K.Kht gọi là hệ số khuếch đại vòng. 16 g = 1 + K.Kht gọi là độ sâu hồi tiếp. Khi K.Kht >> 1 từ (1-10) ta có: K' 1 K ht (1-11) Từ biểu thức (1-11) ta có nhận xét: một bộ khuếch đại có hồi tiếp có hệ số khuếch đại vòng rất lớn thì hàm truyền đạt của nó hầu như không phụ thuộc vào tính chất của bộ khuếch đại mà chỉ phụ thuộc vào tính chất của mạch hồi tiếp. Tức là các tham số của bộ khuếch đại không ảnh hưởng đến hàm truyền đạt của bộ khuếch đại có hồi tiếp mà chỉ phụ thuộc vào các tham số của mạch hồi tiếp. 1.3.3. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các tham số tầng khuếch đại 1.3.3.1. Hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại Hồi tiếp âm làm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại có hồi tiếp giảm g lần K K K'  1  K .K ht g IT g = 1 + K.Kht là độ sâu hồi tiếp. Tuy vậy hồi tiếp âm lại cải thiện các tính chất của mạch khuếch đại như giảm tạp âm, giảm méo phi tuyến, giảm méo tần số, làm ổn định hệ số khuếch đại… 1.3.3.2. Hồi tiếp âm làm ổn định hệ số khuếch đại PT Khi cần dùng các bộ khuếch đại có độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ tạp tán của transistor, điện áp nguồn và thời gian sử dụng thì phải sử dụng hồi tiếp âm. Từ biểu thức (1-10) ta có: d (K ' )   1 K2 . .dK ht dK  (1  K .K ht )2 (1  K .K ht ) 2 K K .K ht K ' K 1   . . ht ' K (1  K .K ht ) K (1  K .K ht ) K ht (1-12) Từ biểu thức (1-12) ta có nhận xét: Sai số tương đối hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm nhỏ hơn (1 + K.Kht) lần so với khi không có hồi tiếp. Như vậy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại sẽ ổn định hơn khi không có hồi tiếp. Khi bộ khuếch đại có nhiều tầng, có thể thực hiện hồi tiếp từng tầng (hình 1-15a) hoặc hồi tiếp qua nhiều tầng (hình 1-15b). Hồi tiếp qua nhiều tầng cho hệ số khuếch đại ổn định hơn hồi tiếp từng tầng. 17 XV Xr K1 Kn K ht1 K htn a. Hồi tiếp từng tầng. XV Xr K1 K2 Kn K ht b. Hồi tiếp qua nhiều tầng. Hình 1-15. Bộ khuếch đại có hồi tiếp. IT 1.3.3.3. Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào, trở kháng ra của bộ khuếch đại Hồi tiếp âm làm thay đổi trở kháng vào của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp. Sự thay đổi này phụ thuộc vào cách mắc hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hay song song) mà không phụ thuộc vào cách lấy tín hiệu hồi tiếp ở đầu ra đưa vào mạch hồi tiếp. PT Tương tự hồi tiếp âm cũng làm thay đổi trở kháng ra của phần mạch nằm trong vòng hồi tiếp. Sự thay đổi này không phụ thuộc vào cách mắc hồi tiếp về đầu vào (nối tiếp hay song song) mà phụ thuộc vào cách lấy tín hiệu hồi tiếp ở đầu ra đưa vào mạch hồi tiếp (hồi tiếp điện áp hay dòng điện). - Hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. - Hồi tiếp âm song song làm giảm trở kháng vào của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. - Hồi tiếp âm dòng điện làm tăng trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. - Hồi tiếp âm điện áp làm giảm trở kháng ra của tầng khuếch đại có hồi tiếp g lần. 1.3.3.4. Hồi tiếp âm làm tăng độ rộng dải thông Trên hình 1-16 đường nét liền là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại không có hồi tiếp âm, nét đứt là đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm. Ta có thể nhận thấy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của toàn tầng giảm nhưng giải thông của nó được tăng lên (f’ > f). Ngoài ra hồi tiếp âm còn có tác dụng quan trọng trong khuếch đại như: Giảm tạp âm, giảm méo phi tuyến. 18 K K / 2 K'/ 2 K 0 K’ f f f ’ IT Hình 1-16. Đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại 1.4. Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor lưỡng cực 1.4.1. Giới thiệu PT Có nhiều phương pháp để phân tích các sơ đồ của một tầng khuếch đại, nhưng với tín hiệu nhỏ người ta thường hay dùng sơ đồ tương đương để phân tích. Các tham số cơ bản cần khảo sát của một tầng khuếch đại là: Trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng Ki, hệ số khuếch đại áp KU và hệ số khuếch đại công suất KP. Sau đây chúng ta sẽ phân tích tầng khuếch đại dùng transistor lưỡng cực theo ba cách mắc mạch: Emitơ chung, Colectơ chung, và Bazơ chung. Giả thiết tín hiệu vào là hình sin ở miền tần số trung bình vì vậy trở kháng của tụ điện coi như bằng không, còn ảnh hưởng điện dung ký sinh của sơ đồ và transistor, cũng như sự phụ thuộc về hệ số khuếch đại dòng ,  của transistor vào tần số coi như không đáng kể. 1.4.2. Tầng khuếch đại Emito chung Hình 1-17 là tầng khuếch đại Emitơ chung, hình 1-18 là sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ. Hệ số khuếch đại điện áp: KU  S   .( rCE / / RC / / Rt ) U R   I B .(rCE / / RC / / Rt )   UV I B .rbe rbe I C   U BE rbe là hỗ dẫn của transistor. KU   S .(rCE / / RC / / Rt ) 19 Dấu trừ cho thấy tín hiệu vào và tín hiệu ra ngược pha nhau. Vì rCE >> RC, Rt nên: KU   S ( RC / / Rt ) rbe  rb   re   . Ở đây Trong đó: (1-13) UT U  . T IE0 IC0 UT là điện áp nhiệt, UT = 26mV ở 250C. Thay (1-13) vào ta có: KU   S ( RC / / Rt )    I ( R / / Rt ) ( RC / / Rt )   C 0 C rbe UT +Ucc R1 Rc IV Cr IB + Cv + UR R1//R2 RE CE Hình 1-17. Sơ đồ Emitơ chung Trở kháng vào: rbe IB rCE RCE Rc UR Rt IT + R2 Hình 1-18. Sơ đồ tương đương Emitơ chung PT UUvV Uv Rt ZV  R1 / / R2 / / rbe (1-14) Hệ số khuếch đại dòng điện: Ki  I Rt U r / Rt  I B ( RC / / Rt ) / Rt   IV UV / ZV I B .rbe / Z v  ( RC / / Rt ) Z v  ( RC / / Rt )( R1 / / R2 / / rbe )   rbe Rt rbe Rt Trở kháng ra: Z r  rCE / / RC  RC (1-15) (1-16) 20 1.4.3. Tầng khuếch đại Colectơ chung +Ucc IV IB R1 rBE Cv Uv + Cr r R2 RE RE Rt rCE RCE R1//R 2 + Uv IB Rt Ur Ur Hình 1-19. Sơ đồ Colectơ chung Hình 1-20. Sơ đồ tương đương Colectơ chung Hệ số khuếch đại điện áp: Ur (   1) I B ( RE / / Rt )  UV I B .rbe  (   1) I B ( RE / / Rt ) IT KU  (   1)( RE / / Rt )  1 rbe  (   1)( RE / / Rt ) Trở kháng vào: PT ZV  R1 / / R2 / /  rbe  (   1)( RE / / Rt )  (1-17) (1-18) Hệ số khuếch đại dòng điện: Ki   Z I r U r / Rt   KU v IV U v / Z v Rt R1 / / R2 / /  rbe  (   1)( RE / / Rt )  (1-19) Rt Trở kháng ra: Zr  U rhm I rngm Urhm là điện áp ra khi hở mạch đầu ra. Irngm là dòng điện ra khi ngắn mạch đầu ra. U rhm  KUhm .UV  (  1).RE .UV rbe  (  1).RE I rngm  I B   I B  UV (   1) rbe 21 (  1).RE (  1).RE .UV r  (  1).RE r  (  1).RE r  be  be / / RE  Z r  be UV (  1)  1 (  1) rbe rbe (1-20) Vì rbe khá nhỏ nên trở kháng ra của mạch colectơ chung nhỏ cỡ vài  đến vài chục , đây là ưu điểm của mạch colectơ chung. 1.4.4. Sơ đồ Bazơ chung +Ucc R1 Rc Cv rCE Cr + RtUr U RE + RE Uv IE R2 Hình 1-21. Sơ đồ Bazơ chung rrBE be IB IB Rc Rc R t Ur IT CB r Hình 1-22. Sơ đồ tương đương Bazơ chung PT Uv IV + Hệ số khuếch đại điện áp: KU  U r   I B ( RC / / Rt )   I B .rbe UV   ( RC / / Rt )  S ( RC / / Rt ) rbe (1-21) Trở kháng vào của mạch: IV   I B  I B  I E  0  UV U  (   1) I B  V  0 ZV RE UV U U  (   1) V  V  0 ZV rbe RE 1  1 1   ZV rbe RE  ZV  rbe / / RE  1 (1-22) Hệ số khuếch đại dòng: 22 Ur R Z I K i  r  t  KU . V U IV Rt V ZV Thay KU và ZV vào ta có: rbe ) / / RE   1 K i  ( RC / / Rt ). rbe Rt ( Trở kháng ra: (1-23) Zr = rCE//RC  RC (1-24) Như vậy chúng ta thấy độ lớn hệ số khuếch đại điện áp của mạch Bazơ chung bằng độ lớn hệ số khuếch đại điện áp trong mạch Emitơ chung. Mạch Bazơ chung thường được sử dụng ở vùng tần số cao do điện dung Miller nhỏ. 1.5. Các sơ đồ khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor trường (FET) IT 1.5.1. Sơ đồ Source chung UD IV RD PT Cr Ur Cv UV RG Rgs rds RD Ur Rt Rt + Uv gmUgs RG RS Cs Hình 1-23. Sơ đồ Source chung Hình 1-24. Sơ đồ tương đương SC Trở kháng vào của mạch: ZV = RG//rgs  RG (1-25) Thường chọn RG lớn để không làm ảnh hưởng tới trở kháng vào của mạch. Trở kháng ra: Zr = RD//rds (1-26) Hệ số khuếch đại điện áp: 23 KU  g U (r / / RD / / Rt ) UR   m gs ds   g m (rds / / RD / / Rt ) UV U gs Thường thì rds >> RD nên ta có: KU = -gm(RD//Rt) (1-27) 1.5.2. Sơ đồ Drain chung IV +UD gmUgs Rgs Cv Uv rds RG Q1 Cr Uv Ur RG Rs Rs Hình 1-25. Sơ đồ Drain chung Hệ số khuếch đại điện áp: Ur Hình 1-26. Sơ đồ tương đương DC Ur Ur  UV U gs  U r PT KU  Rt IT Rt g ( R / / Rt )   m S 1 U gs  g m.U gs ( RS / / Rt ) 1  g m ( RS / / Rt ) g m.U gs ( RS / / Rt ) (1-28) Trở kháng vào của mạch: ZV = RG. (1-29) Trở kháng ra: ZR  U rhm I rngm Urhm là điện áp ra khi hở mạch đầu ra. Irngm là dòng điện ra khi ngắn mạch đầu ra. U rhm  KU .UV  g m RS UV 1  gm .RS I rngm  g m .U gs  g m .U V  Zr  RS 1  RS / / 1  g m RS gm (Khi ngắn mạch Ugs = UV) (1-30) 24 1.6. Một số mạch khuếch đại khác 1.6.1. Mạch khuếch đại Darlingtơn Khi cần trở kháng vào tầng khuếch đại lớn để dòng vào nhỏ, hệ số khuếch đại lớn người ta dùng mạch khuếch đại theo Darlingtơn. Mạch bao gồm hai transistor T1 và T2 nối như hình 1-27. Theo hình 1-27a ta có: I C  I C1  I C 2  1 .I B1   2 .I B 2  1.I B1   2 .(1  1 ).I B1 IC  1.I B1   2 .I B1  1. 2 .I B1  1. 2 .I B1 Trong đó 1 , 2 theo thứ tự là hệ số khuếch đại dòng của transistor T1, T2. Vậy hệ số khuếch đại dòng của sơ đồ Darlingtơn:   1. 2 (1-31) Theo hình 1-27a ta lại có:  rV  IT U BE  I B1.rbe1  I B 2 .rbe 2  I B1.rbe1  (   1) I B1rbe 2 U BE  rbe1  (   1)rbe 2 I B1 C IC PT IC1 B (1-32) C IC2 T1 T2 IB1 T2 B T1 IE1 = IB2 RE IE E E a. Mạch Darlington chuẩn b. Mạch Darlington bù Hình 1-27. Mạch Darlingtơn. Như vậy ta nhận thấy rằng mạch Darlington chuẩn có hệ số khuếch đại dòng bằng tích hệ số khuếch đại dòng của hai transistor và trở kháng vào lớn hơn trở kháng vào của một transistor. Với mạch Darlington bù thì hệ số khuếch đai dòng lớn hơn transistor đơn nhưng trở kháng vào bằng trở kháng vào của T1. Cách mắc Darlington thường được dùng ở tầng công suất có yêu cầu công suất ra lớn. 25 1.6.2. Mạch Kaskode Mạch gồm hai transistor ghép với nhau, T1 mắc theo sơ đồ Emitơ chung còn T2 mắc theo sơ đồ Bazơ chung. Sơ đồ mạch Kaskode hình 1-28. Vì T1 mắc Emitơ chung và tải của nó là re 2 nên ta có: UT r I  KU 1    1 .re 2   e 2   E 02 UT UV rbe1 re1 I E 01 U r1 Vì IE01  IE02 nên ta có: KU 1  1 +Ucc Rc RB1 IT R1 T2 R2 CB Ur2 T1 Ur1 PT Uv Hình 1-28. Mạch khuếch đại Tầng T2 mắc Bazơ chung nên hệ số khuếch đại điện áp của T2 là: KU 2  2 .RC rbe 2 Như vậy ta có hệ số khuếch đại của mạch Kaskode: K  KU 1.KU 2  -  2 .RC rbe 2 (1-33) Ưu điểm cơ bản của mạch này là ngăn cách ảnh hưởng của mạch ra đến mạch vào của tầng khuếch đại, đặc biệt ở tần số cao. Mạch Kaskode có hệ số khuếch đại điện áp bằng với mạch Emito chung, nhưng nó khác mạch Emitơ chung ở chỗ do tầng T1 có KU = -1 và tầng T2 mắc Bazơ chung nên điện dung Miller nhỏ do vậy nó hạn chế hồi tiếp âm nhiều ở vùng tần số cao do đó mạch Kaskode sẽ mở rộng dải thông về phía tần số cao. 26 1.6.3. Mạch khuếch đại giải rộng Tín hiệu có giải tần rộng điển hình là tín hiệu video. Để khuếch đại được giải tần rộng như vậy mạch khuếch đại thường dùng thêm các phần tử hiệu chỉnh. Mạch điện của một tầng khuếch đại dải rộng hình 1-29. Ở mạch này L, R2, C là các phần tử hiệu chỉnh được chọn phù hợp sao cho ở khoảng tần 1 số trung bình của giải tần có tb .L  0;  0 nên tải của tầng là R1 . tb .C Thường R1 chọn nhỏ hơn các tầng khuếch đại khác. +Ucc Ở khoảng tần số cao C.L đủ lớn nên tải của tầng gồm R1 và C.L nên Ura tăng lên. Ở tần số thấp t .L  0; R2 RB 1   nên t .C L R1 Cr Cv IT tải của tầng là R1 và R2. Như vậy nhờ các phần tử hiệu chỉnh làm tăng tải xoay chiều ở hai đầu của giải tần nhờ vậy điện áp ra tăng lên ở hai đầu vùng đó. C Uv Ur RE 1.6.4. Mạch khuếch đại cộng hưởng PT Mạch khuếch đại cộng hưởng dùng phổ biến ở các tầng khuếch đại có tần số cao. Tải của tầng là mạch cộng hưởng song song. Mạch điện hình ở hình 1-30. Hình 1-29. Tầng khuếch đại giải rộng +Ucc Ở mạch này L1C1, L2C2 cộng hưởng ở tần số vào. Khi tần số tín hiệu vào thay đổi các mạch L1C1, L2C2 cần phải điều chỉnh tần số cộng hưởng theo. Tức là 1  L1C1 1  fV . Đặc điểm của mạch, L2C2 RB C2 L2 L3 Ur Cv Uv RE L1 CE C1 ngoài tác dụng khuếch đại tín hiệu nó còn có khả năng chọn lọc tín hiệu theo tần số. Khi có tín hiệu vào thì thành phần tín hiệu có tần số bằng và lân cận tần số cộng hưởng của Hình 1-30. Tầng khuếch đại cộng hưởng khung C1 L1, bị khung này chặn lại đưa vào tranzito khuếch đại. Dòng điện ra sụt áp trên khung L2C2, cảm ứng qua L3 cho điện áp ra. 1.6.5. Tầng khuếch đại đảo pha Tầng đảo pha dùng để khuếch đại tín hiệu và cho ra hai tín hiệu có biên độ bằng nhau nhưng pha lệch nhau 1800 (ngược pha nhau). 27 Sơ đồ tầng khuếch đại đảo pha chia tải vẽ ở hình 1-31. Tín hiệu lấy ra từ cực phát và cực góp của transistor. Tín hiệu ra U r 2 lấy từ cực phát đồng pha với tín hiệu vào, còn tín hiệu ra U r1 lấy từ cực góp ngược pha với tín hiệu vào. Dạng tín hiệu vào ra trên hình 1-31. Trở kháng vào của mạch: ZV  R1 / / R2 / /[rBE  (1   ).RE ] Hệ số khuếch đại điện áp: KU 1   KU 2   .RC rbe  (   1) RE (  1) RE rbe  (  1) RE Nếu chọn RC, RE thỏa mãn thì ta sẽ có độ lớn hệ số khuếch đại KU 1 bằng KU 2 lúc đó ta có mạch đảo pha chia tải. UV R1 IT +Ucc Rc Cr1 0 + Cv Ur1 Cr2 PT + + Uv R2 RE t Ur1 Ur2 t 0 Ur1 U r2 Ur2 t 0 Hình 1-31. Sơ đồ tầng đảo pha và tín hiệu vào ra. Tầng đảo pha cũng có thể dùng biến áp, sơ đồ nguyên lý như hình 1-32. Hai tín hiệu lấy ra từ hai nửa cuộn thứ cấp có pha lệch nhau 1800 so với điểm giữa. Khi hai nửa cuộn thứ cấp có số vòng bằng nhau thì hai điện áp ra sẽ độ lớn bằng nhau. Mạch này có hệ số khuếch đại lớn, dễ dàng thay đổi cực tính của điện áp ra và còn có tác dụng phối hợp trở kháng nhưng cồng kềnh, nặng nề và méo lớn nên hiện nay ít được dùng. 28 +Ucc Ur1 R1 Cv Ur2 + + Uv R2 RE CE Hình 1-32. Sơ đồ tầng đảo pha dùng biến áp 1.6.6. Mạch khuếch đại vi sai +Ucc 1.6.6.1. Giới thiệu Rc IT Trong các bộ khuếch đại tín hiệu xoay chiều, người ta không quan tâm đến hiện tượng trôi, vì qua các phần tử ghép tầng trôi bị chặn lại. Trôi chỉ làm thay đổi chế độ một chiều của từng tầng. Điều này có thể hạn chế bằng hồi tiếp âm. Rc Ur1 Ur2 Uv1 PT Ngược lại trong các bộ khuếch đại tín hiệu một chiều hay tín hiệu có tần số biến thiên chậm trôi cũng được khuếch đại đưa đến đầu ra như tín hiệu. Vì vậy cần phải giảm trôi bằng cách dùng bộ khếch đại vi sai (hình 1-33). Uv2 T1 T2 RE -Ucc Hình 1-33. Bộ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai khuếch đại hiệu hai điện áp đặt ở hai đầu vào, do đó điện áp ra của nó sẽ hạn chế được trôi do dòng trôi sẽ bị khử lẫn nhau của hai transistor, trong trường hợp hoàn toàn đối xứng thì trôi được khử hoàn toàn. Để lợi dụng ưu điểm này bộ khuếch đại vi sai không chỉ được sử dụng khuếch đại hiệu hai điện áp còn dùng để khuếch đại một điện áp. Điện áp đó được đưa vào một đầu còn đầu kia nối đất. 1.6.6.2. Các tham số cơ bản Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại tín hiệu một chều đối xứng, có hai đầu vào và hai đầu ra. Điện áp hiệu: U d  UV 1  UV 2 Là hiệu điện áp đưa vào hai cửa của bộ khuếch đại vi sai. 29 +Ucc Rc Rc Ur1 Ur2 Uv1 Uv2 T1 T2 I0 -Ucc Hình 1-34. Bộ khuếch đại vi sai dùng nguồn dòng Hệ số khuếch đại hiệu: KUd  U r1  U r 2 U rd  Ud Ud IT Nếu lấy tín hiệu trên một đầu ra thì: KU 1  KU 2  Tín hiệu vào đồng pha: K U r1 U rd   Ud 2 U d 2U d PT Khi điện áp đầu vào hai cửa của bộ khuếch đại vi sai bằng nhau tức là UV1 = UV2 = Uđp. Lúc này Uđp gọi là điện áp đồng pha và theo lý thuyết thì lúc đó Ur = 0V, nhưng thực tế thì không như vậy mà Ur = Kđp. Uđp ≠ 0. KCM gọi là hệ số khuếch đại đồng pha, Kđp << KUd. Để đánh giá bộ khuếch đại vi sai người ta đưa ra khái niệm hệ số nén tín hiệu đồng pha: G KUd K dp Hệ số G này càng lớn càng tốt (G càng lớn tác dụng giảm trôi càng tốt). Người ta chứng minh được rằng RE càng lớn hệ số G càng lớn. Nếu chọn RE quá lớn thì sẽ gây sụt áp trên nó lớn, để tránh điều này người ta thay RE bằng một nguồn dòng có nội trở trong rất lớn mà sụt áp trên nó nhỏ (hình 1-34). 1.7. Các phương pháp ghép tầng trong bộ khuếch đại Một bộ khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp nhau (vì thực tế một tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết). Khi có nhiều tầng ghép liên tiếp thì tín hiệu ra của tầng đầu hay tầng trung gian bất kỳ sẽ là tín hiệu vào cho tầng sau nó và tải của một tầng là điện trở vào của tầng sau nó. Để ghép giữa các tầng có thể dùng tụ điện, biến áp hay ghép trực tiếp… 30 1.7.1. Ghép tầng bằng tụ điện Bộ khuếch đại nhiều tầng ghép tụ điện vẽ trên hình 1-35. +Ucc Rc2 R1 Rc1 RB CV Q2 Q1 + R2 RE2 + RE1 Rt + Uv Cn + Cr + CE2 CE1 IT Hình 1-35. Sơ đồ bộ khuếch đại nhiều tầng ghép điện dung. Ưu điểm: Mạch đơn giản, gọn nhẹ, dễ định thiên vì thiên áp một chiều của các tầng không ảnh hưởng lẫn nhau. Nhược điểm: Thành phần tần số thấp khó qua do tụ cản trở thành phần này. PT 1.7.2. Ghép bằng biến áp Hình 1-36 là sơ đồ bộ khuếch đại ghép tầng bằng biến áp. Ghép tầng bằng biến áp cách ly điện áp một chiều giữa các tầng mà còn làm tăng hệ số khuếch đại chung về điện áp hay dòng điện tuỳ thuộc vào biến áp tăng hay giảm áp. +Ucc R3 R1 Cn Cv Q2 R2 RE1 CE1 R4 RE2 Rt + + Q1 + + Uv CE2 Hình 1-36. Sơ đồ bộ khuếch đại nhiều tầng ghép biến áp. 31 Ưu điểm của mạch này là điện áp nguồn cung cấp cho cực góp của transistor lớn vì điện áp một chiều sụt trên cuộn dây bé, do đó cho phép nguồn có điện áp thấp. Ngoài ra tầng ghép biến áp dễ dàng thực hiện phối hợp trở kháng và thay đổi cực tính điện áp tín hiệu trên các cuộn dây. Tuy nhiên nó có nhược điểm là đặc tuyến tần số không bằng phẳng trong giải tần, kết cấu mạch nặng nề, cồng kềnh, hư hỏng sửa chữa thay thế phức tạp. 1.7.3. Mạch ghép trực tiếp Mạch ghép trực tiếp cho ở hình 1-37. Mạch có đầu ra của tầng trước nối trực tiếp vào đầu vào của tầng sau. Cách nối trực tiếp này làm giảm méo tần số thấp trong bộ khuếch đại, mạch được dùng trong bộ khuếch đại tín hiệu có thành phần một chiều (tín hiệu biến thiên chậm). Nhược điểm của mạch là không tận dụng được độ khuếch đại của transistor do chế độ cấp điện một chiều và khó định thiên. +Ucc Rc2 RB Rc1 Cr + Uv Q1 + + IT Q2 + Rt CE2 CE1 PT RE1 RE2 Hình 1-37. Mạch khuếch đại ghép trực tiếp 1.8. Tầng khuếch đại công suất 1.8.1. Chế độ công tác và điểm làm việc của tầng khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất là tầng cuối cùng của bộ khuếch đại, có tín hiệu vào lớn. Nó có nhiệm vụ khuếch đại cho ra tải một công suất lớn nhất có thể được, với độ méo cho phép vào bảo đảm hiệu suất cao. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại công suất: Hệ số khuếch đại công suất KP là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. KP  Pr PV (1-34) Hiệu suất là tỷ số công suất ra và công suất nguồn một chiều cung cấp P0. H Pr % P0 (1-35) Hiệu suất càng lớn thì công suất tổn hao trên cực góp của transistor càng nhỏ. 32 Tuỳ thuộc vào điểm là việc tĩnh của transistor mà tầng khuếch đại công suất có thể làm việc ở các chế độ A, AB, B hoặc C. IC PCmax PCma x Vùng bão hòa A AB B IB=0 UCC 0 UCE Vùng tắt IT Hình 1-38. Điểm làm việc của các chế độ khuếch đại PT Chế độ A là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor nằm giữa đường tải một chiều, ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại cả hai bán chu kỳ. Ở chế độ A dòng tĩnh luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra nên méo nhỏ nhưng hiệu suất rất thấp (H < 50%), chế độ này chỉ dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ. Chế độ B là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor là điểm chuyển tiếp giữa vùng tắt và vùng khuếch đại của nó. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại một nửa chu kỳ. Như vậy chế độ B có dòng tĩnh bằng không nên hiệu suất cao (trên dưới 78%). Chế độ AB là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor là điểm giữa chế độ A và chế độ B. Ở chế độ này tín hiệu được khuếch đại hơn một nửa chu kỳ. Lúc này dòng tĩnh bé hơn chế độ A nên hiệu suất cao hơn (H < 70%). Chế độ AB và B có hiệu suất cao nhưng méo lớn. Để giảm méo người ta dùng mạch khuếch đại kiểu đẩy kéo. Chế độ C là chế độ mà điểm làm việc tĩnh của transistor nằm trong vùng tắt. Ở chế dộ này tín hiệu được khuếch đại nhỏ hơn một nủa chu kỳ. Nó được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là khung cộng hưởng để chọn lọc sóng hài mong muốn và có hiệu suất cao. IC IC IC (A) (AB) IC0 IC (C) (B) IC0 0 t 0 t 0 t 0 t Hình 1-39. Dạng dòng điện ra ứng với các chế độ công tác của transistor. 33 1.8.2. Tầng khuếch đại công suất chế độ A 1.8.2.1. Tầng công suất chế độ A sơ đồ Emitơ chung Pr ~  ^ ^ U r .Ir 2 2 Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của transistor từ đồ thị hình 1-41 ta thấy: U rmax  U CE 0  ^ I rmax  I C 0 U CC 2 +Ucc ^ Rc Công suất ra lớn nhất: + Cv Pr ~ max  Cr RB U CC .IC 0 4 + Ur Uv Công suất nguồn cung cấp cho mạch: IT P0  U CC .I C 0 Hình 1-40. Tầng công suất mắc E chung Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: 1 Pr ~ max .100%  .100%  25%. P0 4 PT H (1-36) IC U CC RC Î C IB0 Q IC0 IB= 0 0 UCE0 UCC UCE UCE Uˆ r t Hình 1-41. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra 34 Hiệu suất này có được là đã bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa, trên thực tế hiệu suất cực đại của mạch nhỏ hơn 25%. Nếu đầu ra ghép điện dung với tải thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RC. Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thường ghép biến áp với tải. Khi đó vừa phối hợp được trở kháng với tải vừa không bị tổn hao công suất nguồn do điện trở thuần của cuộn cảm là rất nhỏ. 1.8.2.2. Tầng công suất sơ đồ Emito chung ghép biến áp với tải Có thể nhận thấy đường tải một chiều (hình 1-43) gần như song song với trục tung do điện trở thuần của cuộn W1 là rất bé. +Ucc Ir Công suất ra: Pr ~  ^ ^ U r .Ir 2. 2  ^ R1 ^ W1 W2 Rt Ur U C .IC Uv 2. 2 C Q + IT Bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của transistor từ đồ thị hình 1-43 ta thấy: U Cmax  U CE 0  U CC Hình 1-42. Tầng công suất ghép biến áp ^ I Cmax  I C 0 PT ^ IC Đường tải 1 chiều IBmax B IC0 Q IB0 IˆC IBmin U CE 0 U A U CE min U CC CEmax UCE ^ UC Hình 1-43. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra 35 Công suất ra lớn nhất: Pr ~ max U .I  CC C 0 2 +Ucc RB Công suất nguồn cung cấp cho mạch: Cv P0  U CC .I C 0 + Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: H Pr ~ max 1 .100%  .100%  50% . P0 2 (1-37) Hình 1-44. Tầng công suất mắc Colectơ chung 1.8.8.3. Sơ đồ Colectơ chung Tầng công suất mắc Colectơ chung hình 1-44. Pr ~  ^ Ur Rt Uv ^ U r .Ir 2 2 U rmax  U CE 0  ^ I rmax  I E 0 U CC 2 ^ Công suất ra lớn nhất: PT Pr ~ max  IT Nếu bỏ qua vùng tắt và vùng bão hòa của transistor từ đồ thị hình 1-45 ta thấy: U CC .I E 0 4 Công suất nguồn cung cấp cho mạch: P0  U CC .I E 0 IE IBmax B Q IE0 ˆI E IB0 IBmin U CE 0 U CE min U CEmax A UCE Ta có hiệu suất cực đại của mạch là: H Pr ~ max .100% P0 1  .100%  25%. 4 ^ Ur (1-38) Nếu đầu ra ghép điện dung với tải (hình 1-46) thì hiệu suất ra còn nhỏ hơn nữa vì tín hiệu bị tổn hao trên RE. Hình 1-45. Dạng tín hiệu trên đặc tuyến ra 36 +Ucc +Ucc RB RB Cv Cv R1 Cr + T1 + + Cr + Uv RE Rt Uv T2 D Hình 1-46. Tầng công suất mắc Colectơ chung ghép điện dung với tải Rt Hình 1-47. Thay RE bằng nguồn dòng Để tăng hiệu suất cho mạch người ta thay RE bằng một nguồn dòng cố định (hình 1-47) khi đó dòng tín hiệu sẽ hoàn toàn đi qua Rt, do đó sẽ đạt được hiệu suất gần 25%. T2, R1, D tạo thành nguồn dòng. IT 1.8.3. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo Khi muốn tăng hiệu suất và công suất ra người ta dùng tầng khuếch đại đẩy kéo. Tầng khuếch đại đẩy kéo gồm ít nhất là hai transistor mắc chung tải, chúng sẽ thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. PT Tầng đẩy kéo có hai cách mắc là đẩy kéo nối tiếp và đẩy kéo song song. Đẩy kéo song song phải ghép biến áp với tải. Đẩy kéo có thể dùng transistor cùng loại hoặc khác loại (một transistor thuận một transistor ngược). Nếu dùng transistor khác loại thì tín hiệu đưa vào hai transistor là cùng pha, nếu dùng transistor cùng loại thì tín hiệu đưa vào hai transistor là ngược pha, do đó trước tầng đẩy kéo dùng transistor cùng loại phải có tầng đảo pha tín hiệu. Tầng đẩy kéo thường làm việc ở chế độ B hoặc AB cũng có thể làm việc ở chế độ A nhưng ít gặp. Chế độ B cho công suất và hiệu suất ra lớn hơn nhưng méo lớn hơn chế độ AB. Hiệu suất và Công suất ra của hai chế độ này là gần bằng nhau, do đó khi tính toán để đơn giản người ta tính các thông số của mạch ở chế độ B. 1.8.3.1. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo song song Mạch gồm hai transistor T1 và T2 thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu. BA2 là biến áp ghép 2 nửa chu kỳ tín hiệu để đưa ra tải. Cuộn sơ cấp của BA2 bao gồm hai cuộn có số vòng là W1, cuộn sơ cấp có số vòng là W2. 37 +Ucc TQ1 1 R1 BA1 Ir BA2 R2 W1 Uv W1 W2 Ur Rt TQ2 2 Hình 1-48. Tầng đẩy kéo ghép biến áp BA1 là biến áp đảo pha để đưa hai nửa chu kỳ tín hiệu vào T1 và T2, cuộn thứ cấp bao gồm hai cuộn có số vòng bằng nhau. IT Mạch có thể làm việc ở chế độ B hoặc AB. Nếu chọn R1 và R2 để giá trị điện áp một chiều trên cực Bazơ của T1 và T2 thỏa mãn thì mạch làm việc ở chế độ AB. Nếu muốn mạch làm việc ở chế độ B tức là điện áp một chiều trên cực Bazơ của T1 và T2 bằng không, khi đó chỉ việc bỏ R1 và nối tắt R2. Nguyên lý làm việc của mạch: PT Với nửa chu kỳ dương của tín hiệu qua BA1 cực Bazơ của T1 dương nên T1 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của T2 âm nên T2 tắt . Trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T1 sẽ có dòng IC1 = 1.IB1, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T2 không có dòng do T2 tắt. Với nửa chu kỳ âm của tín hiệu qua BA1 cực Bazo của T2 dương nên T2 sẽ khuếch đại, cực Bazơ của T1 âm nên T1 tắt . Trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T2 sẽ có dòng IC2 = 2.IB2, dòng này sẽ qua BA2 đưa ra tải, còn trên cuộn W1 nối với cực Colectơ của T1 không có dòng do T1 tắt. Như vậy trên tải sẽ có đủ hai nửa chu kỳ tín hiệu đã được khuếch đại. Để tính công suất và hiệu suất của mạch thì chỉ cần tính trong một nửa chu kỳ tín hiệu. Vì hiệu suất và công suất của hai chế độ AB và B là gần bằng nhau nên để đơn giản ta tính công suất và hiệu suất ra ở chế độ B. Khi có tín hiệu trên Colectơ của T1 và T2 sẽ có điện trở tải Rt' do Rt phản ánh qua BA2. Rt' được tính như sau: Rt'  Trong đó: n 1 Rt n2 w2 là tỉ số BA2. w1 38 Ta có phương trình đường tải xoay chiều cho T1: U CE ~  U CC - I C ~ .Rt' Đường tải xoay chiều được vẽ trên hình 1-49. Đường tải 1 chiều gần như thẳng đứng do điện trở thuần của cuộn W1 rất bé. Công suất ra của mạch được tính: U r .I r U C .IC Pr ~   2 2 ^ ^ ^ ^ Công suất ra cực đại: U Cmax . I Cmax  2 ^ Pr ~ max ^ Căn cứ vào đồ thị hình 1-49 ta thấy: U Cmax  U CEmax  U CE min  U CC I Cmax  ^ U CC Rt' IT ^ Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: 2 U CC 2.Rt' PT Pr ~ max  Công suất của nguồn cung cấp: P0  iTB .U CC 1 ^ 2. I Cmax iTB   I Cmax sin(t ).d (t )   0    ^ 2 2.U CC 2. I Cmax P0  .U CC    .Rt' ^ Hiệu suất lớn nhất của mạch: H Pr ~ max  .100%  .100%  78,5% P0 4 (1-39) 39 Đường tải xoay chiều Đường tải 1 chiều IC Î C IC0 0 UCEmax UCC UCEmin UCE ^ IT UC Hình 1-49. Đường tải 1 chiều, xoay chiều và dạng tín hiệu ra. PT 1.8.3.2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp a. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp dùng transistor cùng loại Vì tầng ra là đẩy kéo dùng transistor cùng loại nên trước nó là tầng đảo pha (hình 1-50), tầng đảo pha là T3 nó có nhiệm vụ đảo pha tín hiệu để đưa tới đầu vào T1 và T2. Phải chọn RC và RE thỏa mãn để tín hiệu ta không bị méo, đồng thời phải định thiên sao cho khi không có tín hiệu vào điện áp một chiều trên coletơ của T2 và emitơ của T1 bằng không để không có dòng một chiều qua tải. Với nửa chu kỳ dương tín hiệu tại collectơ của T3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ âm do đó T1 tắt còn tín hiệu +Ucc trên emitơ đồng pha tín hiệu vào nên vẫn R1 RC là nửa chu kỳ dương do đó T2 thông, lúc này trên tải có dòng điện tỷ lệ với nửa chu T1 Cv kỳ dương của tín hiệu. Dòng điện chạy từ T3 đất, qua Rt, qua T2 về -UCC. + UR T2 Rt Với nửa chu kỳ âm tín hiệu tại Uv RE R2 collectơ của T3 ngược pha tín hiệu vào nên trở thành nửa chu kỳ dương do đó T1 -Ucc thông còn tín hiệu trên emitơ đồng pha tín hiệu vào nên vẫn là nửa chu kỳ âm do đó T2 tắt, lúc này trên tải có dòng điện tỷ lệ Hình 1-50. Tầng đẩy kéo dùng transistor cùng loại 40 với nửa chu kỳ âm của tín hiệu. Dòng điện chạy từ +UCC, qua T1, qua Rt về đất. Đường tải xoay chiều IC IˆR IC UCEmax UCC UCE UCEmin IT 0 ^ UR Hình 1-51. Đường tải xoay chiều và dạng tín hiệu ra. Ta có thể tính công suất ra và hiệu suất lớn nhất của mạch như sau: PT Công suất ra của mạch: U r .I r Pr ~  2 ^ ^ Công suất ra cực đại: U rmax . I rmax  2 ^ Pr ~ max ^ Căn cứ vào đồ thị hình 1-51 ta thấy: U rmax  U CEmax  U CE min  U CC ^ I rmax  I Cmax  ^ ^ U CC Rt Như vậy công suất ra cực đại của mạch là: Pr ~ max  2 U CC 2.Rt Công suất của nguồn cung cấp: 41 P0  iTB .U CC 1 ^ 2. I Cmax iTB   I Cmax sin(t ).d (t )   0    ^ 2 2. I Cmax 2.U CC P0  .U CC    .Rt ^ Hiệu suất lớn nhất của mạch: H Pr ~ max  .100%  .100%  78,5% P0 4 (1-40) b. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp dùng transistor khác loại +Ucc T1 Cv + UR IT Uv Rt T2 -Ucc PT Hình 1-52. Tầng đẩy kéo dùng transistor khác loại T1 và T2 làm việc ở chế độ B và thay nhau khuếch đại hai nửa chu kỳ tín hiệu như mạch đẩy kéo dùng transistor cùng loại. Với mạch này sẽ xẩy ra méo tín hiệu ra (hình 1-53.a) vùng chuyển tiếp của nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm của tín hiệu do tính phi tuyến của đặc tuyến vào, gần gốc toạ độ không thẳng. Để tránh vùng méo người ta đưa tín hiệu vào vùng tuyến tính của đặc tuyến, bằng cách dịch nửa chu kỳ dương sang phải một đoạn là UBE0, và dich nửa chu kỳ âm sang trái một đoạn là UBE0 (tức là cung cấp cho UBE0 của T1 và T2 điện áp ban đầu). Hay là dịch đặc tuyến vào của T1 sang trái một đoạn là UBE0, và dịch đặc tuyến của T2 sang phải một đoạn là UBE0 nếu giữ cố định tín hiệu vào (hình1-53.b). Khi đó mạch sẽ làm việc ở chế độ AB. Để tầng khuếch đại làm việc ở chế độ AB mạch điện sẽ như hình 1-54.a, theo mạch điện ta có 2UDT = UBE01 + UEB02, tức là UBE0 mỗi transistor đã được cấp điện áp ban đầu là UDT. Mạch có thể dùng nguồn đơn như hình 1-54.b, khi đó đầu ra phải có CR để ngăn dòng một chiều qua tải đồng thời tích điện ở nửa chu kỳ dương để cấp cho T2 ở nửa chu kỳ âm. 42 IB IB T1 T1 UBE0 IB1 IB1 IB0 IB0 0 IB2 UBE IB2 UBE0 T2 T2 a. b. IT Hình 1-53. Dạng tín hiệu khi tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ B(a) và chế độ AB(b) +Ucc +Ucc PT Rc Rc T1 T1 R1 D2 R1 D2 D1 D1 Cv Cv Rt + T3 Uv R2 CR Rt + T2 T3 Uv + T2 R2 -Ucc a. b. Hình 1-54. Tầng đẩy kéo làm việc ở chế độ AB Có thể tăng công suất ra của mạch bằng cách thay T1 và T2 bằng các cặp Darlington như hình 1-55, khi đó để mạch vẫn làm việc ở chế độ AB phải có 4 Điốt mắc nối tiếp nhau vì lúc này có 4UBE0. 43 +Ucc Rc T1 D4 D3 R1 D2 D1 Cv Rt + T3 Uv T2 R2 -Ucc PT IT Hình 1-55. Tầng công suất đẩy kéo dùng Darlington 44 CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 2.1. Tính chất và tham số cơ bản 2.1.1. Các tính chất cơ bản Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) là IC khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào lớn, trở kháng ra nhỏ. Bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được dùng rộng rãi trong khuếch đại, tạo tín hiệu sin, xung, trong mạch ổn áp, bộ lọc tích cực… Ký hiệu của bộ khuếch đại thuật toán như hình 2-1. +E UP IP UN Ud Ur IT IN -E Hình 2-1. Ký hiệu của bộ KĐTT PT UN, IN điện áp và dòng điện vào cửa đảo UP, IP điện áp và dòng điện vào cửa thuận Ur điện áp lối ra Bộ khuếch đại thuật toán thường được cấp nguồn đối xứng E. Ud là điện áp vào hiệu: Ud = UP - UN Khi đưa tín vào cửa thuận thì tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào. Khi đưa tín hiệu vào cửa đảo thì tín hiêu ra ngược pha tín hiệu vào. Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có các tính chất sau: Trở kháng vào Zv = . Trở kháng ra Zr = 0. Hệ số khuếch đại K0 = . Điện áp vào hiệu: Ud = UP - UN = 0, hay UN = UP. Dòng cửa thuận và cửa đảo: IN = IP = 0. 2.1.2. Hệ số khuếch đại hiệu K0 là hệ số khuếch đại không tải 45 K0  Ur Ur  Ud U P U N (2-1) Thực tế ở tần số thấp K0 thường có giá trị từ 103  106. IT Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán hình 2-2. PT Hình 2-2. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Từ đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT thấy rằng trong miền tuyến tính khi Ud tăng thì Ur tăng và ngược lại, còn ở hai miền bão hòa khi Ud thay đổi thì Ur luôn không đổi và bằng giá trị -Urmax (gọi là điện áp bão hòa âm) hoặc +Urmax (gọi là điện áp bão hòa dương). Các giá trị này không phụ thuộc điện áp vào và nhỏ hơn điện áp nguồn vài V. Thực tế thì miền tuyến tính rất hẹp, tức là Ud rất nhỏ, chỉ biến đổi trong khoảng từ âm vài mV đến dương vài mV. Trong quá trình tính toán với bộ KĐTT lý tưởng Ud coi như bằng không. 2.1.3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha Hình 2-3 là đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha của bộ KĐTT. Tần số giới hạn dưới fd = 0, tức là khuếch đại cả điện áp một chiều, tần số giới hạn trên là ft là tại tần số mà hệ số khuếch đại giảm 2 lần (3dB). Tại tần số f0 hệ số khuếch đại bắt đầu giảm và xuất hiện góc lệch pha giữa Ud và Ur. Nếu tần số tiếp tục tăng thì hệ số khuếch đại càng giảm và góc lệch pha càng lớn. 2.1.4. Hệ số nén đồng pha Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ KĐTT một điện áp đồng pha tức là: UP = UN = Uđp  0 (Uđp gọi là điện áp đồng pha), theo lý thuyết thì lúc đó Ur = 0V, nhưng thực tế thì không như vậy: Ur = Kđp. Uđp. 46 Kđp gọi là hệ số khuếch đại đồng pha. Nếu lý tưởng thì Kđp = 0. Để đánh giá bộ KĐTT thực tế với lý tưởng người ta đưa ra hệ số nén đồng pha: G K0 K dp (2-2) IT Giá trị này càng lớn thì bộ KĐTT càng gần với lý tưởng, thường G = 103  105. Hình 2-3. Đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến pha PT của bộ KĐTT 2.2. Các mạch khuếch đại 2.2.1. Mạch khuếch đại đảo Iht I1 Hình 2-4. Mạch khuếch đại đảo Coi bộ KĐTT là lý tưởng nên: Tại nút N ta có: I1 + Iht = 0 Ta lại có: Ud = UP - UN = 0V. Mà UP = 0V nên UN = 0V. 47 I1  UV  U N UV  R1 R1 I ht  Ur  U N Ur  Rht Rht Hay: UV U r R   0  U r   ht UV R1 Rht R1  K Ud   Rht R1 (2-3) Như vậy khi có hồi tiếp âm hệ số khuếch đại của mạch nhỏ hơn K0 và chỉ phụ thuộc vào linh kiện ngoài. Nếu chọn R1 bằng Rht thì Ur = -UV mạch có tính chất đảo điện áp. Trở kháng vào của mạch: UV UV   R1 . I1 (UV  U d ) / R1 2.2.2. Mạch khuếch đại không đảo Uv PT Rht IT ZV  N Ur Uv Ur R1 Hình 2-5. Mạch khuếch đại thuận Hình 2-6. Mạch lặp lại điện áp Coi bộ khuếch đại thuật toán là lý tưởng ta có: UV  U N   KUt  Ur R1 R1  Rht R Ur  1  ht UV R1 (2-4) Trở kháng vào của mạch: ZV  rd  ( R1 // Rht )  . (rd là trở kháng vào của bộ KĐTT). Nếu chọn Rht = 0, R1 =  thì Kut = 1, mạch sẽ là mạch lặp lại điện áp (hình 2-6). Mạch được sử dụng làm bộ đệm để lợi dụng trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ của bộ KĐTT. 48 2.2.3. Hiện tượng lệch không và biện pháp bù Khi sử dụng bộ KĐTT làm mạch khuếch đại thì phải mắc thêm các điện trở ngoài. Dòng tĩnh trên các cửa vào sẽ gây sụt áp trên các điện trở, do điện trở các cửa vào là khác nhau nên các sụt áp này sẽ khác nhau, hiệu điện thế này là điện áp lệch không. Điện áp lệch không này rất nhỏ, nhưng do hệ số khuếch đại của bộ KĐTT rất lớn nên điện áp này sẽ được khuếch đại đáng kể và đưa tới đầu ra. Như vậy khi không có tín hiệu vào thì đầu ra của bộ KĐTT đã khác không. Hiện tượng này sẽ làm giảm hiệu quả khuếch đại của bộ KĐTT. Để khử điện áp lệch không thì người ta sẽ mắc sao cho điện trở trên các cửa là bằng nhau khi đó điện áp lệch không sẽ bằng không. Như vậy trong mạch khuếch đại đảo (hình 2-7) cửa thuận không nối trực tiếp xuống đất mà thông qua một điện trở R có trị số: R = R1//Rht. Đối với mạch khuếch đại thuận (hình 2-8) điện áp vào không đưa trực tiếp tới của thuận mà thông qua một điện trở R có trị số: Rht R1 IT R = R1//Rht. R Rht PT Uv Uv R Ur Hình 2-7. Mạch khử điện áp lệch không Ur R1 Hình 2-8. Mạch khử điện áp lệch không 2.3. Các mạch điện ứng dụng bộ KĐTT 2.3.1. Mạch cộng I1 R1 I2 R2 U1 Rht U2 2.3.1.1. Mạch cộng đảo Vì UN = UP = 0V nên áp dụng quy tắc dòng điện nút tại N: I1  I 2  ......  I n  I ht  0 U U1 U 2 U   .....  n  r  0 R1 R2 Rn Rht  U r  ( Rht R R .U1  ht .U 2  .....  ht .U n ) R1 R2 Rn Iht In N Rn Un Ur P Hình 2-9. Mạch cộng đảo. 49 Nếu chọn R1 = R2 = .....= Rn = Rht/  U r   (U1  U 2  .....  U n ) . (2-5) 2.3.1.2. Mạch cộng thuận Coi bộ KĐTT là lý tưởng nên ta có thể tính điện áp tại N như sau: UN  Ur R1 Rht  R1 Áp dụng quy tắc dòng điện nút tại P ta có: I1  I 2  ....  I n  0  I1 R I2 R U1 U2 Un  U p U1  U P U 2  U p   .....  0 R R R In P R Un Ur N Do UN = UP nên thay vào ta có: U1  U 2  ....  U n  n Ur .R1 R1  Rht R1  Rht (U1  U 2  ....  U n ) nR1 R1 IT  Ur  Rht 2.3.2. Mạch trừ Tại nút P: (2-6) I1 PT UP  Tại nút N:  Hình 2-10. Mạch cộng thuận U2 R4 R3  R4 R1 R2 U1 I2 N R3 Ur U2 I1  I 2  0 P R4 U1  U N U r  U N  0 R1 R2 Hình 2-11. Mạch trừ Vì UN = UP nên ta có: U1   Ur  U2 U2 R4 U r  R4 R3  R4 R3  R4  0 R1 R2 R4 ( R1  R2 ) R U 2  2 U1 R1 ( R3  R4 ) R1 Nếu chọn R2 = R1, R4 = R3 ta có: Ur = (U2 – U1) (2-7) 50 2.3.3. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch có tín hiệu ra tỉ lệ với tích phân tín hiệu vào. U r  K  U v dt t 0 Vì UN = UP = 0V nên Ur = UC Tại cửa N: C IV  I C  0 UV dU C C 0 R dt UV dU r C 0 R dt  Ur   Iv Ic R Uv 1 UV dt  U r 0 RC 0 Ur t Hình 2-12. Mạch tích phân Tại thời điểm t = 0 thường UR0 = 0 nên: 1 1 UV dt    UV dt  RC 0  0 t IT Ur   t (2-8)  = RC gọi là hằng số tích phân. PT 2.3.4. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch có tín hiệu ra tỉ lệ với vi phân tín hiệu vào. Ur  K Tại cửa N: dUV dt IC  I R  0 C R Ic IR C Uv Ur dU C U r  0 dt R Mà UC = UV (do UN = Up = 0V) nên: C dUV U r  0 dt R  U r   RC dUV dUV   dt dt Hình 2-13. Mạch vi phân (2-9) Trong đó  = RC gọi là hằng số vi phân. 2.3.5. Mạch tạo hàm loga Biểu thức dòng trên điốt: 51 I D  I S (e U AK mU T  1) D Trong đó: IR ID Dòng thận trên điốt IS ID R Uv Ur Dòng ngược bão hòa UT Điện áp nhiệt (26mV/250C) UAK Điện áp thuận trên điốt m Hình 2-14. Mạch tạo hàm loga Hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế Trong miền làm việc ID >> IS nên ta có thể viết: I D  I S .e U AK mU T Tại cửa đảo của bộ KĐTT: ID  I S .e UV R U AK mU T  Ở đây UAK = -Ur IT I D  Ir UV R UV ) IS R PT  U r  U AK  mU T ln( (2-10) 2.3.6. Mạch tạo hàm đối loga R Tương tự như trên (mục 2.3.5) ta có: I D  I S .e mUT U AK ID Uv IR D Ur Do Ud = 0V nên UV = UAK Tại cửa đảo của bộ KĐTT: Hình 2-15. Mạch tạo hàm đối loga IR  ID  AK Ur  I D  I S .e mUT R  U r   R.I S .e U U AK mUT (2-11) 2.3.7. Mạch nhân Từ sơ đồ tổng quát hình 2-16 ta có: 52 U Z  exp(ln U X  ln U Y )  U Z  U X .UY Trong thực tế qua mỗi mạch sẽ có một hệ số truyền đạt nào đó nên tổng quát : U Z  K .U X .U Y (2-12) Nếu chập hai đầu vào với nhau (UX = UY) ta có mạch bình phương: IT U Z  K .U X2 Hình 2-16. Mạch nhân PT 2.3.8. Mạch chia Hình 2-17. Mạch chia Từ sơ đồ hình 2-17 ta có: U Z  exp(ln U X - ln U Y )  UZ  UX UY Tổng quát : UZ  K. UX UY (2-13) 53 2.3.9. Mạch so sánh IT Mạch so sánh lợi dụng hệ số khuếch đại K0 rất lớn của bộ KĐTT. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT gồm hai miền bão hòa và một miền tuyến tính. Vì K0 rất lớn nên đặc tuyến trong miền tuyến tính gần như thẳng đứng, nếu lý tưởng thì đặc tuyến trùng với trục Ur. Hình 2-18. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT PT Ta có Ur = K0(UP – UN), vì K0 =  (lý tưởng) nên khi UP > UN thì Ur đã bão hòa dương và khi UP < UN thì Ur đã bão hòa âm. Mạch so sánh sử dụng bộ KĐTT đưa Uch (điện áp chuẩn) vào một cửa, cửa kia đưa điện áp cần so sánh. Tùy thuộc vào giá trị điện áp cần so sánh lớn hay nhỏ hơn Uch mà Ur sẽ bão hòa dương hay bão hòa âm. Với mạch hình 2-19 ta có: Khi UV < Uch (hay UN < UP) thì Ur = +Urmax (bão hòa dương). Khi UV > Uch (hay UN > UP) thì Ur = -Urmax (bão hòa âm). 54 Uv Ur Uch Hình 2-19. Mạch so sánh Hình 2-20. Đặc tuyến truyền đạt Với mạch hình 2-21 ta có: Khi UV < Uch (hay UN > UP) thì Ur = -Urmax (bão hòa âm). Uv PT IT Khi UV > Uch (hay UN < UP) thì Ur = +Urmax (bão hòa dương). Ur Uch Hình 2-21. Mạch so sánh Hình 2-22. Đặc tuyến truyền đạt 55 CHƯƠNG 3 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 3.1. Khái niệm chung về dao động Mạch tạo dao động được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử. Mạch tạo dao động là mạch khi được cấp nguồn thì nó sẽ tạo ra tín hiệu. Tín hiệu ở đây có thể là dao động sin hay các dạng xung vuông, tam giác, răng cưa…Trong chương này chúng ta chỉ nghiên cứu dao động điều hòa (dao động sin). Có nhiều phương pháp tạo dao động, hình 3-1 là sơ đồ khối của một mạch dao động điều hòa theo nguyên lý hồi tiếp, nó gồm hai khối là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K và khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht. Hồi tiếp trong mạch dao động điều hòa là hồi tiếp dương. Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động: Hình 3-1. Sơ đồ khối mạch tạo dao động điều hòa IT - Biên độ điện áp ra. - Tần số ra. - Độ ổn định tần số ra. - Công suất tiêu thụ và hiệu suất. PT 3.2. Điều kiện tạo dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động. Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động ta dùng sơ đồ khối hình 3-2. Nó gồm hai khối: khối khuếch đại có hệ số khếch đại K  K .exp( j K ) và khối hồi tiếp có hệ số hồi tiếp K  K ht .exp( j K ht ) . UV a a' U ht Ur K K ht Hình 3-2. Sơ đồ khối đầy đủ của bộ tạo dao động. Nếu đặt vào đầu a tín hiệu U V ta có U ht  K .K ht .UV nếu giả thiết rằng K .K ht  1 thì U ht  U V . Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại và tín hiệu hồi tiếp U ht bằng nhau cả về biên độ và pha nên nối a với a’ thì tín hiệu ra vẫn không thay đổi. Lúc đó ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động tại tần số mà nó thoả mãn: 56 K .K ht  1 (3-1) Với K và K ht là những số phức nên viết lại: K .K ht  K .K ht .exp[j ( k   K ht )]  1 . trong đó: (3-2) K: Mođun hệ số khuếch đại. Kht: Mođul hệ số hồi tiếp.  K : Góc dịch pha của bộ khuếch đại.  K ht : Góc dịch pha của mạch hồi tiếp. Từ biểu thức (3-2) ta có:  K .K ht  1     K   K ht  2n với n  0; 1; 2.....  3  3 3  4 IT Quan hệ (3-3) gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Quan hệ (3-4) gọi là điều kiện cân bằng pha. Từ đây ta thấy rằng dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu ban đầu, tức là hồi tiếp dương. PT Thực tế để mạch có thể phát sinh dao động thì K.Kht phải lớn hơn 1, do đó biên độ ra sẽ bị méo dạng do bị giới hạn bởi nguồn nuôi. Để có biên độ ra ổn định và không méo thì trong mach dao động phải có một khâu điều chỉnh để sau khi phát sinh dao động nó sẽ điều chỉnh cho K.Kht = 1 để biên độ dao động là không đổi. Từ các chứng minh trên ta có thể rút ra các đặc điểm của mạch dao động: - Mạch dao động là mạch khuếch đại, nó là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương. Năng lượng dao động lấy từ nguồn một chiều. - Muốn có dao động thì phải thỏa mãn điều kiện: K.Kht = 1 và K + ht = 2n. - Mạch phải có ít nhất một phần tử tích cực để biến năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều. - Mạch phải có một khâu điều chỉnh hay một phần tử phi tuyến để ở trạng thái xác lập biên độ dao động là không đổi. 3.3. Ổn định biên độ và tần số dao động Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm. Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần thực hiện các biện pháp sau: - Dùng nguồn ổn áp. - Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ. 57 - Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch tạo dao động như mắc thêm tầng đệm. - Dùng các linh kiện có sai số nhỏ. - Dùng các phần tử ổn nhiệt. 3.4. Mạch dao động LC Mạch tạo dao động LC sử dụng khung cộng hưởng LC để tạo dao động, tần số dao động của mạch chính là tần số của khung cộng hưởng. 3.4.1. Mạch dao động ghép biến áp +Ucc R1 * L1 C L * Cr C1 Ur R2 CE IT RE Hình 3-3. Mạch dao động ghép biến áp PT Mạch sử dụng biến áp để đưa tín hiệu hồi tiếp trở về. Mạch khuếch đại mắc Emiter chung nên  K = , để thỏa mãn điều kiện cân bằng pha thì  K ht = , do đó cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải quấn ngược chiều. Khi thỏa mãn cả điều kiện cân bằng biên độ thì mạch sẽ phát sinh dao động tại tần số: f dd  1 2 LC . (3-5) 3.4.2. Mạch tạo dao động ba điểm Sơ đồ khối mạch tạo dao dao động ba điểm hình 3-4. Z3 Z2 Z1 Hình 3-4. Sơ đồ khối mạch tạo dao động ba điểm 58 Mạch dao động sin ba điểm có thể dùng tranzito hay IC để khuếch đại. Ta xét mạch dùng IC khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất và có hệ số khuếch đại là K. Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng thứ tự là X1, X2, X3. Từ mạch điện ta có: K ht  X1 X1  X 3 (3-6) Để mạch dao động được cần K.Kht 1 mà K < 0 nên cần K ht < 0 mặt khác tại tần số dao động có: X1 + X 2 + X 3 = 0 (3-7) Từ (3-6) và (3-7) ta thấy X1, X2 phải cùng dấu và khác dấu với X3 , để thỏa mãn điều kiện này phải có: + X1, X2 > 0 và X3 < 0. Ta có mạch dao động ba điểm điện cảm. + X1, X2 < 0 và X3 > 0. Ta có mạch dao động ba điểm điện dung. IT Khi thỏa mãn thêm điều kiện cân bằng biên độ (tức là K.Kht =1) thì mạch sẽ phát sinh dao động, và tần số dao động của mạch là nghiệm của phương trình: X1 + X 2 + X 3 = 0 Mạch dao động ba điểm điện cảm hình 3-5 và mạch dao động ba điểm điện dung hình 3-6. PT Mạch điện hình 3-5 cho tần số dao động f dd  Mạch điện hình 3-6 cho tần số dao động f dd  Do chọn C << C1, C2 nên C  Ctd. 1 2 ( L1  L2 )C 1 2 LC +Ucc R1 Rc +Ucc C2 R1 Rc + C1 Cv + L1 CE RE R2 L2 Hinh 3-5. Mạch dao động ba điểm điện cảm(mạch Hartley). L + C + R2 C1 + CE RE C2 C Hinh 3-6. Mạch dao động ba điểm điện dung(mạch Clapp). 59 3.5. Mạch dao động RC Các mạch tạo dao động RC thường dùng ở phạm vi tần số thấp, vì nếu dùng mạch LC kích thước quá lớn, do điện cảm L phải lớn. Trong mạch tạo dao động sin ghép RC, mạch hồi tiếp chứa các phần tử RC. 3.5.1. Mạch dao động dùng 3 mắt RC trong khâu hồi tiếp Nguyên lý mạch dao động ba mắt RC trên hình 3-7. Ba khâu RC được sử dụng trong khâu hồi tiếp. Khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại là K . C C C KK R Ur Uht R IT R Hình 3-7. Sơ đồ nguyên lý mạch dao động 3 mắt RC PT Khâu hồi tiếp gồm 3 mắt RC được tách ra như hình 3-8. C C R Ur C R R Uht Hình 3-8. Khâu 3 mắt RC K ht  Với   U ht 1 .  2 U R 1  5  j (6   2 ) (3-8) 1 .  RC Từ (3-8) ta có: K ht  1 (1  5 )   2 (6   2 ) 2 2 2 (3-9) 60  Kht  arctag và  (6   2 ) 1  5 2 (3-10) Từ (3-10) nhận thấy  K ht =  khi  2  6 và khi đó tại tần số dao động ta có K ht  1 . 29 Để mạch có thể dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ, nên mạch khuếch đại phải có: K = 29 và điều kiện cân bằng pha, nên K = . Khi đó tần số dao động của mạch là:   6 1 1  6    RC 6 RC 1  fdd  2 6 RC (3-11) R1 = R và K  29  IT Với mạch sử dụng bộ KĐTT (hình 3-9a) để K =  thì tín hiệu hồi tiếp phải đưa về cửa đảo. Mạch dùng bộ KĐTT R1 vừa tham gia trong khâu hồi tiếp vùa tham gia trong khâu khuếch đại do đó: Rht  Rht  29R1 . R1 PT Ngoài ra mạch dao động ba mắt RC dùng bộ KĐTT còn có một số dạng khác. Mạch dùng transistor (hình 3-9b) phải chọn sao cho R = R1//R2//rbe và phải có K =29 còn K luôn bằng  vì mạch khuếch đại mắc Emiter chung. +Ucc R1 Rc Cr Ur C C R C R a. R2 RE CE b. Hình 3-9. Mạch dao động 3 mắt RC dùng bộ KĐTT (a), dùng Tranzito (b) 3.5.2. Mạch dao động dùng mạch cầu Viên trong khâu hồi tiếp Hình 3-10 là khâu hồi tiếp dương của mạch dao động cầu Viên. Từ mạch điện ta có: 61 K ht  U ht 1 .  U R 1  R1  C2  j ( R C  1 ) 1 2 R2 C1  R2C1 R1 UR (3-12) C1 C2 U ht R2 Hình 3-10 . Khâu hồi tiếp trong mạch dao động cầu Viên. Nếu chọn C1 = C2 = C và R1 = R2 = R ta có: U ht 1  U R 3  j ( RC  IT K ht  Tại tần số dao động ta có  RC  Khi đó  K ht = 0 và K ht  (3-13) . 1 1  0  dd   RC RC PT  f dd  1 )  RC 1 2 RC (3-14) 1 3 Để mạch có thể dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ, nên mạch khuếch đại phải có:  K  0 tức là tín hiệu hồi tiếp phải được đưa về cửa thuận. R2 R1 +E Ur + P C và K = 3 R R Từ mạch dao động cầu Viên (hình 3-11) ta thấy mạch khuếch đại là khuếch đại thuận nên: K  1 -E R2  3  R2  2 R1 . R1 C Hình 3-11. Mạch dao động cầu Viên 62 3.6. Mạch dao động dùng thạch anh 3.6.1. Các tính chất của thạch anh Khi cần mạch tạo dao động có tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải... vẫn không đảm bảo độ ổn định tần số theo yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số. Thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác dụng hoá học. IT Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thường sinh ra dao động. Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương hình 3-13. trong đó Lq, Cq và r q phụ thuộc vào kích thưíc khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh. Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq và rq càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hưởng riêng của nó càng cao. Lq, Cq, rq có tính ổn định cao. Cp là điện dung giá đỡ, tính ổn định của Cp kém hơn. Hình 3-12. Ký hiệu của Thạch anh Hình 3-13. Sơ đồ tương đương của Thạch anh PT Thường rq rất nhỏ, nên khi tính toán bỏ qua. Với giả thiết rq = 0 thì trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức sau: ( j..L q  1 1 ). j..C q j..C p  2 .L q .C q  1  j. Zq  X q  1 1 .(C p  C q   2 .L q .C q .C p )  j..L q  j..C p j..C q (3-15) j.Xq 0 fq fP f Hình 3-14. Đặc tính điện kháng của thạch anh 63 Từ (3-15) suy ra thạch anh có hai tần số cộng hưởng: một tần số cộng hưởng nối tiếp f q ứng với Zq = 0 và một tần số cộng hưởng song song fp ứng với Zp =  . Ta có : fq  và fp  1 2 . L q .C q (3-16) Cq 1 C p  Cq  fq. 1 Cp 2  L q .C q .C p (3-17) Cp càng lớn so với Cq thì fp càng gần với fq. Đặc tính trở kháng của thạch anh theo tần số biểu diễn ở hình 3-14. Thường sản xuất thạch anh với tần số fq = 1khz đến 100Mhz. Các thạch anh tần số thấp hơn ít được sản xuất, và loại này kích thước lớn và đắt tiền. Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau: + Phẩm chất cao Q = 10 4  10 5 rất lớn, do đó trở kháng tương đương của thạch anh R td  Lq Cq + C q  C p . IT + Tỷ số Lq C q .rq rất lớn. PT + Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt được f độ ổn định tần số là:  10 6  10 10 f0 Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi C S như trên hình 3-15. Khi đó tần số dao động được xác định theo biểu thức: f q  f q . 1  Cq C p  CS Hình 3-15. (3-18) 3.6.2. Một số mạch dao động dùng thạch anh Như ta đã biết thạch anh có hai tần số cộng hưởng: Một tần số cộng hưởng song song fp và một tần số cộng hưởng nối tiếp fq. Tùy theo cách mắc mà mạch sẽ cho tần số dao động là fp hay fq. Hình 3-16 là mạch cho tần số cộng hưởng nối tiếp, mạch điện hình 3-17 cho tần số cộng hưởng song song. Để kích thích phần tử thạch anh hoạt động trong mạch cộng hưởng nối tiếp (hình 3-16), người ta mắc nó nối tiếp với phần tử hồi tiếp. Tại tần số cộng hưởng nối tiếp trở kháng của thạch anh là nhỏ nhất và khi đó hồi tiếp dương là lớn nhất. 64 Khi thạch anh cộng hưởng song song (hình 3-17) thì trở kháng của nó là lớn nhất. Tại tần số cộng hưởng song song thạch anh được coi như một phần tử điện kháng lớn nhất. Và mạch điện lúc này là mạch dao động 3 điểm điện dung. Hình 3-17. Mạch cho tần số dao động song song (fp) IT Hình 3-16. Mạch cho tần số dao động nối tiếp (fq) 3.7. Mạch tạo sóng sin kiểu xấp xỉ tuyến tính PT Trong máy tạo sóng đa chức năng (máy tạo hàm) nó đồng thời tạo ra tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin. Để nhận được tín hiệu hình sin từ xung tam giác, có bộ biến đổi "xung tam giác - hình sin’’ dùng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính hoặc không tuyến tính. Phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính chia một chu kỳ hình sin thành 4n phần nhỏ và thay thế mỗi phần bằng một đoạn thẳng có độ nghiêng khác nhau như ở hình 3-18. Hình 3-18. Xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn thẳng có góc nghiêng thay đổi Số n càng lớn thì độ chính xác càng cao và hệ số méo hình sin nhận được càng nhỏ. Một trong những sơ đồ thực hiện phương pháp này được mô tả trên hình 3-19. Ở đây n = 6. Các điôt D1  D10 ở trạng thái ban đầu là tắt bằng các mức điện áp cho trước   U1 <....<  U 5 < Û V trong đó Û V là biên độ xung tam giác ở lối vào. 65 +U1 D1 UV +U2 D3 +U3 D5 +U4 +U5 D7 D9 R0 Ur + D2 -U1 R1 R2 R3 R4 D4 D6 D8 D10 -U2 -U3 -U4 R5 _ -U5 Hình 3-19. Mạch biến đổi xung tam giác - hình sin bằng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính. PT IT Khi UV tăng dần thì lần lượt các điôt thông và sau đó tắt (nhóm điôt lẻ làm việc ở nửa dương và điôt chẵn làm việc ở nửa âm của điện áp xung tam giác) tạo thành từng đoạn tín hiệu tuyến tính có độ dốc khác nhau. Độ dốc của từng đoạn này được xác định bởi hệ số phân áp tác động lên từng khoảng thời gian tương ứng. Khi điện áp vào Uv nhỏ, các điốt ngắt vì chúng được phân cực ngược. Lúc này hệ số khuếch đại của mạch K = 1 do đó Ur = Uv. Khi Uv tăng lên sao cho Uv > +U1 thì D1 thông, R0 và R1 tạo thành mạch phân áp nên hệ số khuếch đại của toàn mạch giảm, làm cho Ur tăng chậm hơn Uv. Khi Uv > +U2 thì D3 thông, R1//R2 cùng R0 tạo thành mạch phân áp có hệ số phân áp nhỏ hơn nữa, do đó tốc độ tăng của điện áp ra càng giảm...Cuối cùng khi D9 thông thì mạch có hệ số phân áp nhỏ nhất tương ứng với điểm cực đại của hàm hình sin. Tiếp theo Uv giảm các điốt lẻ tắt dần làm cho hệ số phân áp của mạch lại tăng lên cho đến khi K = 1. Các điốt D2, D4..D10 cũng có tác dụng như vậy khi Uv < 0. Như vậy qua mạch này từ tín hiệu vào xung tam giác ta nhận được tín hiệu hình sin đầu ra. 66 CHƯƠNG 4 MẠCH XUNG 4.1. Tín hiệu xung và các tham số Tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian và thường được gọi theo hình dạng của nó như xung vuông, xung tam giác, xung nhọn …vv, như ở hình 4-1. Các tham số cơ bản của tín hiệu. xung là biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn trước, sườn sau, độ sụt đỉnh, hình 4-2. - - Biên độ xung xác định bằng giá trị lớn nhất của tín hiệu xung , ký hiệu Û. tx 0 t T U Độ rộng sườn trước và sườn sau xác định khoảng thời gian tăng, giảm của biên độ xung trong khoảng 0,1Û đến 0,9Û. t Độ rộng xung tx là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu xung. 0 Với dãy xung tuần hoàn có các tham số đặc trưng sau: 0 tqt Độ sụt đỉnh xung U thể hiện mức giảm biên độ ở đoạn đỉnh xung. tqn T IT - U Chu kỳ lặp lại T, tần số xung f  - Hệ số lấp đầy   PT - 1 . T U t tx T Hình 4-1. Các dạng tín hiệu xung tx . T 4.2. Chế độ khóa của transistor Trong các mạch xung transistor làm việc ở chế độ khoá, như một khoá điện tử có hai trạng thái đặc biệt: transistor tắt và transistor thông bão hoà do điện áp đặt lên đầu vào quyết định, mạch ở hình 4-3. U ^ U U - Khi Uv  0 transistor tắt .Dòng IB = 0, IC = 0 nên Ur = E. t 0 ttr tx ts - Khi Uv > 0 transistor thông có dòng IB, IC. Hình 4-2. Các tham số của tín hiệu Nếu thoả mãn điều kiện IB  IBbh tức là Uv/RB  E/.RC thì transistor chuyển sang trạng thái bão hoà. Lúc này Ur = E – ICbh.RC = UCEbh = 0 (thực tế UCEbh khoảng 0,4V). 67 - Khi tín hiệu vào chuyển đổi từ điều kiện UV ≤ 0 sang điều kiện UV > 0, đủ lớn thì transistor sẽ chuyển đổi trạng thái tắt sang trạng thái bão hòa, khi điều kiện ngược lại thì transistor lại chuyển đổi từ trạng thái bão hòa sang trạng thái tắt. 4.3. Chế độ khóa của bộ KĐTT +E Khi làm việc ở mạch xung, bộ KĐTT hoạt động như một khoá điện tử, điểm làm việc luôn nằm trong vùng bão hoà của đặc tuyến truyền đạt Ur = f(Ud). Khi đó điện áp ra chỉ nằm ở một trong hai mức bão hoà dương +Urmax và bão hoà âm –Urmax.. RC IB T Uv RB Ur Hình 4-3. Mạch khóa dùng transistor PT IT Chế độ khóa lợi dụng hệ số khuếch đại K0 rất lớn của bộ KĐTT. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT gồm hai miền bão hòa và một miền tuyến tính. Vì K0 rất lớn nên đặc tuyến trong miền tuyến tính gần như thẳng đứng, nếu lý tưởng thì đặc tuyến trùng với trục Ur. IC Hình 4-4. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT Ta có Ur = K0(UP – UN), vì K0 =  (lý tưởng) nên khi UP > UN thì Ur đã bão hòa dương và khi UP < UN thì Ur đã bão hòa âm. Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần chú ý đến tính quán tính (trễ) của IC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay thời gian tăng của điện áp ra khoảng V/  s. Trong điều kiện tốt hơn nên sử dụng các IC chuyên dùng có tốc độ chuyển biến nhanh hơn như loại  A710, A110, LM310 -339; loại này đạt mức tăng V/ ns. 68 4.4 . Trigơ Trigơ là mạch có hai trạng thái ổn định. Khi có nguồn mạch ở một trạng thái ổn định nào đó. Có một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái một lần. Như vậy cứ hai xung vào mạch cho một xung ra. Mạch trigơ có thể dùng transistor hay IC thuật toán. Ta xét mạch trigơ Smít dùng IC thuật toán khi tác dụng đầu vào là điện áp sin. 4.4.1. Trigơ đảo Trigơ đảo hình 4-5. Từ dạng sóng ta thấy khi UV có giá trị âm lớn, mạch ở trạng thái bão hoà dương Ur = +Urmax , trên lối vào thuận có: U P()  U r max .R2 . R1  R2 UV tăng dần, trạng thái này vẫn không đổi cho tới khi UV > UP(+) điện áp vào hai đầu IC đổi dấu nên đầu ra đột biến sang trạng thái bão hoà âm, Ur = -Urmax lập tức qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp: U r max .R2 . R1  R2 IT U P()  Ur Uv Ur P UP(+) PT R1 UP(-) R2 Hình 4-5. Trigơ đảo Tr Hình 4-6. Dạng tín hiệu vào và ra. Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống, khi UV < UP(-), điện áp đầu vào IC đổi dấu làm đầu ra IC lật trạng thái sang bão hoà dương Ur = +Urmax. Và cứ như vậy, khi tác dụng điện áp sin vào cửa đảo, đầu ra ta nhận được dãy xung vuông có: Tr = TV (4-1) Để mạch có hai trạng thái ổn định cần thoả mãn điều kiện: R2 .K 0  1 R1  R2 (4-2) trong đó K0 là hệ số khuếch đại không tải của BKĐTT. 69 4.4.2. Trigơ thuận Trigơ thuận hình 4-7. Mạch có cửa đảo nối đất nên trạng thái đầu ra phụ thuộc vào điện áp cửa thuận (UP). Nếu UP > 0 đầu ra bão hòa dương, ngược lại đầu ra sẽ bão hòa âm nếu UP < 0. Ur R2 R1 Uv Ur Hình 4-8. Dạng tín hiệu vào và ra. Tại cửa thuận của bộ KĐTT ta có: IT Hình 4-7. Trigơ thuận UV  U P U r  U P U .R  U r .R1   0  UP  V 2 R1 R2 R1  R2 UP < 0 khi UV    U ng   U ng R1 .U r R2 (4-3) R1 .U r R2 (4-4) PT UP > 0 khi UV   R1 U rmax R2 Khi Uv có giá trị âm lớn, mạch ở trạng thái bão hoà âm Ur = -Urmax, lúc này R  1 U rmax , Uv tăng dần, trạng thái này vẫn không đổi cho tới khi Uv > Ung, từ (4-3) ta R2 thấy UP > 0 nên đầu ra lật trạng thái sang bão hoà dương Ur = +Urmax, lúc này R U ng  - 1 U r max . R2 Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống, khi UV < Ung, từ (4-4) ta thấy UP < 0 nên đầu ra lật trạng thái sang bão hoà âm Ur = -Urmax. Và cứ như vậy, khi tác dụng điện áp sin vào cửa thuận, đầu ra ta nhận được dãy xung vuông có chu kỳ bằng với chu kỳ xung vào. 4.5. Mạch đa hài đợi Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, trong đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định. Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định. Có xung kích thích mạch chuyển sang trạng thái không ổn định một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn định ban đầu chờ xung 70 kích thích tiếp. Như vậy cứ một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái hai lần cho một xung vuông ra. Mạch có thể dùng transistor hay IC thuật toán. Mạch đa hài đợi dùng IC thuật toán ở hình 4-9a và dạng điện áp ở các cực như ở hình 4-9b. Ban đầu mạch ở trạng thái ổn định, đầu ra bão hoà âm (muốn trạng thái ban đầu là bão hòa dương thì đổi chiều điôt), Ur = -Urmax. Qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp U r max .R1 điốt D được phân cực thuận, thông nên UC = 0. Tại thời điểm t = t1 có U P()  R1  R2 xung nhọn cực tính dương tới đầu vào. Nếu biên độ đủ lớn vượt quá giá trị UP(-), mạch lật trạng thái sang bão hoà dương Ur = +Urmax. Qua mạch hồi tiếp dương đưa về cửa thuận U U P (  )  r max .R1 , điốt D tắt. Sau t1 điện áp ra +Urmax nạp điện cho tụ C làm cho UC tăng lên. R1  R2 Tới thời điểm t2, UC > UP(+) đầu vào của IC có điện áp đổi dấu, đầu ra IC lật sang trạng thái bão hoà âm, Ur = -Urmax. IT Qua bộ phân áp lại đưa về điện áp UP(-), tụ C phóng điện qua R hướng tới –Urmax, tại thời điểm t = t3, UC = 0, điốt D thông trở lại mạch trở về trạng thái đợi ban đầu. Với mạch có nguồn nuôi đối xứng ta xác định được độ rộng xung ra (khoảng thời gian mạch ở trạng thái không ổn định) là: tx = R.C. ln(1  R1 ) R2 (4-5) PT Thời gian phục hồi tph là thời gian mạch trở về trạng thái ổn định ban đầu, xác định theo biểu thức: tph = R.C. ln(1  R1 ) R1  R 2 Uv R C D (4-6) t1 N Ur UC Tvào UP(+) UC = UN t +Urmax P Cv t1 R2 Uv t2 t UP(-) R1 - Urmax tX Ur +Urmax a. Hình 4-9. a. Mạch đa hài đợi b. Dạng điện áp t1 t2 -Urmax t b. 71 Để mạch làm việc bình thường, chu kỳ xung vào cần thoả mãn điều kiện: Tv > tx + tph. (4-7) Chu kỳ xung ra bằng chu kỳ xung vào: Tr = Tv. (4-8) 4.6. Mạch đa hài tự dao động 4.6.1. Mạch đa hài tự dao động dùng transistor Mạch điện hình 4-10 và điện áp các cực theo thời gian ở hình 4-11. Mạch gồm hai transistor mắc cực phát chung, đầu ra T1 ghép tới đầu vào tầng T2 qua tụ C1, còn đầu ra tầng T2 ghép trở lại qua tụ C2. Như vậy mỗi tầng gây di pha một góc 180 0, hai tầng di pha 3600, bảo đảm hồi tiếp dương khi mạch làm việc. Khi có nguồn hai tụ C1, C2 thay nhau nạp điện và phóng điện, hai transistor thay nhau thông (bão hoà), tắt tạo cho mạch có hai trạng thái cân bằng không ổn định: T 1 tắt, T2 thông (bão hoà) và T1 thông (bão hoà), T2 tắt và tự chuyển đổi trạng thái cho nhau, đầu ra nhận được dãy xung vuông. PT IT Coi như mạch đã ở chế độ xác lập, xung ra có biên độ ổn định. Xét tại thời điểm mạch đang ở trạng thái T1 tắt, T2 thông (bão hoà). Lúc này tụ C2 (trước đó nạp điện) đang phóng điện từ +C2 qua T2, nguồn E, qua điện trở R 3 đến -C2 đặt điện áp âm lên cực gốc T1 làm cho UB1 < 0 giữ T1 tắt trong một khoảng thời gian. R1 Hình 4-10. Mạch đa hài tự dao động dùng transistor C1 T1 Ur1 UB1 +E R2 R3 C2 R4 T2 Ur2 UB2 Đồng thời với quá trình đó, tụ C1 nạp điện từ +E qua R1 đến +C1, -C1 qua rBET2 , nhanh chóng đến điện áp bằng E (do trong mạch có R1 << R3) làm cho Ur1 nhanh chóng tăng lên E, Ur1 = E. Do C2 phóng làm cho UB1 tăng dần, khi UB1 > 0 T 1 thông, xuất hiện dòng IB1, IC1 và tăng lên làm cho Ur1 giảm, qua tụ C1 dẫn đến UB2 giảm, dòng T2 giảm và Ur2 tăng. Qua C2 lượng tăng đưa vào cực gốc T1 làm cho UB1 tiếp tục tăng, dòng đèn T1 tiếp tục tăng. Hồi tiếp dương xẩy ra nhanh chóng (xem như tức thời) làm cho T1 thông (bão hoà), T2 tắt. 72 Tiếp theo tụ C1 lại phóng điện qua T1, nguồn E và điện trở R2 giữ cho T2 tắt trong một khoảng thời gian. Tụ C2 nạp điện từ nguồn E qua R4 và điện trở rBET1 , nhanh chóng đến điện áp bằng E (do R4 << R2) làm cho Ur2 tăng nhanh đến mức Ur2 = E. UB1 t Ur1 E Hình 4-11. Dạng xung các cực của mạch đa hài t UB2 t Ur2 E IT t tX1 tX2 T PT Dòng phóng giảm làm cho UB2 tăng lên . Khi UB2 > 0 T2 thông trở lại, T1 tắt mạch chuyển sang trạng thái ban đầu. Quá trình lặp đi lặp lại sẽ cho xung vuông đầu ra. Điều kiện làm việc của mạch: Để xung ra vuông, tụ C nạp điện nhanh hơn khi tụ phóng phải có: R1,4 << R3,2 và transistor khi thông ở chế độ bão hoà cần R 3  1.R1 và R2  2.R4, trong đó 1, 2 là hệ số khuếch đại dòng của transistor T1, T2. Khi cần tần số xung ra lớn, transistor thông làm việc ở chế độ khuếch đại, không áp dụng điều kiện này. Biên độ xung ra trong trường hợp đó bé hơn E. Các tham số xung ra: Biên độ xung ra: Uˆ r  E (4-9) Độ rộng xung tx1 là thời gian T 1 tắt, tụ C2 phóng điện qua R 3 nên tx1 được tính: tx1 = R 3 .C2ln2  0,7 R 3 .C2. (4-10) Tương tự tx2 là thời gian T2 tắt, tụ C1 phóng điện qua R2 nên tx2 được tính: tx2 = R2.C1ln2  0,7R2.C1 (4-11) Chu kỳ dao động của mạch: 73 T = tx1+tx2 = 0,7(R3.C2+R2.C1) (4-12) Tần số dao động của mạch: f= 1 1  T 0,7 (R 3 .C 2  R 2 .C1 ) (4-13) Với mạch đối xứng ta có: R1 = R4 = RC; R2 = R 3 = RB. C1 = C2 = C, các transistor T1, T2 cùng loại, cùng tham số thì tx1 = tx2: tx1 = tx2 = 0,7.RB.C T = 2tx = 1,4.RB.C f= 1 1  T 1,4.R B .C (4-14) 4.6.2. Mạch đa hài tự dao động dùng bộ khuếch đại thuật toán IT Mạch đa hài tự dao động dùng bộ KĐTT hình 4-12 và dạng xung ở các cực theo thời gian như ở hình 4-13. Để phân tích nguyên lý làm việc của mạch ta coi mạch đã ở chế độ xác lập. Giả sử ban đầu tại thời điểm mạch đang ở trạng thái bão hoà dương Ur = +Urmax. Lập tức qua mạch phân áp R1, R2 đưa về cửa thuận một điện áp: U r max R1 R1  R2 PT U P ()  Tụ C trước đó nạp điện áp âm, phóng điện qua đầu ra IC, điện trở R, khi phóng hết điện áp âm rồi nạp tiếp làm cho UC tăng lên. Khi UC > UP(+) thì đầu ra lập tức đột biến về -Urmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà âm. R C N Ur P R2 R1 Hình 4-12. Mạch dao động đa hài dùng bộ KĐTT Qua mạch phân áp R1 R2 đưa về cửa thuận một điện áp: U P ( )  U r max R1 . R1  R2 74 PT IT Tụ C đang nạp thì phóng điện (do điện áp ra đổi cực tính) qua điện trở R làm cho UC giảm xuống không, rồi nạp tiếp về phía –Urmax. Khi UC < UP(-) thì đầu ra đột biến từ -Urmax về +Urmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà dương. Cứ như vậy mạch tự làm việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác cho dãy xung vuông ở đầu ra. Hình 4-13. Dạng tín hiệu trên các cửa bộ KĐTT Khi nguồn nuôi đối xứng thì độ rộng xung tx được xác định: t X  RC.ln(1  2R 1 ) R2 (4-15) Nếu chọn R1 = R2 thì: Chu kỳ dao động: tx = R.C.ln3  1,1R.C (4-16) T = 2tx  2,2 R.C (4-17) f dd  (4-18) Tần số dao động: 1 2, 2 RC Khi cần dạng xung ra không đối xứng ta dùng mạch ở hình 4-14. 75 Bằng cách thay đổi giá trị tương quan giữa R' và R'' sẽ thay đổi được tx1 và tx2. Khi R' + R'' không đổi thì chu kỳ T = tx1 + tx2 sẽ được giữ nguyên. R’ D1 D2 U Ur UC(t) +Urmax R’’ N C t Ur P R2 -Urmax tX1 R1 tX2 b. a. 4.7. Mạch hạn chế biên độ IT Hình 4-14. a) Mạch đa hài không đối xứng b) Đồ thị thời gian dạng xung ra PT Mạch hạn chế biên độ còn gọi là mạch xén biên, trong đó tín hiệu ra Ur luôn tỷ lệ với tín hiệu vào UV nếu UV chưa một giá trị, một mức ngưỡng cho trước, còn khi UV vượt quá mức ngưỡng thì tín hiệu ra Ur luôn giữ ở một giá trị không đổi. Các linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch hạn chế thường là điốt, tranzito hay IC. Mạch hạn chế được sử dụng nhiều trong kỹ thuật truyền hình. Sau đây ta sẽ nghiên cứu các mạch hạn chế dùng điốt lý tưởng. Tuỳ theo cách mắc điốt là nối tiếp hay song song với tải, người ta phân biệt thành mạch hạn chế nối tiếp hay hạn chế song song. Cũng có thể phân loại theo chức năng hạn chế ở mức trên, hạn chế ở mức dưới (một phía) hoặc hạn chế ở hai mức (hai phía). 4.7.1. Mạch hạn chế trên Mạch hạn chế trên song song hình 4-15a. Ở mạch này khi UV  E điốt tắt nên Ur = UV. Ngược lại khi UV > E điốt thông Ur = E (lúc này UV sụt áp tất cả trên R). Đây là mạch hạn chế ở mức trên. Mạch hạn chế nối tiếp ở hình 4-15b, khi UV < E điốt thông, nối tắt lối ra với lối vào nên Ur = UV. Ngược lại khi UV > E điốt tắt nên Ur = E. Trên hình 4-15c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin và hình 4-15d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế trên. 76 D R D Uv R Ur Uv Ur + + E a. U E b. UV Ur Ur E E 0 t E Uv d. IT c. Hình 4-15. Mạch hạn chế trên 4.7.2. Mạch hạn chế dưới PT R D D Uv Ur + R Ur Uv E + a. E b. Ur U Ur t Uv -E 0 -E -E UV d. c. Hình 4-16. Mạch hạn chế dưới 77 Với các mạch hạn chế trên nếu đổi chiều các điốt thì mach sẽ thực hiện chức năng hạn chế ở mức dưới. Mạch hạn chế song song ở hình 4-16a, khi UV < -E, D thông nên Ur = -E. Trường hợp UV  -E, D tắt nên Ur = UV. Trong mạch hạn chế nối tiếp ở hình 4-16b, khi UV  -E điốt tắt nên UR = -E, khi UV > -E điốt thông nên Ur = UV. Hình 4-16c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin và hình 4-16d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế dưới. 4.7.3. Mạch hạn chế hai phía Trên hình 4-17a, b là mạch hạn chế hai phía. Mạch hạn chế song song hình 4-17a khi UV < -E1 thì D1 thông, D2 tắt do đó Ur = -E1. Nếu UV > E2 thì D2 thông ,D1 tắt nên Ur = E2. Khi -E1  UV  E2 thì D1, D2 đều tắt nên Ur = UV. Mạch ở hình 4-17b cũng có nguyên lý tương tự nhưng cần chọn R2 >> R1. IT Hình 4-17c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin và hình 4-17d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế hai phía. PT Ở các mạch hạn chế thực tế dạng tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào thông số thực của các linh kiện trong mạch, phụ thuộc giá trị tải cũng như điện dung ký sinh. Các yếu tố đó có thể gây méo dạng tín hiệu ra một cách đáng kể nên cần tính toán một cách đầy đủ. Trong kỹ thuật, mạch hạn chế được dùng để tạo xung, sửa xung, chọn xung hay chống nhiễu.v.v.. D1 R D1 R1 D2 Ur Uv D2 Ur + E1 E2 + R2 Uv + E1 + E2 a. b. U E2 Ur UV E2 Ur t -E1 0 0 E2 Uv -E1 - E1 c. Hình 4-17. Mạch hạn chế hai phía d. 78 4.8. Mạch tạo xung răng cưa 4.8.1 Tham số tín hiệu xung răng cưa Tín hiệu xung răng cưa được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn làm tín hiệu quét trong các máy hiện sóng, làm tín hiệu so sánh biến đổi điện áp hay thời gian.v.v... U Û t 0 Trên hình 4-18 là một tín hiệu xung răng tqt tqn cưa thông thường. Nó bao gồm hai phần, phần T biến thiên tuyến tính theo thời gian gọi là thời gian quét thuận tqt và phần còn lại là thời gian Hình 4-18. Tín hiệu xung răng cưa quét ngược tqn. Các mạch tạo tín hiệu răng cưa phải bảo đảm sao cho thời gian quét thuận lớn hơn rất nhiều thời gian quét ngược. Biên độ của  xung răng cưa là U . Tín hiệu răng cưa có thể dương hay âm, thực hiện quét lên hoặc quét xuống và mạch tạo xung răng cưa có thể hoạt động ở chế độ đợi hay tự dao động.  U (0)  U (tqt ) U (0) IT Trong thực tế, phần quét thuận của xung răng cưa không hoàn toàn tuyến tính. Do đó để đánh giá chất lượng đường quét của xung răng cưa, ta đưa ra hệ số phi tuyến , định nghĩa như sau: (4-19) PT U (0) là độ dốc ở điểm bắt đầu đường quét thuận. trong đó U (tqt ) là độ dốc ở điểm kết thúc đường quét thuận. Ngoài ra mạch quét còn được đánh giá theo hiệu suất sử dụng nguồn cung cấp.  U H % EC (4-20)  Với U là biên độ, EC là điện áp nguồn. Nói chung tín hiệu răng cưa được tạo ra dựa trên quá trình nạp và phóng của tụ. Các mạch tạo xung răng cưa đều dựa theo một trong ba nguyên lý cơ bản sau: - Nạp, phóng cho tụ bằng mạch RC đơn giản. - Nạp hoặc phóng cho tụ qua nguồn dòng ổn định. - Dùng hồi tiếp để ổn định dòng nạp cho tụ. 4.8.2. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch tích phân RC. Trên hình 4-19 là sơ đồ nguyên lý tạo xung răng cưa dùng mạch RC. Trong mạch transistor hoạt động ở chế độ khoá. Bình thường, khi không có xung kích thích, transistor thông bão hoà do được cung cấp dòng IB khá lớn qua, nên tín hiệu ra U r  0 . Khi mạch được 79 kích thích xung âm có biên độ đủ lớn, transistor tắt, tụ C nạp điện từ nguồn E C qua R. Điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức: U r  EC (1  e t / R.C ) (4-21) Khi xung vào kết thúc transistor thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện nhanh qua transistor tới giá trị gần bằng không. Thời gian quét thuận của mạch bằng thời gian tồn tại của xung vào, còn thời gian quét ngược là thời gian phóng điện của tụ C. Uv +Ec RB t 0 Rc Cv  EC Ur + + Ur C Uv Ur t Ubh IT 0 tqt tqn Hình 4-19. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch RC. Để xung ra tăng lên gần như tuyến tính cần chọn trị số R, C đủ lớn sao cho PT  = RC >> txvào (txvào là độ rộng xung vào) Nhược điểm của loại mạch này là chất lượng tuyến tính của phần quét thuận không cao, do ở cuối dòng nạp cho tụ giảm dần. Để khắc phục nhược điểm trên, có thể sử dụng nguồn dòng ổn định để nạp cho tụ. 4.8.3. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng Trên hình 4-20 là sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa theo nguyên tắc dùng nguồn ổn dòng. Uv +Ec t RE 0 RB2 T2  Dz Ur Ur RB1 + T1 + Cv C Ur t Uv 0 Ubh tqt Hình 4-20. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng. tqn 80 Như ta đã biết, khi tụ nạp điện áp trên nó tỷ lệ với tích phân theo thời gian của dòng nạp qua nó.  1  idt C t UC (4-22) 0 Vì vậy nếu dòng nạp cho tụ lấy từ một nguồn dòng, tức là: i = I0 = const. thì điện áp trên tụ sẽ biến đổi tuyến tính theo thời gian.  I 1  . I 0 dt  0 .t C C t UC (4-23) 0 Mạch ở hình 4-20 transistor T1 hoạt động như một khoá điện tử. Bình thường khi chưa có xung vào do được cấp dòng IB1 đủ lớn nên T1 bão hoà, do đó điện áp ra gần như bằng không. Transistor T2 đóng vai trò nguồn dòng. Nhờ có điốt ổn áp DZ nên điện áp cực gốc T2 luôn ổn định. Vì vậy dòng qua T2, IE2 cũng như IC2 có giá trị ổn định. E C  U EB 2  U D RE IT I C2  I E 2  (4-24) Trong khi T1 bão hoà, dòng IC2 này bằng dòng IC1. Khi có xung âm vào T1 tắt, tụ C nạp điện bởi dòng IC2 và điện áp trên tụ tăng tuyến tính theo thời gian: E  U BE 2  U D 1 iC 2 dt  C t  C0 C.RE t PT Ur  UC  (4-25) Khi hết xung kích thích T1 lại thông và bão hoà, tụ C phóng điện nhanh qua T1 làm cho UR giảm xuống nhanh chóng về điện áp gần bằng không. 4.8.4. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp Để tăng độ tuyến tính của đường quét thuận, trong một số mạch tạo xung răng cưa ta dùng thêm mạch khếch đại có hồi tiếp như trên hình 4-21. Trong mạch này T1 luôn thông bão hoà khi không có xung vào, do đó điện áp trên tụ C luôn xấp xỉ bằng không (UC  0). Lúc đó tồn tại một dòng điện chạy từ nguồn EC, qua điốt D, qua R đến T1. Tầng khuếch đại T2 mắc cực góp chung, có độ khuếch đại điện áp gần bằng một nên điện áp ra U r  U C  0 , tụ C0 (có điện dung rất lớn hơn tụ C rất nhiều) lúc này nạp điện tới giá trị EC, U C0 = EC. Khi có xung kích thích, tranzito T1 tắt, tụ C bắt đầu được nạp điện bởi dòng do tụ C0 phóng ra qua R. Theo mức độ nạp của tụ C, điện áp ra tăng dần và do đó điốt tắt. Ta thấy dòng nạp cho tụ C khá ổn định nhờ điện áp trên tụ C0 hầu như không đổi trong suốt thời gian quét thuận nên điện áp ra tuyến tính. Về mặt giải tích, có thể xác định dòng nạp cho tụ C thông qua điện áp hạ trên R. 81 I U R UC0  U R UC  R R (4-26) Uv +E C +E D t 0 C0 Ur R1 R T2 Cv T1 C Uv RE t Ur 0 Ubh tqt tqn IT Hình 4-21. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp Do tầng khuếch đại T2 có hệ số khuếch đại điện áp gần bằng 1, U C  U r nên: U C0 R  EC R PT I Trong quá trình nạp: Ur  UC  t E 1 idt  C .t  C0 R.C (4-27) (4-28) Sau khi xung vào kết thúc, T1 thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện qua T1. Khi tụ C phóng điện giảm xuống xấp xỉ bằng không điốt D thông và tụ C0 lại nạp bổ sung đến giá trị U C0  EC ban đầu. Trong mạch này thời gian quét thuận cũng bằng độ rộng xung vào. Cũng có thể dùng mạch tích phân dùng bộ KĐTT để tạo xung răng cưa. 4.9. Mạch tạo dao động có tần số điều khiển bằng điện áp (VCO) Yêu cầu chung đối với các mạch tạo dao động có tần số điều khiển được là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số dãy xung ra phải tuyến tính. Ngoài ra mạch phải có độ ổn định tần số cao, giải biến đổi của tần số theo điện áp rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh. Về nguyên tắc, có thể dùng một mạch tạo dao động mà tần số dao động của nó có thể biến thiên được trong phạm vi  10% đến  50% xung quanh tần số dao động tự do f0. Tuy nhiên người ta thường dùng các bộ tạo xung chữ nhật hơn cả, vì loại này có thể làm việc trong phạm vi tần số khá rộng. Trong phạm vi ( 1  50 MHz) thường dùng các mạch tạo dao động đa 82 hài. Các bộ tạo dao động điều khiển bằng dòng điện ưu việt hơn các bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp ở chỗ: nó có phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt rộng hơn. Một sơ đồ đơn giản của VCO là mạch dao động đa hài được biểu diễn trên hình 4-22. Khi nối đầu điều khiển với EC thì đây là một mạch dao động đa hài thông thường. Khi tách ra và đặt điện áp điều khiển vào đầu đó Ud thì tần số dãy xungra biến thiên theo Ud. Cụ thể nếu Ud tăng thì thời gian phóng nạp của tụ giảm, do đó tần số của dao động tăng và ngược lại. Ta có đặc tuyến truyền đạt f = f(Ud) biểu diễn trên hình 4-23. +EC RC C C RC T2 T1 R Ur R IT Ud - EC PT Hình 4-22. Mạch tạo dao động đa hài có tần số điều khiển bằng điện áp fr (Khz) 1,1 1,0 0,9 -5V 0 +5V Ud(v) Vùng làm việc Hình 4-23. Quan hệ giữa tần số dao động ra của VCO với điện áp điều khiển. 83 CHƯƠNG 5 ĐIỀU CHẾ - TÁCH SÓNG – TRỘN TẦN 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. Do tin tức có tần số thấp nên không thể tự bức xạ để truyền đi xa được nên 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. 5.1.2. Điều chế biên độ 5.1.2.1. Phổ của tín hiệu điều biên IT 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. Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức. Để đơn giản, giả thiết tin tức US và tải tin U t đều là dao động điều hoà và tần số tin tức PT biến thiên từ S min  S max , ta có: Tin tức: Tải tin: uS (t )  Uˆ S .cos S t ut (t )  Uˆ t .cos t t  t  S yêu cầu Do đó tín hiệu điều biên: u đb  (Uˆ t  Uˆ S . cos  S t ). cos  t t  Uˆ t .(1  m. cos  t t ). cos  t t trong đó: m (5-1) Uˆ S là hệ số điều chế. Uˆ t Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện m  1 . Khi m  1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng. (Hình 5-1c). Từ (5-1) ta có: mU t mU t udb  U t cos t t  cos(t  S )t  cos(t  S )t 2 2 ^ ^ ^ (5-2) Như vậy, tín hiệu điều biên ngoài thành phần tải tin, còn có hai biên tần (hình 5-1b). Biên tần trên có tần số từ (t  S min ) đến (t  S max ) và biên tần dưới từ (t  S max ) đến (t  S min ) . 84 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. 1  2 P~ t ~ (tỷ lệ) U t 2 Công suất biên tần: ( P~ bt ~ m.Uˆ t 2 2 )2 U a. 0 smin  smax Ut IT Uđb b. 0 PT 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 t-Smax t-Smint t+Smi  t+Smax US t 0 Uđb c. t 0 m<1 Uđb t m>1 Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế. 85 P~ db  P~ t  2P~ bt  P~ t (1  m2 ) 2 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: 2P~ bt  P~ t 2 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 điều chế đơn biên. 5.1.2.3. Mạch điều biên Mạch điều biên có thể dùng các kiểu điều biên đơn, điều biên vòng và điều biên cân bằng. IT Mạch điều biên đơn chỉ dùng một phần trở tích cực như điốt hoặc transistor nên tín hiệu sau điều biên còn nhiều hài bậc cao. Mạch điều biên vòng có ưu điểm giảm được méo phi tuyến. Hình 5-2 là các mạch điều biên vòng dùng điốt và transistor lưỡng cực. PT Theo hình 5-2a điện áp đặt lên các điốt Đ1, Đ2 lần lượt là:   u1  U S .cos S t  U t .cos t t   u2  U S .cos S t  U t .cos t t (5-3) Dòng điện qua mỗi điốt được biểu diễn theo chuỗi Taylor: i1  a0  a1.u1  a2 .u12  a3u13  ... i2  a0  a1.u2  a1 .u22  a3 .u23  ... (5-4) Dòng điện ra: i = i1 - i2 (5-5) Thay (5-3) và (5-4) vào (5-5), chỉ lấy bốn số hạng đầu được: i  A. cos S t  B. cos 3S t  C.[cos( t  S ) t  cos( t  S ) t ]   D.[cos(2 t  S )t  cos(2 t  S ) t ] (5-6) trong đó: 86 1 2 A  Uˆ S  (2a1  3a 3 ).Uˆ t  .a 3 .Uˆ s2 2 1 B  .a 3 .Uˆ s3 2 C  2.a .Uˆ .Uˆ S 2 (5-7) t 3 D  .a 3 .Uˆ S .Uˆ t . 2 Cũng có thể chứng minh tương tự cho mạch hình 5-2b. 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 vòng như ở hình 5-2c. T1 Đ1 i1 CB Ut US CB Đ2 i2 US - Uđb + IT Uđb EC T2 b. PT a. Ut Uđb S 3S St - S  St + S c. 2St  - 2St + S Hình 5-2. Mạch điều biên vòng a. dùng điốt; b. dùng transistor; c. phổ tín hiệu ra Mạch điều chế cân bằng hình 5-3. Mạch điều chế cân bằng thực chất là hai mạch điều chế vòng chung tải. 87 Đ1 Đ3 CB Uđb US Đ4 CB Đ2 Ut Hình 5-3. Mạch điều biên cân bằng Gọi dòng điện ra của mạch điều chế vòng D1, D2 là i I và dòng điện ra của mạch điều Ta có: IT chế vòng D3, D4 là i II i I  A. cos S t  B. cos 3S t  C.[cos( t  S ) t  cos( t  S ) t ]  D.[cos(2 t  S )t  cos(2 t  S )] PT i II  i D3  i D 4 trong đó: iD 3  a0  a1 .u3  a2 .u32  a3 .u33  ... iD 4  a0  a1 .u 4  a2 .u42  a3 .u43  ... với U3 và U4 là điện áp đặt lên D3, D4 xác định u3  Uˆ t .cos t t  Uˆ S .cos S t u  Uˆ .cos  t  Uˆ .cos  t 4 t t S S thay vào i II  A. cos S t  B. cos 3S t  C.[cos( t  S )t  cos( t  S ) t ]  D.[cos(2 t  S ) t  cos(2 t  S ) t ] A, B, C, D xác định như ở mạch điều chế cân bằng trước đây i đb  i I  i II  2.C.[cos( t   S )t  cos( t   S )t ] Điều chế cân bằng cho méo nhỏ nhất vì nó khử được các hài bậc lẻ của  S và các biên tần 2 t . Phổ của mạch điều chế cân bằng có dạng hình 5-4. 88 t-S U t+S  t 0 Hình 5-4. Phổ tín hiệu ra của điều chế cân bằng 5.1.3. Điều chế đơn biên 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 điều chế để nhằm tạo ra một giải biên tần gọi là điều chế đơn biên. IT 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. PT - Tạp âm đầu thu giảm do giải tần của tín hiệu hẹp hơn. Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên là: u đb (t )  m ˆ .U t . cos( t   S )t 2 (5-8)  US trong đó m   được gọi là hệ số nén tải tin, m có thể nhận các giá trị từ 0   . Ut 5.1.3.1. 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 nhất của tin tức f S min  200Hz , lúc đó khoảng cách giữa hai biên tần f  2f S min  400Hz (hình 5-1b). Nếu tải tần f t  10MHz thì hệ số lọc của bộ lọc X  f  4.10 5 , khá nhỏ. Khi đó sự phân ft 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. 89 ft1fS uS a ĐCCB1 b ft2(ft1+fS) ft1+fS Lọc I ĐCCB2 c ft2+ft1+f Lọc II S u đb ft1 ft2 Tạo dao động 1 Tạo dao động 2 Hình 5-5. Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc Sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên như vậy được biểu diễn trên hình 5-5, phổ của tín hiệu trên đầu ra của từng khối được biểu diễn trên hình 5-6. a. 0 Ub fSmax 0 f fSmin PT b. fSmin IT US f ft1 Uc c. 0 f ft1 fSmin Ud ft1 d. f 0 ft2 ft2+ft1 Hình 5-6. Phổ của tín hiệu ra của các khối hình 5-5 a. Phổ của tín hiệu vào b. Phổ của tín hiệu điều chế cân bằng 1 c. Phổ của tín hiệu đầu ra bộ lọc 1 d. Phổ của tín hiệu đầu ra bộ lọc 2 Trong sơ đồ khối trên đây, trước hết dùng tin tức điều chế tải tin trung gian có tần số ft1 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 90 vào f  f S max  f S min nhưng dịch đi một lượng ft1 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 f   2.(f t1  f S min ) 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. f t f t1f t 2 . 5.1.3.2. Điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha Sơ đồ khố mạch điều chế đơn biên dùng phương pháp quay pha hình 5-7. Tải tin và tin tức không qua pha được đưa vào bộ điều biên cân bằng 1, còn trước khi đưa vào bộ điều biên cân bằng 2, tải tin và tin tức được qua pha 90 0. u đb1 us Mạch ĐCCB1 00 PT ut IT 900 00 Mạch ĐCCB2 900 Mạch tổng hoặc hiệu uđb u đb2 Hình 5-7. Sơ đồ khối điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha Từ sơ đồ khối ta có biểu thức toán như sau: ^ ^ 1 ^ ^ udb1  U s .coss t.U t cost t  U s U t [cos(t  s )t  cos(t  s )t ] 2 ^ ^ 1 ^ ^ udb 2  U s .sin s t.U t sin t t  U s U t [-cos(t  s )t  cos(t  s )t ] 2 Qua mạch hiệu ta có biểu thức điều chế đơn biên: udb  udb1  u db 2  U s U t cos(t  s )t ^ ^ Mạch này yêu cầu hai bộ điều chế phải hoàn toàn giống nhau và biên độ các điện áp vào phải bằng nhau ngoài ra thì việc qua pha tin tức có dải tần rộng là vấn đề khó. Để giải quyết vấn đề này người ta dùng phương pháp lọc và qua pha kết hợp. 91 5.1.3.3. Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc và quay pha kết hợp Sơ đồ khố mạch điều chế đơn biên dùng phương pháp lọc và quay pha kết hợp hình 5-8. uđb1 Mạch uđb2 Lọc ĐCCB1 us Mạch ĐCCB2 uđb ut1 u t2 90 00 00 0 0 90 Mạch hiệu u ’đb1 Mạch Mạch Lọc ĐCCB1 u ’đb2 ĐCCB2 IT Hình 5-8. Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo phương pháp lọc và quay pha kết hợp Từ sơ đồ khối ta có các biểu thức sau: PT ^ ^ 1 ^ ^ udb1  U s .coss t.U t 1 cost1t  U s U t1 [cos(t 1  s )t  cos(t1  s )t ] 2 ^ ^ 1 ^ ^ u 'db1  U s .coss t.U t1 sin t 1t  U s U t1 [sin(t1  s )t  sin(t 1  s )t ] 2 Sau khi qua lọc thông cao và mạch điều chế cân bằng 2 ta có: ^ U s U t1  .cos(s  t1 )t.U t 2 cost 2t 2 ^ udb 2 ^ 1 ^ ^ ^  U s U t1 U t 2 [cos(t 2  t 1  s )t  cos(t 2  t1  s )t ] 4 ^ U s U t1  .sin(t 1  s )t.U t 2 sin t 2t 2 ^ ' u db 2 ^ 1 ^ ^ ^  U s U t1 U t 2 [-cos(t 2  t 1  s )t  cos(t 2  t1  s )t ] 4 Qua mạch hiệu ta có biểu thức điều chế đơn biên: 1 ^ ^ ^ ' udb  udb 2  udb U s U t1 U t 2 .cos(t 2  t 1  s )t 2  2 92 5.1.4. Điều tần và điều pha 5.1.4.1. 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  d dt (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:   ut  U t .cos(t t  0 )  U t .cos (t ) (5-10) Từ (5-9) rút ra: ( t )    ( t ) dt   ( t ) t (5-11) 0 Thay (5-11) vào (5-10) ta được: ut  Uˆ t .cos[ ( t ) dt  (t ) ] 0 IT t Giả thiết tín hiệu điều chế là đơn âm.  uS  U S .cos S t (5-12) (5-13) PT 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:  ( t )   t  kđt Uˆ S cos  S t   ( t )   o  kđp .U S cos  S t (5-14) (5-15) trong đó  t là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần Đặt: kđt .Uˆ S   m và gọi là lượng di tần cực đại.  kđp .U S   m và gọi là lượng di pha cực đại. Khi đó các biểu thức (5-14), (5-15) viết lại như sau: ( t )   t   m . cos S t ( t )   0   m . cos S t Khi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên ( t )   0 . (5-16) (5-17) Thay (5-16) và (5-17) vào (5-12) và tích phân lên được biểu thức của dao động điều tần:  m u đt  Uˆ t . cos( t t  . sin  S t   0 ) S (5-18) 93 Tương tự như vậy, ta có biểu thức dao động điều pha khi cho    t  const :  u đp  U t . cos( t t   m . cos  S t   0 ) (5-19) Lượng di pha đạt được khi điều pha    m . cos S t tương ứng có lượng di tần là:   d ( )   m .S . sin S t dt và lượng di tần cực đại khi điều pha là:   m  S . m  S . k đp .U S (5-20) lượng di tần cực đại khi điều tần là:  m  kđt .Û S (5-21) 5.1.4.2. Mạch điều tần và điều pha PT 1. Mạch điều tần IT 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 điều tần tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế mà thôi. 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 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 và transistor điện kháng. Sau đây xét loại điều chế đó. a. Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung Điốt biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào. Nó có sơ đồ tương đương hình 5-9a. Trị số RD và CD phụ thuộc vào điện áp đặt lên điốt. Trường hợp điốt được phân cực ngược RD =  còn CD được xác định theo biểu thức: CD  k (U D   k )  (5-22) trong đó k là hệ số tỷ lệ. k là hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic  k  0,7 V 1 1  là hệ số phụ thuộc vật liệu:   ,..., 2 3 94 Mắc điốt song song với hệ tạo dao động của bộ tạo dao động, đồng thời đặt điện áp điều chế lên điốt thì CD 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 5-9b là mạch điện bộ tạo dao động điều tần bằng điốt biến dung. Trong mạch điện này điốt được phân cực ngược bởi nguồn E2. RD +E1 L1 C1 CD a. +E2 R1 US R3 L3 C D L4 R5 R4 C2 C3 C4 L5 C 5 E0 IT R2 L2 b. PT Hình 5-9. 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 Tần số dao động của mạch gần bằng tần số cộng hưởng riêng của hệ dao động và được xác định như sau: fđd  1 2. L 3 .(C  C D ) (5-23) CD xác định theo biểu thức (5-22) Điện áp đặt lên điốt:  U D  U t  U S  E 0  U t . cos  t t  U S . cos  S t  E 0 (5-24) Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện: U D  U DMax  Uˆ t  Uˆ S  E 0  0 và   U D  U D min   U t  U S  E0  U ngcp (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 RD đến phẩm chất của hệ tạo dao động nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch. 95 Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến C D  f ( U D ) của điốt biến dung (hình 5-10) 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 số bán dẫn lớn, nên kém ổn định. CD CDmax CD CDmin E0 UD 0 0 t US t b. Điều tần dùng transistor điện kháng IT Hình 5-10. Đặc tuyến CD = f(UD) của điốt biến dung và nguyên lý biến đổi điện dung mặc ghép của điốt theo điện áp đặt vào. PT Phần tử điện kháng dung tính hoặc cảm tính có trở kháng thay đổi theo tin tức được mắc 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 transistor và hai linh kiện RC (hình 511) hoặc RL tạo thành mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của transistor. Với mạch hình 5-11 ta có: ZV  UV UV UV    IV I C S .U BE Nếu chọn R  UV 1 jC S .UV . 1 R jC Iv Ic R Uv C R 1 jC  1 S. jC Hình 5-11 1 thì ta có: jC ZV  j RC  j Ltd S 96 Như vậy mạch điện hình 5-11 tương đương một cuộn cảm có trị số Ltd phụ thuộc vào hỗ dẫn S của transistor, khi UV là tín hiệu thay đổi làm cho S thay đổi và vì thế làm Ltd thay đổi theo, làm cho tần số dao động của mạch dao động bị thay đổi theo tín hiệu điều chế. Ngoài ra còn một số mạch transistor điện kháng khác bằng cách thay đổi vị trí giữa R và C, hoặc thay C bằng cuộn cảm L. 2. Mạch điều pha Mạch điều chế pha theo Armstrong ở hình 5-12 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 900, còn tín hiệu điều chế uS đưa đến hai mạch điều biên ngược pha. Điện áp đầu ra trên hai bộ điều biên là: udb1  Uˆ t 1.(1  m.cos S t ).cos t t . ˆ t1 mU  Uˆ t1.cos t t  .[cos(t  S )t  cos(t  S )t ] 2 IT udb 2  Uˆ t 2 .(1  m.cos S t ).sin t t mU . ˆt2  Uˆ t 2 .sin t t  .[sin(t  S )t  sin(t  S )t ] 2 Đồ thị véc tơ của Uđb1 và Uđb2 và véc tơ tổng của chúng được biểu diễn trên hình 5-13. ut1 PT ĐB1 U t1 Di pha 900 U ut2 ĐB2 u đb1 Tổng Tín hiệu điều pha u đb2 Hình 5-12. Sơ đồ khối mạch điều pha theo ArmStrong 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  nhỏ. Để có điều biên ký sinh nhỏ hơn 1% thì  < 0,35. 97  U db2 m.Uˆ t 2 Uˆ t 2  U m.Uˆ t 2   m.Uˆ t 1 0 m.Uˆ t 1 Uˆ t1  U db1 Hình 5-13. Đồ thị véc tơ của tín hiệu điều pha theo mạch Arstrong IT 5.2. Tách sóng 5.2.1. Khái niệm PT 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. 5.2.2. Tách sóng điều biên. 5.2.2.1. Các tham số cơ bản a. Hệ số tách sóng Tín hiệu vào bộ tách sóng là tín hiệu đã điều biên. uVTS  Uˆ VTS .cos t t trong đó Û VTS biến thiên theo quy luật tin tức. Tín hiệu ra bộ tách sóng điều biên: Uˆ RTS  K TS .Uˆ VTS KTS là hệ số tỷ lệ và được gọi là hệ số tách sóng. K TS  Uˆ RTS Uˆ VTS 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: 98 K TS  Uˆ RTS Uˆ (5-26) VTS b. Trở kháng vào bộ tách sóng Z VTS  Uˆ VTS U t  I VTS I t (5-27) c. Méo phi tuyến k I 22 S  I 32S  ... I S .100% trong đó I 2 S , I 3 S ... 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. 5.2.2.2. Mạch tách sóng điều biên SU D 0 khi khi UD  0 UD  0 PT iD   IT Xét mạch tách sóng điều biên dùng điốt mắc nối tiếp hình 5-14. Nếu tín hiệu vào đủ lớn sao cho điốt làm việc trong đoạn thẳng của đặc tuyến như trên hình 5-15 ta có quá trình tách sóng tín hiệu lớn. Lúc đó dòng điện qua điốt biểu diễn: D u đb C a. R uc = u s (5-28) C u đb D R ur = u s b. Hình 5-14. Sơ đồ tách sóng dùng điốt. a. Tách sóng nối tiếp. b. Tách sóng song song Trong sơ đồ hình 5-14 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 5-15). 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 Us cần tách. Với mạch này phải chọn hằng số thời gian  = 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 >> Ri, Rv thì có thể tách sóng được điện áp đỉnh. Tuy nhiên cũng không được chọn  quá lớn để tránh méo do điện dung gây nên. Điều kiện tổng quát để chọn  là: 99 1 1    R.C  t S (5-29) id id  Ud 0 0 t Uđb IT Hình 5-15. Quá trình tách sóng tín hiệu lớn nhờ mạch chỉnh lưu dùng điốt t PT Uc t 0 2 Hình 5-16. Đồ thị thời gian điện áp ra UC trên tải bộ tách sóng nối tiếp 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 5-17. Thực tế thường chọn R, C theo điều kiện: 10 1  R.C  t  S max (5-30) Muốn dễ dàng thoả mãn (5-30) cần  t  100S max 100 Uc Û db Uc Uđb t 0 IT Hình 5-17. Hiện tượng méo tín hiệu tách sóng do tải điện dung quá lớn 5.2.3. 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: PT 1. Biến đổi tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên rồi thực hiện tách sóng biên độ. 2. 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. 3. 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. 5.2.3.1. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng. Hình 5-18 là sơ đồ mạch tách sóng điều tần số dùng mạch lệch cộng hưởng. Đầu vào hai bộ tách sóng biên độ (D1, D2) là hai mạch cộng hưởng được điều chỉnh tại các tần số 1, và 2. Nếu gọi tần số trung tâm của tín hiệu điều tần đầu vào là 0 = t thì: 1  0   ;  2  0   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 (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp vào. Từ mạch điện hình 5-18 xác định được: . ˆ dt .Z1 Uˆ1  mU . ˆ .Z Uˆ  mU 2 dt (5-31) 2 trong đó m là hệ số ghép của biến áp vào (  M ) L 101 M 1 Uđt 2 Û 1 D1 C R US1 C R US2 D2 Û 2 US Hình 5-18. Mạch điện bộ tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng. Z1, Z2 là trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2. Mà Z1, Z2 được xác định theo: Z1   R td 2  (  1 ) 2 1  [2.Q1 . ] 1 Z2  (   2 ) 2 1  [2.Q 2 . ] 2 R td1 1  (   0 ) 2 (5-32) R td 2 1  (   0 ) 2 IT 2. R td1 Rtd1, Rtd2 lần lượt là hai trở kháng của hai mạch cộng hưởng ở tần số cộng hưởng 1 và PT Q1, Q2 là phẩm chất của các mạch cộng hưởng tương ứng. Chọn hai mạch cộng hưởng như nhau ta có: R td1  R td 2  R td , 0  2.Q 0  1, 2 0 Q1  Q 2  Q 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.  2.Q   0 0 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  thay đổi thì Z1, Z2 thay đổi kéo theo sự thay đổi của biên độ điện áp vào Û1 , Û 2 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.  u S1  K TS .Û1  K TS .m.Û dt .  u S2  K TS .Û 2  K TS .m.Û dt . R td1 1  ( 0   ) 2 R td 2 1  ( 0  ) 2 (5-33) (5-34) 102 Điện áp ra tổng. u S  u S1  u S 2  K TS .m.R td .Û dt ..(,  0 ) 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. 5.2.3.2. 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 5-19. Tín hiệu cần tách sóng chính là tín hiệu đã điều pha, Udp được so sánh về pha với một dao động chuẩn Uch. Biểu thức Udp và Uch như sau:   Uđp  U1 . cos[01 t  ( t )   01 ]  U1 . cos 1 ( t )   U ch  U 2 . cos[ 02 t   02 ]  U 2 . cos  2 (t ) Điện áp đặt lên hai bộ tách sóng tương ứng là:   U D1  U 1 . cos[ 01t   (t )   01 ]  U 2 . cos[ 02 t   02 ] IT   U D 2   U1 . cos[01 t  ( t )   01 ]  U 2 . cos[ 02 t   02 ] Điện áp ra tương ứng trên hai bộ tách sóng biên độ xác định được theo đồ thị véc tơ hình 5-19b.       U 1t  U S1  K TS .U D1  K TS . U 12  U 22  2.U 1 .U 2 . cos  (t ) PT       U 2t  U S 2  K TS .U D 2  K TS . U 12  U 22  2.U 1 .U 2 . cos  (t ) (5-35) trong đó K TS là hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ. K TS  US m.U t (5-36)  (t ) là hiệu pha của hai điện áp vào.  (t )  ( 01   02 )t   (t )  ( 01   02 ) u ®p + Đ1 _ R + _ R US1 C Û 1  uS Đ2 U S2 C Û D1 + _ U2  Û 1 Û D 2 a. b. Uch Hình 5-19. a. Mạch điện bộ tách sóng điều pha dùng điốt. b. Đồ thị véc tơ của các điện áp. 103 Điện áp ra trên bộ tách sóng: uS  uS 1  uS 2     2    U S  K TS .[ U 12  U 22  2.U 1 .U 2 . cos  ( t )  U 1  U 2  2.U 1 .U 2 . cos  (t ) ] (5-37) 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  01   02 và  01   02 thì điện áp ra chỉ còn phụ thuộc vào pha của tín hiệu vào (t). 5.3. Trộn tần 5.3.1. 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). IT 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 fns. Tín hiệu còn lại là 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, tần số của nó thường được gọi là tần số trung tần ftt. Để thực hiện trộn tần phải dùng phần tử phi tuyến hoặc dùng phần tử tuyến tính tham số. 5.3.2. Nguyên lý trộn tần Giả thiết đặc tuyến của phần tử phi tuyến được biểu diễn theo chuỗi Taylor sau đây: PT i  a 0  a1 .u  a 2 .u 2  ...  a n .u n  ... (5-38) trong đó U là phần điện áp đặt lên phần tử phi tuyến để trộn tần. Trong trường hợp này u = uns + uth Giả thiết  uns  U ns .cos ns t  uth  U th .cos th t Thay vào (5-38) ta có:   i  a0  a1 .( U ns . cos  ns t  U th . cos  th t )  2 a  2 a2  2  2 .(U ns  U th )  2 .(U ns . cos 2 ns t  U th . cos 2 th t ) 2 2    a 2 .U ns .U th .[cos( ns   th )t  cos( ns   th )t ]  ...  (5-39) Vậy tín hiệu ra gồm có tín hiệu một chiều, thành phần cơ bản  ns ,  th , các thành phần tần số tổng và hiệu  ns   th , thành phần bậc cao 2 ns ,2 th . Ngoài ra trong biểu thức (5-39) còn có các thành phần bậc cao: 104    n ns  m th trong đó n, m là những số nguyên dương. Nếu trên đầu ra bộ trộn tần lấy tín hiệu có tần số    ns   th , nghĩa là chọn n  m  1 thì ta có trộn tần đơn giản. Nếu chọn m > 1, n > 1 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 ftt  f ns  f th  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. 5.3.3. Mạch trộn tần 5.3.3.1. Mạch trộn tần dùng điốt U th PT IT 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 5-20. itt1 Utt U th U tt a itt2 b . U ns U ns Hình 5-20. Mạch trộn tần dùng điôt. Trong sơ đồ trộn tần đơn mạch tín hiệu, mạch ngoại sai và mạch trung trung tần mắc nối tiếp nhau. Có thể tính S tt , Gitt cho sơ đồ dựa vào đặc tuyến lý tưởng hoá của điốt biểu diễn trên hình 5-21. Theo đặc tuyến đó: Viết được biểu thức dòng điện qua điốt. S.U khi U  0 i khi U  0 0 105 S ở đây di 1   Gi du Ri 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  . Với điểm tĩnh chọn ở gốc toạ độ thì    (90 0 )  . 2 Theo Furiê khi đó ta tính được biên độ S sóng cơ bản là:  2.S S1   1  S S tt  .S1  2  Gitt  Gio  còn S 2 IT Để chống tạp âm ngoại sai, dùng sơ đồ trộn tần vòng (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:  uthD1  U th .cos th t  uthD 2  U th .cos(th t   ) PT i S i S 0 0 0 U S /2 nst Uns  Hình 5-21. Đặc tuyến volt - ampe của điôt và quan hệ S  f ( ns t ) nst và unsD1  unsD 2  uns . Do đó dòng điện trung tần qua các điôt do U th tạo ra: 106  itt1  I tt1.cos(ns  th )t   itt 2   Itt 2 .cos[(ns  th )t   ]  I tt 2 .cos(ns  th )t trong đó     Itt1  Itt 2  I tt  S tt .U th Trên mạch cộng hưởng ra ta nhận được: itt  itt1  itt 2  2.I tt .cos tt t 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. 5.3.3.2. Mạch trộn tần dùng transistor IT Ưu điểm của mạch trộn tần kiểu này là ngoài nhiệm vụ trộn tần còn khuếch đại nên tín hiệu ra có biên độ lớn. Có thể dùng transistor trường hay transistor 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. PT Mạch trộn tần dùng transistor lưỡng cực hình 5-22. +EC R1 C2 Utt C1 Uth R2 R3 C3 Uns Hình 5-22. Mạch trộn tần dùng transistor. Mạch trộn tần dùng transistor trường cũng có kết cấu tương tự. Mạch dùng transistor trường có hai cực cửa như hình 5-23. 107 +EC Utt C3 C1 Uns C2 R1 Uth R2 R3 C4 Hình 5-23. Mạch trộn tần dùng transistor trường có hai cực cửa. 5.4. Mạch nhân chia tấn số IT 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. UV fV PT Nguyên lý làm việc của PLL được chỉ ra ở hình 5-24. 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 hoặc 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 fr của tín hiệu so sánh bám theo tần số fv của tín hiệu vào,cho đến khi tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số của tín hiệu ra ( fr = fv ). Ud = KdUVUr (fV- fr) (fV+ fr) LTT và KĐ VCO Ur fr Tín hiệu so sánh Ur ('r= r/n Hình 5-24. Sơ đồ khối vòng giữ pha. Để có tín hiệu điều chỉnh Ud (hoặc id) tỷ lệ với hiệu pha  = v -  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 fr = fv. 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. 108 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 hiệu vào thì tín hiệu hiệu chỉnh Ud = 0, và tín hiệu ra của bộ tách sóng pha là tích Uv0.Ur. Mạch VCO dao động tại tần số dao động riêng f0 của nó. f0 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 Ud 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 Ud = K.Uv.Ur nên trong tín hiệu ra bộ tách sóng pha có các thành phần tần số fv - fr và fv+ fr. 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 fv - fr tiến tới không, nghĩa là fv = fr. IT Nếu tần số tín hiệu vào và tín hiệu so sánh lệch nhau quá nhiều làm cho tần số tổng và tần số hiệu đều nằm ngoài khu vực thông của bộ lọc thì không có tín hiệu điều khiển VCO dao động tại f0. Khi f0 và fr xích lại gần nhau sao cho thành phần fv - fr rơi vào khu vực thông của bộ lọc thì VCO bắt đầu nhận tín hiệu điều khiển để thay đổi tần số dao động của nó, PLL bắt đầu hoạt động, ta nói PLL làm việc trong "dải bắt". Dải bắt của PLL phụ thuộc vào giải thông của bộ lọc. "Dải giữ" của PLL là giải tần số mà PLL có thể giữ được chế độ đồng bộ khi thay đổi tần số tín hiệu vào. Dải giữ không phụ thuộc vào giải thông của bộ lọc mà phụ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển Ud và vào khả năng biến đổi tần số của VCO. PT Vòng giữ pha đã có nhiều năm nay nhưng gần đây được ứng dụng rộng rãi nhờ sự ra đời của vi mạch PLL làm giảm nhẹ được kết cấu quá phức tạp của mạch. Một trong các ứng dụng quan trọng của PLL là nhân tần và chia tần. Mạch nhân tần với hệ số nhân n như ở hình 5-25. Từ một tín hiệu vào là một dây xung có tần số cơ bản là fv và các bài bậc cao nfv và cho tần số VCO bám theo một hài bậc cao nào đó của fv thì đầu ra nhận được tín hiệu có fr = nfv. Mạch tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn ở hình 5-26. . Tần số chuẩn fV TSP LTT và KĐ VCO Tần số ra fr = nfv CT n:1 Hình 5-25. Mạch nhân tần với hệ số n nguyên 109 Ở đây tần số của tín hiệu vào trước khi vào bộ tách sóng pha được đưa qua mạch chia tần với hệ số chia m, đầu ra mạch chia có tần số fv/m. Đầu ra của mạch VCO có tần số fr = n/m fv. với độ ổn định và độ chính xác như của tần số tín hiệu vào. PLL CT1 1:m fv/m TSP LTT và KĐ n. f v m VCO fr n CT2 n:1 IT Hình 5-26. Mạch tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số vào PT fv fr  110 CHƯƠNG 6 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ VÀ SỐ - TƯƠNG TỰ 6.1. Khái niệm và các tham số cơ bản 6.1.1. Khái niệm chung Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự - số (viết tắt là A/D) để biến đổi tín hiệu tương tự sang dạng số hoặc dùng mạch chuyển đổi số - tương tự (D/A) trong trường hợp cần thiết biến đổi tín hiệu số sang dạng tương tự. Quá trình biến đổi một tín hiệu tương tự sang dạng số được minh hoạ bởi đặc tuyến truyền đạt trên hình 6-1. UD 111 110 UQ IT 101 100 011 Q 010 001 PT 000 0 1 2 ULSB 3 4 5 6 7 (UAmax) UA Hình 6-1. Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số. Tín hiệu tương tự UA được chuyển thành một tín hiệu có dạng bậc thang đều. Với đặc tuyến truyền đạt như vậy, một phạm vi giá trị của UA được biểu diễn một giá trị đại diện số thích hợp. Các giá trị đại diện số là các giá trị rời rạc. Cách biểu diễn phổ biến nhất là dùng mã nhị phân (hệ cơ số 2) để biểu diễn tín hiệu số. Tổng quát, gọi tín hiệu tương tự là SA (UA), tín hiệu số là SD(UD) thì SD được biểu diễn dưới dạng của nhị phân là: S D  b n 1 .2 n 1  b n  2 .2 n  2  ...  b 0 .2 0 (6-1) trong đó các hệ số b k = 0 hoặc 1 (với k = 0 đến k = n-1) và được gọi là bit. b n-1 được gọi là bit có nghĩa lớn nhất (MSB) tương ứng với cột đứng đầu bên trái của dãy mã số. Muốn biến đổi giá trị của MSB ứng với sự biến đổi của tín hiệu của giải làm việc. b 0 gọi là bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB) ứng với cột đứng đầu bên phải của dãy mã số. Mỗi biến đổi của tín hiệu là một mức lượng tử (một nấc của hình bậc thang). 111 Với một mạch biến đổi có N bit tức là có N số hạng trong từ mã nhị phân thì một nấc trên hình bậc thang chiếm một giá trị. Q  U LSB  U A max 2N  1 (6-2) trong đó U A max là giá trị cực đại cho phép tương ứng của điện áp tương tự ở đầu vào bộ A/D. Giá trị U LSB hay Q gọi là mức lượng tử. Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc nên trong quá trình chuyển đổi A/D xuất hiện một sai số gọi là sai số lượng tử hoá, được xác định như sau: 1 U Q  .Q 2 (6-3) Khi chuyển đổi A/D phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm bảo khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực tần số lấy mẫu phải thoả mãn điều kiện sau: f M  2. f th max  2.B fthmax là tần số cực đại của tín hiệu. IT trong đó: (6-4) B là giải tần số của tín hiệu. Theo định lý lấy mẫu, nếu điều kiện (6-4) thoả mãn thì không có sự trung lặp giữa phổ cơ bản và các thành phần phổ khác sinh ra do quá trình lấy mẫu. PT 6.1.2. Các tham số cơ bản 6.1.2.1. Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi A/D thực hiện được. Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ 0 đến giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính từ -UAm đến +UAm. 6.1.2.2. Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của bộ A/D là độ phân biệt. Ta biết rằng đầu ra của bộ A/D là các giá trị số sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào, cho biết mức chính xác của phép biến đổi. Ví dụ: 1 bộ A/D có số bit đầu ra N = 12 có thể phân biệt được 2 12 = 4096 mức trong giải biến đổi điện áp của nó. Độ phân biệt của bộ A/D được ký hiệu là Q và được xác định theo biểu thức (6-2). Q chính là giá trị của một mức lượng tử hoá hoặc còn gọi là 1 LSB. Trong thực tế thường dùng số bit N để đặc trưng cho độ chính xác, lúc đó phải hiểu ngầm rằng giải biên độ điện áp vào coi như không đổi. Đường đặc tuyến truyền đạt lý tưởng của bộ A/D là 1 đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đường đặc tuyến thực có sai số lệch không, sai số khuyếch đại của méo phi tuyến và sai số đơn điệu, biểu diễn trên hình 6-2. 112 UD Lý tưởng Thực 111 110 101 Méo phi tuyến 100 011 Sai số khuyếch đại 010 Sai số đơn điệu 001 UA 000 1/2 LSB Sai số lệch không IT Hình 6-2. Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực của mạch chuyển đổi A/D Cần chú ý rằng bộ A/D làm việc lý tưởng vẫn tồn tại sai số. Đó là sai số lượng tử hoá, được xác định theo biểu thức (6-3). Vì vậy sai số lượng tử còn gọi là sai số lý tưởng hoặc sai số hệ thống của bộ A/D. 6.1.2.3. Tốc độ chuyển đổi PT Tốc độ chuyển đổi cho biết kết quả chuyển đổi trong một giây được gọi là tần số chuyển đổi fC. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi. 1 1 . Thường f C  . TC là thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi. Chú ý rằng f C  TC TC Khi bộ chuyển A/D có tốc độ cao thì độ chính xác giảm hoặc ngược lại, nghĩa là tộc độ chuyển đổi và độ chính xác mâu thuẫn với nhau. Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà dung hoà giữa các yêu cầu đó một cách hợp lý. 6.1.3. Nguyên tắc làm việc của A/D Nguyên lý làm việc của bộ A/D được minh hoạ trên sơ đồ khối hình 6-3. Trước hết tín hiệu tương tự UA được đưa đến một mạch lấy mẫu, mạch này có 2 nhiệm vụ: A/D UA Mạch lấy mẫu UD UM Lượng tử hoá Mã hoá Hình 6-3. Sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của bộ A/D 113 - Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian). - Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. UA t UMt0 t0 t1 t2 IT UM t3 t4 t5 t6 t7 t8 t  PT Hình 6-4. Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra mạch lấy mẫu Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hoá để làm tròn với độ chính xác Q . Mạch lượng tử hoá có nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Nhờ quá trình 2 lượng tử hoá một tín hiệu tương tự bất kỳ được biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lượng tử, nghĩa là: ZDi = Phần nguyên Trong đó: X Ai X Ai X Ai   Q Q Q (6-5) XAi: là tín hiệu tương tự ở thời điểm i ZDi: tín hiệu số ở thời điểm i Q: Mức lượng tử Xi: Số dư trong phép lượng tử hoá Trong phép chia theo biểu thức (6-5) chỉ lấy phần nguyên của kết quả, phần dư còn lại (không chia hết cho Q) chính là sai số lượng tử hoá. Như vậy, quá trình lượng tử hoá thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hoá thực hiện theo nguyên tắc so sánh. Tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn Q. 114 Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi. Trong nhiều loại mạch A/D quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, không thể tách rời hai quá trình đó. Phép lượng tử hoá và phép mã hoá được gọi chung là mạch chuyển đổi A/D 6.2. Các phương pháp chuyển đổi tương tự số 6.2.1. Phân loại Có nhiều phương pháp chuyển đổi A/D, người ta phân ra bốn phương pháp biến đổi sau: - Biến đổi song song Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu được so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. - Biến đổi nối tiếp theo mã đếm IT Ở đây quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi. - Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân PT Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có nghĩa lớn nhất (MSB) đến bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB) - Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này, qua mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. 6.2.2. Một số mạch chuyển đổi tương tự - số 6.2.2.1. Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song Sơ đồ của phương pháp này như ở hình 6-5. Tín hiệu tương tự UA được đồng thời đưa đến các bộ so sánh S1  Sm. Điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 của bộ so sánh qua thang điện trở R. Do các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở, có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Tất cả các đầu ra được nối đến mạch "Và", một đầu mạch "Và" nối tới mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đưa tới đầu vào "Và" thì các xung đầu ra bộ so sánh mới đưa ra mạch nhớ FF (Flip-Flop). Như vậy cứ sau 1 thời gian bằng 1 chu kỳ xung nhịp lại có 1 tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra. Xung nhịp bảo đảm cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ. Bộ mã hoá có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. 115 +Uch _ UA S1 FF + R _ S2 R UD FF + _ S4 FF + R Mã hoá _ Sm FF + R 2 Nhịp IT Hình 6-5. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi A/D theo phương pháp song song Mạch này có ưu điểm là tốc độ biến đổi nhanh, vì quá trình so sánh thực hiện song song. Nhưng nhược điểm là kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn. Với bộ chuyển đổi N bit, để phân biệt được 2 N mức lượng tử hoá, phải dùng ( 2 N  1 ) bộ so sánh. Vì vậy phương pháp này chỉ dùng trong các bộ A/D yêu cầu số bít nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao. PT 6.2.2.2. Chuyển đổi AD nối tiếp theo mã nhị phân Mạch hình 6-6 có số tầng bằng số bit của tín hiệu số, mỗi tầng cho một bit. Giả sử tín hiệu tương tự vào có dải điện áp từ 0  UAmax. Chia dải này thành hai phần bằng nhau. Tín U U hiệu tương tự cần chuyển đổi UA1 được so sánh với mức Uch1 = Amax . Nếu UA1 < Amax thì 2 2 U B1 = 0, ngược lại nếu UA1  A max thì B1 = 1. Bộ chuyển đổi DA sẽ cho ra điện áp tương tự, 2 U nếu B1 = 0 nó sẽ cho U’ A1 = 0, nếu B1 = 1 nó sẽ cho U’A1 = Amax . Mạch hiệu sẽ cho hiệu 2 ’ điện áp giữa UA1 và U A1 là UA2, đây là giá trị dư ra khi đã cho bit thứ nhất. Giá trị điện áp dư này sẽ được đưa vào tầng tiếp theo. Quá trình lặp lại như bước 1 nhưng điện áp dư được so U ánh với mức Uch2 = Amax . Quá trình lặp lại cho các tầng sau với điện áp chuẩn giảm dần, 4 U điện áp so sánh của tầng N là UchN = Amax . 2N Để giảm số nguồn điện áp chuẩn thay cho việc chia 2 liên tục Uch ta nhân 2 liên tục điện áp dư sau mỗi tầng. 116 B1 B2 UA1 AD 1 bit U’A1 DA 1 bit UA2 AD 1 bit DA 1 bit Mạch hiệu U’A2 Mạch nhân Mạch hiệu Mạch hiệu Hình 6-6. Chuyển đổi AD nối tiếp theo mã nhị phân 6.2.2.3. Chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp KĐ Uh UM +A SS Logic IT + Nhịp -A PT Đếm U’M Đảo UD DAC Hình 6-7. Sơ đồ khối A/D nối tiếp dùng vòng hồi tiếp Điện áp tương tự UM được so sánh với một giá trị ước lượng cho trước U’M. Khi: UM > U’M thì Uh > 0; UM < U’M thì Uh < 0; Trong đó Uh là điện áp sai số giữa UM và U’M . Điện áp hiệu dụng Uh được khuyếch đại rồi đưa đến mạch so sánh SS. Nếu Uh > 0 thì đầu ra SS có +A = 1. Nếu Uh < 0 thì đầu ra SS có –A = 1 Kết quả so sánh được đưa vào một mạch logic đồng thời với tín hiệu nhịp. Tuỳ thuộc vào tín hiệu ra SS, tại những thời điểm có xung nhịp mạch logic sẽ điều khiển bộ đếm sao cho ứng với +A thì bộ đếm sẽ đếm thuận và -A thì bộ đếm sẽ đếm ngược. Nếu bộ đếm được kết cấu theo quy luật mã nhị phân thì trên đầu ra A/D sẽ có tín hiệu số dưới dạng mã đó. Tín hiệu đi được một vòng ứng với một chu kỳ của xung nhịp. 117 Tín hiệu số xác định được trong bước so sánh thứ nhất qua D/A sẽ dẫn ra được giá trị ước lượng mới để so sánh với UM trong bước tiếp theo. Quá trình này được lặp lại cho đến khi Q | U h | ; lúc đó +A = -A = 0, do đó mạch đếm giữ nguyên trạng thái và ta nhận được kết 2 quả chuyển đổi chính xác của UM với N bit yêu cầu. So sánh với các phương pháp đã xét, ở đây mạch đơn giản, các linh kiện sử dụng lặp lại nhiều lần. Mạch làm việc với tốc độ không cao lắm nhưng chính xác. 6.2.2.4. Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản Hình 6-8 biểu diễn sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của mạch. Hình 6-9 là đồ thị thời gian điện áp ra của các khối hình 6-8. SS1 UA UC USS1 Tạo điện áp răng cưa + - SS2 UG IT + - USS2 Đếm Mã hóa UD Tạo nhịp PT Hình 6-8. Sơ đồ nguyên tắc của A/D làm việc theo phương pháp đếm đơn giản Điện áp vào UA được so sánh với điện áp chuẩn dạng răng cưa UC nhờ bộ so sánh SS1. Khi UA> UC thì SS1 = 1, khi UA < UC thì SS1 = 0. Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng cưa với mức 0V (đất). USS1 và USS2 được đưa đến một mạch "Và". Xung ra UG có độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện áp vào tương tự UA, với giả thiết xung chuẩn dạng răng cưa có độ dốc không đổi. Mạch "Và" thứ 2 chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại UG, nghĩa là trong khoảng thời gian 0 < UC < UA. Mạch đếm đầu ra sẽ đếm số xung nhịp đó. Đương nhiên, số xung này tỷ lệ với độ lớn của UA. Bộ tạo xung răng cưa là một bộ tích phân ta đã nghiên cứu ở chương 4. Sơ đồ nguyên lý trên hình 6-10. Dùng điện áp chuẩn một chiều Uch để nạp cho tụ C thông qua điện trở R, ta có điện áp ra: UC  U 1 U ch dt  ch .t  RC RC 0 t Giả sử tại t = tm thì UC = UA, ta có: 118 UA  tM  U ch t M , do đó RC UA .RC U ch Số xung nhịp đếm được trong thời gian tM gọi là Z Z = fn.tM, với fn là tần số xung nhịp, hay: Z  fn . UA .RC U ch (6-6) UC U UA t 0 USS2 IT Hình 6-9. Đồ thị thời gian điện áp ra các khối của hình 6-8. tM t 0 USS1 t PT 0 UG t C R Uch _ + UC Hình 6-10. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa Theo (6-6) ta thấy rằng Z tỷ lệ với UA như mong muốn, nhưng Z còn phụ thuộc vào R, C và fn. Nếu những tham số này không ổn định thì kết quả đếm có sai số. Ngoài ra, trong phương pháp này yêu cầu fn phải đủ lớn để đạt được độ chính xác cần thiết. 119 6.2.2.5. Chuyển đổi A/ D theo phương pháp tích phân hai sườn dốc Mạch điện ở hình 6-11 minh hoạ nguyên tắc làm việc của bộ A/D theo phương pháp tích phân hai sườn dốc. Khi mạch logic điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì UA nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R. Trên đầu ra mạch tích phân A1 có điện áp: 1 1 U 'C  U A dt  U A .t  RC 0 RC t (6-7) Giả thiết thời gian nạp cho tụ là t1, ta có điện áp hạ trên tụ sau thời gian t1 là U ' Ct  1 UA .t1 RC (6-8) IT U'Ct1 tỷ lệ với UA Tuỳ theo UA lớn hay bé mà điện áp U'C(t) có độ dốc khác nhau như trên hình 6-12. Trong thời gian t1, bộ đếm Z0 cũng đếm các xung nhịp. Hết thời gian t1 khoá K được mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch "Và" làm cho mạch "Và" thông đối với xung nhịp. Tại thời điểm này mạch đếm ở đầu ra bắt đầu đếm, đồng thời mạch đếm Z0 được mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ. C R UA _ 2 + A1 Uch Mạch logic S UC PT K 1 + A2 Đếm UD Đếm Z0 Nhịp Hình 6-11. Sơ đồ nguyên lý của bộ A/D làm việc theo phương pháp tích phân hai sườn dốc Khi khoá K ở vị trí 2, điện áp Uch bắt đầu nạp cho tụ C theo chiều ngược lại, phương trình nạp là: U C''   U ch .t RC (6-9) Sau một khoảng thời gian t2 thì: U Ct'' 2   U ch .t 2 RC (6-10) 120 UC U'C1 U' C1 t UA 0 t1 t'2 t2 Hình 6-12. Đồ thị thời gian điện áp ra trên mạch tích phân Giả thiết sau thời gian t2 thì | U 'C' || U 'C | , nghĩa là điện áp trên tụ C bằng 0. Theo (6-8) và (6-10) ta có: UA U t1  ch t 2 RC RC t2  UA t1 U ch IT hay: (6-11) Mặt khác, có thể xác định được số xung đưa đến mạch đếm Z0 trong khoảng thời gian t1 là: PT Z0 = fn.t1 trong đó: (6-12) fn là tần số dãy xung nhịp. Từ (6-12) suy ra: t1  Z0 fn (6-13) Thay (6-13) vào (6-11) xác định được: t2  U A Z0 . U ch f n (6-14) Do đó số xung nhịp đếm được nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng thời gian t2 là: Z  t 2 .f n  UA .Z 0 U ch (6-15) Sau thời gian t2 mạch đếm ra bị ngắt, vì UC = 0 và mạch logic đóng cổng "Và". Quá trình đó được lặp lại trong chu kỳ chuyển đổi tiếp theo. Theo (6-15) ta thấy số xung đếm được ở đầu ra tỷ lệ với điện áp tương tự UA cần chuyển đổi. ở đây kết quả đếm không phụ thuộc vào các thông số RC của mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số xung nhịp fn, như trong phương pháp đếm đơn giản. Nhờ vậy kết quả chuyển đổi khá chính xác và không cần chọn tần số xung nhịp fn cao. Tuy nhiên tần số xung nhịp phải có độ ổn định cao sao cho trị số của nó trong khoảng thời gian t1 và t2 như nhau để phép giản ước trong biểu thức (6-15) không gây sai số. 121 Trong phương pháp đếm đơn giản và phương pháp tích phân hai sườn dốc, ta đã làm cho điện áp UA tỷ lệ với thời gian t1 và t2 rồi đếm số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời gian đó. Vì vậy các phương pháp này còn có tên gọi chung là phương pháp gián tiếp thông qua thông số thời gian. 6.2.2.6. Chuyển đổi A/ D, D/A phi tuyến Ta biết rằng sai số tuyệt đối của bộ chuyển đổi A/D không đổi, còn sai số tương đối của nó tăng khi biên độ tín hiệu vào giảm. Trường hợp muốn cho sai số tương đối không đổi trong toàn giải biến đổi của điện áp vào thì đường đặc tính truyền đạt của bộ biến đổi phải có dạng loga (hình 6-13a), sao cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm thay đổi trong giải biến đổi của điện áp vào. Nhờ đó tiếng nói nhỏ không bị tạp âm lấn át và đó cũng là một cách làm cho quá trình lượng tử hoá thích ứng với đặc tính của tai người. Đó là đặc tính lấn át được tạp âm khi tín hiệu vào lớn. Ngoài ra, lượng tử hoá phi tuyến còn cho phép tăng dung lượng của kênh thoại do giảm được số bit với cùng chất lượng thông tin như nhau khi lượng tử hoá tuyến tính. UD IT UD UA 0 UA 0 PT a. b. Hình 6-13. Đặc tính biến đổi phi tuyến a. của bộ biến đổi A/D; b. của bộ biến đổi D/A Để có lại tín hiệu trung thực như ban đầu, bộ biến đổi ngược D/A theo phương pháp này có cấu tạo sao cho đường đặc tính biến đổi ngược của nó có dạng hàm số mũ (hình 6-13b). Đặc trưng biến đổi A/D thường dùng hàm số: trong đó: y ln(1  x) ln(1   ) x UD UA ;y  U D max U Amax (6-16) Theo (6-16) y = 0 khi x = 0 và y = 1 khi x = 1. Độ dốc y' tại x = 0: y' | x  0   ln(1   ) Hình 6-14 biểu diễn hàm số này với  = 100. So sánh với đường đặc tính y = x thì đường cong có độ dốc gấp đôi tại gốc toạ độ. Do đó với tín hiệu bé, đường đặc tính 122 có bậc "thang" biến đổi dày hơn. Tương ứng tỷ số tín hiệu trên tạp âm tính được là 6dB. Nếu đường đặc tính có độ dốc tại gốc tạo độ y'' = 21,7 thì tỷ số S/N = 26,7 dB Thực tế rất khó tăng hệ số , vì đường đặc tính cáng cong thì việc thực hiện hai đường cong biến đổi A/D và D/A có dạng như nhau, biến đổi ngược nhau và có độ dốc phù hợp rất phức tạp. Trong thực tế để đơn giản ta chia đường đặc tính truyền đạt thành 2 đoạn có độ dốc Ax 1 và với tín hiệu lớn dùng hàm khác nhau: với tín hiệu bé ( x  ) dùng hàm số y1  A 1  ln A 1  ln A X . số: y 2  y 1  ln A 1,0 0,9 Hình 6-14. Đường cong ln(1  x ) với  =100. y ln(1  ) 0,8 y 0,7 ln(1  .x ) ln(1  ) 0,6 0,5 IT 0,4 0,3 0,2 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x PT 0 Số séc măng Theo nguyên tắc đó, người ta thực hiện đường đặt tính gồm 13 séc măng: 6 sec măng ứng với x > 0; 6 séc măng ứng với x < 0 và séc măng thứ 13 đi qua gốc toạ độ. Các séc măng kề nhau có độ dốc hơn kém nhau hai lần. 8 7 6 5 4 3 2 Số mức 1 0 2 4 8 16 32 64 128 Hình 6-15. Đặc tính truyền đạt của bộ chuyển đổi D/A phi tuyến dùng trong thực tế Bằng cách có thể chế tạo một bộ chuyển đổi A/D- 4 bit, trong đó 1 bit dùng để chỉ thị cực tính của điện áp vào, và 3 bit để biểu diễn một tín hiệu có giải biến đổi điện áp vào lớn 123 gấp 256 lần séc măng nhỏ nhất, nghĩa là so với lượng tử hoá tuyến tính thì số bit giảm đi một nửa. Để truyền tín hiệu tiếng nói thường dùng mã 8 bít. Bằng cách chia mỗi sec măng ở trên thành 16 phần nhỏ sẽ thu được mã 8 bít mong muốn. 6.3. Các phương pháp chuyển đổi số tương tự Chuyển đổi số-tương tự (D/A) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bít) đã biết của tín hiệu số, với độ chính xác là một mức lượng tử từ 1 LSB. Chuyển đổi D/A không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi A/D, vì không thể thực hiện phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hóa. Để lấy lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số, dùng sơ đồ nguyên tắc trên hình 6-16. UD IT Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số- tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự đã lấy mẫu được. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian như trên hình 6-17. Tín hiệu này được đưa qua một bộ lọc thông thấp lý tưởng. Đầu ra bộ lọc được tín hiệu UA biến đổi liên tục theo thời gian, đó là tín hiệu nội quy của UM. D/A UM LTT UA PT Hình 6-16. Sơ đồ khối nguyên tắc biến đổi tìm lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số UM UA t 0 Hình 6-17. Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A 6.3.1. Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở Sơ đồ hình 6-18 minh họa nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở. Đầu vào bộ khuyếch đại thuật toán là một thang điện trở. Mà trị số của chúng phân bố theo mã nhị phân, các điện trở lân cận nhau hơn kém nhau 2 lần. Tín hiệu điều khiển là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bít có nghĩa nhỏ nhất (LSB) được đưa đến điều khiển khóa nối với điện trở lớn nhất R, bit có nghĩa lớn hơn tiếp đó được đưa đến điều khiển khóa nối với 124 điện trở nhỏ hơn R/2... và MSB điều khiển khóa nối với điện trở nhỏ nhất ( RN -1 ). Nếu một bít 2 có giá trị "0" thì khóa tương ứng nối đất và nếu một bít có giá trị "1" thì khóa K tương ứng nối với nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên một dòng điện tỷ lệ nghịch với trị số điện trở của nhánh đó, nghĩa là Io có giá trị bé nhất, IN-1 có giá trị lớn nhất. Dòng sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến đầu vào bộ khuyếch đại, đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán có điện áp: U M  R ht  I n N 1 (6-17) n0 Rht 20 I0 R 21 2N-1 I1 R 2 IN-1 R 2 N 1 _ + UM IT K PT = Uch Tín hiệu điều khiển Hình 6-18. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở Chuyển đổi D/A theo phương pháp này yêu cầu trị số của các điện trở phải rất chính xác. Ví dụ điện trở nhỏ nhất R 2 N -1 phải chính xác đến mức sai số dòng điện qua đó không vượt quá 1 LSB, với N=16 thì sai số này khoảng 0,5%. 6.3.2 Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp này như ở hình 6-19. ở đây các nguồn dòng được tạo ra bởi nguồn điện áp chuẩn Uch. Dòng điện của chúng bằng nhau và bằng Io. Tín hiệu cần chuyển đổi được đưa đến chuyển mạch K. Khi một bít nào đó của tín hiệu điều khiển là "0" thì Io tương ứng với bít đó bị ngắn mạch qua khóa xuống đất. Ngược lại, nếu tín hiệu điều khiển là "1" thì Io ứng với bít đó được dẫn tới đầu vào bộ khuyếch đại qua mạng điện trở. Trong sơ đồ này mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng. Vì điện trở nhánh ngang bằng một nửa điện trở nhánh dọc, nên dòng đi qua mỗi khâu điện trở thì giảm đi một nửa. Dòng điện ứng với LSB đi qua N-1 khâu điện trở, dòng điện ứng với bit có nghĩa lớn hơn đi qua 125 N-2 khâu.....và dòng ứng với MSB được đưa trực tiếp đến đầu bộ khuyếch đại. Kết quả là các dòng điện ở cửa vào bộ khuyếch đại có trị số tương ứng với bit mà nó đại diện. Chúng có trị số giảm dần từ MSB đến LSB theo mã nhị phân. Điện trở ở nhánh ngang cuối cùng có giá trị I số là 2R bằng điện trở nhánh dọc để đảm bảo sự phân dòng cho i N  2  0 ở khâu cuối cùng 2 cũng giống như các khâu trước. I0 . . . I0 I0 I0 Tín hiệu K điều khiển iN-1 i0 _ R 2R 2R 2R + UM IT 2R iN-2 i1 R Rht PT Hình 6-19. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp mạng điện trở Trong sơ đồ này số điện trở phải dùng khá lớn. Nếu phải chuyển đổi N bit thì số điện trở phải dùng là 2(N-1), trong khi theo phương pháp thang điện trở chỉ phải dùng N điện trở mà thôi. 126 CHƯƠNG 7 MẠCH CUNG CẤP NGUỒN MỘT CHIỀU 7.1. Khái niệm chung Mạch nguồn cung cấp có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch điện và thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng một chiều của nó được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua quá trình biến đổi thực hiện trong bộ nguồn một chiều. Hình 7-1 biểu diễn sơ đồ khối của một bộ nguồn một chiều hoàn chỉnh với chức năng các khối như sau: Hình 7-1. Sơ đồ khối của một bộ nguồn một chiều IT - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U1 không cần biến áp. - Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng U3. Sự không bằng phẳng này phụ thuộc cụ thể vào từng dạng mạch chỉnh lưu. PT - Mạch lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U3 thành điện áp một chiều U4 ít nhấp nhô hơn. - Mạch ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra của nó U5 (It). Khi U4 thay đổi theo sự mất ổn định của U1 hay It. Trong những trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần mạch ổn áp hay ổn dòng một chiều. 7.2. Biến áp nguồn và mạch chỉnh lưu Biến áp nguồn có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều đặt vào cuộn sơ cấp thành điện áp xoay chiều theo yêu cầu trên cuộn thứ cấp. Đa số các biến áp dùng trong thiết bị điện tử là biến thế hạ áp. U1 U2 Hình 7- 2. Biến áp nguồn. Các thông số phía sơ cấp thường có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp W1 điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng, công suất hiệu dụng sơ cấp U1, I1, P1. Các thông số cuộn thứ cấp ghi chỉ số 2: W2, U2, I2 ,P2. Ngoài ra còn có các đại lượng định mức của biến áp: điện áp định mức: U1dm, U2dm, dòng định mức I1dm, I2dm, công suất định mức Pdm. 127 Nếu bỏ qua tổn hao do điện trở dây cuốn và từ thông tổn hao thì hệ số biến áp n được tính: n = U2/ U1 = W2/ W1 (7-1) 7.2.1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ U2 D ^ U2 U1 Rt U2 Hình 7-3. Mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ t URt Hình 7-3 là mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ. t IT Giả sử nửa chu kỳ đầu U2 dương, điốt D phân cực thuận, D thông nên có dòng qua điốt, qua Rt khép kín mạch. Hình 7-4. Dạng điện áp trước và sau nắn một nửa chu kỳ PT Nửa chu kỳ âm của U2 điốt D phân cực ngược nên khoá, không có dòng qua tải. Như vậy trên tải chỉ có dòng với nửa chu kỳ dương. Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn thứ cấp và sụt áp trên điốt thì dạng sóng điện áp trên tải như hình 7-4. 7.2.2. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 7.2.2.1. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng biến áp thứ cấp có điểm giữa D1 U2 U21 U21 U22 Rt U1 U22 t D2 Hình 7-5. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ hình 7-5, là trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải. Điện áp vào và điện áp ra được mô tả trên đồ thị hình 7-6. URt t Hình 7-6. Dạng điện áp vào, ra 128 7.2.2.2. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng mạch chỉnh lưu cầu U2 U1 U2 U2 Rt t Hình 7-7. Mạch chỉnh lưu cầu URt Giống như mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa, mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng mạch cầu điốt (hình 7-7) cũng có dòng trên tải liên tục trong hai nửa chu kỳ điện áp vào. Điện áp ra được minh họa trên đồ thị hình 7-8. Hình 7-8. Dạng điện áp vào, ra IT 7.2.2.3. Mạch chỉnh lưu bội áp t Mạch chỉnh lưu bội áp thường được sử dụng khi yêu cầu điện áp ra lớn nhưng dòng nhỏ. Mạch nhân đôi điện áp như hình 7-9. Nếu hở tải ta có: U r  2U 2 . PT ^ (7-2) ^ Giả sử nửa chu kỳ dương D1 thông C1 nạp đầy tới giá trị U 2 , nửa chu kỳ âm D2 thông C2 được nạp đầy tới giá trị U 2 như vậy khi hở tải sẽ có điện áp U r  U C1  U C 2  2 U 2 . ^ ^ Mạch nhân điện áp có n tầng như hình 7-10. ^ Giả sử nửa chu kỳ âm D1 thông C1 nạp đầy tới giá trị U 2 , nửa chu kỳ dương D2 thông C2 ^ ^ được nạp đầy với giá trị UC2 = UC1 + U 2 = 2 U 2 , như vậy nếu có n tầng và hở tải thì điện áp ra ^ sẽ bằng n U 2 . + D1 U2 C1 Ur Rt + U1 D2 C2 Hình 7-9. Mạch nhân đôi điện áp 129 Cn-1 C1 + U1 + D1 U2 D2 U2 Cn+1 C2 + + Ur Hình 7-10. Mạch nhân điện áp có n tầng 7.3. Bộ lọc nguồn Đầu ra của bộ chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều, tuy nhiên điện áp này không ổn định do nó còn các thành phần xoay chiều. Vì vậy để có điện áp một chiều ổn định hơn phải cho qua bộ lọc, để lọc bỏ thành phần xoay chiều. IT Tín hiệu sau khi qua bộ lọc gồm thành phần một chiều có giá trị UDC và thành phần thay đổi có giá trị Urms , thành phần thay đổi này có giá trị nhỏ. Ta xác định độ gợn sóng theo công thức: U rms .100% U DC PT r (7-3) Điện áp ra của nguồn khi không tải và khi có tải là khác nhau (khi có tải sẽ nhỏ hơn). Lượng chênh lệch này được gọi là hệ số ổn định điện áp Ur: U r  U kt  U ct .100% U ct (7-4) Hệ số này càng tiến tới gần không thì bộ nguồn càng lý tưởng. VD: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có điện áp ra như sau: U DC  0,318U 2 ^ U rms  0,385U 2 ^ Độ gợn sóng của mạch là: U 0, 385U 2 .100%  121% r  rms .100%  ^ U DC 0, 318U 2 ^ Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điện áp ra như sau: 130 U DC  0, 636 U 2 ^ U rms  0,308 U 2 ^ Độ gợn sóng của mạch là: U 0,608 U 2 r  rms .100%  .100%  48% ^ U DC U 0, 636 ^ 2 7.3.1. Bộ lọc dùng tụ điện Mạch lọc thông dụng hiện nay là dùng tụ điện như hình 7-11. Tụ sẽ ngắn mạch thành phần xoay chiều làm độ gợn sóng trên tải ít nhỏ hơn nhưng vẫn còn nhấp nhô. UC D1 U U2 U2 D2 + U1 Rt IT C Hình 7-12. Dạng điện áp ra khi có tụ lọc nguồn PT Hình 7-11. Mạch chỉnh lưu có tụ lọc nguồn Đường nét đứt trên hình 7-12 là điện áp sau chỉnh lưu khi chưa có tụ lọc nguồn, còn đường nét liền là khi có tụ lọc nguồn. Khi điện áp tăng tụ nạp, khi điện áp giảm tụ phóng qua Rt. Nếu Rt  thì UC sẽ luôn bằng U 2 . ^ Điện áp gợn sóng sau lọc được tính theo công thức: U rms  I DC 4 3. f .C (7-5) Điện áp UDC sau lọc được tính theo công thức: U DC  U 2  ^ Trong đó: ^ I DC 4. f .Rt .C U2( ) 4. f .C 4. f .Rt .C  1 (7-6) ^ U 2 - Biên độ điện áp sau chỉnh lưu. IDC – Dòng trên tải, đơn vị mA. C – Điện dung bộ lọc, đơn vị F. f – Tần số của mạng điện, đơn vị kHz. 7.3.2. Bộ lọc RC, LC Để giảm nhỏ độ gợn sóng, ở đầu ra bộ lọc tụ điện ta mắc thêm khâu lọc RC như hình 7-13. 131 D1 U2 D2 + U2 R + U1 C1 C2 Rt Hình 7-13. Mạch chỉnh lưu có khâu lọc RC ' Điện áp một chiều trước và sau điện trở R là U DC và U DC được tính như sau: '  U DC Rt .U DC R  Rt (7-7) IT Với mạch lọc RC, gợn sóng sau R là khá nhỏ, tuy nhiên mạch này chỉ dùng khi dòng tải nhỏ, khi dòng tải lớn công suất tổn hao trên R là lớn, để tránh điều này người ta thay điện trở R bằng cuộn cảm (hình 7-14). Điện trở thuần cuộn cảm là rất nhỏ nên tổn hao công suất trên nó là nhỏ, còn điện áp xoay chiều sẽ bị chặn lại không cho ra tải. D1 L U2 D2 PT + U2 + U1 C2 C1 Rt Hình 7-14. Mạch chỉnh lưu có khâu lọc LC 7.4. Mạch ổn áp Mạch ổn áp có nhiệm vụ ổn định điện áp ra khi điện lưới (U1) thay đổi hoặc khi tải (Rt) thay đổi. 7.4.1. Ổn áp dùng điốt Zener Sơ đồ mạch ổn áp dùng điốt Zener trên hình 7-15. Điốt zener khi được phân cực ngược và làm việc ở vùng đánh thủng đặc điểm là dòng ngược qua điốt thay đổi lớn nhưng điện áp ngược hai đầu điốt thay đổi rất ít. Nếu điốt có đặc tuyến ngược càng dốc hay đặc tuyến càng gần song song với trục tung thì độ ổn định điện áp càng tốt. R Uv Z Rt Hình 7-15. Sơ đồ mạch ổn áp dùng điốt Zener 132 IZ UZ UZMax UZMin UZ IZmin IZTB Vùng ổn áp IZMax Hình 7-16. Đặc tuyến V-A của điốt Zener Từ mạch điện ta có: U Rt  U Z  U V  R.( I Z  I Rt ) IT (7-8) Từ công thức trên ta thấy khi UV tăng hoặc giảm thì dòng qua điốt sẽ tăng hay giảm theo nên sụt áp trên R cũng tăng hoặc giảm làm cho điện áp ra ổn định. Để ổn định điện áp cân bằng về hai phía (tăng và giảm) ta phải chọn R sao cho điểm làm việc nằm giữa đặc tuyến vùng đánh thủng của điốt. PT 7.4.2. Ổn áp dùng transistor Có hai loại ổn áp dùng transistor là ổn áp nối tiếp và ổn áp song song. Ổn áp nối tiếp là transistor được mắc nối tiếp với tải, ổn áp song song là transistor được mắc song song với tải. 7.4.2.1. Ổn áp nối tiếp Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp hình 7-17. Chức năng các khối như sau: - Mạch lấy mẫu: Lấy mẫu điện áp ra. - Nguồn chuẩn: Là điện áp có giá trị chuẩn. - Mạch so sánh: So sánh điện áp lấy mẫu và điện áp chuẩn. - Khâu khuếch đại: Khuếch đại điện áp sai lệch giữa nguồn chuẩn và điện áp mẫu. UV PTHC Khuếch đại Hình 7-17. Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp Nguồn chuẩn Ur Tải Lấy mẫu So sánh 133 - PTHC: Là transistor công suất làm việc ở chế độ khuếch đại. Khi điện áp vào hay tải thay đổi, điện áp mẫu sẽ thay đổi do đó điện áp sai lệch do mạch so sánh đưa ra sẽ thay đổi làm cho transistor sẽ thông nhiều hay thông ít nên điện áp ra sẽ được ổn định. a. Ổn áp không có khâu khuếch đại Mạch ổn áp không có khâu khuếch đại hình 7-18, cho điện áp ra: Ur = UZ - UBE (7-9) Giả sử Ur tăng tức là UE tăng nên UBE giảm (do điện áp UB được giữ cố định bởi Z) làm cho transistor thông yếu hơn làm cho UR giảm, do đó Ur được duy trì ổn định. Ngược lại nếu Ur giảm tức là UE giảm nên UBE tăng (do điện áp UB được giữ cố định bởi Z) làm cho transistor thông mạnh hơn làm cho Ur tăng, do đó Ur được duy trì ổn định. T R Uv Ur Rt Z Hình 7-18. Ổn áp không có khuếch đại IT b. Ổn áp có khâu khuếch đại Ổn áp có khâu khuếch đại hình 7-19. T1 PT R R1 T2 Uv Z Ur R2 Hình 7-19. Ổn áp có khuếch đại Nguyên lý ổn áp như sau: Giả sử Ur tăng lên  UB2 tăng lên, do đó UBE2 = UB2 - UZ tăng lên  T2 thông mạnh hơn làm cho UCE2 giảm tức là UB1 giảm làm cho T1 giảm thông, do đó UR giảm xuống nên duy trì ổn định Ur. Nếu Ur giảm chúng ta giải thích ngược lại. Vì dòng IB2 nhỏ nên từ mạch điện ta có: Ur .R2  U BE 2  U Z R1  R2 R  R2  Ur  1 .(U BE 2  U Z ) R2 (7-10) 134 c. Mạch ổn áp với khâu khuếch đại dùng bộ KĐTT Hình 7-20 là mạch ổn áp dùng bộ KĐTT. Ta có thể tính điện áp ra theo công thức : Ur  ( R3  R2 ).U Z R3 (7-11) T R1 R2 Uv Ur Z R3 Hình 7-20. Mạch ổn áp dùng bộ KĐTT IT Giả sử Ur tăng làm cho điện áp tại cửa đảo của bộ KĐTT tăng theo nên điện áp ra sẽ giảm xuống, do đó duy trì ổn định điện áp ra. Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại. d. Mạch ổn áp có hạn chế dòng Để bảo vệ mạch ổn áp khi bị quá tải hoặc ngắn mạch ta dùng sơ đồ hình 7-21. PT Khi dòng tải tăng quá giới hạn thì sụt áp trên R4 tăng lên, làm cho T 2 thông, làm giảm dòng IB1 do đó giảm dòng qua T1 tránh quá dòng trên tải. T1 R4 R1 T2 R2 Ur Uv Z R3 Hình 7-21. Mạch ổn áp có hạn dòng 7.4.2.2. Ổn áp song song Hình 7-22 là sơ đồ khối mạch ổn áp song song. Các khối chức năng của nó cũng giống với sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp. Mạch ổn áp song song chỉ khác với mạch ổn áp nối tiếp ở chỗ phần tử hiệu chỉnh được mắc song song với tải, nó có tác dụng tăng hoặc giảm dòng khi điện áp vào tăng hoặc giảm do đó làm cho sụt áp trên R tăng hoặc giảm theo nên Ur được ổn định . 135 UV R Ur Lấy mẫu Rt PTHC Nguồn chuẩn Khuếch đại So sánh Hình 7-22. Sơ đồ khối mạch ổn áp song a. Ổn áp không có khâu khuếch đại Điện áp ra của mạch hình 7-23 được tính theo công thức : U r  U Z  U BE (7-12) IT Giả sử Ur tăng lên sẽ làm cho UBE = Ur - UZ tăng lên, do đó T sẽ thông mạnh hơn, dòng qua T sẽ tăng làm cho sụt áp trên R tăng, kéo Ur giảm xuống, nên UR được duy trì ổn định. Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại. R Z Uv T Ur PT Rt Hình 7-23. Ổn áp song song không có khuếch đại b. Ổn áp có khâu khuếch đại Điện áp ra của mạch điện hình 7-24 được tính theo công thức : U r  U Z  U BE1  U BE 2 (7-13) Giả sử Ur tăng lên sẽ làm cho UB2 tăng lên, do đó T2 sẽ thông mạnh hơn, dòng qua T2 sẽ tăngtức là dòng IB1 tăng, làm cho dòng qua T1 tăng, do đó sụt áp trên T tăng, kéo UR giảm xuống, nên Ur được duy trì ổn định. Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại. R1 T2 Z T1 Uv Rt Ur R2 Hình 7-24. Ổn áp song song có khuếch đại 136 c. Ổn áp với khâu khuếch đại dùng bộ KĐTT Hình 7-25 là ổn áp song song dùng bộ KĐTT. Điện áp UZ ổn định được so sánh với điện áp hồi tiếp từ bộ phân áp R3 và R4 để điều khiển transistor. Giả sử Ur tăng làm cho điện áp tại cửa thuận của bộ KĐTT tăng theo nên điện áp ra của bộ KĐTT tăng lên, do đó tranzito thông mạnh hơn làm cho sụt áp trên R2 tăng  Ur giảm xuống, do đó duy trì ổn định điện áp ra. Nếu Ur giảm ta giải thích ngược lại. R2 R1 R3 Ur Uv Z R4 IT Hình 7-25. Mạch ổn áp dùng bộ KĐTT 7.4.3. Ổn áp dùng IC PT Các mạch ổn áp nối tiếp hay song song hiện nay được tích hợp thành IC ổn áp, mặc dù cấu tạo bên trong IC có thể khác nhau nhưng tác dụng của chúng là như nhau. Điện áp ra ổn định có thể thay đổi được bằng cách nối thêm linh kiện bên ngoài. 7.4.3.1. IC ổn áp cố định Họ IC 78xx cung cấp điện áp ra từ +5V đến +24V. ký hiệu xx để chỉ điện áp ra. VD: 7805 cho điện áp ra là 5V; 7812 cho điện áp ra 12V. Họ IC 78xx cung cấp dòng cho tải tối đa là 1A. 78xx có 3 chân một chân vào, một chân ra và một chân nối đất (hình 7-26) + Uv + 78xx C1 C2 Ur Hình 7-26. Họ IC ổn áp 78xx Họ IC 79xx tương tự họ 78xx chỉ khác là nó cung cấp điện áp ra cố định từ -5V đến -24V. 137 Để tăng điện áp và dòng điện ra của họ IC này người ta nối mạch theo hình 7-27 và hình 7-28. T 78xx R R Uv 78xx Ur Uv Dz Ur Hình 7-28. Tăng dòng ra cho họ 78xx Hình 7-27. Tăng điện áp ra cho họ 78xx Với mạch điện hình 7-27 ta có: Ur = UZ + UR78xx. (7-14) IT Mạch hình 7-28, điện áp ra bằng điện áp của 78xx nhưng dòng ra được tăng lên do có Transistor T. 7.4.3.2. IC ổn áp có thể điều chỉnh điện áp ra U r  1, 25.(1  R Uv PT Một số loại IC ổn áp có thể điều chỉnh được điện áp ra theo yêu cầu như IC LM317, nó có thể điều chỉnh điện áp ra từ 1,2V đến 37V tùy theo các linh kiện đấu bên ngoài (hình 7-29). Khi điều chỉnh chiết áp VR thì điện áp ra thay đổi theo công thức: LM317 VR )  I adj .(VR) R Iadj Ur VR Hình 7-29. Ổn áp dùng LM317 (7-15) 7.5. Nguồn ổn áp chuyển mạch 7.5.1 Khái niệm về nguồn chuyển mạch Để có khái niệm về nguồn ổn áp chuyển mạch ta lấy ví dụ 1 mạch điện trên hình 7-30. Nguồn điện áp 1 chiều UV thông qua chuyển mạch S đặt vào sơ cấp biến áp Tr. Khi S đóng, có dòng qua W1 khi S mở  không có dòng qua W1. Hai cuộn sơ cấp và thứ cấp cuấn cùng chiều nên trên cuộn thứ cấp W2 cũng xuất hiện chuỗi xung cùng chiều với chuỗi xung trên cuộn sơ cấp, nên khi S đóng thì D1 dẫn, có dòng iD1 qua cuộn chặn L và tải, cuộn L tích năng lượng. Khi S mở dòng iD1 mất đột ngột, năng lượng trên L đổi dấu làm D2 dẫn, có dòng iD2 qua tải, như vậy dòng qua tải có liên tục cả khi S mở. 138 + S Tr L D1 + iD1 U1 W1 UV W2 U2 C D2 Ur iD2 _ _ Điều khiển đóng mở S Hình 7-30. Mô tả khải niệm về nguồn chuyển mạch U1 UV IT  U2 t PT UR T t Hình 7-31. Dãy xung điện áp trên W1, W2 và điện áp ra của mạch hình 6-10 Trong đó : U1 là biên độ xung trên cuộn W1; U1 = Uv U2 là biên độ xung trên cuộn W2 (giả sử Tr là biến áp hạ áp) Ur là điện áp 1 chiều ra trên tải T là chu kỳ đóng mở S  là thời gian đóng của S n là tỉ số biến áp n Ta có: W1 và coi bộ lọc LC là lý tưởng W2 1  U r  UV n T (7-16) 139 Đặt    gọi là độ xốp của xung (Hệ số lấp đầy) T Từ (7-16) ta thấy điện áp ra phụ thuộc Uv và độ rộng của xung. Từ đó ta thấy: muốn Ur không đổi khi Uv thay đổi ta làm thay đổi độ xốp của xung . Có 3 cách khống chế  - Thay đổi  và giữ nguyên T - Thay đổi T và giữ nguyên  - Thay đổi kết hợp cả T và  Cách thay đổi  và giữ nguyên T gọi là " Điều chế độ rộng xung ĐRX" (Pulse - Width Modulation PWM). Phương pháp điều chế độ rộng xung được sử dụng phổ biến nhất trong các bộ nguồn kiểu chuyển mạch. Tất cả các bộ nguồn biến đổi từ 1 chiều vào 1 chiều bằng phương pháp chuyển mạch có điều khiển điện áp ra thì gọi là bộ nguồn chuyển mạch. (1) Bộ lọc nhiễu tần số cao IT 7.5.2. Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch (2) Bộ chỉnh lưu và lọc sơ cấp (Nếu UV là một chiều thì không có phần này) (3) Phần chuyển mạch chính PT (4) Phần chỉnh lưu lọc thứ cấp (5) Phần hồi tiếp (lấy mẫu) (6) Phần khuyếch đại sai lệch (7) Tạo áp chuẩn (8) Tạo dao động sóng tam giác (9) Điều chế độ rộng xung (10) Bộ khuyếch đại kích thích và đảo pha Đầu vào (9) có thể còn các tín hiệu khống chế khác (P) để ngắt bộ nguồn Tần số công tác (tần số chuyển mạch) của bộ nguồn xung thường trong khoảng 15kHz đến 50kHz để giảm nhỏ kích thước của biến áp và nâng cao hiệu suất. Phần chuyển mạch chính sử dụng các transistor lưỡng cực và transistor trường công suất lớn, có tốc độ chuyển mạch cao, làm việc ở 2 trạng thái: bão hoà và ngắt nên có tổn hao tranzito chuyển mạch rất nhỏ, nên sự toả nhiệt cho chúng đơn giản. Với những đặc điểm đó làm cho bộ nguồn chuyển mạch có các ưu điểm hơn hẳn các bộ nguồn ổn áp thông thường như: - Hiệu suất cao từ 80%  90%, trong khi các bộ nguồn ổn áp thông thường có  65% 140 - Dải ổn định rộng - Độ bền, tuổi thọ cao - Kích thước trọng lượng nhỏ - Giá thành rẻ     UR UV~      IT Khối điều khiển  PT Hình 7-32. Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch 7.5.3 Các khối trong bộ nguồn chuyển mạch 7.5.3.1. Khối lọc nhiễu đầu vào Lch C1 C2 Để lọc bỏ các nhiễu cao tần vì nguồn xung nên có rất nhiều các thành phần tần số cao tần sẽ gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác trong vùng, nên bộ lọc sẽ chặn lại các tín hiệu nhiễu đó không Hình 7-33. Mạch lọc nhiễu tần số đưa ra đường dây dẫn gây nhiễu. Đồng thời nó cũng cao đầu vào chặn các xung nhiễu cao tần từ ngoài không cho vào bộ nguồn khỏi ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống chuyển mạch. Biến áp cao tần, có rất ít vòng dây và cách bố trí như hình 7-33 sẽ chặn lại các nhiễu cao tần đối xứng từ đầu vào và đầu ra. Còn đối với dòng cung cấp ngược chiều và tần số 50/60Hz thì biến áp lọc có trở kháng coi như bằng 0. Các tụ lọc C1, C2 là các tụ cao tần (khoảng vài chục nF) để lọc các nhiễu cao tần đầu vào, đầu ra không đối xứng, đối với tần số điện mạng 50/60Hz thì ZC1,2  . 7.5.3.2. Phần chỉnh lưu và lọc sơ cấp 141 + C _ AC Hình 7-34. Bộ chỉnh lưu lọc sơ cấp trong bộ nguồn chuyển mạch 7.5.3.3. Phần chuyển mạch và chỉnh lưu, lọc thứ cấp Phần này còn thường gọi là bộ biến đổi 1 chiều vào 1 chiều (DC to DC Converter) vì đầu vào là 1 chiều và đầu ra cũng là 1 chiều. Nếu bộ nguồn công suất nhỏ và Uv thấp thì chuyển mạch dùng 1 transistor như hình 7-35. Tr + D3 UV L + . IT . D1 D2 C1 Ur PT T1 Hình 7-35. Phần chuyển mạch và nắn lọc thứ cấp của bộ nguồn xung công suất nhỏ. Mạch hình 7-35 biến áp Tr có cuộn sơ cấp và thứ cấp cuấn cùng chiều, nên mạch này được gọi là đồng pha dẫn. Khi xung mức cao kích mở T1 bên sơ cấp có dòng thì cuộn sơ cấp có xung dương thì cuộn thứ cấp cũng có xung dương và D1 dẫn. D2 khép kín dòng qua tải khi T1 và D1 ngắt. Khi cần nâng công suất của bộ nguồn mà với điện áp vào thấp thì phần tử chuyển mạch dùng mạch đẩy kéo mắc song song như hình 7-36. Tr D3 + L + UV _ T1 Rt D1 _ D2 D4 T2 Hình 7-36. Chuyển mạch kiểu đẩy kéo song song. 142 T1 và T2 được kích thích bởi các xung ngược pha nhau và phần nắn, lọc thứ cấp là nắn toàn sóng với biến áp thứ cấp điểm giữa. Với nguồn điện áp vào cao và công suất trung bình thì chuyển mạch theo kiểu đẩy kéo nối tiếp. 7.5.3.4. Khối điều khiển Khối điều khiển gồm các khối (5,6,7,8,9,10) của hình 7-32. Khối điều khiển làm các nhiệm vụ sau: Tạo ra các xung vuông có tần số cố định nhưng độ rộng biến đổi ngược với điện áp trên tải để điều khiển các transistor chuyển mạch Đủ công suất kích thích cho các chuyển mạch chính. Ngoài ra khối này còn làm các nhiệm vụ: Bảo vệ quá dòng, quá áp trên tải và bảo vệ mạch khử điện áp vào quá thấp, quá cao. - Nguyên lý điều chế độ rộng xung: Để thực hiện việc điều chế độ rộng xung, mạch phải có cấu trúc như hình 7-37. IT Điện áp DC ra trên tải qua bộ phân áp lấy điện áp hồi tiếp Uht đưa về đầu đảo của bộ khuyếch đại thuật toán làm bộ khuyếch đại sai lệch. (1) Mạch hồi tiếp (phân áp) (2) Bộ khuyếch đại sai lệch PT (3) Bộ tạo áp chuẩn (4) Bộ tạo sóng tam giác (5) Bộ so sánh (bộ điều chế độ rộng xung). + Rt Ur _ U1 U2  R2 (1) U1 (5) U1 P + _ _ + (2) R1 Uht UP Uch (4) (3) Hình 7-37. Mạch điều chế độ rộng xung 143 Uht phản ánh đầy đủ sự thay đổi của Ur , đầu không đảo của bộ khuyếch đại sai lệch được đưa vào điện áp chuẩn Uch. Nguồn Uch là cố định không phụ thuộc Ur. Điện áp đầu ra của bộ khuyếch đại SL là: U1  (1  R2 R )U ch  2 U ht R1 R1 (7-17) Điện áp U1 biến đổi tuyến tính theo Uht (tức là theo điện áp ra) nhưng với chiều ngược, U1 là điện áp 1 chiều. Bộ so sánh (5) là bộ điều chế độ rộng xung, tín hiệu điều chế (U1) đưa vào đầu (+). Tín hiệu sóng mang (UP) là sóng tam giác đưa vào đầu (-) của bộ điều chế. Bộ điều chế so sánh 2 biên độ của sóng mang Up và tín hiệu điều chế U1. Dạng sóng ra của bộ điều chế U2 là sóng vuông có tần số là tần số của sóng mang (sóng tam giác) nhưng độ rộng xung  biến đổi theo tín hiệu điều chế U1. Hình 7-38 mô tả nguyên lý điều chế ĐRX. UP (1+R2/R1)Uch khi Uht = 0 UP U1 2 IT 0 (1+R1/R2)Uch=Uht khi U1 = 0  PT U2 UP T t Hình 7-38. Nguyên lý điều chế ĐRX Nếu U1 biến đổi từ 0 đến Up = (1 + R2 R )Uch ứng với Uht = (1 + 1 )Uch đến Uht = 0, thì  R1 R2 sẽ biến thiên trong khoảng từ 0 đến T, chuỗi xung U2 đưa đến kích mở transistor chuyển mạch, chuyển mạch đóng ngắt theo U2 Tỉ số U1  M gọi là hệ số điều chế. UP M biến đổi trong khoảng 0 < M < 1. Có những bộ nguồn chuyển mạch công suất nhỏ duới 100w mà chuyển mạch là tầng đơn, thì có khi cả transistor chuyển mạch cũng được cấu trúc trong vi mạch điều chế độ rộng xung. 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Hà: Kỹ thuật mạch điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002. [2] Đỗ Xuân Thụ: Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục, 1997. [3] Lê Phi Yến: Kỹ thuật mạch điện tử, NXB Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 1996. [4] William D.Stanley: Bộ khuếch đại xử lý và IC tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật, 1994. [5] Phạm Minh Việt, Trần Công Nhượng: Kỹ thuật mạch điện tử phi tuyến, NXB Giáo dục, 2000. IT [6] Đặng Văn Chuyết: Kỹ thuật mạch điện tử NXB Giáo dục, 2008. [7] Donald L. Schilling, Charles Belove, Tuvia Apelewicz, Raymond J. Saccardi: ELECTRONIC CIRCUITS PT DISCRETE AND INTEGRATED Printed in Singapore 145