mạch phát fm dùng varicap
TRANSCRIPT
1
Đề tài:
MẠCH ĐiỀU TẦN TRỰC TiẾP DÙNG VARICAP
2
Lời mở đầu
• Trong truyền dẫn vô tuyến ,để đưa tín hiệu có tần số thấp như âm thanh tiếng nói đi xa cần có những kỹ thuật điều chế để đưa lên tần số cao,ở nơi thu sẽ giải điều chế để thu được tín hiệu âm tần mong muốn,gồm điều chế tương tự và điều chế số.Phương pháp điều chế tương tự gồm điều biên (AM) và điều chế góc (PM và FM).Mỗi phương pháp có ưu , nhược điểm riêng và được dùng tùy vào ứng dụng cụ thể.
3
Hệ thống thu phát đổi tần được dùng rộng rãi trong phát thanh radio FM dãy tần 88-108Mhz , truyền hình audio, ứng dụng quảng bá …. do ưu điểm về khả năng chống nhiễu cao ,hiệu quả sử dụng công suất và chất lượng thu tốt hơn AM.Tuy nhiên mạch phát , thu FM cũng phức tạp hơn AM và do đó giá thành cũng cao hơn.Ứng dụng FM dân dụng được dùng phổ biến trong các Micro không dây.
4
• Đề tài mạch FM này ,mạch phát ở một tần số trong dãy tần radio FM để tận dụng máy thu radio sẵn có.
• Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô để bài báo cáo được hoàn chỉnh hơn.
5
Nội dung báo cáo:• Cơ sở lý thuyết FM
• Nguyên lý mạch dao động
• Phân tích mạch dao động
• Phân tích thiết kế mạch
• Mô phỏng bằng phần mềm Pspice
• Thực hiện mạch in Layout
• Báo cáo kết quả và tổng kết
• Hướng phát triển
6
7
I.1.SO SÁNH AM VÀ FM: Điều chế biên độ AM:• Công suất sóng mang không tải tin lớn ,vô ích.• Công suất cao tần tải tin nhỏ của hai biên như nhau và phụ thuộc
hệ số điều chế mA• Hiệu suất kém (P1 biên/Ptotal) • Tính chống nhiễu kém do thông tin nằm ở biên độ và nhiễu trắng
tác động lên biên độ• Dễ thực hiện AM và máy thu giải điều chế đơn giản ,rẻ tiền• AM dùng trong phát thanh quảng bá MW-SW.Phát ở tần số tương
đối thấp (vài trăm KHz) do ở tần số cao nhiễu cao tần xuất hiện nhiều.
• BW nhỏ do chỉ có 2 thành phần sideband fc –fm và fc + fm• Dạng đặc biệt của đổi tần.
8
I.2.ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ:
Sơ đồ khối hệ thống thu phát:
9
• Điều chế tần số tạo ra số lượng lớn sideband ở 2 phía của sóng mang cao tần
• Tín hiệu FM , hệ số điều chế và băng thông đều phụ thuộc vào biên độ và tần số của tín hiệu điều chế m(t).
• So sánh với AM , FM có hệ số điều chế lớn hơn , BW lớn hơn và khả năng loại nhiễu tốt hơn.
10
Biểu thức• Giả sử tín hiệu điều chế • Sóng mang có dạng
• Tín hiệu FM có dạng:
trong đó Ec:biên độ sóng mang wc:tần số sóng mang wm:tần số tín hiệu điều chế mf:hệ số điều chế mf = ∆f/fm
m mm t .sin w tV
c c cv t V .sin w t
FM c c f mV E .sin w t m .sin w t
f f m m mm k .v / w w / w
11
• Pha đầy đủ :
• Tần số tức thời :
• Sóng mang dạng sine được điều chế bởi tín hiệu điều chế m(t) dạng sine , biên độ m(t) tại mỗi thời điểm đã làm thay đổi tần số tín hiệu ngõ ra so với sóng mang ban đầu , trong khi biên độ không đổi.
c m m t w t w / w .sinw t
c mw t d t / dt w w.sinw t
12
• Tín hiệu FM được phân tích hàm Bessel:
• Các hệ số Bessel Jn trong khoảng 0,0 đến +1,0/-1,0 tại mỗi tần .Hai dải bên lẻ ngược pha nhau , hai dải bên chẵn đồng pha.
0
1
2
3
4 c m c m
.{
– –
2 – 2
3 – 3
J sin w 4w t sin w – 4w t
..}
FM c c
c m c m
c m c m
c m c m
v t E J sin w t
J sin w w t sin w w t
J sin w w t sin w w t
J sin w w t sin w w t
13
14
Băng thông FM:
• Công suất tín hiệu FM giới hạn ở các hệ số Bessel chiếm xấp xỉ 98% công suất FM.Các vạch phổ bậc cao hơn có biên độ rất nhỏ có thể bỏ qua.
m
f m m
BW 2( f f )
2 m .f f
15
I.3.DÃY TẦN SỐ FM THƯỜNG DÙNG:
• Ứng dụng FM :• Phát thanh quảng bá phi thương mại 88-90Mhz• Phát thanh thương mại 90-108Mhz• Truyền hình audio(WFM)• Các dịch vụ thông tin công cộng (cảnh sát , cứu hỏa ,…)
30-50Mhz,450-470Mhz , 800Mhz(NBFM)• Các ứng dụng khác
16
17
II.1.ĐẶC TÍNH MẠCH DAO ĐỘNG:
• Mạch dao động thường dùng ở tần số cao, không dùng ở tần số thấp. Hầu hết đều sử dụng cuộn dây , do đó nếu dùng ở tần số thấp kích thước cuộn dây rất lớn không có tính kinh tế.
18
II.2.CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA BỘ DAO ĐỘNG:
19
Điều kiện dao động tối thiểu ,tiêu chuẩn Barkhausen:
Tín hiệu hồi tiếp ngõ vào phải có cùng pha với tín hiệu ngõ vào ban đầu (hồi tiếp dương ) và phải có biên độ nhất định .
20
• Để có tín hiệu hồi tiếp đến ngõ vào cùng pha với tín hiệu vào ban đầu.Mạng L-C phải tạo ra một độ lệch pha 180 độ . Bản thân transistor nếu lấy ngõ ra từ cực C tạo ra độ lệch pha 180 độ so với tín hiệu vào , cần phải tạo lệch pha 180 độ từ cực C . Mạng L-C sẽ làm điều này và kết quả là tạo thành hồi tiếp dương.
21
II.3.SỰ TRÔI TẦN SỐ BỘ DAO ĐỘNG :
• Sự trôi tần số do bản thân Transistor• Sự trôi do mạng L-C :
Để hạn chế sự dịch tần này ( dù rất nhỏ ):• Cẩn thận trong thiết kế mạch L-C.• Bao bọc phần mạch dao động để ổn định nhiệt độ.• Điều chỉnh nhiệt độ của phần dao động.• Bổ chính nhiệt ( có thể dùng diod, bán dẫn,… ).• Gắn chặt các kinh kiện để ngăn sự di chuyển của
linh kiện do va chạm hay rung động .
22
II.4.CÁC DẠNG MẠCH DAO ĐỘNG:
• II.4.1.Dao động ghép biến áp :
23
II.4.1.Dao động ghép biến áp :
• Transistor tạo một độ dịch pha 180 độ ở ngõ ra , do đó yêu cầu mạch hồi tiếp phải tạo được độ dịch pha 180 độ .Trong dạng mạch này mạch hồi tiếp được dùng là biến áp .Cuộn dây sơ cấp của biến áp và tụ C sẽ quyết định tần số dao động của mạch.
• Tín hiệu hồi tiếp được điều khiển bởi tỉ số k của biến áp. 1
2oscF
LC
24
II.4.2.Mạch dao động Colpitts:
25
II.4.2.Mạch dao động Colpitts:
• Tín hiệu hồi tiếp về cực B điều khiển bởi tỉ số 2 tụ C1 và C2
• Đỉnh biên độ dao động đạt được tại điểm mà mạng tạo ra độ dịch pha 1800 , tại đó dao động xảy ra.
• Cuộn cảm hay tụ điện có thể thay đổi.Tụ C2 thường có giá trị nhỏ hơn C1,và thường là tụ có thể thay đổi trị số được.
1
2osc
equiv
FLC
26
II.4.3. Mạch dao động Hartley:
L1
0
C
0
L2RL
27
II.4.3. Mạch dao động Hartley:
• Tín hiệu hồi tiếp về cực B của transistor điều khiển bởi tỉ sồ L1:L2 .Tỉ số này ,cùng với trở kháng vào của transistor sẽ xác định trở kháng vào của mạch cộng hưởng .Bên cạnh đó ,tỉ số trở kháng này và tải quyết định độ lợi tối thiểu cần thiết cho dao động.Thông thường thì L1 nhỏ hơn L2 .
1 2
1
2 ( )oscF
L L C
28
II.4.4.Dao động thạch anh:
• Tần số cao ,độ ổn định cao• Mạch điện tương đương thạch anh gồm nhiều
nhánh.Tương đương tụ điện hay cuộn dây.Có tần số cộng hưởng nối tiếp gần bằng tần số cộng hưởng song song.
• QTA=XLT/rT rất lớn cỡ .Giá trị LT,CT phụ thuộc kích cỡ,chiều cắt thạch anh.
5 610 ,10
29
II.5.ĐỘ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ BỘ DAO ĐỘNG:
• Độ ổn định tần số tương đối :
Có hai loại bất ổn định tần số :• Thời gian dài : thay đổi tần số từ từ do bất ổn nhiệt độ , áp
suất , độ ẩm , rung cơ học , nguồn ….• Thời gian ngắn : thay đổi tần số trong thời gian ngắn - một
hay vài chu kỳ tín hiệu do nhiễu nhiệt , nhiễu shot.• Độ bất ổn thời gian ngắn giảm khi hệ số phẩm chất Q mạch
cộng hưởng tăng (Q lớn –băng thông hẹp ,độ chọn lọc tần số cao hơn).
• Tần số dao động mạch cộng hưởng f0 . Dưới tác động các yếu tố gây sái dạng thông số L,C một lượng .
0
0 0
f f
f
30
31
III.1.BIỂU THỨC TOÁN:
**
*o
v
i
VA
V
**
*
f
o
VB
V
Độ lợi khuếch đại điện áp không hồi tiếp:
Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp :
32
Xét hồi tiếp dương:
* * *
o i vV V A* * * * * * * * * * * *
0( ) ( )v f v v fos f s v sV V A V B V A A V A B V *
0sV * *
1v fA B Để có tự dao động thì
Điều kiện * *
1v fA B còn gọi là tiêu chuẩn Barkhausen.* *
1v fA B tức là mạch khuếch đại bù được suy hao của mạch hồi tiếp .
* *
1v fA B mạch không dao động.
33
III.2.CÁC MẠCH DAO ĐỘNG L-C:
ZLL1
C 1
C 2
ZLL1
C 1
C 2
1 100 3
0 1 0 2
10
1 2.31 2
LC C
C CL
C C
Hình III. 4 Mạch dao động Colpitts dùng BJT hay FET
34
III.2.CÁC MẠCH DAO ĐỘNG L-C:
L1
ZLC 3
L2
L1
ZLC 3
L2
Hình III. 5 Mạch dao động Harley (ba điểm điện cảm )
0 1 0 20 3
0
3 1 2
10
1
.( )
L LC
C L L
35
III.2.CÁC MẠCH DAO ĐỘNG L-C:
C 3
L3C 1 ZL
C 2C 3
L3C 1 ZL
C 2
Hình III. 6 Mạch dao động Clapp
0 30 3
0
3 3
10
1
LC
L C
0 30 1 0 2 0 3
1 1 10L
C C C
3 1 2à C C v C
36
III.2.CÁC MẠCH DAO ĐỘNG L-C:
• So sánh giữa các loại mạch dao động thì Clapp cho độ ổn định cao.Do mạch dao động Clapp chỉ phụ thuộc vào 2 phần tử ,giảm được ảnh hưởng tụ ký sinh tần số cao. Thứ đến Colpitt rồi Harley.
• Mạch dao động L-C đòi hỏi các linh kiện cần có chất lượng tốt, sai số nhỏ ,nhiễu thấp.
37
III.3.MẠCH VCO (voltage-controlled oscillator):
38
39
IV.1.SƠ ĐỒ KHỐI:
• Phương pháp điều chế tần số trực tiếp đơn giản nhất là làm thay đổi tần số dao động.Có thể dùng một micro điện dung thay đổi theo điện áp đưa vào ,dùng diode biến dung , sử dụng vi mạch VCO,hoặc điều tần dựa trên tụ điện ký sinh ở tiếp xúc transistor thay đổi theo điện áp phân cực…..
• Phương pháp điều chế FM ở đây được thực hiên dựa trên nguyên tắc điều chế FM trực tiếp dùng varicap làm thay đổi tần số dao động (tương tự VCO) , và tần số ngõ ra nằm trong dãy tần FM radio.
40
Phân tích sơ đồ khối:
41
Một số dạng mạch điều chế FM trực tiếp:
• Mạch phát FM sử dụng 2 Transistor
• Mạch dùng Op-amp để khuếch đại âm tần
• Mạch trên điều chế FM bằng Varicap
• Mạch kết hợp L-C thạch anh cho độ ổn định cao
• Điều chế điện kháng trên cơ sở khuếch đại CE lớp A
42
IV.2.SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:
0
R2
R1 0
C 3
C 1 0
0
L3
Q 2
R3
R5
C 1 1
R9
L1
BB
Y3
1Q 3
Q 2 SC 1 8 1 5
R1 2
R1 5
C 5
Q 1
BC 5 4 7 C
M K1
M I C RO PH O N E
12
L4
L5
C 2
C 1
R6
R1 1
C 6
0
R1 4
R1
R1 3
V C C
0
C 1 5
R7
1 0
R4
L2
C 8
C 7
43
IV.3.TÍNH TOÁN TẦNG DAO ĐỘNG:
Z e C 1
R eqC 2 L12 2
1
1 2
1.e
eq e
ZR Z
p C
C C
C 2C 51 n
V ar ic ap
L1V C C
R2
1 0 k
R31 .5 k
0
C 3C 1Q 1
BC 5 4 7 C
C 4
1 u
R1
1 0 k
0
Hình IV.7 Mạch dao động Colpitts
44
• R1 = 10k• R2 = 10k• R3 = 1k• VCC = 12V• Transistor Q1: Các tụ C1 = 68pF ,C2 = 2nF ,C3 =
47pF • Cho điện áp phân cực ngược của varicap là 5V nên
Cv = 8pF • Tụ C4 đóng vai trò tụ liên lạc nối với tần sau có điện
dung lớn.
45
Chế độ DC:
1 2
1
1 2
/ / 5
. 6( )
5.12( )
* 6.88( )
1(5.12 ;6.88 )
bb
bb
bbCQ
bbe
CEQ CQ e
R R R k
RV VCC V
R R
V VI mA
RR
hfe
V VCC I R V
Q mA V
46
Sơ đồ tương đương:
25
CQ
hfehie
I = 0.73k
'b er hie = 0.73k
47
2
12
1
1 2
Cff
o C
XV CB
V X C C
.ov m L
f
VA g Z
V
'
1m
b e
hfeg
hib r
Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp:
=0.033Độ lợi khuếch đại điện áp không hồi tiếp:
với =0.21
48
=2244.15 (từ công thức tính trở kháng khung cộng hưởng)
2
1 2
1
( / / ).eq e
C CR hib R
C
/ /L eq oZ R Z
.( / / )v m eq oA g R Z
à : . 1f vm B A 1
1 2
. .( / / ) 1m eq o
Cg R Z
C C
Vậy: để mạch có thể dao động được cần chọn giá trị trở kháng tải đủ lớn để thỏa mãn điều kiện dao động.
49
eq oR / /Z 144.3 . 1.5v fA B
216.5 239.5oZ 239.5oZ
240oZ
Chọn
Req//Zo=
Như vậy : phải có
Chọn
50
Tần số hoạt động F = 90MHzCác tụ C1 = 68pF ,C2 = 2nF ,C3 = 47pF Cho điện áp phân cực ngược của varicap là 5V nên Cv = 8pF
Nhìn vào phía Zo : o LZ R
tan/ /Cv amZ ZtanCv amZ ZDo nhánh có trở kháng lớn nhất khi
chọn Zamtan = 4.7k
tan/ /Cv amZ Z 220.8 87.3 ( )o =
tan 3( / / )Cv am CZ Z Z 258.4 87.69 ( )o =
Để thỏa 240oZ Chọn RL=500 Ohm
51
• Các thông số yêu cầu đối với các tần ghép nối với mạch dao động:
• Trở kháng vào tầng khuếch đại Công Suất cao tần : RL=500 Ohm
• Trở kháng ra tầng khuếch đại âm tần : Zamtan = 4.7k
52
IV.4.TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH DAO ĐỘNG:
• Phân tích mạch dao động Colpitts VCO with varicap
53
Sơ đồ tương đương:
Giả sử : min maxvC C C Điện dung tương đương Ca , Cb :
1 2
1 2
3
3
/ /
a
vb
v
a b total a b
C CC
C C
C CC
C C
C C C C C
54
1
2osc
total
FLC
o
o o o
f f f
f f
55
Tính toán cuộn dây ứng với tần số dao động mong muốn :
Q 1
BC 5 4 7 CV ar ic ap
R21 0 k
1 2 V dc
C 4
C v
0
L1
0
C 51 n
0
C 16 8 p
C 22 n
0
R51 k
R1
1 0 k
0C 3
4 7 p
0
Các giá trị đã có:Các tụ C1 = 68pF ,C2 = 2nF ,C3 = 47pF Điện áp phân cực ngược của varicap là 5V nên Cv = 8pF Yêu cầu thiết kế tại tần số 90MHz
56
Tính toán cuộn dây ứng với tần số dao động mong muốn :
= 65.76pF
= 6.84pF
= 72.6pF
62
10.043 10 43
.(2 )total osc
L H nHC F
1 2
1 2a
C CC
C C
3
3
vb
v
C CC
C C
total a bC C C
57
Q 1
BC 5 4 7 CV ar ic ap
R21 0 k
1 2 V dc
C 4
C v
0
L10 .0 4 3 u
0
C 51 n
0
C 16 8 p
C 22 n
0
R51 k
R1
1 0 k
0C 3
4 7 p
0
58
IV.5.TẦN KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN:
IV.5.1.Phân tích:
M K1
M I C RO PH O N E
12
V C C
R1 0
C 1 1
C 1 0
0
R9
R1 2
R1 4
Q 3
Q 2 SC 1 8 1 5
R1 1 R1 3
0
Điện trở R9 phân cực cho micro
Tụ C10 là tụ liên lạc
Tụ bypass C11
Transistor C1815 có hfe = 100, V = 0.7V
59
Phân cực DC :9 8.2R k 11 47R k 10 10R k
13R
12
12
8.25
2.1
1.09( )
bb
b
bCQ
b
VCC V
R k
V V
V VI mA
RR
hfe
12 13* ( ) 5CEQ CQV VCC I R R V
13 5.22R k
Chọn:
lực chọn tùy vào áp ra cực C
(theo yêu cầu thiết kế)
60
Chế độ AC:
• Sơ đồ tương đương
252.3
CQ
hfehie k
I
Gọi Ri là nội trở nguồn Vi, giả sử Ri = 2k
61
Chế độ AC:
13
1. . . . 107.46
/ /o o b bb
vi b i i bb bb
V V i RA hfe R
V i V R R hie R hie
14
/ / 1.8
5.22i bb
o
Z R hie k
Z R k
Giả sử tín hiệu từ micro đưa vào có biên độ Vi = 20mV, qua mạch khuếch đại sẽ có biên độ Vo = 2.15V . Điện áp này được đặt lên varicap làm điện dung thay đổi.
62
63
• Do chỉ cần mạch thu trong dãy tần nghe được của tai người từ 20Hz-20KHz.Phân tích ở trên đúng cho trường hợp tổng quát cho .
• Để có được tần số cắt như mong muốn cần thêm tụ C mắc vào BC , tụ bypass C11 có giá trị giới hạn.
64
Sơ đồ nguyên lý trở thành
Transistor C1815 có Cb’c = 2pF , hfe=100hie = rb’e = 2.3kRbb = 8.25k , Ri = 2k
65
Sơ đô tương đương tần số thấp:
0( ) .v vmp
sA s A
s
vmA 107.46
011
12
1
.C
hfe Rhfe
12 12* .R hfe R
1111*
CC
hfe
=120k
66
1p
ci iR C
12/ / / / *ci i bbR R R hie R =3.78k
11 *iC C2 2
02 2 .20L p
11*C
11C
2.1x10-6
210.31uF
67
Sơ đồ tương đương tần số cao:
68
'm
b e
hfeg
r 0.043
13.om
i
VK g R
V -224.46
1 131 .m tdY g R sC
'td b cC C C
131 . .M m tdC g R C
1
( ) .1
ov vm
p
s
A s As
1
pMRC
69
'/ / / /i bb b eR R R r 0.95k
2 21 1 1
2H p o
H P 2 .20000MC
tdC
C
8.38nF
37.2pF35.2pF
70
71
IV.5.2. Độ di tần:
72
• Ứng với điện áp phân cực ngược VR=5V CV=8pF• Khi có áp xoay chiều biên độ ~2V điện dung biến
thiên trong khoảng 6pF < CV < 10pF• CV = 8pF• Ctđ = 72.6pF• F = 90MHz• CV = 6pF
Ctđ = 71.08pFF = 91.1MHz
• CV = 10pFCtđ = 74.01pFF = 89.2 MHz
• Độ di tần :
0.9f MHz
73
IV.5.3.Một số loại micro:
• Trong sơ đồ mạch ở trên ,nguồn áp Vi đưa vào mạch khuếch đại.Nguồn áp đó là micro chuyển đổi tín hiệu âm thanh dao động cơ học sang tín hiệu điện áp có biên độ nhỏ (khoảng vài chục mV) và trở kháng ra khác nhau tùy mỗi loại micro.
74
Micro điện dung (Condensor, capacitor, electrostatic microphones):
75
76
• MIC điện dung hoạt động như một cái bàn trượt tụ điện, dạng tụ điện có khoảng cách 2 bản tụ thay đổi được.Dao động cơ làm thay đổi khoảng cách giữa 2 bản tụ.
• Để lấy tín hiệu audio từ loại MIC này, microphone phải được phân cực DC, tụ điện có Q (điện tích) thay đổi.U là điện áp phân cực DC.
• Điện áp qua tụ sẽ thay đổi với độ dao động của không khí.Điện dung C tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực.
• Điện áp lấy ra từ R ứng với mạch lọc thông cao .Trong khoảng thời gian điện dung thay đổi thời hằng RC của mạch lọc cũng thay đổi .Như vậy điện áp ngõ ra thay đổi.Điện áp này có thể được đưa qua tầng khuếch đại đệm tăng biên độ .
77
Micro điện động (Dynamic microphones):
78
• Mic hoạt động theo cuộn dây điện từ.Mic di chuyển cuộn dây đặt trong từ trường của nam châm khi có rung động lên màng.Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, một sự di chuyển nhỏ cuộn dây trong vùng từ trường sinh ra dòng thay đổi trong cuộn dây thông qua vòng dây đặt trong từ trường. Mic điện động không cần phân cực ban đầu, có độ nhạy cao ,trở kháng ra nhỏ nên không cần phối hợp trở kháng trước khi đưa vào tần khuếch đại âm tần.
• Một màng chắn không đáp ứng tốt cho tất cả các thành phần tần số âm tần.Một vài micro dùng đa màng để lấy các thành phần audio khác nhau.Việc kết hợp tín hiệu đa màng trực tiếp rất khó làm cho giá thành trở nên đắt hơn.
79
Micro carbon:
80
• Micro cabon thường được dùng trong các điện thoại cầm tay, là một khối gồm các tinh thể cacbon áp giữa 2 tấm kim loại. Một điện áp được đặt giữa 2 tấm kim loại này gây ra một dòng trôi nhỏ qua lớp cacbon. Một trong 2 màng chắn (miếng kim loại ),dao động với sóng âm truyền tới, tạo một áp lực thay đổi lên lớp cacbon. Áp suất này làm biến dạng khối cacbon,gây tác dụng lên lớp tiếp xúc giữa khối cacbon với màng kim loại thay đổi và điều này làm cho điện trở của khối cacbon thay đổi.Sự thay đổi điện trở làm cho điện áp giữa 2 màng kim loại thay đổi, dòng trôi qua micro cũng bị thay đổi, sinh ra tín hiệu điện.Micro cacbon dùng trong điện thoại, chúng có chất lượng âm thanh thấp và rất hạn chế về tần số.
81
• Dùng loa như là micro
• Micro ribbon (băng) ,thạch anh hay gốm có biên độ điện áp ra nhỏ nhưng trở kháng rất lớn dùng trong thiệp nhạc,…..
82
IV.6.KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN:
• Lớp A : = 180o• Lớp B : = 90o• Lớp C : < 90o• Lớp AB :90o < < 180o• Tần số tăng, hiệu suất giảm, tùy điều kiện cụ thể
chọn các chế độ khuếch đại khác nhau.Trong máy phát thanh FM, thông tin FM thường dùng chế độ B.
83
Phân tích Fourier:
0 1 10 0 0.cos 2 .cos 2 .2 ....... .cos 2 .nc c c c ci I I f t I f t I nf t
0 0
0
( ).
sin cos( )
(1 cos )
mc cI I
1 1
1
( ).
sin cos( )
(1 cos )
mc cI I
1
2
( ).
2 sin cos cos sin( )
( 1)(1 cos )
n mc c
n
I I
n n
n n
84
Với lớp B: =90o
0 ( )
1 ( )
= 0.3183
= 0.5
Công suất ra tải:
1 1 1
1
1
21
1 1. .
2 2c eq c c
c
eqc
P I R I V
VR
I
Công suất nguồn cung cấp:
0 0.c c ccP I V
Hiệu suất:1 1
0
1 1
0 0
( )1 1. .
2 2 ( )c c
c cc
I VP
P I V
85
IV.6.2. Sơ đồ nguyên lý:
V C C
C 8
L4
Rin
L3
R6
V in
L2
R5
Q 2
C 1 5
0
R7
R1 5
C 7
1 n
0
86
IV.6.3. Tính toán phân cực:
• Các thông số của BJT
• f0 = 90Mhz
• VCEsat = 0.5V , Cb’c=2.6pF
• VCEmax = 15V (BFR96 ,2SC9018)
• VCC = 12V
• hfe=150,R15 = 220
1 max 15 12 3cV V
87
Phân cực DC :
55 6
. 0.7ccbb
VV R V
R R
5
5 6
0.7
12
R
R R
Vb = 0.7V
5 4.7R k 6
15
75.8
4.42
2.8( )/
bb
cbb
R k
R k
VI mA
R hfe R
Chọn
88
Yêu cầu công suất P1=100mW
1
2max
1
1. 45
2c
eq
VR
P
eqR AR
Giả sử anten có trở kháng RA=10
> nên khung cộng hưởng có dạng
89
2
. 1 18.71
0.033
eqL A
A
RX R
R
L H
8
24.05
1
73.52
eqC
eq
A
RX
R
R
C pF
90
Sơ đồ tương đương
91
'
25 1501.34
2.8b er k
'
'
'
'
'
0.112( )
(1 . ). (1 0.112 45) 2.6 15.704
/ / / /
/ / 1.02
/ /. 0.78
/ /
m
M m eq b c
i b b e M
bb b e
bb b evm m eq
i bb b e
g s
C g R C pF
Z R r C
R r k
R rA g R
R R r
92
R7
10
L3
33uH
R5
4.7k
Q2
R6
75k
Rin
5.6k
L2
0.033u
12Vdc
R15
220
0
Vin
0
C15
10u
C8
73.5p
C7
10u
L4
33uH
93
Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh:
94
Dòng nhiễu ngõ vào
• Các nguồn nhiễu :nhiễu nhiệt,nhiễu bán dẫn
• Nhiễu trong khuếch đại bán dẫn
95
Các nguồn nhiễu
2 2 22 1i i bE I R
21 2 . .i bI q I B
Nhiễu dòng shot do tiếp xúc p-n ngõ ra đưa về ngõ vào qua điện áp
21 4i bE kTBR
Nhiễu tiếp xúc p-n ngõ vào
Nhiễu nhiệt trên trở Rb
Nhiễu do dòng tiếp xúc p-n gây ra trên điện trở Rb
202 2 . .cI q I B
96
Áp nhiễu do dòng shot ngõ ra gây ra trên tải RL2 2 2
02 02 LV I R
2 2 2 24 2 2 / 4 / ( . )i b b b c m m LE kTBR qI BR qI B g kTB g R
Tổng điện áp nhiễu ngõ vào qua
Tổng dòng nhiễu ngõ vào cực B
2 2 2 2 21 2
1/ .(2 .(4 2 2 / 4 / ( . ))i i b b b b b c m m L
b
I E R B qI kTBR qI BR qI B g kTB g RR
97
98
V.1.MÔ PHỎNG TẦNG KHUẾCH ĐẠI ÂM TẦN:
• Sơ đồ nguyên lý
R10
10k R12
1.2k
R11
47k
C11
100u
0
V1
FREQ = 2KhzVAMPL = 100mVVOFF = 0v
C10
1u
R135.22k
Q3
Q2SC1815
R9
8.2k0
V2
12Vdc
99
Mô phỏng phân cực DC:
V 1
FREQ = 2 KhzV A M PL = 1 0 0 m VV O FF = 0 v
1 .4 6 3 m A 0
R9
8 .2 k
1 .4 6 3 m A
C 1 1
1 0 0 0 u
R1 35 .2 2 k
1 .0 9 2 m A
R1 2
1 .2 k
1 .0 9 9 m A
Q 3
Q 2 SC 1 8 1 5
7 .1 5 9 uA1 .0 9 2 m A
- 1 .0 9 9 m A
R1 0
1 0 k
2 0 4 .6 uA
C 1 0
1 0 0 0 u
V 21 2 V dc
2 .7 6 7 m A
R1 1
4 7 k
2 1 1 .8 uA
0
V
100
Kết quả :
Lý thuyết (ở phần IV.5.1)
Mô phỏng
ICQ(mA) 1.09 1.092
VCEQ(V) 5 4.98
101
Mô phỏng chế độ AC:
C 1 1
1 0 0 0 u
R1 1
4 7 k
R1 35 .2 2 kR9
8 .2 k0
R1 2
1 .2 k
V 1
FREQ = 2 KhzV A M PL = 1 0 m VV O FF = 0 v
Q 3
Q 2 SC 1 8 1 5
V 21 2 V dc
C 1 0
1 0 0 0 u
R1 0
1 0 k
0
V
102
-Tín hiệu vào là sóng sin ,biên độ 10mV ,tần số 2KHz-Quan sát dạng sóng ngõ ra tại cực C của transistor
103
Lý thuyết Mô phỏng
Av -107.46 -200
104
Nhận xét:
-Phân cực DC gần giống với lý thuyết
-Tín hiệu ngõ ra ngược pha với ngõ vào
- Biên độ điện áp ra Vom = 2V
-Độ lợi điện áp lệch nhiều so với tính toán do trong lý thuyết có cho trước trở kháng nguồn.
105
V.2.MÔ PHỎNG TẦNG DAO ĐỘNG :
• Quá trình phát sinh dao động là do nhiễu trong linh kiện bán dẫn , được hồi tiếp về ngõ vào sau một khoảng thời gian ngắn sẽ đạt được biên độ và tần số dao động ổn định.Tuy nhiên các linh kiện trong thư viện của phần mềm Pspice không có các đặc tính ngẫu nhiên như các linh kiện thực tế vì vậy các điều kiện dao động có khác so với lý thuyết.Do vậy khi mô phỏng mạch dao động , mạch nguyên lý khác so với lý thuyết.
• Do transistor trong mô phỏng không tạo được nhiễu do đó để mạch dao động cần phải tạo giá trị điện áp ban đầu cho 2 tụ C1 ,C2 .Tụ sẽ nạp xả và hồi tiếp về ngõ vào và sau khoảng thời gian ngắn sẽ tạo được dao động ổn định.
• Cần chọn tỷ số điện dung 2 tụ C1 , C2 phù hợp .Điện dung mỗi tụ phải lớn để đảm bảo không làm mất dao động.
• Dạng điện áp ngõ ra ngược lại với lý thuyết. Ban đầu rất lớn sau đó giám dần đến mức ổn định.Biên độ điện áp ngõ ra còn quyết định bởi tải RL . Trở kháng tải nhỏ quá cũng không dao động được.
• Do điện dung tụ lớn nên để có tần số dao động cao thì cuộn dây có điện cảm rất nhỏ, khó thi công trên thực tế.Tần số dao động được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị điện cảm cuộn dây.
106
Sơ đồ nguyên lý:
107
Tính toán:• Dùng varicap MV2109 có đặc tuyến điện dung theo
điện áp• -Tại điện áp 5V , điện dung varicap là Cv = 35pF• -Nguồn tín hiệu vào có biên độ 10mV.Ngõ ra tầng
khuếch đại âm tần theo như mô phỏng có độ lợi Av = -200 .Biên độ là 2 V.
• Khi điện áp đưa vào phân cực varicap là 3V , CV1 = 40pF
• Khi điện áp đưa vào phân cực varicap là 7V , CV2 = 30pF
• Các thông số :• C1 = 560p
108
C2 = 8n
C3 = 10p
CV = 35p (5V)
L1 = 0.007u1 2
1 2
3
3
523.6
7.78
/ / 531.14
a
vb
v
a b total a b
C CC p
C C
C CC p
C C
C C C C C p
182.54
2osc
total
F MHzLC
109
• Độ di tần:CV1 = 40pF
CV2 = 30pF
182.52
2osc
total
F MHzLC
182.63
2
90
osc
total
F MHzLC
f KHz
110
Mô phỏng:
Miền thời gian
111
112
113
114
VI.THỰC HIỆN MẠCH IN LAYOUT:
• Transistor Q1 dùng các transistor cao tần có tần số wT lớn để đảm bảo biên độ tín hiệu không bị giảm quá nhiều.Một số loại như là BC547C , BF199 , 2SC9018 , TSDF2020W , BFR95 ,....
• Diode varicap 1sv101 , MV2109 , BBY31 , BB814 , …
115
Sơ đồ mạch in:
116
• Thi công cuộn dây:Theo sơ đồ nguyên lý ở phần IV ( Hình IV.24 ).
Cuộn dây L1 = 0.043uH ,và L2 = 0.033uH.
• Công thức tính cuộn dây lõi không khí đơn lớp :
2 2
( )18 40
d nL H
d l
( 0.4 )l d
l : chiều dài cuộn dây (inch)n : số vòng dâyd : đường kính cuộn dây (inch)L : điện cảm tính bằng H
Ngoài ra , có thể dùng phần mềm tính cuộn dây coilmaestro , Air Core Inductor Coil Inductance Calculator ,…. kết quả khá chính xác.
117
VII.BÁO CÁO KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ :
VII.1.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH:– Tìm hiểu lý thuyết về điều chế tần số.– Nguyên lý mạch dao động.– Các loại mạch dao động và các thành phần cơ bản.– Tính toán độ di tần– Thiết kế các tầng , trở kháng vào – ra để phối hợp với các
tầng khác.– Tìm linh kiện phù hợp với yêu cầu .– Thiết kế mạch phối hợp trở kháng đưa ra anten.– Tìm hiểu một số loại micro thường dùng.– Mô phỏng mạch dao động.– Thực hiện mạch in và thực hiện cuộn dây theo tần số dao
động mong muốn.– Đánh giá kết quả cũng như kinh nghiệm rút ra được trong
quá trình thực hiện đề tài.
118
VII.2.ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ:
• Quá trình thiết kế mạch nguyên lý theo các yêu cầu đề ra
• Tuy nhiên khi thực hiện mạch in không tìm được linh kiện có chất lượng như yêu cầu
• Cuộn dây không chính xác như yêu cầu thiết kế nên tần số ngõ ra của mạch dao động không như tính toán
119
VII.3.HƯỚNG PHÁT TRIỂN:
• Đề tài mạch điều tần dùng varicap là một đề tài cổ điển.Đánh giá lại lý thuyết điều chế FM .Qua đó tìm hiểu cách thiết kế một bộ dao động _ phần quan trọng trong các mạch điều chế ,giải điều chế ,đổi tần ,cách ghép nối giữa các tần để thỏa mãn điều kiện dao động….
120
Tài liệu tham khảo
• Lê Tiến Thường, Mạch Điện Tử 1,2 • Hoàng Đình Chiến, Mạch Điện Tử Thông Tin • Vũ Đình Thành , Nguyên lý thông tin tương tự - số• James K. Hardy, Electronic Communications Technology , Prentice/Hall
International Inc. Các trang web:• http://electronics-diy.com/index.php• http://www.fas.org/man/dod-101/navy/docs/es310/syllabus.htm (điều chế
FM)• http://www.daycounter.com/Calculators/(tính toán cuộn dây)• http://www.qsl.net/wa2whv/bta-500r.shtml• http://en.wikipedia.org/wiki/Microphone• http://www.datasheetcatalog.com