Nguyên lý kỹ thuật điện tử

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.25 MB, 314 trang )

(1)

(2)

(3) TrÇn Quang Vinh (Chñ biªn) vμ Chö v¨n an. NGUYªN LÝ Kü thuËt ®iÖn tö. nhμ xuÊt b¶n gi¸o dôc - 2005.

(4)

(5) 6T7 1749 / 45 − 01 GD − 02. M∙ sè : 7B594M2. Lêi nãi ®Çu Tµi liÖu "Nguyªn lý kü thuËt ®iÖn tö" tr×nh bµy vÒ nguyªn t¾c ho¹t động cơ bản của các linh kiện và mạch điện tử thông dụng. Ngày nay kỹ thuËt ®iÖn tö ®−îc ¸p dông hÕt søc réng r∙i trong nhiÒu lÜnh vùc khoa học công nghệ và đời sống. Ta có thể thấy sự hiện diện của các mạch điện tử ngay trong các thiết bị tại gia đình, công sở nh− từ chiếc máy thu vô tuyến truyền hình tới hệ thống máy vi tính hiện đại. Kiến thøc c¬ b¶n vÒ ®iÖn tö lµ hµnh trang kh«ng thÓ thiÕu ®−îc cho c¸c sinh viªn chuyªn ngµnh mµ cßn cã thÓ lµ c«ng cô tèt cho c¸n bé vµ sinh viªn c¸c ngµnh kh¸c liªn quan ham muèn t×m hiÓu kü thuËt tiªn tiến. Do đó tài liệu đ∙ đ−ợc cố gắng biên soạn sao cho đảm bảo đủ những nội dung cơ bản nh−ng vẫn cập nhật đ−ợc những vấn đề hiện đại trong mét khu«n khæ h¹n chÕ. S¸ch ®∙ ®−îc dïng lµm tµi liÖu gi¶ng d¹y cho sinh viªn b¾t ®Çu häc vÒ kü thuËt ®iÖn tö trong c¸c ngµnh §iÖn tö - ViÔn th«ng, C«ng nghÖ th«ng tin, VËt lý kü thuËt, ... thuéc §¹i häc Quèc gia Hµ Néi trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y. Do vËy nh÷ng kiÕn thøc tiên quyết đòi hỏi ng−ời đọc không nhiều ngoài một số hiểu biết liên quan đến các cơ sở toán học và vật lý. S¸ch ®−îc chia thµnh 9 ch−¬ng. Ba ch−¬ng ®Çu tãm l−îc nh÷ng kh¸i niệm cơ bản liên quan đến tín hiệu, mạch điện và hệ thống điện tử. Ch−¬ng 4 tr×nh bµy vÒ c¸c dông cô b¸n dÉn - lµ nh÷ng linh kiÖn chñ yÕu của kỹ thuật điện tử hiện đại - cũng nh− các mạch điện tử khuếch đại c¬ b¶n nhÊt sö dông c¸c linh kiÖn nµy. Ch−¬ng 5 tr×nh bµy vÒ c¸c m¹ch ph¸t sãng, mét thµnh phÇn rÊt hay gÆp trong c¸c hÖ thèng ®iÖn tö. Ch−¬ng 6 vµ ch−¬ng 7 ®i s©u vµo t×m hiÓu kü thuËt ®iÖn tö phi tuyÕn. §ã lµ c¸c m¹ch ®iÒu chÕ, gi¶i ®iÒu chÕ, trén tÇn, ... dïng nhiÒu trong kü thuËt th«ng tin, ph¸t thanh, truyÒn h×nh, kü thuËt dÉn ®−êng, v.v... Ch−ơng 8 đề cập tới một lĩnh vực giáp ranh giữa kỹ điện tử t−ơng tự (analog) và điện tử số (digital), đó là các mạch biến đổi D/A và A/D. Cuối.

(6) cùng, ch−ơng 9 cung cấp cho ng−ời đọc kiến thức về một số mạch nguån nu«i hÖ thèng ®iÖn tö ®iÓn h×nh. Cuèn s¸ch ch¾c kh«ng tr¸nh khái c¸c thiÕu sãt, v× vËy chóng t«i mong nhận đ−ợc ý kiến đóng góp của bạn đọc. Các ý kiến xin gửi về: Bé m«n §iÖn tö vµ KÜ thuËt M¸y tÝnh, Khoa §iÖn tö - ViÔn th«ng, Tr−êng §¹i häc C«ng nghÖ, §¹i häc Quèc gia Hµ néi, 144 §−êng Xu©n Thuû, QuËn CÇu giÊy, Hµ néi. hoÆc C«ng ty cæ phÇn s¸ch §¹i häc - D¹y nghÒ, trùc thuéc Nhµ XuÊt b¶n Gi¸o dôc, 25 Hµn Thuyªn - Hµ Néi.. C¸c t¸c gi¶.

(7) Ch−¬ng 1 kh¸i niÖm chung vÒ hÖ thèng ®iÖn tö 1.1. TÝn hiÖu, m¹ch ®iÖn vμ hÖ thèng ®iÖn tö Môc tiªu cña gi¸o tr×nh nµy lµ nghiªn cøu vÒ nguyªn lý kü thuËt m¹ch ®iÖn tö. Cô thÓ lµ c¸c m¹ch ®iÖn tö t−¬ng tù. C¸c m¹ch nµy ®−îc thiÕt kÕ x©y dùng trªn c¬ së kÕt nèi c¸c linh kiÖn ®iÖn tö nh− ®iÖn trë, tô ®iÖn, cuén c¶m, c¸c dông cô b¸n dÉn, v.v... víi nhau. H¬n n÷a, tõ c¸c mạch điện tử cơ bản, ng−ời ta có thể tổ hợp chúng lại để tạo nên các hệ thống điện tử đ−ợc dùng cho một hoặc nhiều mục đích nào đó. Lan truyền trong mạch là các tín hiệu điện, đó là biểu hiện vật lý của tin tøc. Trong c¸c m¹ch ®iÖn tö, d¹ng vËt lý cña tÝn hiÖu lµ dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p, v.v... vµ tæng qu¸t lµ c¸c sãng ®iÖn tõ. V× nh÷ng lý do võa ®−îc nªu, tÝn hiÖu vµ m¹ch ®iÖn lµ hai kh©u cã mèi quan hÖ chÆt chÏ vµ bæ sung cho nhau cÇn ®−îc chó träng trong viÖc nghiªn cøu thiÕt kÕ x©y dùng nªn c¸c hÖ thèng ®iÖn tö. C¸c hÖ thèng nµy lµ kh«ng thÓ thiÕu trong nh÷ng øng dông thuéc c«ng nghÖ thông tin và truyền thông hiện đại. Có thể mô tả đơn giản một hệ thống đó nh− hình 1.1 sau.. NhiÔu. Nguån tin. C¶m biÕn. M¹ch ®iÖn tö. Kªnh th«ng tin. M¹ch ®iÖn tö. C¶m biÕn. Tin ®−îc nhËn. H×nh 1.1. C¸c thµnh phÇn trong mét hÖ thèng ®iÖn tö.. Tin tøc nh− tiÕng nãi, h×nh ¶nh, sè liÖu, v.v... tõ nguån tin qua c¸c cảm biến đ−ợc chuyển đổi thành các tín hiệu điện t−ơng ứng. Thí dụ khi một cảm biến nh− microphone đ−ợc đặt tr−ớc một ng−ời đang nói, hai đầu lối ra của nó sẽ xuất hiện một điện áp biến thiên có biên độ tỷ lệ víi ¸p suÊt ©m thanh. TÝn hiÖu nµy ®−îc ®−a tíi lèi vµo cña m¹ch ®iÖn tử để gia công, xử lý. Trong tr−ờng hợp này là một mạch khuếch đại, có tác dụng tăng biên độ của tín hiệu ở lối vào của mạch (là lối ra của. 1.

(8) microphone) từ cỡ mili-vôn lên hàng vôn hoặc vài chục vôn đủ để kích mét bé ph¸t c«ng suÊt ra loa. Trong vµi tr−êng hîp kh¸c, m¹ch ®iÖn lại có chức năng nh− điều chế tín hiệu, đổi tần, m∙ hoá, v.v... Nếu cần truyÒn ®i xa, tÝn hiÖu nµy ®−îc göi qua mét hoÆc vµi kªnh th«ng tin. C¸c kªnh nµy lµ c¸c m«i tr−êng truyÒn sãng ®iÖn tõ, thÝ dô nh− c¸p đồng trục, cáp quang hoặc không gian xung quanh (trong tr−ờng hợp th«ng tin v« tuyÕn). ë ®Çu kia cña kªnh, mét m¹ch ®iÖn thu cã nhiÖm vô thu nhận tín hiệu này rồi gia công, xử lý nó cho những mục đích nào đó, thí dụ nh− khuếch đại, tái tạo lại dạng gốc của tín hiệu, giải điều chÕ, gi¶i m∙, v.v... Trong c¶ hÖ thèng nh− vËy, ngoµi tÝn hiÖu nh− ta võa nãi, ®−îc quy −íc gäi lµ thµnh phÇn tÝn hiÖu cã Ých, hÖ thèng lu«n lu«n chịu tác động của rất nhiều nguyên nhân khác nhau làm ảnh h−ởng tíi tÝn hiÖu. ThÝ dô nh− th¨ng gi¸ng cña c¸c ®iÖn tö nhiÖt g©y nªn mét dòng điện có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên gọi là ồn nhiệt trong lối vào của các bộ khuếch đại điện tử có mức tín hiệu rất thấp, các sãng ®iÖn tõ cña dßng ®iÖn thµnh phè 50 Hz, c¸c xung ®iÖn ph¸t ra tõ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn trong phßng th©m nhËp vµo c¸c hÖ ®iÖn tö, v.v... C¸c tác động này gọi chung là nhiễu và đ−ợc coi nh− một thành phần tín hiÖu v« Ých. NhiÔu ®−îc céng hoÆc nh©n víi thµnh phÇn tÝn hiÖu cã Ých g©y nªn sù mÐo d¹ng tÝn hiÖu hoÆc lµm tÝn hiÖu bÞ nhËn ch×m trong nã. Trong nhiÒu tr−êng hîp, ®iÒu nµy lµm cho m¹ch ®iÖn thu kh«ng thÓ ph¸t hiÖn ra ®−îc tÝn hiÖu cã Ých nÕu kh«ng cã sù gia c«ng xö lý thÝch hîp. V× vËy viÖc chèng l¹i c¸c can nhiÔu hay lµm gi¶m ¶nh h−ëng cña chóng lµ mét trong nh÷ng nhiÖm vô quan träng cña thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö.. 1.2. Các đại l−ợng cơ bản của tín hiệu Các đại l−ợng điện cơ bản trong một mạch điện tử bao gồm: điện tích, điện thế, hiệu điện thế, dòng điện, trở kháng và công suất. Các đại l−îng nµy ®∙ ®−îc kh¶o s¸t rÊt kü trong c¸c gi¸o tr×nh ®iÖn tõ häc. ë đây chỉ nhắc lại một cách khái quát các định nghĩa và áp dụng chúng trong c¸c m¹ch ®iÖn tö. §iÖn tÝch lµ mét thuéc tÝnh cña vËt chÊt. C¸c lo¹i vËt liÖu (bao hàm cả vật dẫn điện hoặc cách điện) đều đ−ợc tạo thành từ các nguyên tử trong đó có hạt nhân và các điện tử. Tính chất dẫn điện của vật liệu 2.

(9) phô thuéc vµo c¸c ®iÖn tö liªn kÕt yÕu víi nguyªn tö. Mçi ®iÖn tö mang một điện tích bằng 1,6ì10-19 Coulomb, ký hiệu là C. Coulomb là một đơn vị ®iÖn tÝch ®−îc chuÈn ho¸ vµ nh− vËy nã t−¬ng ®−¬ng víi tæng ®iÖn tÝch cña cì 6,25×1018 ®iÖn tö. C¸c ®iÖn tÝch trong tù nhiªn cã gi¸ trÞ b»ng sè nguyªn lÇn ®iÖn tÝch cña mét ®iÖn tö. §iÖn tÝch cña ®iÖn tö ®−îc quy −íc cã dÊu ©m (-), do vËy ®iÖn tÝch cña h¹t nh©n nguyªn tö cã dÊu d−¬ng (+). Sù tån t¹i cña c¸c ®iÖn tÝch cã thÓ ®−îc ph¸t hiÖn qua sù t−¬ng t¸c lực giữa chúng. Lực t−ơng tác đó đ−ợc xác định nh− sau: F = Fe (q1, q2 , R) + Fm (q1, v1, q2, v2, R) Trong đó Fe là lực tĩnh điện phụ thuộc vào vị trí của các điện tích, Fm là lực từ phụ thuộc vào vị trí và chuyển động của các ®iÖn tÝch; q1 vµ q2 lµ gi¸ trÞ t−¬ng øng cña hai ®iÖn tÝch, v1 vµ v2 lµ vËn tốc chuyển động của 2 điện tích và R là khoảng cách giữa chóng. Năng l−ợng trao đổi giữa các điện tích sẽ sinh ra lực điện. Lực này gây nên chuyển động của các điện tích và sinh ra công. §iÖn thÕ Vx t¹i mét ®iÓm x trong kh«ng gian lµ c«ng ph¶i thùc hiÖn để đ−a một đơn vị điện tích từ vô cùng đến điểm đó. Nếu một điểm y khác cã ®iÖn thÕ lµ Vy th× hiÖu sè ®iÖn thÕ gi÷a 2 ®iÓm x vµ y gäi lµ ®iÖn ¸p giữa hai điểm đó, có thể đ−ợc ký hiệu là Uxy. Điện áp này đ−ợc quy −ớc là d−¬ng nÕu ®iÓm x cã ®iÖn thÕ d−¬ng so víi ®iÓm y vµ ng−îc l¹i. Tøc lµ: Uxy = − Uyx Theo định nghĩa trên, nếu gọi A là công do lực điện sinh ra để chuyển l−ợng điện tích Q đi từ điểm x đến y thì hiệu thế U bằng:. U xy =. A Q. Trong sơ đồ mạch điện, th−ờng bỏ qua các chỉ số kép và th−ờng viết ®iÖn ¸p so víi mét ®iÓm ®−îc chän lµm ®iÓm gèc nh− thÝ dô víi ®iÓm z sau: 3.

(10) Uxz = 5V , Uyz = 7V → viÕt: Ux = 5V vµ Uy = 7V v× coi ®iÖn thÕ ë ®iÓm gèc z lµ 0 V. Khi đó nói điện áp ở một điểm nào đó có nghĩa là điện thế của điểm đó so với gốc chung. Dßng ®iÖn lµ l−îng ®iÖn tÝch chuyÓn dêi qua d©y dÉn hay qua c¸c phần tử của mạch điện trong một đơn vị thời gian (dòng điện dẫn) hay cã khi chØ lµ sù biÕn thiªn cña ®iÖn tr−êng theo thêi gian (dßng ®iÖn dÞch). ChiÒu cña dßng ®iÖn trong m¹ch ®−îc quy −íc ch¶y tõ n¬i cã ®iÖn thế cao (+) tới nơi có điện thế thấp (−). Do định nghĩa nh− vậy dòng điện I trªn mét ®o¹n m¹ch cã l−îng ®iÖn tÝch Q chuyÓn qua trong thêi gian t sÏ lµ: I=. Q t. C«ng suÊt lµ c«ng mµ dßng ®iÖn s¶n ra trªn ®o¹n m¹ch trong mét đơn vị thời gian. Do đó công suất P đ−ợc sinh ra bởi dòng điện I khi chảy giữa 2 điểm của đoạn mạch có điện áp đặt vào U sẽ là:. P=. c«ng c«ng diÖn tÝch A Q = × = × = UI thêi gian diÖn tÝch thêi gian Q t. Trong thực tế còn tính đến công suất trung bình trong một kho¶ng thêi gian T ®∙ cho. Gi¸ trÞ nµy gäi lµ c«ng suÊt hiÖu dông vµ b»ng:. Peff. 1 = T. T. ∫ P( t )dt 0. 1.3. C¸c phÇn tö thùc vμ phÇn tö lý t−ëng cña m¹ch ®iÖn Ph©n tÝch qu¸ tr×nh x¶y ra trong m¹ch ®iÖn lµ ph¶i t×m ®−îc c¸c gi¸ trÞ vµ d¹ng cña dßng ®iÖn hoÆc ®iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö, linh kiÖn, đoạn mạch, v.v... trong một tr−ờng hợp nào đó. Các phần tử trong mạch ®iÖn thùc tÕ lµ c¸c phÇn tö thùc. Chóng bao gåm c¶ c¸c th«ng sè chÝnh vµ c¸c th«ng sè ký sinh. §Ó râ kh¸i niÖm nµy ta h∙y lÊy mét thÝ dô vÒ mét ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸ch quÊn d©y cã ®iÖn trë suÊt cao (nh− constantan) lªn mét èng sø c¸ch ®iÖn nh− h×nh vÏ 1.2.a. V× ®o¹n d©y constantan ®−îc cuèn trªn lâi sø theo d¹ng lß xo ruét gµ ®∙ t¹o nªn mét cuén ®iÖn c¶m cã gi¸ trÞ ®iÖn c¶m tuy rÊt nhá Lks, cã khi chØ cì 4.

(11) phÇn m−êi μH (10-7 H), nh−ng vÉn kh¸c kh«ng. ChØ sè ks viÕt t¾t tõ ch÷ "ký sinh" cã nghÜa lµ phÇn tö t¹p t¸n, nhá so víi gi¸ trÞ b×nh th−êng. MÆt kh¸c, c¸c vßng d©y ®−îc cuèn s¸t nhau nh−ng c¸ch ®iÖn víi nhau ®∙ t¹o nªn c¸c b¶n tô ký sinh mµ tæng ®iÖn dung cña chóng tuy rÊt nhá, chØ cì 1pF (10-12 F), nh−ng vÉn kh¸c kh«ng. Nh− vËy, mét c¸ch chÝnh x¸c sơ đồ thực của cái điện trở không chỉ đơn thuần có điện trở R của đoạn dây constantan nh− trong sơ đồ lý t−ởng ở hình 1.2.c mà còn phải thêm vµo mét cuén c¶m Lks m¾c nèi tiÕp víi nã vµ mét tô ®iÖn Cks m¾c song song víi c¶ hai nh− h×nh 1.2.b. §o¹n d©y constantan cã ®iÖn trë b»ng R. Lks. R. →. èng sø c¸ch ®iÖn. A. A. B. B. (a). ≈. R. Cks. (b). (c). H×nh 1.2. PhÇn tö thùc vµ lý t−ëng.. Nh− vÒ sau sÏ thÊy, gi¸ trÞ trë kh¸ng cña c¸c phÇn tö ký sinh nµy phụ thuộc vào tần số. Do đó khi phân tích mạch điện chứa các phần tử hoạt động thực tế ở một dải tần số không quá đặc biệt thì th−ờng ng−ời ta đơn giản hoá, coi các phần tử của mạch là lý t−ởng, tức là giá trị của các thông số ký sinh bằng không. Tức là phải đảm bảo rằng giá trị của các thông số ký sinh trong dải tần số tín hiệu hoạt động đó là đủ nhỏ để có thể bỏ qua so với thông số chính, sao cho kết quả phân tÝch lµ chÊp nhËn ®−îc. ThÝ dô víi c¸i ®iÖn trë th«ng th−êng ®−îc chÕ t¹o nh− h×nh 1.2.a cã gi¸ trÞ ®iÖn trë cì 1.000 Ω th× cã thÓ thiÕt kÕ cho sö dụng trong các mạch điện khuếch đại trong dải tần số âm thanh vài chôc kHz trë xuèng mµ kh«ng cÇn quan t©m tíi c¸c gi¸ trÞ ®iÖn c¶m vµ điện dung ký sinh của nó. Trong khi đó nếu phải thiết kế một mạch điện khác hoạt động ở dải tần số rất cao cỡ vài chục GHz nh− trong kỹ thuật ra-đa thì không thể không tính đến các thông số ký sinh này khi thiết kế mạch nếu vẫn muốn dùng đến nó mà không muốn thay bằng các điện trở đ−ợc chế tạo đặc biệt có các thông số ký sinh nhỏ hơn n÷a.. 5.

(12) Do ®−îc kh¶o s¸t trong d¶i tÇn sè kh«ng qu¸ cao, nh÷ng linh kiÖn đ−ợc đề cập tới trong phạm vi giáo trình này thuộc loại các phần tử ®−îc coi lµ lý t−ëng.. 1.4. Mạch điện, hệ thống điện tử vμ các loại sơ đồ của nó Để thực hiện một mục đích nào đó, nhà thiết kế phải tập hợp một số linh kiện điện tử với nhau và liên kết chúng lại về ph−ơng diện điện để t¹o thµnh c¸c m¹ch ®iÖn tö. C¸c linh kiÖn nµy cã thÓ lµ nh÷ng linh kiÖn c¬ b¶n nh− ®iÖn trë, tô ®iÖn, cuén c¶m, c¸c nguån thÕ hay nguån dßng. Chóng còng cã thÓ lµ nh÷ng c¶m biÕn hay c¸c phÇn tö tÝch cùc phøc t¹p h¬n nh− transistor hay vi m¹ch. Nèi c¸c linh kiÖn víi nhau cã nghÜa lµ liªn kÕt c¸c lèi vµo hay lèi ra cña chóng b»ng c¸c d©y dÉn mµ trong ®iÒu kiÖn lý t−ëng coi nh− cã ®iÖn trë d©y b»ng kh«ng. BiÓu hiÖn b»ng b¶n vÏ cña c¸c m¹ch hoÆc hÖ thèng ®iÖn tö lµ c¸c s¬ đồ mạch. Cách trình bày nh− hình 1.1 gọi là sơ đồ khối của hệ thống điện tö hay trong tr−êng hîp kh¸c lµ cña m¹ch ®iÖn tö. H×nh 1.3.a tr×nh bµy thí dụ về một sơ đồ nguyên lý của một mạch điện bao gồm các linh kiện nh− transistor, ®iÖn trë, tô ®iÖn vµ c¸c ®Çu nèi lèi vµo (input), lèi ra (output). Hình 1.3.b là sự thể hiện trên thực tế của mạch này, đó là một bản mạch gồm các phần dẫn điện bằng đồng đ−ợc phủ trên 2 mặt một miÕng phÝp c¸ch ®iÖn, gäi lµ b¶n m¹ch l¾p r¸p. Trong tr−êng hîp nµy b¶n mạch còn gồm các lỗ để cắm chân các linh kiện với công nghệ xuyên lç. HiÖn nay cßn cã c«ng nghÖ l¾p r¸p c¸c linh kiÖn lªn b¶n m¹ch gäi là công nghệ gắn bề mặt, trong đó các chân linh kiện đ−ợc hàn ngay lªn mét bÒ m¨t chøa nã (b»ng thiÕc hµn hay chÊt keo dÉn ®iÖn) chø kh«ng cÇn c¾m xuyªn qua lç vµ hµn ch©n ë bÒ mÆt kia nh− cò. Víi c«ng nghÖ g¾n bÒ mÆt hiÖn nay ng−êi ta cã thÓ thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c b¶n m¹ch in cã nhiÒu líp, mçi líp chøa c¸c ®−êng d©y nèi thËm chÝ c¶ linh kiÖn ®−îc tiÓu h×nh ho¸ trªn nã. C«ng nghÖ nµy cho phÐp gi¶m nhá kÝch th−íc b¶n m¹ch in ®i rÊt nhiÒu. B¶n m¹ch l¾p r¸p ®−îc thùc hiÖn dùa trên bản vẽ của nó đ−ợc gọi là sơ đồ lắp ráp. Hình 1.3.c là ảnh chụp bản mạch lắp ráp đ∙ đ−ợc cắm các linh kiện trên đó. Hình 1.4 là thí dụ đơn gi¶n so s¸nh 2 c«ng nghÖ g¾n c¸c linh kiÖn ®iÖn tö lµ: c«ng nghÖ xuyªn lç vµ c«ng nghÖ g¾n bÒ mÆt.. 6.

(13) (a). (b). (c). Hình 1.3. a) Sơ đồ nguyên lý mạch điện. b) Bản mạch lắp ráp. c) Hình ảnh bản mạch có linh kiện đ−ợc lắp ráp trên đó. Linh kiÖn. Ch©n linh kiÖn. PhÝp c¸ch ®iÖn. (a) H×nh 1.4. Hai c«ng nghÖ l¾p r¸p linh kiÖn lªn b¶n m¹ch in:. Líp d©y dÉn đồng. ThiÕc hµn. Lç xuyªn. a) C«ng nghÖ xuyªn lç, b) C«ng nghÖ g¾n bÒ mÆt.. (b). Linh kiÖn. Keo dÉn ®iÖn Líp c¸ch ®iÖn 1. Líp c¸ch ®iÖn 2. Keo dÉn ®iÖn Linh kiÖn. Ch−¬ng 2 tÝn hiÖu vμ c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch. 7.

(14) Trong kü thuËt ®iÖn tö, d¹ng vËt lý cuèi cïng cña tÝn hiÖu lµ c¸c sãng ®iÖn tõ (ë c¸c kh©u trung gian nã cã thÓ ë c¸c d¹ng kh¸c nh− điện, từ, v.v...). Từ đây khi nói đến tín hiệu ta quy −ớc hiểu ngầm là tín hiÖu ®iÖn, sãng ®iÖn. Nãi chung tÝn hiÖu lµ l−îng vËt lý biÕn thiªn theo thêi gian nªn vÒ mÆt to¸n nã th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng mét biÓu thøc hay đồ thị phụ thuộc theo thời gian. Thí dụ: với tín hiệu nói chung: s = s(t), víi ®iÖn ¸p: u = u(t), víi dßng ®iÖn: i = i(t) vµ víi tõ th«ng: φ = φ(t), v.v.... 2.1. TÝn hiÖu ®−îc biÓu diÔn theo thêi gian 2.1.1. C¸c tÝn hiÖu tuÇn hoμn vμ kh«ng tuÇn hoμn ®iÓn h×nh Nếu qua các khoảng thời gian T nhất định, các giá trị bất kỳ của tín hiệu lại lặp lại nh− tr−ớc thì tín hiệu đó gọi là tuần hoàn. Biểu thức cña tÝn hiÖu tuÇn hoµn s(t) lµ mét hµm tuÇn hoµn víi chu kú T nh− sau: s(t) = s(t + T). (2.1). NÕu mét tÝn hiÖu kh«ng t×m ®−îc gi¸ trÞ h÷u h¹n cña T tho¶ m∙n biÓu thøc (2.1) hay nãi c¸ch kh¸c T→ ∞ , ta cã tÝn hiÖu kh«ng tuÇn hoµn. Râ rµng tÝn hiÖu tuÇn hoµn chØ lµ mét trõu t−îng to¸n häc v× biÓu thøc (2.1) ph¶i tho¶ m∙n víi mäi t tõ − ∞ < t < +∞ . Tuy nhiªn nÕu kho¶ng thêi gian tồn tại tín hiệu đủ dài hơn chu kỳ tín hiệu nhiều thì có thể coi tín hiệu đó là tuần hoàn. Thí dụ, khi đóng rồi ngắt một dòng điện hình sin trong mạng điện thành phố có tần số 50Hz qua một bóng đèn thực tế ta chØ cã ®−îc mét ®o¹n tÝn hiÖu trong kho¶ng thêi gian h÷u h¹n tõ khi đóng đến khi ngắt công tắc. Tuy nhiên nếu đoạn tín hiệu đó, cũng chính là thời gian quan sát là 1 giây đủ dài so với chu kỳ dòng điện T = 1/ 50 = 0,02 gi©y th× ta cã thÓ coi ®©y lµ qu¸ tr×nh tuÇn hoµn. Ta h∙y xÐt 2 lo¹i tÝn hiÖu tuÇn hoµn vµ kh«ng tuÇn hoµn ®iÓn h×nh nhất là dao động điều hoà và xung đơn vị. Dao động điều hoà có tần số f đ−ợc biểu diễn bằng biểu thức: s(t) = A cos (ωt − ϕ). 8. (2.2).

(15) Trong đó A là biên độ, ω là tần số góc. s(t) ωT = 2π. A. b»ng 2πf vµ ϕ lµ pha ban ®Çu (hay dÞch pha) của s(t). Hình 2.1 là đồ thị thời gian. ϕ ωt. 0. của dao động điều hoà. Rõ ràng dao động này là một tín hiệu tuần hoàn có. -A. chu kú T = 2π/ ω.. H×nh 2.1. TÝn hiÖu ®iÒu hoµ.. Xung đơn vị hay hàm Đi-rắc đ−ợc định nghĩa nh− sau:. ⎧0 ⎩∞. δ(t ) = ⎨. +∞. t≠0. ∫ δ ( t )dt ≈ δ ( t )dt = 1. víi. t=0. (2.3). −∞. Hình 2.2. là biểu diễn đồ thị cho xung. δ(t). đơn vị. Ta cũng thấy rằng đây là loại tín hiệu không tuần hoàn đặc biệt và còng lµ mét trõu t−îng to¸n häc,. t. kh«ng tån t¹i trong thùc tÕ.. -∞. 0. -∞. Từ tín hiệu xung đơn vị, ng−ời ta suy Hình 2.2. Tín hiệu xung đơn vị.. ra một tín hiệu đặc biệt khác thông. dụng hơn là tín hiệu nhảy bậc đơn vị 1(t), đ−ợc định nghĩa nh− sau: t. ⎧0 1( t ) = δ ( t )dt = ⎨ ⎩1 -∞. ∫. t<0 t≥0. (2.4). Hình 2.3.a là biểu diễn đồ thị của tín hiệu nhảy bậc đơn vị và. 1(t). (a). 1. h×nh 2.3.b lµ mét thÝ dô øng dông cña nã trong viÖc m« t¶ qu¸ trình đóng mạch điện một tín hiÖu ®iÒu hoµ ë mét thêi ®iÓm t = t0 nào đó nh− sau:. 0. t0. 0. t0. I. t. I0. (b) t. I ( t ) = 1( t − t 0 )I 0 cos( ωt − ϕ ) Hình 2.3. a) Hàm đơn vị. b) Mô tả quá trình đóng dòng điện điều hoà tại thời ®iÓm t0.. DÉn gi¶i ra ta cã:. ⎧0 I( t ) = ⎨ ⎩ I 0 cos( ωt − ϕ ). khi t < 0 khi t ≥ t 0. (2.5). 9.

(16) 2.1.2. Tín hiệu xác định vμ tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu là xác định (quyết định) khi biểu thức giải tích hay đồ thị thời gian của nó là hoàn toàn biết tr−ớc. Điều đó có nghĩa là giá trị các thông số của tín hiệu hoàn toàn có thể xác định chính xác tại một thêi ®iÓm bÊt kú. Nh÷ng tÝn hiÖu nµy ®−îc coi lµ tÝn hiÖu cã Ých. TÝn hiÖu ngÉu nhiªn l¹i kh¸c, gi¸ trÞ cña nã t¹i tõng thêi ®iÓm không thể xác định chính xác đ−ợc mà chỉ có thể biết nó nằm trong một khoảng nào đó với một hàm phân bố xác suất. Chuyển động nhiệt cña c¸c ®iÖn tö trong vËt dÉn g©y nªn nh÷ng th¨ng gi¸ng ®iÖn ngÉu nhiên là một thí dụ. Chuyển động đó tạo ra dòng điện ngẫu nhiên có giá trị biên độ cỡ d−ới μA trong vật dẫn gọi là dòng ồn (noise). Dòng ®iÖn nµy ®−îc coi lµ mét tÝn hiÖu ngÉu nhiªn v« Ých trén lÉn víi dßng điện tín hiệu xác định và khi độ lớn tín hiệu có ích cùng bậc với ồn, ta sÏ gÆp khã kh¨n cho viÖc nhËn biÕt nã khi kh«ng ®−îc xö lý cÈn thËn. C¸c nguån ph¸t sãng tõ c¸c thiÕt bÞ kh¸c xung quanh m¹ch ®iÖn tö cũng gây nên những kích động ngẫu nhiên tác động lên mạch gọi là can nhiÔu. C¸c can nhiÔu nµy bao gåm c¶ nh÷ng th¨ng gi¸ng vÒ nhiÖt độ, độ ẩm, áp suất môi tr−ờng, v.v... Nếu muốn xử lý để nhận biết, tách ra tín hiệu xác định trên một nền ồn lớn thì phải nắm rõ bản chất của cả hai loại tín hiệu xác định và tín hiÖu ngÉu nhiªn nµy. 2.1.3.. TÝn hiÖu t−¬ng tù vμ tÝn hiÖu sè. TÝn hiÖu khi ®−îc biÓu diÔn theo thêi gian cã thÓ ®−îc ph©n lµm 4 lo¹i sau: 1. Tín hiệu t−ơng tự (analog signal) là tín hiệu có biên độ có thể biến thiên liên tục theo thời gian. Nói cách khác biên độ và thời gian cña tÝn hiÖu t−¬ng tù lµ liªn tôc. 2. TÝn hiÖu rêi r¹c lµ tÝn hiÖu cã biÕn thêi gian rêi r¹c, tøc lµ biªn độ chỉ đ−ợc xác định tại những thời điểm rời rạc nhất định của thang thời gian. Các giá trị biên độ của tín hiệu trong tr−ờng hợp này chỉ đ−ợc xác định tại các thời điểm rời rạc t0, t1,, ..., tn. Ta có thể thu đ−ợc tín hiÖu rêi r¹c b»ng viÖc lÊy mÉu tÝn hiÖu t−¬ng tù.. 10.

(17) 3. TÝn hiÖu ®−îc l−îng tö ho¸ lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù nh−ng cã biªn độ đ−ợc rời rạc hoá theo một số mức hữu hạn. Với một thời điểm bất kỳ nào đó, biên độ tín hiệu có thể nằm giữa 2 mức liền kề nh−ng bị buộc gán cho chØ mét møc mµ th«i (thÝ dô møc thÊp h¬n) v× tÝn hiÖu l−îng tö ho¸ sẽ luôn chỉ có một số hữu hạn giá trị rời rạc các biên độ. 4. TÝn hiÖu sè (digital signal) lµ tÝn hiÖu ®−îc rêi r¹c ho¸ theo thời gian và đ−ợc l−ợng tử hoá về biên độ. 2.1.4. Quá trình quá độ vμ quá trình dừng Quá trình quá độ của một tín hiệu nằm trong khoảng thời gian mà biên độ hoặc dạng tín hiệu còn có. Biên độ. những đột biến lớn trong khi quá tr×nh dõng n»m trong kho¶ng thêi gian mµ th«ng sè cña tÝn hiÖu ®∙ trë. t. nên ổn định. Hình 2.4 cho ta hình ảnh của quá trình quá độ và quá trình. t0. t1. dừng của một sóng sin có biên độ tăng. Hình 2.4. Quá trình quá độ và quá. nhanh tới một giá trị ổn định. Khoảng. tr×nh dõng.. thời gian từ t0 đến t1 là quá trình quá độ vì biên độ của sóng còn đang có đột biến tăng. Còn khoảng thời gian từ t1 trở đi có thể coi là quá trình dừng vì biên độ của sóng sin đ∙ trở nên ổn định. 2.1.5. C¸c gi¸ trÞ ®o cña tÝn hiÖu theo thêi gian Tõ biÓu thøc cña tÝn hiÖu theo thêi gian ta rót ra mét sè gi¸ trÞ ®o cña nã th−êng ®−îc sö dông nh− sau: 1. Gi¸ trÞ trung b×nh cña tÝn hiÖu trong kho¶ng thêi gian τ tõ t0 đến t0 +τ là:. s( t ) =. 1. τ. t 0 +τ. ∫ s( t )dt. (2.6). t0. Với hàm tuần hoàn, trung bình trong suốt trục thời gian (từ -∞ đến +∞) b»ng trung b×nh trong mét chu kú tÝn hiÖu. 2. Công suất tức thời của tín hiệu là bình ph−ơng của tín hiệu đó s (t). Do vËy c«ng cña tÝn hiÖu sinh ra trong kho¶ng thêi gian τ lµ: 2. 11.

(18) t 0 +τ. ES =. ∫ s ( t )dt 2. (2.7). t0. 3. C«ng suÊt trung b×nh lµ gi¸ trÞ trung b×nh cña c«ng suÊt tøc thêi trong thêi gian tån t¹i: 2. PS = s ( t ) =. 1. τ. t 0 +τ. ∫ s ( t )dt 2. (2.8). t0. 4. Giá trị hiệu dụng của tín hiệu chính bằng độ lớn của tín hiệu mét chiÒu DC s¶n ra cïng mét c«ng suÊt nh− tÝn hiÖu ®ang xÐt:. s hd = c«ng suÊt trung binh =. 1 t0 +τ. τ. 2. ∫ s (t ) dt. (2.9). t0. ThÝ dô, víi tÝn hiÖu ®iÒu hoµ h×nh sin cã: gi¸ trÞ trung b×nh trong 1 chu kú lµ b»ng 0 vµ gi¸ trÞ hiÖu dông lµ b»ng. 1 2. ≈ 0,7 biên độ sóng sin.. 5. Dải động của tín hiệu là tỷ số các giá trị cực đại và cực tiểu của công suất tức thời của tín hiệu. Thông số này đ−ợc đo bằng đơn vị đề-ci-ben:. DdB = 10 log. s 2 (t )max s(t )max = 20 log 2 s (t )min s(t )min. (2.10). 2.2. TÝn hiÖu ®−îc biÓu diÔn theo miÒn tÇn sè Trong thùc tÕ ngoµi c¸ch biÓu diÔn tÝn hiÖu theo miÒn thêi gian nh− nãi trªn cßn cã thÓ biÓu diÔn tÝn hiÖu theo mét hµm phô thuéc tÇn sè. XuÊt ph¸t ®iÓm vÒ mÆt to¸n häc cña viÖc nµy lµ cã thÓ ph©n tÝch mét hµm sè ra thµnh mét chuçi v« h¹n c¸c hµm trùc giao nÕu hµm cÇn ph©n tÝch tho¶ m∙n ®iÒu kiÖn Dirichlet. §ã lµ hµm ph¶i giíi néi, trong mét chu kỳ có một số xác định cực đại, cực tiểu và một số xác định điểm gián đoạn. Các hàm số biểu diễn các sóng tín hiệu thực tế đều thoả m∙n ®iÒu kiÖn nµy. Mét hµm trùc giao th−êng dïng lµ hµm mò ¶o e jnωt = cos nωt + j sin nωt . Từ đây dẫn đến việc có thể biến đổi một hàm số biểu. diÔn tÝn hiÖu theo thêi gian thµnh mét tæng v« h¹n c¸c hµm ®iÒu hoµ víi c¸c tÇn sè kh¸c nhau gäi lµ phæ Fourier cña tÝn hiÖu.. 12.

(19) 2.2.1. Phæ Fourier cña tÝn hiÖu tuÇn hoμn Tõ c¬ së nãi trªn, mét tÝn hiÖu tuÇn hoµn víi chu kú T, tÇn sè gãc ω = 2π/ T, ®−îc biÓu diÔn b»ng hµm thêi gian s(t) cã thÓ ®−îc ph©n tÝch t¹i thêi ®iÓm t0 thµnh tæng cña v« sè c¸c hµm mò phøc nh− sau: +∞. s(t ) = ∑ An e jnω0t n = −∞. 1 t0 + T − jnω0 t Trong ® ã A n = ∫ s(t )e T t0. ⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎭⎪. (2.11). C¸c biÓu thøc nµy gäi lµ c¸ch biÓu diÔn phøc theo chuçi Fourier cña tÝn hiÖu s(t). TriÓn khai ra ta cã: ∞. s( t ) = A0 +. ∑ (A e n. jnωt. ). + A− n e − jnωt = A0 +. ∑ [(A. n. + A− n ) cos nωt + j ( An − A− n ) sin nωt ]. n =1. n =1. 1 = T. A− n. Trong đó. ∞. t0 +T. ∫ s( t )e. jnωt. dt lµ sè liªn hîp phøc cña An.. t0. Nếu đặt:. ⎫ s( t ) cos nωtdt ⎪ ⎪ t0 ⎪ ⎬ t0 +T ⎪ 2 bn ≡ j ( An − A− n ) = s( t ) sin nωtdt ⎪ T ⎪⎭ t0 2 an ≡ An + A− n = T. t 0 +T. ∫. (2.12). ∫. Ta sÏ cã : ∞. s( t ) = A0 +. ∑ (an cos nωt + bn sin nωt ) n =1. víi. 1 A0 = T. t 0 +T. ∫ s( t )dt t0. ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭. (2.13). ViÕt d−íi d¹ng gän h¬n ta sÏ ®−îc c¸ch biÓu diÔn thùc theo chuçi Fourier cña tÝn hiÖu s(t):. 13.

(20) ∞. s( t ) = A0 +. ∑C. n. n =1. víi. A0 =. ∫ s( t )dt t0. a n2. Cn = an =. t 0 +T. 1 T. 2 T. +. ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ b ⎪ ϕ n = arctg n ⎪ an ⎪ t 0 +T ⎪ 2 bn = s( t ) sin nωtdt ⎪ ⎪ T t0 ⎭. cos (nωt − ϕ n ). bn2. t 0 +T. ∫ s( t ) cos nωtdt t0. (2.14). ∫. ở đây, n là số nguyên d−ơng và t0 là một thời điểm nào đó, th−ờng ®−îc chän b»ng 0. Biểu thức 2.14 nói lên rằng một tín hiệu tuần hoàn bất kỳ đều có thể ®−îc ph©n tÝch thµnh tæng cña tÝn hiÖu mét chiÒu (A0 lµ trÞ trung b×nh của tín hiệu) và vô số các tín hiệu điều hoà đơn giản có biên độ và dịch pha (Cn, ϕn) kh¸c nhau vµ tÇn sè lµ béi cña nhau. Víi n =1, tÇn sè 1ω ≡ ω0 ®−îc gäi lµ tÇn sè c¬ b¶n vµ sãng cã tÇn sè nµy gäi lµ ho¹ ba bËc mét. C¸c sãng cã tÇn sè lµ béi sè cña nã (nω0) ®−îc gäi t−¬ng øng lµ c¸c ho¹ ba bËc cao. ViÖc ph©n tÝch nµy mang mét ý nghÜa thùc tÕ lµ: thay v× ph¶i xÐt một dao động tuần hoàn phức tạp ta có thể xét các dao động điều hoà đơn giản hơn tạo nên nó. Thí dụ hình 2.5 cho thấy một dao động tuần hoàn phức tạp đ−ợc phân tích thành tổng của thành phần một chiều cùng 2 dao động điều hoà cã tÇn sè gÊp ba nhau, cã biªn A. độ và pha ban đầu khác nhau. Ta thÊy tÝn hiÖu s(t) cã thÓ ®−îc biÓu diÔn bëi tæng cña v« sè c¸c hµm ®iÒu hoµ mµ mçi hµm nµy l¹i ®−îc x¸c định bởi các cặp thông số Cn vµ ϕn phô thuéc vµo tÇn sè. VËy cã thÓ dïng c¸c cÆp nµy. 3,5. Dao động tuÇn hoµn phøc t¹p. Thµnh phÇn 1 chiÒu. 2,5 2,0. t. 0 -1. Ho¹ ba bËc 3 Ho¹ ba bËc 1. Hình 2.5. Phân tích dao động tuần hoàn thµnh c¸c thµnh phÇn trong chuçi Fourier.. để biểu diễn cho tín hiệu theo miền tần số hoàn toàn t−ơng đ−ơng với 14.

(21) c¸ch viÕt biÓu thøc gi¶i tÝch cña tÝn hiÖu nµy theo miÒn thêi gian. C¸ch biÓu diÔn nh− vËy gäi lµ biÓu diÔn theo phæ tÇn sè. Nếu biểu diễn kết quả phân tích trên tại một đồ thị với các giá trị tÇn sè ωn trªn trôc hoµnh, th× tËp hîp c¸c v¹ch song song víi trôc tung có chiều dài t−ơng ứng với giá trị biên độ các hoạ ba Cn gọi là phổ biên độ- tần số hay th−ờng gọi tắt là phổ biên độ của tín hiệu tuần hoµn s(t). T−¬ng tù nh− vËy, mét tËp hîp c¸c v¹ch song song víi trôc tung cã chiÒu dµi b»ng −ϕn ®−îc gäi lµ phæ pha cña tÝn hiÖu tuÇn hoµn s(t). Trong thÝ dô trªn ta sÏ cã hµm sè biÓu diÔn tÝn hiÖu tuÇn hoµn ®−îc phân tích thành 3 số hạng: thành phần một chiều có biên độ bằng 2, hoạ ba bậc một có biên độ bằng C1 = 2,5 và tần số chuẩn hoá bằng ω0 nào đó, hoạ ba bậc ba có biên độ bằng C3 = 1 và tần số bằng 3ω0. Trong tr−ờng hợp này các hoạ ba còn lại bằng 0. Phổ biên độ và phổ pha của nó đ−ợc chØ ra trªn h×nh 2.6. ϕn. Cn. ϕ3. + π/2. C1 a0/2. ω0 0. C3 - π/2 0. ω0. 3ω0. 3ω0. ω. ϕ1. ω. Hình 2.6. Phổ biên độ và phổ pha của tín hiệu trong hình 2.5.. Nh− vậy, tín hiệu tuần hoàn là tập hợp các vạch có độ lớn khác nhau vµ kho¶ng c¸ch trªn thang tÇn sè gi÷a hai v¹ch l©n cËn lµ b»ng 2π/ T. Ta nãi r»ng tÝn hiÖu tuÇn hoµn cã phæ v¹ch rêi r¹c. VÒ mÆt lý thuyÕt, sè v¹ch phæ cña mét tÝn hiÖu tuÇn hoµn s(t) cã thÓ lµ v« h¹n. Tuy nhiªn ®a sè c¸c tr−êng hîp trong thùc tÕ khi n t¨ng tíi mét gi¸ trÞ nào đó thì biên độ Cn giảm khá nhanh và tới một mức độ nào đó có thể bỏ qua. Do đó, có thể coi phổ chỉ hạn chế trong một khoảng tần số hữu h¹n. Kho¶ng tÇn sè nµy gäi lµ bÒ réng phæ cña tÝn hiÖu. 2.2.2. Phæ Fourier cña tÝn hiÖu kh«ng tuÇn hoμn. 15.

(22) NÕu coi tÝn hiÖu kh«ng tuÇn hoµn lµ tÝn hiÖu tuÇn hoµn cã chu kú T tiÕn tíi v« cïng th× ta cã thÓ tÝnh ®−îc phæ Fourier cña nã. Tr−íc tiªn h∙y chØ xÐt s(t) trong kho¶ng thêi gian mét chu kú, gi¶ thiÕt b»ng (-T/2, T/2), sau đó sẽ mở rộng khoảng này ra suốt thang thời gian, nghĩa là cho T→∞. C«ng thøc (2.11) ®−îc viÕt l¹i cËn lÊy tæng: +∞. ∑A e. s( t ) =. n. ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭. jnω0t. n = −∞. 1 An = T. T/2. ∫ s( t )e. − jnω0t. −T / 2. Khi T→ ∞, sÏ cã c¸c giíi h¹n sau:. 2π → dω , T. (2.15). nω → ω ,. An → A( ω ) , lúc đó. An trë thµnh:. ⎡ 1 s( t )e − jnωt dt = ⎢ ⎢⎣ 2π −T / 2. ⎤ s( t )e − jωt dt ⎥ dω ⎥⎦ −∞. +T / 2. 1 2π . T →∞ 2π T. +∞. ∫. A( ω ) = lim. ∫. NÕu tÝch ph©n trong mãc vu«ng héi tô th× A(ω) sÏ lµ mét sè v« cïng nhỏ, lúc đó đặt:. 1 S( ω ) ≡ 2π sao cho. +∞. ∫. s( t )e − jωt dt. −∞. A(ω ) = S(ω )dω. ⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪⎭. (2.16). S(ω) gọi là mật độ phổ phức hay phổ phức của tín hiệu không tuần hoµn s(t). §Õn ®©y hµm s(t) còng tiÕn tíi giíi h¹n lµ: ∞. s( t ) = lim. T →∞. ∑A e n. +∞. jnωt. =. n = −∞. ∫ S( ω )e. jωt. dω. −∞. Viết lại 2 kết quả trên ta có cặp biến đổi Fourier của tín hiệu không tuÇn hoµn nh− sau: +∞. s( t ) =. ∫. S ( ω )e jωt dω. −∞. 1 S( ω ) ≡ 2π. +∞. ∫ s( t )e. −∞. − jωt. dt. ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭. (2.17). Công thức d−ới là biến đổi thuận còn công thức trên gọi là biến đổi ng−îc. 16.

(23) Về mặt vật lý, cặp biến đổi Fourier chỉ ra rằng tín hiệu s(t) có thể coi là tổng của vô số dao động điều hoà có tần số biến thiên liên tục trên suốt trục tần số (từ −∞ đến +∞) với biên độ vô cùng nhỏ phân bố trên trục tần số theo mật độ S ( ω ) . Từ đây có nhận xét rằng: tín hiệu tuần hoàn là một tr−ờng hợp đặc biệt của tín hiệu không tuần hoàn có mật độ phổ lớn vô cùng ở vị trí các vạch phổ và triệt tiêu ở ngoài vạch. Thực vậy, nếu dùng hàm đơn vị. δ(t) ta sẽ viết đ−ợc mật độ phổ tuần hoàn có chu kỳ T nh− sau: S( ω ) =. ∑ A δ ( ω − nω ). (2.18). n. n. Sao cho theo (2.16) cã:. S ( ω )dω = A( ω ) =. ⎧ An. ∑ A δ ( ω − nω )dω = ⎨⎩0 n. t¹i ω = nω t¹i ω ≠ nω. n. (2.19). ThÝ dô víi tÝn hiÖu ®iÒu hoµ cã: s( t ) = A0 cos( ω 0 t − ϕ 0 ) =. {. 1 A e [ j ( ω0t −ϕ0 )] + e [− j( ω0t −ϕ0 )] 2. }. Theo (2.18) ta có mật độ phổ của nó là:. S( ω ) =. [. ]. 1 A0 e − jϕ0 δ ( ω − ω 0 ) + e jϕ0 δ ( ω + ω 0 ) 2. (2.20). H×nh 2.7 cho thÝ dô vÒ mét sè tÝn hiÖu ®iÓn h×nh ®−îc biÓu diÔn trong miÒn thêi gian vµ phæ Fourier cña chóng trong miÒn tÇn sè.. 17.

(24) H×nh 2.7. Phæ Fourier cña mét sè tÝn hiÖu ®iÓn h×nh.. Mét nhËn xÐt s¬ bé cho thÊy: tÝn hiÖu cµng hÑp trong miÒn thêi gian th× cã phæ cµng tr¶i réng trong miÒn tÇn sè vµ ng−îc l¹i tÝn hiÖu cµng tr¶i réng trong miÒn thêi gian th× phæ cña nã cµng hÑp. ThÝ dô, phæ cña xung đơn vị trải dài trên suốt trục tần số từ 0 đến ∞ với mật độ phổ không đổi, do đó gọi là phổ trắng. Trong khi đó phổ của sóng sin tuần hoµn tr¶i dµi trªn c¶ trôc thêi gian l¹i chØ gåm mét v¹ch phæ. 2.2.3. Mét sè tÝnh chÊt cña phæ tÝn hiÖu D−íi ®©y tr×nh bµy mét vµi tÝnh chÊt c¬ b¶n cña phæ (kh«ng chøng minh).. • TÝnh tuyÕn tÝnh Cho tÝn hiÖu s(t) lµ tæ hîp tuyÕn tÝnh cña k tÝn hiÖu thµnh phÇn si(t) :. s(t ) =. k. ∑ a i s i (t ). i =1. 18. víi ai vµ k lµ c¸c h»ng sè. NÕu mçi si(t) cã phæ.

(25) t−¬ng øng lµ Si(ω), th× phæ S(ω) cña s(t) sÏ b»ng: k. S( ω ) =. ∑a S (ω ) i. i. i =1. Ta cã thÓ tr×nh bµy tãm t¾t tÝnh chÊt nµy trong 2 miÒn t vµ ω nh− sau: k. s( t ) =. ∑. k. S( ω ) =. ⇔. ai si ( t ). i =1. ∑a S (ω ) i. (2.21). i. i =1. • Phổ của đạo hàm và tích phân Cho tín hiệu s(t) có phổ S(ω), đạo hàm bậc k của s(t) là. d k s (t ) dt. sÏ cã. phæ lµ: S(k)(ω) = (jω)k S(ω). (2.22) t. Tích phân của s(t) lấy từ -∞ đến thời điểm t là. ∫ s(t )dt. sÏ cã phæ lµ:. −∞. S ( −1 ) =. 1 S( ω ) jω. (2.23). Nh− vËy c¸c phÐp lÊy vi ph©n vµ tÝch ph©n trong miÒn thêi gian víi tÝn hiÖu s(t) t−¬ng øng lÇn l−ît víi c¸c phÐp nh©n vµ chia (jω) trong miền tần số với mật độ phổ S(ω).. • Phæ cña tÝch 2 hµm sè Cho s(t) = s1(t)s2(t), trong đó S1(ω) và S2(ω) lần l−ợt là phổ của s1(t) và s2(t). TÝnh phæ S(ω) cña s(t).. 1 Ta cã: S (ω ) = 2π. ∞. ∫ s (t ).s (t )e 1. dt , thay s1(t) b»ng phæ cña nã:. −∞. ∞. s1 (t ) =. − jωt. 2. ∫ S (ν )e. jν t. 1. dt. (l−u ý rằng tích phân lấy theo ν để. −∞. tr¸nh lÉn víi ω).. S (ω ) =. 1 2π. ∞ ∞. ∫ ∫S. (ν )s 2 (t )e [− j (ω −ν ) t ] dvdt. -∞ -∞. ⎧ 1 = ∫ S 1 (ν )dν ⎨ -∞ ⎩ 2π ∞. ®−îc:. 1. ∞. =. ∫S. 1. [− j (ω −ν ) t ] ⎫ s ( t ) e dt ⎬ 2 ∫ -∞ ⎭ ∞. (2.24). (ν ) S 2 (ω − ν )dν. -∞. 19.

(26) BiÓu thøc cuèi cïng cña (2.20) gäi lµ tÝch chËp cña c¸c phæ S1 vµ S2. Nh− vËy tÝch th−êng trong miÒn thêi gian cña c¸c tÝn hiÖu t−¬ng ®−¬ng với tích chập trong miền tần số của các mật độ phổ.. • Phæ cña tÝch chËp hai tÝn hiÖu Ng−îc l¹i víi tr−êng hîp trªn ta cã. ∫. s( t ) = s1 ( t )s 2 ( t − τ )dτ lµ tÝch. chËp cña hai tÝn hiÖu s1(t) cã phæ ®∙ biÕt lµ S1(ω) vµ s2(t) cã phæ ®∙ biÕt lµ S2(ω). TÝnh phæ S(ω) cña s(t).. S( ω ) =. Ta cã:. 1 2π. 1 = 2π. ∞ ∞. ∫ ∫ s ( τ )s ( t − τ )e 1. 2. − jωt. dtdτ. −∞−∞ ∞. ∫ s(τ )e. ∞. − jωτ. dτ. −∞. ∫ s ( t − τ )e 2. [− jω ( t −τ ]. dt. (2.25). −∞. = 2πS1 ( ω )S 2 ( ω ) Nh− vËy tÝch chËp cña c¸c tÝn hiÖu trong miÒn thêi gian t−¬ng đ−ơng với tích th−ờng trong miền tần số của các mật độ phổ.. • Phæ cña tÝn hiÖu trÔ Cho tÝn hiÖu s(t) cã phæ S(ω), phæ cña tÝn hiÖu trÔ mét kho¶ng thêi gian τ lµ s(t−τ) sÏ cã phæ lµ:. Sτ ( ω ) = e − jωτ S ( ω ). (2.26). • ảnh h−ởng của thay đổi thang thời gian đến phổ: Cho tÝn hiÖu s(t) cã phæ S(ω), phæ cña tÝn hiÖu s(at) lµ: Sa (ω ) =. 1 ⎛ω ⎞ S⎜ ⎟ a ⎝a⎠. (2.27). Nh− vậy mọi sự thay đổi trên thang thời gian theo một tỷ lệ nào đó sẽ t−ơng ứng với một sự thay đổi trên thang tần số theo tỷ lệ ng−ợc. §iÒu nµy dÉn tíi mét kÕt luËn lµ víi mét d¹ng tÝn hiÖu ®∙ cho, nÕu tÝn hiÖu cµng kÐo dµi theo thêi gian th× phæ cña nã cµng hÑp vµ ng−îc l¹i.. • Mật độ phổ năng l−ợng: Năng l−ợng của tín hiệu trên suốt thời gian tån t¹i nh− sau:. 20.

(27) ∞. ∫. ∞. s 2 ( t )dt =. −∞. ∫. −∞. ∞. ∞. ∫. S ( ω )dω s( t )e jωt dt = 2π −∞. ∫. ∞. S ( ω )S ( −ω )dω = 2π. −∞. ∫ S( ω ). 2. dω. (2.28). −∞. §©y gäi lµ c«ng thøc Pac-xª-van. Do vÕ tr¸i lµ n¨ng l−îng nªn S( ω ). 2. biểu thị cho sự phân bố năng l−ợng nên đ−ợc gọi là mật độ phổ. n¨ng l−îng. Trong tr−êng hîp tÝn hiÖu tuÇn hoµn n¨ng l−îng chØ cÇn tÝnh trong mét chu kú.. 2.3. Nguyªn lý xÕp chång Mạch tuyến tính tuân theo nguyên lý xếp chồng tức là: tác động của một tín hiệu phức tạp lên mạch điện bằng tổng tác động của các tín hiệu thành phần tạo nên tín hiệu đó. Bởi vậy, khi cần khảo sát một tín hiệu phức tạp nào đó tác động lên một mạch điện tuyến tính, ta có thể phân tín hiệu đó ra thành. s(t). những tín hiệu đơn giản. Sau đó A4. xét tác động của từng tín hiệu. A3. đơn giản đó lên mạch. Tổng hợp chóng l¹i sÏ ®−îc kÕt qu¶ cÇn. A2 A1. A0. khảo sát. Các tín hiệu đơn giản τ1 τ2. cÇn ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c hµm. τ3. τ4. t. phæ biÕn vµ dÔ tÝnh to¸n. Nh÷ng hàm đó th−ờng là các hàm điều. H×nh 2.8. TÝn hiÖu vµo b»ng xÕp chång. hoà hay hàm nhảy bậc đơn vị.. cña c¸c. Ph−¬ng ph¸p phæ kÓ trªn còng lµ. tín hiệu nhảy bậc đơn vị.. ph−¬ng ph¸p xÕp chång, thÝ dô khi ph©n tÝch phæ cña mét tÝn hiÖu tuÇn hoµn phøc t¹p ra thµnh tæng cña v« sè tÝn hiÖu ®iÒu hoµ cã tÇn sè lµ béi cña nhau. MÆt kh¸c, mét tÝn hiÖu lèi vµo bÊt kú còng cã thÓ xem nh− là tổ hợp của vô số các tín hiệu nhảy bậc đơn vị nh− hình 2.8. và có thÓ ph©n tÝch thµnh: n. s(t ) ≈ A0 1(t ) + ∑ Ai 1(t − τ i ) víi τ lµ kho¶ng thêi gian trÔ thø i. i =1. (2.29). 2.4. NhiÔu vμ c¸c tÝnh chÊt cña nã. 21.

(28) 2.4.1. Ph©n lo¹i nhiÔu Nhiễu là danh từ dùng để chỉ tất cả các loại tín hiệu vô ích tác động lên tín hiệu có ích trong mạch điện tử và các kênh thông tin làm ảnh h−ởng đến việc thu nhận và xử lý tín hiệu. Nhiễu có thể đ−ợc phân lo¹i theo quy luËt biÕn thiªn theo thêi gian (xung nhiÔu, nhiÔu liªn tôc), theo bÒ réng phæ (nhiÔu tr¾ng, nhiÔu hång), theo luËt ph©n bè x¸c suất (nhiễu đồng nhất, nhiễu chuẩn gauss) hay theo ph−ơng thức tác động lên tín hiệu (nhiễu cộng, nhiễu nhân). Một cách phân loại phổ biến lµ ph©n theo nhiÔu ngo¹i vµ nhiÔu néi. NhiÔu ngo¹i xuÊt ph¸t tõ c¸c nguån g©y nhiÔu bªn ngoµi m¹ch ®iÖn tử nh−: Nhiễu công nghiệp bao gồm các loại nhiễu từ các đài phát sóng cã phæ gÇn víi phæ tÇn sè lµm viÖc cña m¹ch ®iÖn; nhiÔu do c¸c thiÕt bÞ điện, điện tử đặc biệt trong mạng điện thành phố gây ra; nhiễu do các ph−ơng tiện vận tải, các động cơ điện (đặc biệt các loại có các chổi góp điện bằng than), các dụng cụ điện trong gia đình, các thiết bị điện trong công nghiệp (đặc biệt là loại hoạt động ở dải tần số cao), v.v... NhiÔu khÝ quyÓn vµ bøc x¹ vò trô bao gåm c¸c bøc x¹ ®iÖn tõ trong thêi gian gi«ng b∙o, sÊm chíp, c¸c b∙o bôi, c¸c th¨ng gi¸ng trong tÇng iôn của khí quyển, các đợt bức xạ mạnh từ mặt trời, v.v... NhiÔu néi ®−îc sinh ra ngay trong b¶n th©n c¸c c¶m biÕn, c¸c linh kiÖn vµ hÖ thèng m¹ch ®iÖn tö. §ã lµ c¸c th¨ng gi¸ng ®iÖn g¾n liÒn víi b¶n chÊt cña c¸c l−îng vËt lý kh¸c nhau vµ vÒ nguyªn t¾c lµ kh«ng thÓ tr¸nh ®−îc. Hai d¹ng c¬ b¶n nhÊt cña lo¹i nhiÔu nµy lµ ån nhiÖt vµ ồn nổ. ồn nhiệt hay còn gọi là ồn Johnson xuất hiện do sự chuyển động nhiÖt cña c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn trong vËt dÉn (thÝ dô c¸c ®iÖn tö) vµ do vậy nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Thế ồn hiệu dụng trên một điện trở R là. Vrms = 4kTRΔf (trong đó k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ K và Δf là d¶i tÇn sè ®o). ån næ hay cßn gäi lµ ån Shottky sinh ra do sù chuyÓn động ngẫu nhiên của các điện tích khi chuyển qua một môi tr−ờng chuyển tiếp nào đó. Thí dụ nh− ồn sinh ra do các hạt tải điện nh− điện tö chuyÓn qua líp tiÕp gi¸p b¸n dÉn p-n ta sÏ kh¶o s¸t sau. Dßng ån nµy đ−ợc tính bằng I rms = Qe IΔf (trong đó Qe là điện tích của điện tử, I là dòng điện hoạt động của thiết bị).. 22.

(29) 2.4.2. NhiÔu céng vμ nhiÔu nh©n – tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu S/N Hai dạng đơn giản nhất của ph−ơng thức tác động của nhiễu lên tín hiệu là tác động cộng và nhân. Gọi s(t) là tín hiệu có ích, n(t) là can nhiÔu, sÏ cã tÝn hiÖu tæng hîp x(t) lµ: Víi nhiÔu céng:. x(t) = s(t) + n(t). (2.30) Víi nhiÔu nh©n:. x(t) = n(t) s(t). (2.31) Trong tr−êng hîp phøc t¹p h¬n nhiÔu cã thÓ cßn gåm c¶ hai lo¹i tuy r»ng hiÕm khi x¶y ra: x(t) = n1(t) s(t) + n2(t) Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng quan t©m tíi tæng cña c¸c lo¹i nhiễu hiện diện. Nếu các nguồn nhiễu u1, u2, ... hoàn toàn độc lập với nhau th× gi¸ trÞ hiÖu dông (b×nh ph−¬ng trung b×nh) cña nhiÔu tæng sÏ b»ng tæng c¸c gi¸ trÞ hiÖu dông cña c¸c nguån nhiÔu thµnh phÇn:. u 2 = u12 + u22 + u32 + ... Trong tr−ờng hợp nhiễu cộng, để định l−ợng chất l−ợng của tín hiÖu thu nhËn ®−îc ng−êi ta th−êng quan t©m tíi tû sè tÝn hiÖu/ nhiÔu (th−ờng ký hiệu là S/N hay SN). Tỷ số này đ−ợc định nghĩa nh− sau:. S Gi¸ trÞ hiÖu dông cña tÝn hiÖu s2 = = N Gi¸ trÞ hiÖu dông cña nhiÔu (ån) n 2. (2.32). Trong đo l−ờng lại hay dùng đơn vị logarit là đề-ci-ben (dB):. S / NdB = 10 log10. s2 n2. (2.33). Tû sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu lµ mét th«ng sè rÊt quan träng kh«ng nh÷ng trong hÖ thèng ®iÖn tö mµ nãi chung trong c¶ c¸c hÖ thèng thông tin và điều khiển vì nó có ảnh h−ởng chính đến chất l−ợng và độ tin cậy của hệ thống. Vì vậy cần có những biện pháp để nâng cao tỷ số này. Cách đơn giản nhất là việc trả giá bằng cách tăng công suất của nguồn tín hiệu, tăng độ dài của tín hiệu (kéo dài thời gian thông tin, lÆp l¹i,...) hay më réng phæ cña tÝn hiÖu. Tuy nhiªn v× nhiÒu lý do, kh«ng ph¶i lóc nµo còng thùc hiÖn ®−îc c¸c biÖn ph¸p nµy. Mét biÖn ph¸p kh¸c 23.

(30) là nghiên cứu bản chất của tín hiệu và nhiễu để từ đó tìm ra các quy luËt xö lý tÝn hiÖu gèc thu nhËn ®−îc nh»m t¨ng ®−îc tû sè S/N ë lèi ra bộ xử lý đến mức cần thiết. Đó là mục tiêu của một ngành học hiện ®ang ®−îc ph¸t triÓn m¹nh lµ xö lý tÝn hiÖu.. 2.5. §iÒu chÕ tÝn hiÖu 2.5.1. Kh¸i niÖm vÒ sù ®iÒu chÕ vμ gi¶i ®iÒu chÕ §iÒu chÕ lµ qu¸ tr×nh g¾n tin tøc vµo mét t¶i tin. Trong kü thuËt điện tử, nhiều khi phải biến đổi tín hiệu ra thành các dạng khác cho phù hợp với yêu cầu truyền hoặc xử lý thông tin. Quá trình biến đổi đó gọi lµ m∙ ho¸ tÝn hiÖu. Mét thÝ dô cô thÓ lµ viÖc t×m c¸ch truyÒn ®i xa c¸c tÝn hiÖu tÇn sè thÊp nh− tÝn hiÖu ©m thanh. B¶n th©n c¸c tÝn hiÖu nµy kh«ng thÓ ph¸t ®i xa trùc tiÕp b»ng sãng ®iÖn tõ ®−îc v× n¨ng l−îng cña nã ë d¶i tÇn sè thÊp nh− vËy sÏ bÞ suy gi¶m rÊt nhanh theo kho¶ng cách. Trong khi đó các sóng cao tần lại có khả năng phát đi xa đ−ợc. Vì vậy, ng−ời ta phải tìm cách làm cho một thông số nào đó của sóng cao tần đ−ợc biến đổi theo quy luật của sóng âm thanh rồi dùng sóng đó phát đi xa. Quá trình biến đổi thông số này gọi là quá trình điều chế tÝn hiÖu. Sãng ©m tÇn trong tr−êng hîp nµy gäi lµ sãng ®iÒu chÕ vµ sãng cao tÇn gäi lµ sãng mang. T¹i n¬i thu, trªn c¬ së sãng cao tÇn thu nhận đ−ợc, ng−ời ta dùng kỹ thuật tách sóng để thu nhận lại tín hiệu điều chế chứa đựng thông tin cần thiết. Ta sẽ khảo sát tỷ mỷ các quá trình này trong một ch−ơng sau. Do vậy, ở đây chỉ đề cập tới một vài vấn đề chung nhất liên quan đến bản chất tín hiệu điều chế. Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, gi¶ sö muèn g¾n mét sãng ®iÒu chÕ F(t) lªn mét sãng mang. f (a, b, c, ...) víi a, b, c, ... lµ c¸c th«ng sè ®iÒu chÕ. (thí dụ biên độ, tần số, ...). Nếu lần l−ợt ta cho một trong các thông số a, b, c thay đổi theo quy luật của F(t) ta sẽ có lần l−ợt các dạng điều chÕ a, d¹ng ®iÒu chÕ b, d¹ng ®iÒu chÕ c, v.v... ThÝ dô: am = a +ΔaF(t). trong đó Δa là hằng số. Từ đó có fm = f(am, b,. c,...) Qu¸ tr×nh nµy ®−îc thùc hiÖn tõ phÝa ph¸t, nghÜa lµ tõ 2 sãng F(t) vµ f(t) ta sÏ t¹o ra mét sãng fm(t). Bªn phÝa thu ph¶i cã nhiÖm vô t¸ch ra tõ. 24.

(31) fm hµm ®iÒu chÕ F(t). §ã lµ qu¸ tr×nh gi¶i ®iÒu chÕ hay cßn gäi lµ qu¸ tr×nh t¸ch sãng. Do tín hiệu có 3 thông số: biên độ, tần số và pha nên th−ờng cũng có 3 loại điều chế: điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha. Mét h×nh thøc th«ng tin th−êng gÆp lµ dïng c¸c sãng mang lµ c¸c dao động điều hoà có tần số cao hơn nhiều tần số của sóng điều chế và ta cã tÝn hiÖu ®iÒu chÕ cao tÇn. C¸c tÇn sè sãng mang ®−îc sö dông n»m trong dải khá rộng từ vài chục kHz đến vài chục GHz th−ờng đ−ợc chia thµnh c¸c d¶i nh− b¶ng sau. D¶i sãng Sãng cùc dµi (VLW) Sãng dµi (LW) Sãng trung (MW) Sãng ng¾n (SW). D¶i tÇn sè. D¶i b−íc sãng. 3 kHz – 30 kHz. 100km – 10 km. 30 kHz – 300 kHz. 10km – 1km. 300 kHz – 3000 kHz. 1000m – 100m. 3 MHz – 30 MHz. 100m – 10m. Sãng cùc ng¾n (VSW): mÐt. 30MHz – 300MHz. 10m – 1m. đêcimet. 300MHz – 3.000MHz. 10dm – 1dm. centimet. 3GHz – 30GHz. 10cm – 1cm. milimet. 30GHz – 300GHz. 10mm – 1mm. 2.5.2. Điều chế biên độ Ta h∙y xét một quá trình điều chế biên độ đơn giản nh− sau. Sóng mang cao tÇn ®iÒu hoµ cã biÓu thøc cña ®iÖn ¸p: f(t) = U0cos(ω0t - ϕ0) Gi¶ thiÕt tin tøc cã d¹ng m(t) vµ lµ hµm sè ®∙ chuÈn ho¸ -1 ≤ m(t) ≤ 1 hay |m(t)| ≤ 1 Khi đó, với tín hiệu điều biên ta có: Um(t) = U0 + ΔUm(t), ¸p. trong đó ΔU là số gia cực đại của biên độ điện. sao. cho. cã. biểu thức sau đây của dao động điều biên: fa = U®b = [U0 + ΔUm(t)] cos(ω0t − ϕ0) (2.34) ViÕt l¹i biÓu thøc (2.34) d−íi d¹ng sau:. 25.

(32) ⎡ ΔU ⎤ U db (t ) = U 0 ⎢1 + m(t )⎥ cos(ω0 t − ϕ 0 ) ⎣ U0 ⎦ γ ≡. ΔU U0. (2.35). gọi là hệ số điều biên hay độ sâu điều chế đảm bảo 0 ≤ γ ≤. 1 Khai triÓn (2.35) dÔ dµng t×m ®−îc phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn: U®b(t) = U0 cos(ω0t - ϕ0) + γU0m(t) cos(ω0t - ϕ0) Số hạng thứ nhất là một dao động điều hoà thuần tuý, phổ của nó theo (2.20) lµ:. [. ]. 1 S 1 ( ω ) = U 0 e − jϕ 0 δ ( ω − ω 0 ) + e jϕ 0 δ ( ω + ω 0 ) 2. Sè h¹ng thø hai lµ tÝch cña hai tÝn hiÖu m(t) vµ cos(ω0t - ϕ0) víi hÖ sè. γU0. Gäi Sm(ω) lµ phæ cña m(t), dïng c«ng thøc tÝnh phæ cña tÝch hai tÝn hiÖu ta cã: S2( ω ) =. γU 0 2. [e. − jϕ 0. ]. S m ( ω − ω 0 ) + e jϕ 0 S m ( ω + ω 0 ). {. 1 S db ( ω ) = S1 ( ω ) + S 2 ( ω ) = U 0 e − jϕ0 [δ (ω − ω 0 ) + γS m ( ω − ω 0 )] + 2 + e jϕ0 δ [(ω + ω 0 ) + γS m (ω + ω 0 )]. }. (2.36). C«ng thøc nµy cho thÊy phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn gåm: c¸c thµnh phần điều hoà có tần số ±ω0 của sóng mang với biên độ U0/ 2 và các phổ Sm(ω) có mật độ phổ cực đại ±Ω của sóng điều chế di chuyển đến xung quanh c¸c tÇn sè ±ω0 víi hÖ sè γ U0/ 2. H×nh 2.9. chØ râ mèi quan hÖ nµy trong miÒn tÇn sè. Râ rµng, kÕt qu¶ cña sù ®iÒu biªn lµ mét sù di chuyÓn phæ cña sãng ®iÒu chÕ (chøa tin tøc) trªn thang tÇn sè tõ miÒn các tần số thấp lên miền các tần số cao. Do đó tín hiệu điều biên sẽ có kh¶ n¨ng bøc x¹ dÔ dµng ®i xa. XÐt trong thùc tÕ chØ cã c¸c tÇn sè d−¬ng th× phæ cña sãng ®−îc ®iÒu chÕ gåm mét v¹ch ë trung t©m cã tÇn sè ω0, v¹ch nµy chØ râ sù cã mặt của sóng mang. Sắp xếp đối xứng hai bên vạch sóng mang là các phần đối xứng của phổ sóng điều chế tần số thấp Sm(ω), gọi là hai dải bên. Chỉ có các dải này mới chứa đựng tin tức đ−ợc truyền đi. Để tiết kiệm công suất phát, có khi ng−ời ta chỉ bức xạ các dải bên mà vẫn đảm bảo. 26.

(33) th«ng tin. Trong tr−êng hîp nµy, tÝn hiÖu ph¸t ®−îc gäi lµ tÝn hiÖu ®iÒu biên cân bằng. Có khi chỉ cần phát 1 dải bên là đủ và có tín hiệu điều biên một dải bên hay tín hiệu phát đơn biên. Sm(ω). -Ω. 0. ω. Ω. S®b(ω) (U0/2) δ(ω+ω0). (γU0/2) Sm(ω+ω0). (U0/2) δ(ω-ω0) (γU0/2) Sm(ω-ω0). -ω0-Ω. -ω0. -ω0+Ω. 0. ω0. ω0-Ω. ω0+Ω. ω. .H×nh 2.9. Sù di chuyÓn phæ trong sãng ®iÒu chÕ.. Xét tr−ờng hợp đơn giản, sóng điều chế m(t) là một hình sin. m( t ) = A0 sin Ωt , ta cã: U db = U 0 [1 + γA0 sin Ωt ]cos ω 0 t TriÓn khai ra ta cã:. 1 1 U db = U 0 cos ω 0 t + U 0 γA0 sin( ω 0 + Ω )t − U 0γA0 sin( ω 0 − Ω )t 2 2. (2.37). Vậy phổ của tín hiệu bao gồm 3 thành phần ω0 và ω0 ± Ω. Hình 2.10 là đồ thÞ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn víi sãng ®iÒu chÕ h×nh sin theo thêi gian vµ phæ cña nã t¹i c¸c tÇn sè d−¬ng.. Sãng ®iÒu chÕ. t. t Sãng mang. 27.

(34) TÝn hiÖu ®iÒu biªn. t. H×nh 2.10. TÝn hiÖu ®iÒu biªn víi sãng ®iÒu chÕ h×nh sin vµ phæ cña nã.. 2.5.3. §iÒu chÕ gãc Các tín hiệu điều tần và điều pha có đặc điểm chung là biên độ không đổi còn góc pha phụ thuộc vào sóng điều chế m(t). Do đó chúng th−êng ®−îc gäi lµ c¸c tÝn hiÖu ®iÒu chÕ gãc v× tÇn sè thùc ra lµ vi ph©n cña gãc pha tøc thêi theo thêi gian (ω = d(ωt + ϕ0) = dϕ / dt) vµ cã thÓ biÓu diÔn tæng qu¸t nh− sau:. U dcg ( t ) = U 0 cos[ω 0 t − θ ( t )]. (2.38). Trong đó θ(t) phụ thuộc m(t) và biến thiên chậm so với ω0t. V× tÇn sè biÕn thiªn theo thêi gian, nªn ë ®©y ph¶i ®−a vµo kh¸i niÖm tÇn sè tøc thêi. Trong tr−êng hîp m(t) cã d¹ng ®iÒu hoµ m(t) = A0cos Ωt , với sóng mang có dạng U0cos ω0t thì tần số tức thời đ−ợc định nghĩa là:. ω ≡ ω 0 + kA0 cos Ωt Vµ cã biÓu thøc tÝn hiÖu ®iÒu tÇn lµ:. kA ⎡ ⎤ U dt ( t ) = U 0 cos ⎢ω 0 t + 0 sin Ωt + ϕ 0 ⎥ Ω ⎣ ⎦ Nh− vậy, biên độ của tín hiệu điều chế bằng U0 không thay đổi, trong khi tần số tức thời ω thay đổi xung quanh ω0 với nhịp Ω và tỷ lệ với biên độ của điện áp điều chế. TÇn sè ω0 khi kh«ng cã ®iÒu chÕ gäi lµ tÇn sè trung t©m. Sù ®iÒu chÕ làm thay đổi tần số tức thời giữa 2 giá trị cực điểm (ω0 - Δω) và (ω0 + Δω).. Δω là độ lệch tần số và nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế (Δω = kA0). Trong ®iÒu chÕ gãc, c¸c tÝnh to¸n vÒ phæ tÇn sè phøc t¹p h¬n tr−ờng hợp điều chế biên độ nên không thuộc phạm vi giáo trình này. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy phæ cã chøa mét tÇn sè trung t©m ω0 vµ một loạt các tần số biên ω0 ± kΩ, với k là số nguyên. Biên độ của các vạch phổ thay đổi theo tỷ số Δω/ Ω và giảm rất nhanh.. 28.

(35) Hình 2.11. là giản đồ tín hiệu điều tần trong tr−ờng hợp sóng điều chÕ lµ hµm t¨ng-gi¶m tuyÕn tÝnh theo thêi gian vµ sãng mang lµ ®iÒu Biên độ Sãng ®iÒu chÕ. Sãng mang. TÝn hiÖu ®iÒu tÇn. t t. t. hoµ. H×nh 2.11. D¹ng phô thuéc thêi gian cña mét lo¹i tÝn hiÖu ®iÒu tÇn.. 29.

(36) Ch−¬ng 3 c¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n kh¶o s¸t M¹ch ®iÖn tö Mạch điện là mô hình của các hệ thống tạo và biến đổi các tín hiệu điện tử. Do quá trình tạo và xö lý tÝn hiÖu lµ phøc t¹p nªn nãi chung, mét m¹ch ®iÖn tö th−êng bao gåm nhiÒu lo¹i phÇn tö nèi ghép với nhau theo nhiều cách. Mỗi phần tử trong mạch có nhiệm vụ riêng đặc tr−ng bởi các thông sè cña nã vµ phô thuéc vµo vÞ trÝ cña nã trong hÖ thèng.. 3.1. Các phần tử, thông số tích cực và thụ động của mạch điện §Ó thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô trªn, cã thÓ xÕp c¸c th«ng sè cña m¹ch theo hai lo¹i c¬ b¶n lµ th«ng số tích cực và thông số thụ động. 3.1.1.. C¸c phÇn tö vµ th«ng sè tÝch cùc. Các thông số tích cực là các thông số đặc tr−ng cho tính chất tạo ra tín hiệu hoặc cung cấp năng l−ợng của các phần tử mạch điện. Thuộc loại này có hai thông số cơ bản là sức điện động E(t) và dòng điện I(t). Nhiều phần tử trong mạch có khả năng tự nó (hay do chịu tác động phi điện ở bên ngoài) tạo ra các điện áp hay dòng điện khác nhau. Những phần tử đó có tên gọi chung là nguồn. ThÝ dô c¸c bé pin, ¾c-quy, c¸c m¸y ph¸t ®iÖn, v.v... do chuyÓn ho¸ c¸c d¹ng n¨ng l−îng kh¸c thµnh năng l−ợng điện, sinh ra ở hai cực của nó một điện áp nào đó khi mắc tải vào hai cực đó. Các phần tö nh− tÕ bµo quang ®iÖn, c¸c micr« ph«n hay biÕn tö ¸p ®iÖn vµ c¶ nh÷ng linh kiÖn b¸n dÉn cã tÝnh khuếch đại tín hiệu nh− transistor, vi mạch, v.v... nh− trình bày về sau cũng thuộc loại này. Do cách xác định hai thông số tạo nguồn sẽ dẫn tới sự phân loại các phần tử tích cực thành hai lo¹i: nguån ®iÖn ¸p vµ nguån dßng ®iÖn. Nguồn điện bình th−ờng (thí dụ nh− pin hoặc ắc-quy) ít nhiều đều có điện áp và dòng điện ra biến đổi theo thời gian khi các nhân tố nh− trở tải, nhiệt độ phòng, sự già hoá của chất điện hoá làm nguồn, v.v... thay đổi. Một nguồn điện áp trong thực tế đ−ợc biểu diễn bằng một nguồn có sức điện động E0 = const không đổi mắc nối tiếp với một trở nội Ri nh− hình 3.1.a. Nếu Ri ≠ 0 thì điện áp ra đặt trên hai đầu điện trở tải sẽ biến đổi theo giá trị của t¶i. Nh−ng trong tr−êng hîp lý t−ëng, khi Ri → 0 thì điện áp này là không đổi dù tải. Ri E0. ~. I0. Ri. I0. E0 ~ có biến đổi thế nào đi nữa. Lúc đó ta có mét nguån ®iÖn ¸p lý t−ëng hay th−êng gäi t¾t lµ nguån ®iÖn ¸p. Còng lý luËn (a) (b) nh− vËy ta cã nguån dßng ®iÖn lý t−ëng, H×nh 3.1. a) Nguån ®iÖn ¸p thùc vµ lý t−ëng, gäi t¾t lµ nguån dßng ®iÖn, nÕu nguån b) Nguån dßng ®iÖn thùc vµ lý t−ëng. nµy cã trë néi Ri b»ng v« cïng. Nh− vËy mét nguån dßng thùc tÕ gåm mét nguån dßng lý t−ëng I0 m¾c song song víi mét néi trë Ri nh− h×nh 3.1.b. 22.

(37) Xét một mạch điện nh− hình 3.2. Theo định luật Ohm ta có điện áp trên trở tải là:. U T = U 0 − Ri I. hay I. U − UT U 0 UT U I= 0 = − = I0 − T Ri Ri Ri Ri. Ri UT. ë ®©y gäi gi¸ trÞ I 0 ≡ U 0 / Ri lµ dßng ng¾n m¹ch nghÜa lµ dòng cực đại mà nguồn có thể cấp cho mạch điện ngoài trong tr−êng hîp cho trë t¶i b»ng 0 (ng¾n m¹ch). ViÖc lùa chän c¸ch m« t¶ nguån lµ tuú thuéc vµo trë néi nhá hay lín so víi trë t¶i RT. 3.1.2.. U0. RT. ~. H×nh 3.2. Dßng ng¾n m¹ch I0.. Các phần tử và thông số thụ động. Các thông số thụ động đặc tr−ng cho các tính chất không tạo tín hiệu và không cung cấp năng l−ợng của các phần tử mạch điện. Thuộc loại này có ba thông số cơ bản: điện trở (nghịch đảo của nã lµ ®iÖn dÉn), ®iÖn c¶m vµ ®iÖn dung. C¸c phÇn tö cã c¸c th«ng sè nµy gäi lµ c¸c phÇn tö thô động. Phản ứng thụ động của một phần tử hay của mạch điện thể hiện qua sự thay đổi trạng thái của nó khi chịu tác động kích thích. Còn trạng thái này lại đ−ợc biểu hiện qua điện áp và dòng điện đặt lên nó. Để đặc tr−ng cho phản ứng của các phần tử mạch điện đối với các tác động của điện áp và dßng ®iÖn, ng−êi ta dïng c¸c th«ng sè qu¸n tÝnh vµ kh«ng qu¸n tÝnh. Thông số không quán tính đặc tr−ng cho tính chất của phần tử khi điện áp tạo nên trên hai đầu của nó (hay dòng điện chạy qua nó) tỷ lệ trực tiếp với dòng điện (hay điện áp đặt trên hai đầu của nó). Thông số này gọi là điện trở (hay điện dẫn) của phần tử, đ−ợc ký hiệu là R (hay G) và xác định bëi c«ng thøc: U(t) = R.I(t) vµ I(t) = G.U(t) Điện trở có thứ nguyên vôn/ ampe và đ−ợc đo bằng đơn vị ôm (Ω), điện dẫn có thứ nguyên 1/. Ω và đo bằng đơn vị simen (S) khi điện áp đo bằng vôn và dòng điện đo bằng ampe. Th«ng sè qu¸n tÝnh gåm cã hai lo¹i: 1. Thông số điện cảm đặc tr−ng cho tính chất của phần tử khi điện áp trên hai đầu của nó tỷ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện chạy qua nó. Thông số điện cảm ký hiệu là L và xác định bởi c«ng thøc:. dI ( t ) dt Điện cảm có thứ nguyên vôn. giây/ ampe và đo bằng đơn vị hen-ri (H). Cùng một bản chất vật lý với thông số điện cảm còn có thông số hỗ cảm đặc tr−ng cho ảnh h−ởng của dòng điện chạy trong một phần tử đến một phần tử khác đặt ở lân cận có hoặc không nối víi nhau vÒ ®iÖn. NÕu trong phÇn tö k cã dßng ch¶y qua lµ Ik th× do hç c¶m trªn phÇn tö l sÏ cã ®iÖn ¸p hç c¶m: U( t ) = L. U l ( t ) = M kl. dI k ( t ) dt 23.

(38) Mkl gäi lµ hÖ sè hç c¶m gi÷a c¸c phÇn tö k vµ l. Ng−îc l¹i, nÕu trong l cã dßng Il th× qua t¸c dông hç c¶m nã còng g©y ra trªn phÇn tö k ®iÖn. dI l ( t ) dt Nh− vậy, do tác dụng đồng thời của các thông số điện cảm của bản thân và hỗ cảm với một phÇn tö l©n cËn, trªn mét phÇn tö sÏ cã ®iÖn ¸p:. ¸p. U k ( t ) = M lk. dI l ( t ) dI ( t ) ± M kl k dt dt dI k ( t ) dI l ( t ) ± M kl Uk(t ) = L dt dt Ul (t ) = L. DÊu ± ®−îc lÊy tuú theo quan hÖ vÒ chiÒu cña c¸c ®iÖn ¸p tù c¶m vµ hç c¶m. 2. Thông số điện dung đặc tr−ng cho tính chất của phần tử mạch điện khi dòng điện đi qua nó tỷ lệ với tốc độ biến thiên của điện áp đặt trên phần tử. Về mặt vật lý, dòng điện nh− vậy mang tính chÊt cña dßng ®iÖn dÞch cã quan hÖ víi ®iÖn ¸p nh− sau:. I( t ) = C. dU ( t ) dt. hay. U( t ) =. 1 C. ∫ I ( t )dt =. Q( t ) C. víi Q(t) lµ ®iÖn tÝch trªn phÇn tö. HÖ sè tû lÖ C gäi lµ ®iÖn dung cña phÇn tö vµ cã thø nguyªn ampe. gi©y/ v«n vµ ®−îc ®o b»ng đơn vị Fara (F).. 3.2. C¸c phÇn tö, m¹ch tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn NÕu c¸c th«ng sè R, L hoÆc C cña mét phÇn tö lµ c¸c h»ng sè, kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn ¸p ë hai đầu và dòng điện đi qua nó thì phần tử đó gọi là phần tử tuyến tính. Ng−ợc lại khi thông số của phÇn tö phô thuéc vµo ®iÖn ¸p ë hai ®Çu hay dßng ®iÖn ®i qua nã th× phÇn tö lµ phi tuyÕn. M¹ch ®iÖn chøa toµn c¸c phÇn tö tuyÕn tÝnh gäi lµ m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh. Nếu trong mạch có chứa dù chỉ một phần tử phi tuyến thì mạch đó là mạch phi tuyến. Từ các định nghĩa trên ta có thể thấy tính chất của mạch tuyến tính nh− sau: 1. §Æc tr−ng v«n-ampe V-A lµ mét ®−êng th¼ng. 2. C¸c qu¸ tr×nh trong hÖ ®−îc biÓu diÔn bëi mét hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n tuyÕn tÝnh thiÕt lập theo các định luật Kirchhoff. 3. M¹ch tuyÕn tÝnh tu©n theo nguyªn lý xÕp chång. NghÜa lµ khi t¸c dông lªn m¹ch nhiÒu sức điện động thì dòng trong mạch là tổng của các dòng thành phần, mỗi dòng t−ơng ứng với một sức điện động riêng phần đó. 4. D−ới tác động của tín hiệu có phổ tần số bất kỳ, trong mạch tuyến tính không sinh ra các sãng hµi (ho¹ ba) víi c¸c tÇn sè míi. §èi víi c¸c m¹ch phi tuyÕn th× ng−îc l¹i: 1. §Æc tr−ng V-A kh«ng lµ ®−êng th¼ng. 24.

(39) 2. Ph−¬ng tr×nh cña m¹ch lµ ph−¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn. 3. Kh«ng ¸p dông ®−îc nguyªn lý xÕp chång. 4. D−ới tác động của tín hiệu bất kỳ, trong mạch có thể sinh ra các tín hiệu có tần số khác. Hình 3.3.a là đặc tr−ng V-A của một phần tử tuyến tính điển hình là cái điện trở có giá trị là điện trở R = dU/ dI = const đ−ợc biểu diễn bằng một đ−ờng thẳng. Trong khi hình 3.3.b là đặc tr−ng V-A của một phần tử phi tuyến nh− cái diode bán dẫn trong đó điện trở của nó phụ thuộc vào điện áp đặt trên hai đầu diode. I(mA). I(mA). 60. 60. 40. 40. 20. 20 20. U(V) 0,3. U(V). 0,6. 0,3. (a). 0,6. (b). H×nh 3.3. §Æc tr−ng V-A cña ®iÖn trë (a) vµ cña diode b¸n dÉn (b).. 3.3. Các định luật Kirchhoff Mục đích của việc tính toán các mạch điện là xác định điện áp và dòng điện tại các đoạn mạch. Trong thùc tÕ th−êng chän mét trong c¸c ®iÓm trªn m¹ch lµm ®iÓm gèc vµ g¸n cho nã gi¸ trÞ ®iÖn thế bằng không (0 V). Trong kỹ thuật gọi điểm đó là mass và th−ờng điểm này hay đ−ợc nối với đất nên cũng th−ờng đ−ợc gọi là điểm đất. Tr−ớc tiên ta điểm lại vài khái niệm cơ bản liên quan đến mạch điện trong lý thuyết mạch khi đ−ợc áp dụng định luật Kirchhoff. Nhánh là phần của mạch chỉ gồm các linh kiện, phần tử nối tiếp nhau và qua đó chỉ có một dßng ®iÖn duy nhÊt ch¶y qua. Nót lµ ®iÓm cña m¹ch chung cho tõ 3 nh¸nh trë lªn. Vòng là phần của mạch bao gồm một số nhánh và nút hợp thành một đ−ờng đi kín qua đó mỗi nh¸nh vµ nót chØ gÆp mét lÇn (trõ nót xuÊt ph¸t cña ®−êng ®i). 3.3.1. §Þnh luËt thø nhÊt cho c¸c dßng ®i qua mét nót m¹ch ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: R1. Tæng c¸c dßng ®iÖn ë mét nót m¹ch ®iÖn b»ng kh«ng.. ∑I. n. =0. U1. ThÝ dô, tÝnh thÕ U3 trong m¹ch nh− h×nh 3.4. sau: T¹i ®iÓm nót A cña m¹ch ®iÖn, nÕu quy −íc 2 dßng vào I1 và I2 là d−ơng, còn dòng ra I3 có dấu âm, theo định. I1 + I 2 − I 3 = 0. I1 A I3. (3.1). n. luËt Kirchhoff thø nhÊt ta sÏ cã:. I2. R2. + −. + − U2. U3. R3. H×nh 3.4. M¹ch nót.. 25.

(40) Theo định luật Ohm có:. I 1 = (U 1 − U 3 ) / R1. I 2 = (U 2 − U 3 ) / R 2. I 3 = U 3 / R3. Thay vµo c«ng thøc trªn cã: U R R + U 2 R1 R3 U3 = 1 2 3 R1 R2 + R1 R3 + R2 R3 3.3.2. §Þnh luËt thø hai cho c¸c ®iÖn ¸p trong mét m¹ch vßng ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: Tæng c¸c ®iÖn ¸p trong mét m¹ch vßng khÐp kÝn lµ b»ng kh«ng.. ∑. U4 R1. Ui = 0. (3.2) U1. i. + −. I. ThÝ dô, trong m¹ch vßng kÝn trªn h×nh 3.5 nÕu quy −íc chiÒu cña dßng ®iÖn trong vßng nh− h×nh vÏ, ta cã:. + −. U2. R2. U1 + U 4 − U 2 + U 3 = 0. U3. U 1 + IR2 − U 2 + IR1 = 0. H×nh 3.5. M¹ch vßng.. 3.4. C¸c m¹ch t−¬ng ®−¬ng Thevenin vµ Norton Nhà điện báo ng−ời Pháp Thevenin đã phát biểu một định lý mang tên ông nhằm làm đơn giản phÐp ph©n tÝch m¹ch ®iÖn. Nã cho phÐp thay thÕ toµn bé m¹ch b»ng mét m¸y ph¸t thÕ t−¬ng ®−¬ng nh− sau: Một mạch bất kỳ gồm các trở và các nguồn sức điện động có hai chốt lối ra a và b đều có thể thay thÕ b»ng mét nguån thÕ VT vµ mét trë t−¬ng ®−¬ng Req m¾c nèi tiÕp. §é lín vµ ph©n cùc cña VT đồng nhất với thế hở mạch tại a và b còn điện trở t−ơng đ−ơng đ−ợc tính trên tải với tất cả các nguån ®−îc t¾t (®o¶n m¹ch qua nguån thÕ vµ hë m¹ch qua nguån dßng). Thí dụ, có mạch điện gồm sức điện động U0 mắc nối tiếp với trở R1 sau đó mắc song song với trë R2 vµ mét t¶i Z gi÷a 2 chèt a vµ b gåm nhiÒu phÇn tö vµ cã dßng ch¶y IZ ch¶y qua nh− h×nh 3.6. Cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng qua m¹ch Z vÉn cã dßng IZ ch¶y qua nÕu t¸c dông vµo m¹ch mét nguồn có sức điện động bằng:. VT =. U 0 R1 vµ cã trë néi b»ng Req = R1 // R2 R1 + R 2. IZ = VT / (Req +Z). Lóc nµy. a R1. =. Req Z. R2 U0. a. IZ. ≈. Z VT. b H×nh 3.6. Mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng Thevenin.. 26. =. b.

(41) Ng−êi Mü Norton còng ®−a ra mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm mét nguån dßng IN ®−îc nèi song song víi mét trë t−¬ng ®−¬ng Req. Trë nµy còng ®−îc tÝnh nh− trªn, cßn gi¸ trÞ nguån dßng IN ®−îc tÝnh b»ng c¸ch ®o¶n m¹ch trë t¶i Z vµ tÝnh dßng ®o¶n m¹ch. H×nh 3.7 lµ thÝ dô vÒ viÖc chuyÓn mét sơ đồ sang sơ đồ t−ơng đ−ơng Norton và có thể tính các giá trị IN và Req nh− quy tắc này. a R2 I0. =. a. R1 R3. IZ Z. IN. ≈. =. Req. Z b. b H×nh 3.7. Mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng Norton.. Gi÷a nguån thÕ Thevenin vµ nguån dßng Norton cã mèi quan hÖ nh− sau; VT = IN Req. (3.3). 3.5. §iÒu kiÖn chuÈn dõng vÒ qu¸ tr×nh sãng trong m¹ch ®iÖn §Þnh luËt Kirchhoff ®−îc thùc hiÖn víi gi¶ thiÕt r»ng dßng ®iÖn trong mét ®o¹n m¹ch kh«ng rÏ nhánh có cùng một giá trị tại mọi thiết diện ngang của đoạn mạch đó. Trong khi đó các kích thích điện từ đ−ợc lan truyền đi trong không gian từ điểm này đến điểm khác trên mạch điện với vận tốc hữu hạn v (cao nhất là bằng vận tốc ánh sáng). Do đó, dòng tại một ®iÓm N trªn m¹ch ®iÖn c¸ch ®iÓm M mét ®o¹n L (h×nh 3.8.) sÏ bÞ trÔ mét l−îng. τ = L/v. Nếu dòng điện tín hiệu lan truyền trong mạch là sóng sin có tần số f thì một câu hỏi đặt ra là kích th−ớc mạch điện cần phải thế nào để dòng điện tại mọi điểm của mỗi đoạn mạch không rẽ nhánh có cùng một giá trị tại mỗi thời điểm khảo sát. Hay nói cách khác, tìm điều kiện để có thể áp dụng định luật Kirchhoff để tính các thông số và các đại l−ợng trên mạch điện. Điều kiện đó là:. τ << T. trong đó T là chu kỳ dao động của dòng điện và bằng 1/ f.. Tøc lµ: L/ v << T. hay L << vT = λ. Trong đó λ là b−ớc sóng của tín hiệu truyÒn trong m¹ch. Từ đó kết luận rằng nếu muốn áp dụng định luật Kirchhoff cho một mạch điện thì kÝch th−íc cña b¶n m¹ch ph¶i nhá h¬n nhiÒu b−íc sãng cña tÝn hiÖu ®−îc truyÒn trên bản mạch đó. Một mạch điện ở trong. (3.4) N. λ. L. M. D©y dÉn ®iÖn. Sãng tÝn hiÖu. B¶n m¹ch ®iÖn. H×nh 3.8. KÝch th−íc b¶n m¹ch ®iÖn vµ b−íc sãng tÝn hiÖu. 27.

(42) ®iÒu kiÖn nh− vËy gäi lµ ë trong tr¹ng th¸i chuÈn dõng. Nãi chung c¸c m¹ch ®iÖn trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö th«ng dông ®−îc tr×nh bµy trong khu«n khæ cña gi¸o tr×nh nµy víi kÝch th−íc trung b×nh ≤ 50 cm, ®−îc thiÕt kÕ lµm viÖc trong d¶i sãng tíi hµng tr¨m MHz (cã b−íc sãng λ cì 3.108 × 1/108 = 3 m) đều thỏa mãn điều kiện chuẩn dừng. Trừ các tr−ờng hợp tần số làm việc trong dải sóng siêu cao (b−íc sãng cì dm, cm hoÆc ng¾n h¬n n÷a) ph¶i ®−îc kh¶o s¸t riªng trong c¸c gi¸o tr×nh vÒ kü thuËt siªu cao tÇn.. 3.6. Đặc tr−ng quá độ và đặc tr−ng dừng của mạch điện Ta đã biết đối với một tín hiệu có 2 quá trình: quá trình quá độ và quá trình dừng. Một mạch điện cũng đ−ợc xác định bởi 2 quá trình nh− vậy. Mỗi quá trình đ−ợc l−ợng hoá bằng đặc tr−ng của chúng: đặc tr−ng quá độ và đặc tr−ng dừng. 3.6.1.. Đặc tr−ng quá độ (transient responce). Đặc tr−ng quá độ của mạch điện là sự phụ thuộc thời gian của điện áp lối ra trên mạch khi tác động tín hiệu nhảy bậc đơn vị ở lối vào. UR. UV = 1(t) 1. M¹ch ®iÖn t. t. Hình 3.9. Đặc tr−ng quá độ của mạch điện.. 3.6.2. §Æc tr−ng dõng (static state responce) XÐt tr−êng hîp tÝn hiÖu trªn m¹ch lµ sãng ®iÒu hoµ cã tÇn sè ω. Trong tr¹ng th¸i dõng, tû sè giữa thế lối ra trên thế lối vào của mạch điện phụ thuộc không chỉ vào biên độ mà còn phụ thuộc vào độ lêch pha giữa thế và dòng chảy qua mạch. Do vậy, có thể biểu diễn tỷ số này bằng một số phức có biên độ và pha t−ơng ứng và gọi nó là hệ số truyền phức của mạch. →. K (ω ) ≡. →. U ra →. = K (ω )e jϕ (ω ). (3.5). U vµo Lóc nµy m«-®un K vµ gãc lÖch pha ϕ lµ c¸c hµm phô thuéc tÇn sè cña tÝn hiÖu: K = K(ω) vµ ϕ = ϕ (ω) Đây là hai đặc tr−ng dừng của mạch điện và t−ơng ứng đ−ợc gọi là đáp ứng biên độ-tần số (th−ờng gọi là đáp ứng tần số) và đáp ứng pha-tần số (th−ờng gọi là đáp ứng pha). Nếu K là không đổi trên suốt trục tần số thì tín hiệu truyền qua sẽ không bị mất mát thành phần phổ nào và ta có tín hiệu không bị méo, có chăng chỉ bị trễ đi một khoảng thời gian nào đó. Ta nói mạch điện có dải truyền qua là lý t−ởng (dải truyền Δω từ -∞ đến +∞). Nh−ng trong các mạch điện thực tế, th−ờng K(ω) không đồng đều trên suốt trục tần số mà có dạng nh− hình 3.10. 28.

(43) Do nhiều nguyên nhân khác nhau trong một mạch điện thực, K chỉ gọi là đồng đều trong một d¶i tÇn sè h÷u h¹n, cßn th× b¾t ®Çu gi¶m dÇn K/ Kmax hoÆc tõ mét tÇn sè thÊp hoÆc gi¶m dÇn tõ 1 một tần số cao nào đó. Ng−ời ta quy −ớc dải truyÒn qua cña m¹ch lµ d¶i tÇn tõ ωt tíi ωc lµ. Δω. =. ωc. −. ωt. øng. víi. tû. 0,7. Δω. sè. K 1 = ≈ 0,7 07. NÕu tÝn hiÖu truyÒn qua K max 2 m¹ch cã c¸c thµnh phÇn tÇn sè n»m trong d¶i. 0. ωt. ωc. ω. H×nh 3.10. D¶i truyÒn qua cña m¹ch ®iÖn.. nµy th× cã thÓ coi lµ kh«ng bÞ mÐo sau khi ®i qua m¹ch. Hai tÇn sè thÊp vµ cao (ωt vµ ωc) øng víi c¸c møc K t = K c =. 1 2. gäi lµ c¸c tÇn sè c¾t.. 3.7. C¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n ph©n tÝch m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh 3.7.1. Ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n kinh ®iÓn Ph−ơng pháp trực tiếp nhất để phân tích mạch điện tuyến tính là giải hệ ph−ơng trình vi phân mô tả mạch đ−ợc xác lập nhờ vào các định luật Kirchhoff. Đây gọi là ph−ơng pháp tích phân kinh điển. Theo ph−ơng pháp này, để tìm nghiệm tổng quát của hệ ph−ơng trình vi phân tuyến tính, ta t×m nghiÖm tæng qu¸t cña hÖ ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt t−¬ng øng (ph−¬ng tr×nh cã vÕ ph¶i b»ng không), sau đó cộng thêm một nghiệm riêng của hệ ph−ơng trình không thuần nhất. HÖ ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt cña m¹ch ®−îc lËp nªn tõ hÖ ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t víi viÖc triÖt tiêu tất cả các nguồn tác động trong mạch (sức điện động và dòng điện). Nh− vậy, về mặt vật lý hệ ph−ơng trình thuần nhất chẳng qua chỉ đặc tr−ng cho một chế độ làm việc đặc biệt của mạch khi không có bất kỳ một nguồn tác động nào. Ta gọi đó là chế độ tự do và nghiệm tổng quát của hệ ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt còng ®−îc gäi lµ nghiÖm tù do cña m¹ch ®iÖn. Nghiệm riêng của hệ ph−ơng trình không thuần nhất là phụ thuộc vào các nguồn tác động, do đó nó còn đ−ợc gọi là nghiệm c−ỡng bức của mạch. Theo lý thuyết toán cao cấp giải ph−ơng trình vi phân tuyến tính đã học, ta biết rằng việc tìm ra các điều kiện đầu để xác định các hằng số tích phân của nghiệm tổng quát là rất quan trọng. Trong mạch điện, các điều kiện đầu đ−ợc quyết định chủ yếu trong các thông số L và C, mà ở đây có thể phát biểu d−ới dạng các luật đóng ngắt. Các luật này quy định tình trạng trong các phần tử quán tính của mạch ở lân cận những thời điểm đóng và ngắt các nguồn tác động cũng nh− các thông số thụ động. Nói một cách tổng quát hơn là ở những thời điểm có những đột biến trong các thông số của mạch. Với hai loại phần tử quán tính ta có hai luật đóng ngắt sau: a) Dòng điện trong phần tử điện cảm phải biến thiên liên tục ngay cả tại các thời điểm có đột biÕn trong c¸c th«ng sè cña m¹ch. b) Điện áp trên phần tử điện dung phải biến thiên liên tục ngay cả tại thời điểm có đột biến trong c¸c th«ng sè cña m¹ch. 29.

(44) Các luật đóng ngắt này rất thuận lợi cho việc tính toán nh−ng ch−a đủ tổng quát và có thể gặp một số tr−ờng hợp không thể áp dụng đ−ợc. Lúc đó có thể dùng các phát biểu sau đây tổng quát h¬n: a) Tổng các từ thông móc vòng trong một vòng kín phải liên tục ngay cả tại thời điểm có đột biến trong các thông số của vòng đó. b) Tổng điện tích tại một nút của mạch phải liên tục ngay cả tại thời điểm có đột biến trong các thông số của các nhánh nối với nút đó.. ∑ L I (0 + ) = ∑ L I (0 −) ∑ C U (0 + ) = ∑ C U (0 −) h h. k k. h. k. l. l. m. l. (3.6). m. m. h và k chỉ các nhánh của vòng kín đang xét sau và tr−ớc khi xảy ra đột biến, l và m chỉ các nhánh nối vào nút đang xét sau và tr−ớc khi xảy ra đột biến; các thời điểm 0+ và 0- chỉ những lân cận sau và tr−ớc thời điểm xảy ra đột biến. Xét tính chất của các nghiệm. Nghiệm tự do đặc tr−ng cho tính chất riêng và tình trạng ban đầu của mạch (tình trạng ở các thời điểm xảy ra đột biến). Nó chỉ phụ thuộc vào tính chất của nguồn tác động ở mức độ các nguồn này ảnh h−ởng đến tình trạng ban đầu của mạch. Trong nhiều tr−ờng hợp th−ờng gặp, nghiệm tự do có tính chất dao động xung quanh một giá trị cố định. Lúc đó nó còn đ−ợc gọi là dao động riêng hay dao động tự do của mạch điện. Nghiệm c−ỡng bức đặc tr−ng cho quan hệ giữa mạch với các nguồn tác động lên nó và xác định tình trạng trong mạch ở chế độ xác lập. R. Ta h·y nªu mét thÝ dô tÝnh ®iÖn ¸p lèi ra UC trên tụ điện khi tác động một tín hiệu nhảy bậc đơn vÞ lªn mét m¹ch ®iÖn gåm 2 phÇn tö R vµ C nh− h×nh 3.11 b»ng ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n kinh ®iÓn. ThiÕt lËp ph−¬ng tr×nh Kirchhoff trong m¹ch:. I. 1(t)U0. C. UC. H×nh 3.11. TÝnh ®iÖn ¸p Uc trong m¹ch R, C.. 1 U R + U C = IR + ∫ Idt = 1(t )U 0 C dU C 1 Idt = 0 → RC + UC = 0 ∫ C dt 1 IR + ∫ Idt = 1(t )U 0 C IR + Ph−¬ng tr×nh thuÇn nhÊt lµ:. Tõ ®©y cã nghiÖm tù do lµ: U Ctd = Ae − t / RC . Trong qu¸ tr×nh dõng, nghiÖm cña hÖ ph−¬ng tr×nh lµ U0, vËy:. U C = U 0 + U Ctd = U 0 + Ae − t / RC .. Víi ®iÒu kiÖn ®Çu UC(0+) = UC (0-) = 0 = U0 + A, ta cã: A = − U0 30. vËy:. (. U C = U 0 1 − e − t / RC. ).

(45) Tóm lại đây là ph−ơng pháp tổng quát nhất để tính các mạch điện. Nh−ng với hệ hơi phức tạp mét chót th× viÖc gi¶i c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n lµ rÊt khã. V× vËy, ng−êi ta ph¶i t×m nh÷ng c¸ch giải khác đơn giản hơn cho các tr−ờng hợp cụ thể. Ta sẽ xét 2 ph−ơng pháp phổ biến nh− đ−ợc trình bµy tiÕp theo ®©y. 3.7.2.. Ph−ơng pháp toán tử Laplace khảo sát quá trình quá độ. Các phép tính toán tử đã đ−ợc trình bày trong các giáo trình toán cao cấp. Ta biết rằng cặp biến đổi Fourier trong công thức (2.18) chỉ áp dụng cho các hàm số hội tụ tuyệt đối, tức là tín hiệu s(t) +∞. ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn. ∫ s( t )dt là hữu hạn. Mặt khác việc tính tích phân trong công thức biến đổi. −∞. ng−ợc th−ờng khó khăn. Vì vậy ng−ời ta th−ờng đ−ợc tiến hành việc tính toán một cách đơn giản hơn nhờ ph−ơng pháp tích phân vòng của biến đổi Laplace. Để xây dựng các phép biến đổi thuận và ng−ợc Laplace, trong cặp công thức (2.18) chỉ việc thay đối số jω bằng một biến số phức p (với p ≡ σ + jω). Nh− vậy sẽ có: ∞. F( p ) =. ∫. s( t )e − pt dt. −∞. 1 s( t ) = 2πj. σ + jω. ∫ F ( p )e. σ − jω. pt. dp. ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭. (3.7). Hàm số F(p) đ−ợc tính từ công thức biến đổi thuận Laplace kể trên gọi là hàm ảnh Laplace của s(t), cßn s(t) gäi lµ hµm gèc cña F(p). Trong ph−¬ng ph¸p to¸n tö nµy, hµm s(t) - hµm gèc - m« t¶ ®iÖn ¸p hoÆc dßng ®iÖn trong m¹ch sẽ đ−ợc thay thế bằng hàm F(p) - hàm ảnh - liên quan đơn trị với hàm gốc theo các công thức biến đổi (3.7) trên. Lúc đó, hệ ph−ơng trình vi phân mô tả trạng thái của hệ trong không gian gốc sẽ trở thành hệ ph−ơng trình đại số trong không gian ảnh. Và tất nhiên việc giải các ph−ơng trình đại số trong không gian ảnh là dễ hơn so với các ph−ơng trình vi phân trong không gian gốc. Sau đó, nhờ các phép biến đổi ng−ợc, ta sẽ thu lại đ−ợc các nghiệm trong không gian gốc. Th−ờng các giá trị biến đổi gốc - ảnh đ−ợc tính sẵn và cho trong các bảng tại các tài liệu kỹ thuËt nh− thÝ dô sau: Hµm gèc. Hµm ¶nh. Hµm gèc. 1(t ). 1/ p. sin ωt. Hµm ¶nh. ω ω + p2 2. 1(t )e − at. 1 p+a. cos ωt. e at − e bt a−b. 1. e −t / a − e −t / b a −b. ( p − a )( p − b ). p ω + p2 2. 1. (1 + ap )(1 + bp ) 31.

(46) Ta có thể điểm qua vài đặc điểm cơ bản của phép biến đổi Laplace nh− sau: - Các hàm gián đoạn trong không gian gốc đ−ợc biến đổi thành liên tục trong không gian ¶nh. ThÝ dô hµm 1(t) → 1/p. - Phép đạo hàm trong không gian gốc sẽ trở thành phép nhân với p trong không gian ảnh vµ phÐp lÊy tÝch ph©n trong kh«ng gian gèc sÏ thµnh phÐp chia cho p trong kh«ng gian ¶nh:. s(t). ↔. d s( t ) dt. ↔. F(p) pF(p) – s(0) 0. ∫ s( t )dt. ↔. ∫ s( t )dt. F( p ) + p. −∞. p. C¸c ®iÒu kiÖn ®Çu th−êng lÊy b»ng kh«ng. - Các biến đổi tuyến tính của hàm gốc cũng t−ơng ứng với hàm ảnh:. A.s(t) s(t) = s1(t) + s2(t) +.... ↔. A. F(p). ↔. F(p) = F1(p) + F2(p) +.... - PhÐp dÞch (trÔ) hµm gèc ®i mét thêi gian τ sÏ t−¬ng øng víi phÐp nh©n víi e−τp s(t - τ). ↔. e −τ p F ( p ). Ta hãy lấy một thí dụ áp dụng ph−ơng pháp toán tử Laplace để tính điện áp lối ra UR trong một mạch điện gồm hai phần tử RC khi tác động một tín hiệu hàm đơn vị lên mạch nh− hình 3.12 sau. V× U C =. 1 1 U R dt , I (t )dt = ∫ RC ∫ C C. Theo định luật Kirchhoff ta có ph−ơng trình vi tÝch ph©n cña m¹ch trong kh«ng gian gèc: 1(t)U0. 1 U C (t ) + U R (t ) = U R dt + U R = 1(t )U 0 RC. I. R. ∫. H×nh 3.12. M¹ch RC lèi ra trªn R.. Dựa vào bảng chuyển đổi, ta có ph−ơng trình đại sè trong kh«ng gian ¶nh nh− sau: 1 1 U R ( p) + U R ( p) = U 0 pRC p. Gi¶i ra ®−îc:. U R ( p) = U 0. Tra ng−îc l¹i b¶ng cã d¹ng: 32. 1 ⎛ 1 ⎞ ⎟ p⎜⎜1 + pRC ⎟⎠ ⎝. =U0. 1 p+. 1 RC. UR.

(47) Gèc. ¶nh. 1(t )e − at. ←. U R (t ) = 1(t )U 0 e −t / RC. ←. 1 p+a U0. 1 p+. 1 RC. Ph−ơng pháp toán tử Laplace đ−ợc sử dụng trong các tr−ờng hợp tổng quát của mạch điện, đặc biệt là khảo sát các quá trình quá độ. 3.7.3.. Ph−ơng pháp biên độ phức khảo sát quá trình dừng với tín hiệu điều hoà. • Biên độ phức Ta đã biết rằng cặp biến đổi Fourier cho phép phân tích các tín hiệu bất kỳ thành các thành phÇn ®iÒu hoµ. V× vËy, mét ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch tr¹ng th¸i cña c¸c m¹ch ®iÖn rÊt h÷u Ých lµ kh¶o sát trạng thái dừng của mạch khi tác động một tín hiệu điều hoà có tần số nào đó. Th−ờng sử dụng c«ng cô to¸n lµ c¸ch biÓu diÔn phøc cho c¸c thµnh phÇn ®iÒu hoµ nµy trªn c¬ së cña c«ng thøc ¬-le:. e jθ = cos θ + j sin θ. (3.8). Do đó, khi có một tín hiệu điều hoà s(t) = A0cos(ωt - ϕ),. {. Ta cã thÓ viÕt: s( t ) = Re A0 e j (ωt −ϕ ). }. (3.9). →. Nghĩa là nếu đặt:. S ≡ A0 e j (ωt −ϕ ). →. th× sÏ cã:. s( t ) = Re S. (3.10). →. S đ−ợc xác định nh− trên gọi là cách biểu diễn phức (điện áp phức, dòng điện phức, sức điện. động phức, v.v...) của s(t). Cßn cã thÓ viÕt t¸ch ra hai thµnh phÇn phô thuéc tÇn sè ω vµ gãc dÞch pha ϕ nh− sau: →. S = A0 e − jϕ .e jωt ≡ S& e jωt. (3.11). Trong đó S& ≡ A0 e − jϕ gọi là biên độ phức của điện áp s(t). Nó chỉ rõ biên độ và góc pha đầu của sức điện động nên nhiều khi vế phải còn đ−ợc viết d−ới dạng A0 ∠ϕ . Vì trong trạng thái dừng các thông số tác động trong mạch là điều hoà có cùng tần số ω nào đó nªn thõa sè e jωt trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n trung gian dïng c¸ch biÓu diÔn phøc lµ kh«ng cÇn thiÕt vµ th−ờng chỉ cần các tính toán liên quan đến biên độ phức của nó. Chỉ sau khi tính toán xong, cần chuyÓn ng−îc l¹i tõ c¸ch biÓu diÔn phøc vÒ c¸ch biÓu diÔn theo thêi gian míi cÇn ®−a thªm thõa sè. e jωt này vào biên độ phức rồi lấy phần thực của số phức đó. Một đặc điểm quan trọng trong cách biểu diễn phức là các toán tử vi phân và tích phân trở thành các toán tử nhân và chia đơn giản giá trị phức cho (jω). Thực vậy: 33.

(48) XÐt cÆp. s(t ) = A0 cos(ωt − ϕ ). ↔. →. S = S&e jωt. NÕu lÊy vi ph©n, cã: →. ds(t ) = −ωA0 sin(ωt − ϕ ) dt. ↔. → dS = ( jω )S&e jωt = ( jω ) S dt. (3.12). NÕu lÊy tÝch ph©n, cã:. ∫ s(t )dt =. A0. ω. sin(ωt − ϕ ). ↔. →. ∫ S dt =. 1 & j ωt 1 → Se = S jω jω. (3.13). Từ đây có thể xây dựng các b−ớc phân tích bằng ph−ơng pháp biên độ phức cho mạch điện ở tr¹ng th¸i dõng nh− sau: 1.. ThiÕt lËp hÖ ph−¬ng tr×nh vi tÝch ph©n tuyÕn tÝnh cña thÕ hoÆc dßng ®iÖn thùc cña m¹ch trên cơ sở các định luật Kirchhoff.. 2.. Chuyển sang hệ ph−ơng trình đại số t−ơng ứng với thế hoặc dòng điện phức theo các quy tắc biến đổi vi tích phân nh− trên.. 3.. Giải hệ ph−ơng trình đại số này tìm các nghiệm phức.. 4.. LÊy phÇn thùc cña nghiÖm g¸n cho thÕ hoÆc dßng cÇn tÝnh (nÕu nguån tÝn hiÖu cã d¹ng cos) hoÆc lÊy phÇn ¶o (nÕu cã d¹ng sin).. ThÝ dô, gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña m¹ch ®iÖn ë tr¹ng th¸i dõng sau:. L. 1 dI (t ) + RI (t ) + ∫ I (t )dt = U 0 cos(ωt − ϕ ) dt C. Chuyển thành ph−ơng trình đại số với biên độ phức I& :. 1 & & jωLI& + RI& + I =U jωC I& =. Tõ ®©y tÝnh ®−îc:. →. I = I&e jωt =. U& ≡ U0 e − jϕ. U& jω L + R +. hay:. víi. 1 jωC. U 0 e − jϕ 1 jω L + R + jωC. e jωt. LÊy phÇn thùc cña biÓu thøc nµy sÏ ®−îc d¹ng phô thuéc thêi gian cña dßng ®iÖn trong m¹ch.. • Trë kh¸ng phøc Trë kh¸ng phøc lµ tû sè gi÷a ®iÖn ¸p phøc trªn dßng ®iÖn phøc cña c¸c phÇn tö ®iÖn trë, ®iÖn c¶m vµ tô ®iÖn. 34.

(49) →. →. Z≡. U →. =. U& e jωt. I. I& e. =. jωt. U& I&. (3.14). Do ®iÖn trë kh«ng ph¶i lµ phÇn tö qu¸n tÝnh (gãc lÖch pha gi÷a thÕ vµ dßng trªn nã b»ng 0) nªn trë kh¸ng phøc cña nã còng chÝnh b»ng gi¸ trÞ ®iÖn trë vµ kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè. XÐt cuén c¶m cã dßng ch¶y qua d¹ng IL(t) = I0cos(ωt − ϕ) Ta cã ®iÖn ¸p sôt trªn ®iÖn c¶m L b»ng:. dI L (t ) = − LI 0 ω sin(ωt − ϕ ) dt → π⎞ ⎛ = ωLI 0 cos⎜ ωt − ϕ + ⎟ = Re jωLI 0 e j (ωt −ϕ ) = Re jωL I L 2⎠ ⎝ Hay viÕt d−íi d¹ng phøc: U L (t ) = L. →. →. U L = jωL I L VËy trë kh¸ng cña cuén c¶m ë tÇn sè ω ®−îc gäi lµ c¶m kh¸ng vµ b»ng: →. →. Z L (ω ) =. UL →. I. = jωL. (3.15). L. XÐt tô ®iÖn cã dßng ch¶y qua d¹ng IC(t) = I0cos(ωt − ϕ) Ta cã ®iÖn ¸p sôt trªn tô víi ®iÖn dung C b»ng:. 1 1 I C (t )dt = I 0 sin(ωt − ϕ ) ωC C π⎞ 1 1 1 → ⎛ = I 0 cos⎜ ωt − ϕ + ⎟ = Re I 0 e j (ωt −ϕ ) = Re IC ωC jωC 2⎠ jωC ⎝. U C (t ) =. →. UC =. ∫. 1 → IC jωC. VËy trë kh¸ng cña tô ®iÖn ë tÇn sè ω ®−îc gäi lµ dung kh¸ng vµ b»ng: →. ZC =. →. UC →. IC. =. 1 jω C. (3.16). Rõ ràng trở kháng của các phần tử điện cảm và điện dung là các số ảo thuần tuý và do đó ng−ời ta gọi chúng là các phần tử thuần điện kháng, chúng đặc tr−ng cho sự tích luỹ năng l−ợng của mạch điện. Trong khi đó trở kháng của một điện trở là một số thực, đặc tr−ng cho sự tổn hao năng l−îng trªn m¹ch. XÐt trë kh¸ng cña m¹ch ®iÖn gåm c¸c th«ng sè R, L vµ C m¾c nèi tiÕp víi nhau: →. Z = R + jωL +. 1 1 ⎞ ⎛ = R + j ⎜ ωL − ⎟ jω C ω C⎠ ⎝. 35.

(50) Ta thấy với một mạch bất kỳ nh− vậy, trở kháng tổng cộng là một số phức trong đó phần thực gäi lµ ®iÖn trë vµ phÇn ¶o gäi lµ ®iÖn kh¸ng. H×nh 3.13.a lµ tr−êng hîp gi¸ trÞ trë kh¸ng mang tÝnh c¶m kh¸ng khi vect¬ Z n»m ë nöa mÆt ph¼ng trªn trôc thùc vµ Z tr−êng hîp ë h×nh 3.13.b th× gi¸ ωL-1/ ωC trÞ nµy l¹i mang tÝnh dung kh¸ng. j ϕ R j Víi c¸c kh¸i niÖm vÒ trë ϕ 0 0 kh¸ng nh− trªn, ta cã thÓ ¸p dông R ωL-1/ ωC ngay định luật Ohm cho một Z m¹ch ®iÖn cã nguån tÝn hiÖu lµ (a) (b) dao động điều hoà ở trạng thái H×nh 3.13. Trë kh¸ng cña mét m¹ch ®iÖn trong hai tr−êng hîp. dõng. 3.7.4. Ph©n tÝch m¹ch ®iÖn b»ng tø cùc tuyÕn tÝnh a) C¸c th«ng sè cña mét tø cùc tuyÕn tÝnh Ngoµi viÖc ph©n tÝch m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh dùa vµo c¸c kÕt cÊu chi tiÕt cña nã nh− c¸c c¸ch trên, còn một cách khác là xét nó một cách toàn bộ, không chú ý đến kết cấu chi tiết cũng nh− phản øng trong tõng phÇn tö cña m¹ch. Víi c¸ch xÐt nh− vËy, m¹ch ®−îc coi nh− mét hÖ thèng víi mét số cửa vào u1, u2, ..., un và cửa ra y1, y2, ..., ym nào đó nh− hình 3.14.a. Zi. u1 u2 . un. y1 y2 . ym. E. ~. I2. I1. U2. U1. (a). ZT. (b). H×nh 3.14. a) HÖ thèng tuyÕn tÝnh, b) Tø cùc tuyÕn tÝnh.. Nh− vËy ®iÒu cÇn quan t©m ë ®©y lµ mèi quan hÖ gi÷a c¸c tÝn hiÖu vµo vµ ra cïng trë kh¸ng nguån tÝn hiÖu Zi vµ trë kh¸ng t¶i ZT chø kh«ng ph¶i c¸c chi tiÕt bªn trong m¹ch. Trong c¸c hÖ thống nh− vậy, điển hình là hệ thống có hai cửa riêng biệt, một cửa để đặt tác động vào, một cửa để lấy đáp ứng ra gọi là hệ thống tứ cực nh− hình 3.14.b. Nguồn tác động vào có thể là nguồn điện áp gồm sức điện động E và trở nội Zi nh− hình vẽ. Cũng có thể là nguồn dòng điện đ−ợc biểu diễn bằng một máy phát dòng không đổi mắc song song với điện dẫn Yi. Tại lối ra có mắc tải ZT. Mét tø cùc tuyÕn tÝnh nh− vËy sÏ cã c¸c th«ng sè cÇn quan t©m: thÕ vµ dßng vµo U1, I1; thÕ vµ dßng ra U2, I2; trë kh¸ng vµo vµ ra Z1 = U1/ I1, Z2 = U2/ I2. Trë kh¸ng ra cña nguån tÝn hiÖu vµ trë kh¸ng t¶i ¶nh h−ëng tíi c¸c th«ng sè nµy. C¸c th«ng sè cña mét tø cùc tuyÕn tÝnh ®−îc biÓu diÔn qua c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh liªn hÖ gi÷a c¸c ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn lèi ra víi ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn lèi vµo nh− sau:. • HÖ ph−¬ng tr×nh dÉn n¹p:. 36. I 1 = Y11U1 + Y12U 2 I 2 = Y21U1 + Y22U 2.

(51) Trong đó các hệ số dẫn nạp Yij đ−ợc xác định:. Y11 =. I1 U1. U2 = 0. Y12 =. I1 U2. U1 = 0. Y21 =. I2 U1. U2 = 0. Y22 =. I2 U2. U1 = 0. Z 11 =. U1 I1. Z 21 =. U2 I1. • HÖ ph−¬ng tr×nh trë kh¸ng: U 1 = Z 11 I 1 + Z 12 I 2 U 2 = Z 21 I 1 + Z 22 I 2. Trong đó các hệ số trở kháng Z ij đ−ợc xác định:. I 2 =0. I 2 =0. Z 12 =. U1 I2. Z 22 =. U2 I2. I1 = 0. I1 = 0. • HÖ ph−¬ng tr×nh hçn hîp: U 1 = h11 I 1 + h12U 2 I 2 = h21 I 1 + h22U 2 h11 =. U1 I1. U 2 =0. h12 =. U1 U2. I1 = 0. h21 =. I2 I1. U 2 =0. h22 =. I2 U2. I1 = 0. Trong đó các hệ số hij đ−ợc xác định:. Cã thÓ suy ra ý nghÜa cña c¸c th«ng sè trong c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh nµy nh− sau: Z11 chÝnh lµ trë kh¸ng lèi vµo khi hë m¹ch lèi ra (I2 = 0), Z22 lµ trë kh¸ng ra khi hë m¹ch lèi vµo (I1 = 0), h11 lµ trë kh¸ng lèi vµo khi ®o¶n m¹ch lèi ra (U2 = 0), h22 lµ ®iÖn dÉn lèi ra khi ®o¶n m¹ch lèi vµo, h12 lµ hÖ số truyền đạt ng−ợc về điện áp, h21 là hệ số truyền đạt thuận hay hệ số khuếch đại về dòng điện, v.v... Th−êng c¸c hÖ sè nµy ®−îc cho s½n trong c¸c tµi liÖu kü thuËt kÌm theo c¸c phÇn tö linh kiÖn ®iÖn tö ®−îc coi lµ mét tø cùc. C¸c hÖ sè nµy còng cã thÓ ®o ®−îc dÔ dµng tõ c¸c thiÕt bÞ trong phßng thÝ nghiÖm. Từ các hệ ph−ơng trình trên có thể tính đ−ợc các phần tử của ma trận một hệ số nào đó theo c¸c phÇn tö cña ma trËn hÖ sè kh¸c. ThÝ dô, Z11 = h / h22 víi h ≡ h11h22 − h12 h21 , v.v... Còng cã thÓ tính đ−ợc các đặc tr−ng của tứ cực theo các hệ số này, thí du: HÖ sè truyÒn thÕ:. KU =. HÖ sè truyÒn dßng: K I =. U2 Y21 Z 21 Z T = = U 1 YT − Y22 Z 11 Z T − ΔZ. víi. ΔZ = Z 11 Z 22 − Z 12 Z 21. I2 Y21YT Z 21 = = I 1 Y11YT − ΔY Z T − Z 22. víi. ΔY = Y11Y22 − Y12Y21. U1 Y − Y22 Z Z − ΔZ = T = 11 T I 1 Y11YT − ΔY Z T − Z22. Trë kh¸ng vµo:. ZV =. Trë kh¸ng ra:. ZR =. U2 Y + Yi Z Z + ΔZ = − 11 = 22 i I2 Y22 Yi + ΔY Z 11 + Z i. Víi Yi vµ Z i t−¬ng øng lµ ®iÖn dÉn nguån dßng vµ trë kh¸ng nguån thÕ. 37.

(52) Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t m¹ch ®iÖn nh− mét tø cùc tuyÕn tÝnh ®−îc sö dông rÊt tèt cho ph©n tÝch các mạch điện hoạt động với các tín hiệu có biên độ nhỏ. Khi ấy các đoạn đặc tr−ng V-A của phần tö cã tÝn hiÖu truyÒn qua cã thÓ ®−îc coi lµ ®−êng th¼ng vµ phÇn tö ®−îc coi lµ mét tø cùc tuyÕn tÝnh. b) GhÐp c¸c tø cùc víi nhau Cã hai c¸ch ghÐp phæ biÕn c¸c tø cùc víi nhau: ghÐp nèi tiÕp vµ ghÐp song song.. • NhiÒu tø cùc ghÐp nèi tiÕp víi nhau th× dßng ®iÖn c¸c cöa lµ chung, cßn ®iÖn ¸p trªn toµn bé b»ng tæng ®iÖn ¸p trªn mçi cöa cña tõng tø cùc riªng phÇn (h×nh 3.15). C¸c phÐp tÝnh chøng minh r»ng ma trËn trë kh¸ng cña hÖ thèng b»ng tæng c¸c ma trËn trë kh¸ng thµnh phÇn. I2. I1. I1 = I'1 = I''1. [Z'] U2. U1. I2 = I'2 = I"2 U1 = U'1 + U"1. [Z'']. U2 = U'2 + U"2 H×nh 3.15. GhÐp nèi tiÕp hai tø cùc.. • NhiÒu tø cùc ghÐp song song víi nhau cho ®iÖn ¸p ë c¸c cöa lµ chung cßn dßng ®iÖn chung cña toµn bé b»ng tæng c¸c dßng ®iÖn ë c¸c cöa mçi tø cùc (h×nh 3.16). Ma trËn dÉn n¹p cña hÖ thèng c¸c tø cùc m¾c song song b»ng tæng c¸c ma trËn dÉn n¹p cña mçi tø cùc. Ngoµi ra cßn cã c¸c c¸ch ghÐp kh¸c: nèi tiÕp–song song, song song–nèi tiÕp, nèi d©y truyÒn. I1. [Y'']. I1 = I'1 + I''1. I2. [Y']. I2 = I'2 + I"2. U2. U1. U1 = U'1 = U"1. [Y'']. U2 = U'2 = U"2 H×nh 3.16. GhÐp song song hai tø cùc.. c) Các sơ đồ t−ơng đ−ơng của tứ cực Trong c¸c hÖ th«ng sè th× hÖ th«ng sè Y vµ h ®−îc cho trong c¸c tµi liÖu kü thuËt vµ hay ®−îc dùng hơn cả. Ph−ơng trình dẫn nạp Y đ−ợc xây dựng từ sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 3.17 và ph−ơng trình hỗn hợp h từ sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 3.18. I1. U1. I2. Y22. Y11 Y12U2. U2. Y21U1. Hình 3.17. Sơ đồ t−ơng đ−ơng dẫn nạp của một mạng tứ cực. 38.

(53) I1. I2. ~. h12U2 U1. h21I1. h22. U2. h11. Hình 3.18. Sơ đồ t−ơng đ−ơng hỗn hợp của một mạng tứ cực.. 3.8. Phân tích các mạch thụ động điển hình gồm các phần tử R, L và C Các mạch thụ động RLC có ý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật điện tử vì chúng đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi. Trong phần này ta sẽ sử dụng các ph−ơng pháp toán nói trên để khảo sát chúng. M¹ch RC lèi ra trªn R C. ~. UV = U0cos(ωt − ϕ) nh− h×nh 3.19.. UV=1(t). Nh− đã phân tích, việc tính đặc tr−ng quá độ của mạch đ−ợc thực hiện bằng việc đặt nguồn vào là hàm đơn vị 1(t) còn việc tính đặc tr−ng dõng ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch thay nguồn đó bằng một máy phát dao động điều hoà. UV=U0cos(ωt - ϕ). 3.8.1.. I. R. UR. H×nh 3.19. M¹ch RC lèi ra trªn R.. • Tính đặc tr−ng quá độ Việc tìm đặc tr−ng quá độ đã đ−ợc thực hiện bằng ph−ơng pháp toán tử Laplace trong thí dụ trên tại mục (3.7.2.), với nguồn tín hiệu vào là hàm đơn vị 1(t) và đã dẫn tới công thức tính thế lối ra. UR lµ: U R (t ) = 1(t )e −t / RC §Æc tr−ng nµy ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 3.20. víi c¸c tr−êng hîp: t < 0 → UR = 0. UV=1(t) 1. t = 0 → UR = 1 t > 0 → UR cã d¹ng e mò t = τ ≡ RC → UR =1/e gi¶m ®i e lÇn. Gi¸ trÞ τ ≡ RC ®−îc gäi lµ h»ng sè thêi gian cña. t UR 1 1/e 0. m¹ch.. τ = RC. t. Hình 3.20. Đặc tr−ng quá độ Tr−ờng hợp đặc biệt khi tín hiệu vào là một xung m¹ch RC lèi ra trªn R. vuông đơn vị UV nh− hình 3.21.a. Xung này có thể đ−ợc coi là hiệu của hai hàm nhảy bậc đơn vị UV1 và UV2 trễ so với UV1 một khoảng thời gian bằng độ réng xung t1. V× ®iÖn ¸p Ura sÏ lµ ®iÖn ¸p xÕp chång cña hai ®iÖn ¸p Ura1 vµ Ura2 nªn khi t > t1 ta cã:. U ra = e − t /τ − e − (t −t1 ) /τ = e − t /τ (1 − e t1 /τ ). 39.

(54) 1. Còn khi t < t1 chỉ có một xung UV1 tác động, nên: U ra = e −t / τ. (a) t. t1. D¹ng tÝn hiÖu tæng hîp ë lèi ra nh− h×nh 3.21.d. (b). UV1. • Tính đặc tr−ng dừng. t. Dùng ph−ơng pháp biên độ phức ta có hệ số truyền phức cña m¹ch lµ:. 1. K= 1+. =. 1. (ωRC ). ϕ = arctg. ωRC. (c). UV2. U& RI& R 1 K& ( jω ) = &ra = = = 1 1 UV ⎛ 1 ⎞& R+ 1+ ⎜⎜ R + ⎟⎟ I j ωC jωRC jωC ⎠ ⎝. t Ura (d). ;. 1 + (ωRC )2. t. 2. 1 ωRC. (3.17). H×nh 3.21. TÝn hiÖu vµo lµ xung vu«ng.. Đồ thị của hai đặc tr−ng dừng: đáp ứng biên độ và đáp ứng pha nh− hình 3. 22. sau: ϕ. K 1. π/2. 1/√2. π/4. 0. ωt =1/ RC. ω. 0. ωt =1/ RC. ω. Hình 3.22. Đáp ứng biên độ và pha của mạch RC lối ra trên R.. Trên đồ thị thấy rằng mạch điện cho qua dễ dàng các tín hiệu có tần số cao nh−ng lại làm suy gi¶m c¸c tÝn hiÖu trong d¶i tÇn sè thÊp. V× vËy m¹ch nµy gäi lµ m¹ch läc th«ng cao (high-pass filter). Ta h·y tÝnh tÇn sè c¾t ωt øng víi hÖ sè truyÒn K =. ωt RC Kt 1 = = 2 K max 2 1 + (ωt RC ) VËy d¶i truyÒn qua cña m¹ch läc lµ tõ tÇn sè ω t =. →. 1 K max cña m¹ch läc: 2 ωt =. 1 RC. 1 đến ∞ RC. • M¹ch vi ph©n RC Víi c¸c tÝn hiÖu vµo cã tÇn sè ω << ωt (hay τ = RC nhá) vµ Ura << UV th× trong ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña m¹ch:. 40.

(55) U ra +. 1 U ra dt = U v RC. ∫. cã thÓ bá qua sè h¹ng U ra bªn vÕ tr¸i vµ ®iÖn ¸p lèi ra lóc nµy coi nh− tû lÖ trùc tiÕp víi vi ph©n cña ®iÖn ¸p vµo vµ th−êng m¹ch ®−îc gäi lµ m¹ch vi ph©n RC: 1 U ra dt ≈ U V RC. ∫. U ra ≈ RC. (3.18). • Tính đặc tr−ng quá độ. R UV=1(t). Ta có thể tính đ−ợc ngay các đặc tr−ng cña m¹ch RC lèi ra trªn C (h×nh 3.23) tõ kÕt qu¶ cña m¹ch RC lèi ra trªn R nh− sau:. ~. U C = U V − U R = 1(t ) − e − t / τ Hay:. dU V dt. M¹ch RC lèi ra trªn C UV=U0cos(ωt - ϕ). 3.8.2.. →. (. U C = 1(t ) 1 − e − t / τ. I. UC C. H×nh 3.23. M¹ch RC lèi ra trªn C.. ). UV=1(t). 1. Ta có đặc tr−ng quá độ nh− hình 3.24. t. t≤0. → UC = 0. t>0. → UC t¨ng theo hµm e mò. UR. 1 1- 1/e. t = ∞ → UC = 1t = τ ≡ RC. →. UC = 1 −. 0. 1 e. t. τ = RC. Hình 3.24. Đặc tr−ng quá độ của mạch RC lèi ra trªn C.. Rõ ràng hằng số thời gian τ đóng vai trò là độ đo thời gian xác lập điện áp ra. Nó biểu thị thời gian để quá trình đạt tới giá trị kém giá trị xác lập (UC = 1) một l−ợng bằng 1/ e phần trị số b−ớc nh¶y ®iÖn ¸p vµo. Khi tín hiệu vào là một xung vuông đơn vị, tính t−ơng UV tù nh− trªn ta cã d¹ng tÝn hiÖu ra nh− h×nh 3.25. 1 (a). Khi t < t1 →. (. ) (. U ra = U C = U r 1 − U r 2 = 1 − e −t /τ − 1 − e −(t −t1 ) /τ. ). Khi t > t1 → U ra = U C = 1 − e − t /τ. • Tính đặc tr−ng dừng Dùng ph−ơng pháp biên độ phức ta có hệ số truyền phøc cña m¹ch lµ:. t. t1 Ura (b). t. H×nh 3.25. TÝn hiÖu vµo lµ mét xung vu«ng.. 41.

(56) ⎛ 1 ⎞& ⎟I ⎜⎜ & jωC ⎟⎠ UC 1 ⎝ & K ( jω ) = = = & UV ⎛ 1 ⎞ & 1 + jωRC ⎟I ⎜⎜ R + jωC ⎟⎠ ⎝ Từ đó tìm đ−ợc hai đáp ứng biên độ và pha. Đồ thị của chúng trên hình 3.26.. K (ω ) =. 1 1 + (ωRC ). 2. ϕ (ω ) = − arctgωRC. ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭. (3.19). ϕ. |K|. ωC =1/ RC. 0. 1 1/√2. ω. -π/4. 0. -π/2. ω. ωC =1/ RC. Hình 3.26. Đặc tr−ng biên độ và pha của mạch RC lối ra trên C.. Ta nhËn thÊy m¹ch dÔ dµng cho qua c¸c tÝn hiÖu trong d¶i tÇn thÊp nªn ®©y lµ m¹ch läc th«ng thấp (low-pass filter) với tần số cắt ωcao = 1/ RC và dải truyền qua của mạch lọc là từ 0 đến ωcao.. • M¹ch tÝch ph©n RC Víi c¸c tÝn hiÖu vµo cã tÇn sè ω >> ωcao hay Ura << UV th× trong ph−¬ng tr×nh vi ph©n cña m¹ch:. RC. dU C − UC = UV dt. Cã thÓ bá qua sè h¹ng U ra = UC bªn vÕ tr¸i vµ ®iÖn ¸p lèi ra lóc nµy coi nh− tû lÖ trùc tiÕp víi tÝch ph©n cña ®iÖn ¸p vµo vµ th−êng m¹ch ®−îc gäi lµ m¹ch tÝch ph©n RC:. RC 3.8.3.. dU ra ≈ UV dt. →. U ra ≈. 1 U V dt RC. ∫. (3.20). M¹ch RLC m¾c nèi tiÕp – HiÖn t−îng céng h−ëng ®iÖn thÕ. Kh¶o s¸t mét khung m¾c nèi tiÕp ba phÇn tö R, L vµ C nh− h×nh 3.27.. • Phân tích quá trình quá độ. RI + L. 42. dI 1 + Idt = 1(t ) dt C. ∫. ~. C. UV=1(t). UV=U0cos(ωt - ϕ). Khi cho nguån tÝn hiÖu lµ hµm nh¶y bậc đơn vị 1(t) ta có ph−ơng trình mô tả tr¹ng th¸i m¹ch ®iÖn nh− sau:. R. I L. H×nh 3.27. M¹ch RLC nèi tiÕp..

(57) Dùng ph−ơng pháp toán tử Laplace, chuyển sang ph−ơng trình đại số trong không gian ảnh: 1 1 I( p ) = pC p. RI ( p ) + pLI ( p ) +. → I(p) =. 1 ⎛ 1 ⎞ ⎟ p⎜⎜ R + pL + pC ⎟⎠ ⎝. =. 1 1 ≡ pR 1 ⎞ L ( p − p 1 )( p − p 2 ) ⎛ + L⎜ p 2 + ⎟ L LC ⎠ ⎝. Víi. p1,2 ≡ −. ë ®©y. δ ≡. R 2L. R ± 2L. R2 4 L2. vµ β ≡. −. 1 ≡ −δ ± β LC. R2 2. −. 4L. 1 LC. Tra ng−îc b¶ng ¶nh-gèc ta cã nghiÖm trong kh«ng gian gèc:. I (t ) =. (. 1 e p 1t − e p 2 t 1 −δt βt . = e e − e − βt L p1 − p 2 2δL. ). XÐt c¸c tr−êng hîp víi c¸c β kh¸c nhau: + NÕu β lµ sè thùc, nghÜa lµ R > ρ ≡ 2. I (t ) =. 1. βL. L (ρ ®−îc gäi lµ trë sãng cña m¹ch) ta cã: C. e −δt shβt , dßng ®iÖn trong m¹ch cã d¹ng t¾t dÇn nh− m« t¶ trªn h×nh 3.28.a.. + NÕu β lµ sè ¶o, nghÜa lµ R < 2 ρ ta cã thÓ viÕt β ≡ jω víi ω ≡ Khi đó: I (t ) =. 1 R2 − 2 LC 4 L. 1 −δt e sin ωt , dòng điện trong mạch là một dao động điều hoà có biên ωL độ giảm dần theo thời gian (dao động tắt dần) nh− hình 3.28.b.. + NÕu β = 0, nghÜa lµ R = 2 ρ ta cã:. I (t ) =. t −δt e , ta có dao động nh− hình 3.28.c ở dạng giới hạn của 2 tr−ờng hợp trên. L I(t). I(t). I(t). (a). t. t. t (b). (c). Hình 3.28. Dạng dao động trong khung với các β khác nhau.. 43.

(58) • Ph©n tÝch qu¸ tr×nh dõng Khi tác động lên khung một tín hiệu điều hoà UV = U0cosωt ta có: - Tæng trë phøc cña khung lµ:. 1 ⎞ ⎛ Z& = R + j ⎜ ωL − ⎟ ωC ⎠ ⎝. 1 ⎞ ⎛ Z& = R 2 + ⎜ ωL − ⎟ C⎠ ω ⎝. Do đó. 2. ϕ = arctg. 1 ⎫ ωC ⎪⎪ ⎬ R ⎪ ⎪⎭. ωL -. Ta thÊy Z cùc tiÓu vµ b»ng R khi 1 ⎞ ⎛ ⎟=0 ⎜ ωL − ωC ⎠ ⎝. hay. ω ≡ ω0 =. 1 LC. ω0 đ−ợc gọi là tần số dao động riêng của khung. Tại tần số này, tổng trở của khung là cực tiểu vµ b»ng R vµ gãc lÖch pha ϕ còng b»ng kh«ng. - TÝnh dßng qua khung:. I& =. U& Z&. U0. =. 1 ⎞ ⎛ R 2 + ⎜ ωL − ⎟ ω C⎠ ⎝. 2. khi ω = ω0, ta cã:. U I& = I max = 0 R. Nếu vẽ đồ thị sự phụ thuộc của I vào tần số tín hiệu vào ta sẽ có một đ−ờng cong có giá trị cực đại tại tần số ω = ω0 (hình 3.29.) gọi là đ−ờng cong cộng h−ởng. Ta nói, khi tần số tín hiệu vào bằng đúng tần số dao động riêng của mạch RLC thì trong mạch xảy ra hiện t−ợng cộng h−ởng. TÝnh ®iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö cña m¹ch trong ®iÒu kiÖn céng h−ëng: §iÖn ¸p trªn cuén c¶m:. U& Lch. I/ Imax 1 1/ √2. U = jω0 LI& = jω0 L 0 ≡ jQU0 R. §iÖn ¸p trªn tô ®iÖn:. ω = ω0. 1 & 1 U0 U& Cch = − j I = −j ≡ − jQU 0 ω0 C ω0 C R Ta thấy đại l−ợng Q ≡. ω0 L R. =. 1. ω 0 RC. =. 1 R. ω. H×nh 3.29. §−êng cong céng h−ëng. L C. trong hai biểu thức là nh− nhau và đại l−ợng này. ®−îc gäi lµ hÖ sè phÈm chÊt cña khung. C¸c ®−êng cong céng h−ëng I(ω) vµ Z(ω) cã d¶i truyÒn qua tÝnh ®−îc b»ng Δω = ω 0 / Q . Do vËy nÕu hÖ sè phÈm chÊt Q cµng lín, d¶i truyÒn qua cµng hÑp (®−êng cong céng h−ëng cµng nhän); ta nãi r»ng khung cã tÝnh chän läc tÇn sè cµng cao.. 44.

(59) Nếu vẽ đồ thị của hai vectơ thế trên cuộn cảm và tụ điện ở tần số cộng h−ởng ta sẽ thấy: khi cộng h−ởng, biên độ điện áp trên các linh kiện thành phần L và C này của mạch sẽ lớn gấp Q lần biên độ tín hiệu vào. Thí dụ với các mạch cộng h−ởng thông th−ờng, Q có cỡ từ 10 đến vài trăm nên biên độ này trở nên rất lớn. Tuy nhiên vì chúng có pha ng−ợc dấu nhau nên tổng điện áp tức thời trên đoạn mạch đó là bằng không. Hiện t−ợng đặc sắc này đ−ợc gọi là cộng h−ởng điện áp. Lúc này điện áp trên điện trở R cũng đạt tới giá trị cực đại và bằng chính điện áp tín hiệu vào U0. Trôc ¶o. UL I/ Imax UV=UR. Δ2. 1. Trôc thùc. 1/ √2. Q1 > Q2 Q2. Δ1. UL = - UC. Q1. ω. ω0. 0 UC. H×nh 3.30. C¸c vect¬ ®iÖn ¸p trªn c¸c phÇn tö R, L, C vµ d¹ng ®−êng cong céng h−ëng phô thuéc vµo hÖ sè phÈm chÊt Q cña m¹ch.. 3.8.4.. M¹ch RLC m¾c song song – HiÖn t−îng céng h−ëng dßng ®iÖn. H×nh 3.31 lµ mét thÝ dô vÒ m¹ch gåm c¸c phÇn tö R, L vµ C ®−îc m¾c song song víi nhau thµnh mét khung. ë ®©y R th−êng lµ ®iÖn trë thuÇn cña d©y cuèn cuén ®iÖn c¶m. RN lµ ®iÖn trë mạch ngoài khung. Các phép tính dẫn đến kết luận là: khi tần số tín hiệu bằng tần số ω0, trong khung cũng xảy ra hiện t−ợng cộng h−ởng. Lúc này trở kháng của khung là cực đại và bằng:. Z0 = Zmax = víi ρ ≡. ρ2 R. 1+. 1 Q2. RN. L gäi lµ trë sãng cña khung. C. IC UV=U0cosωt. Khi hÖ sè phÈm chÊt cña khung Q >> 1 th× trë kh¸ng nµy t¹i tÇn sè céng h−ëng b»ng:. Z0 = Zmax =. ρ2 R. =. (ω0 L )2 R. =. IΣ. ~. C. R IL. L. 1. (ω0 RC )2. H×nh 3.31. M¹ch RLC m¾c song song.. Dßng tæng sÏ lµ cùc tiÓu nh−ng dßng trong mçi nh¸nh hÇu nh− lín gÊp Q lÇn dßng m¹ch ngoµi nh−ng ng−îc pha nhau. Ta cã hiÖn t−îng céng h−ëng dßng ®iÖn trong khung RLC m¾c song song. 3.8.5.. Khung céng h−ëng liªn kÕt hç c¶m RLC. Các khung cộng h−ởng đơn nh− kể trên có độ phẩm chất cao và dải truyền hẹp. Do vậy trong mét sè tr−êng hîp muèn më réng d¶i tÇn nh−ng vÉn n©ng cao tÝnh chän läc ng−êi ta ph¶i liªn kÕt hai hay nhiều khung cộng h−ởng với nhau. Sơ đồ khung liên kết có hệ số hỗ cảm M nh− hình 3.32. 45.

(60) R2. R1 M UV=U0cosωt. I1. ~. L1. L2. I2 C1. C1. H×nh 3.32. Khung liªn kÕt RLC.. Viết ph−ơng trình cho dòng điện phức trong mạch, để đơn giản ta tạm bỏ dấu sao nh−ng hãy nhớ rằng các đại l−ợng này đều là phức: U = R1 I 1 + jωL1 I 1 − j. 1 I 1 + jωMI 2 ωC1. 0 = R 2 I 2 + jωL 2 I 2 − j X 1 ≡ ωL1 −. Gäi. I2 = −. Ta cã:. 1. ωC1. vµ. 1 I 2 + jωMI1 ωC 2. X 2 ≡ ωL2 −. 1. ωC 2. jωMI 1 , đặt vào ph−ơng trình một và ký hiệu Z 2 2 ≡ R 2 2 + X 2 2 R2 + jX 2. 2 ⎛ ⎞ ⎛ ω2M2 ⎞ ω2M2 ω2M ⎟⎟ = I 1 ⎜ R1 + jX 1 + R j X 2 ⎟ = I 1 Ztd − → U = I 1 ⎜⎜ R1 + jX 1 + 2 2 2 ⎜ ⎟ R2 + jX 2 ⎠ Z2 Z2 ⎝ ⎝ ⎠. ⎛ ⎜ ⎝. trong đó Z td ≡ ⎜ R1 +. ω 2M 2 Z22. ⎞ R2 ⎟ + ⎟ ⎠. ⎛ ⎞ ω 2M 2 ⎟ ≡ Rtd + jX td j⎜ X 1 − X 2 ⎜ ⎟ Z22 ⎝ ⎠. Nhìn vào biểu thức này ta thấy hai khung liên kết có thể đ−ợc thay bằng một khung đơn có điện trở t−ơng đ−ơng Rtd và điện kháng t−ơng đ−ơng Xtd, trong đó; Rtd = R1 +. ω 2M 2 Z2. 2. R2. vµ. X td = X 1 −. ω 2M 2 Z2. 2. Rtd. X2 UV=U0cosωt. Râ rµng phÇn ®iÖn trë vµ ®iÖn kh¸ng cña khung một đã bị ảnh h−ởng bởi khung hai khi nó bị thêm vào c¸c thµnh phÇn. ω 2M 2 Z2. 2. R2 vµ −. ω 2M 2 Z22. ~. X1td. X2.. H×nh 3.33. Khung t−¬ng ®−¬ng cña hai khung liªn kÕt.. Ta sẽ khảo sát đặc tính cộng h−ởng của khung.. Khi thay các đại l−ợng t−ơng đ−ơng vào ta đ−ợc một khung cộng h−ởng nối tiếp nh− hình 3.33. Giống nh− khung cộng h−ởng nối tiếp đơn đã xét, hiện t−ợng cộng h−ởng xảy ra khi điện kháng của m¹ch t−¬ng ®−¬ng b»ng kh«ng. ⎛ 1 ⎞ ⎟− X td = ⎜⎜ ωL1 − ωC1 ⎟⎠ ⎝. 46. ⎛ 1 ⎜⎜ ωL2 − C ω 2 ⎛ 1 ⎞ ⎝ ⎟⎟ + ⎜⎜ ωL2 − ωC 2 ⎠ ⎝. ω 2M 2. 2. R2 2. ⎞ ⎟⎟ = 0 ⎠.

(61) • NÕu hai khung liªn kÕt m¹nh (M lín), hÖ sè liªn kÕt χ ≡ Gäi n1 2 = nhá ta sÏ cã:. 1 ; L1C1. n2 2 =. ⎛ n1 2 ⎜1 − ⎜ ω2 ⎝. ⎞⎛ n 2 2 ⎟⎜1 − ⎟⎜ ω 2 ⎠⎝. 1 L2 C 2. M L1 L2. ≈ 1:. lµ c¸c tÇn sè riªng phÇn cña khung 1 vµ khung 2 vµ khi R2 rÊt. ⎞ ⎟= χ2 ⎟ ⎠. hay. (. (. ). ). ω 4 1 − χ 2 − ω 2 n1 2 − n 2 2 + n1 2 n 2 2 = 0. Giải ph−ơng trình này sẽ xác định đ−ợc hai tần số cộng h−ởng ω1 và ω2. Hai tần số này chỉ trïng víi hai tÇn sè riªng n1 vµ n2 khi χ = 0 (tøc lµ hai khung kh«ng cßn liªn kÕt). NÕu χ ≠ 0, hai tÇn sè ω1 vµ ω2 sÏ n»m ngoµi n1 vµ n2 (h×nh 3.34).. ω1. n1. ω2. n2. H×nh 3.34. Céng h−ëng khi liªn kÕt m¹nh.. • NÕu hai khung liªn kÕt yÕu (M nhá), hÖ sè liªn kÕt χ ≡. M L1 L2. ≈ 0:. Khi đó không thể bỏ qua sự có mặt của điện trở tổn hao R2 trong khung hai. Ta có: ⎡ ⎢ ⎢⎛ n2 ωL1 ⎢⎜1 − 12 ⎢⎜⎝ ω ⎢ ⎢ ⎣. ⎞ ⎟− ⎟ ⎠. ⎤ ⎥ ⎥ ⎥=0 2 2 ⎞ ⎥ ⎛ n + ⎜1 − 2 ⎟ ⎥ ⎜ ω 2 ⎟⎠ ⎥ ⎝ ⎦ ⎛ ⎜ ⎝. χ 2 ⎜1 − d22. n 2 2 ⎞⎟ ω 2 ⎟⎠. víi. d2 ≡. R2. ωL2. V× ωL1 ≠ 0 nªn biÓu thøc trong ngoÆc vu«ng ph¶i b»ng kh«ng. Khi hai khung hoµn toµn gièng nhau (L1 = L2≡ L; C1 = C2 ≡ C; n1 = n2 ≡ n) và đặt ξ ≡ 1 − ⎛ ⎜ ⎝. ξ ⎜1 −. n2. ω2. là độ lệch tần số, có ph−ơng trình:. ⎞ ⎟=0 + ξ ⎟⎠. χ2 d2. 2. 2. Ph−¬ng tr×nh nµy cã 3 nghiÖm: ξ =0. →. ξ1,2 = ± χ 2 − d 2 2. →. ω3 = n cã hai nghiÖm thùc khi χ 2 > d 2 2. Khi χ 2 < d 2 2 (liªn kÕt yÕu), th× ξ1,2 lµ ¶o vµ chØ cßn mét nghiÖm thùc ξ = 0 . Nh− vËy khi liªn kÕt yÕu ta cã mét tÇn sè céng h−ëng ω3 = n. Cßn khi liªn kÕt m¹nh ta cã hai tÇn sè céng h−ëng ω1 vµ ω2 c¸ch xa tÇn sè n. H×nh 3.35. cho c¸c ®−êng cong céng h−ëng trong c¸c tr−ờng hợp này. Nh− vậy, mặc dù hai khung hoàn toàn giống nhau thì nếu tăng độ liên kết sẽ cho. 47.

(62) phÐp më réng d¶i tÇn sè céng h−ëng cña khung t−¬ng ®−¬ng. NhiÒu khi ng−êi ta sö dông 3 hoÆc 4 khung gièng nhau liªn kÕt sÏ cho ®−îc vïng truyÒn qua réng h¬n n÷a. χ=d2 Liªn kÕt m¹nh. χ > d2. Liªn kÕt yÕu. χ < d2. ω1. ω2. n. H×nh 3.35. §−êng cong céng h−ëng trong c¸c tr−êng hîp liªn kÕt kh¸c nhau.. 3.9.. Liªn kÕt ph¶n håi trong m¹ch ®iÖn. Liªn kÕt ph¶n håi (håi tiÕp) lµ viÖc truyÒn mét phÇn hay toµn bé tÝn hiÖu (®iÖn ¸p hay dßng ®iÖn) tõ lèi ra m¹ch ®iÖn (thÝ dô nh− mét tø cùc) trë vÒ lèi vµo th«ng qua mét m¹ch ®iÖn kh¸c (tø cùc kh¸c) gäi lµ m¹ng håi tiÕp. Sơ đồ chung của một mạch điện có liên kết ph¶n håi ®−îc tr×nh bµy nh− h×nh 3.36. Trong sơ đồ này:. U& V. U& th. U& f K& f. K& &. U& ra. β&. H×nh 3.36. M¹ch ®iÖn cã ph¶n håi.. U& ra K& = & lµ hÖ sè truyÒn phøc cña m¹ch kh«ng cã ph¶n håi. Uv. β& =. U& f. lµ hÖ sè truyÒn phøc cña m¹ch ph¶n håi.. U& ra U& ra lµ hÖ sè truyÒn phøc cña toµn bé m¹ch cã ph¶n håi. K& f = U& th Trong thực tế xảy ra hai loại phản hồi: thứ nhất, bản thân mạch điện (bộ khuếch đại) hay trong các linh kiện đã xảy ra những khâu phản hồi ký sinh (thí dụ, điện dung ký sinh của các dụng cụ ®iÖn tö b¸n dÉn, v.v...) th−êng lµm xÊu tÝnh n¨ng cña m¹ch. Trong thiÕt kÕ l¾p r¸p m¹ch ®iÖn tö th−êng ph¶i lµm cho lo¹i ph¶n håi nµy cµng nhá cµng tèt. Thø hai, lµ m¹ch ph¶n håi do ta t¹o ra. ngoài mạch điện (thí dụ bộ khuếch đại) để nhằm thực hiện một mục đích nào đó. ở đây ta chỉ xét loại phản hồi thứ hai này trong điều kiện mạch điện hoạt động ở dải tần số không quá cao. Cã thÓ ph©n lo¹i ph¶n håi theo nh÷ng c¸ch sau: • Ph©n lo¹i theo pha cña tÝn hiÖu håi tiÕp: ph¶n håi ©m vµ ph¶n håi d−¬ng. TÝn hiÖu ph¶n håi âm ng−ợc pha với tín hiệu vào nên làm yếu tín hiệu vào. Ng−ợc lại, tín hiệu phản hồi d−ơng đồng pha với với tín hiệu vào do đó nó làm mạnh tín hiệu vào lên. • Ph©n lo¹i theo d¹ng tÝn hiÖu: Ph¶n håi mét chiÒu vµ ph¶n håi xoay chiÒu. Håi tiÕp ©m mét chiều th−ờng dùng để ổn định chế độ làm việc của các dụng cụ điện tử trong khi hồi tiếp âm xoay chiều lại dùng để ổn định các thông số của một bộ khuếch đại điện tử. 48.

(63) • Ph©n lo¹i theo c¸ch m¾c m¹ch ph¶n håi. Cã 4 c¸ch m¾c m¹ng ph¶n håi víi m¹ch khuÕch. đại nh− đ−ợc trình bày trong các hình 3.37.. K&. Uth. Ura. K&. Uth. β&. β& (a). Rf. (b). K&. Uth. Ura. Ura. K&. Uth. Ura Rf. β&. β&. (c). (d) H×nh 3.37. Bèn lo¹i m¾c m¹ch ph¶n håi.. - Phản hồi thế - nối tiếp (hình 3.37.a) trong đó thế lối ra qua mạch phản hồi đ−ợc mắc nối tiÕp víi thÕ tÝn hiÖu vµo U th . - Phản hồi dòng - nối tiếp (hình 3.37.b) trong đó dòng lối ra (tỷ lệ với thế trên điện trở Rf) qua m¹ch ph¶n håi ®−îc ghÐp nèi tiÕp víi thÕ tÝn hiÖu vµo. - Phản hồi thế - song song (hình 3.37.c) trong đó thế lối ra qua mạch phản hồi đ−ợc mắc song song víi thÕ tÝn hiÖu vµo. - Phản hồi dòng - song song (hình 3.37.d) trong đó dòng lối ra qua mạch phản hồi đ−ợc ghÐp song song víi thÕ tÝn hiÖu vµo. Xét một mạch khuếch đại tín hiệu có phản hồi. Tính hệ số khuếch đại toàn mạch (hệ số truyền) khi có phản hồi K& theo hệ số khuếch đại K& và hệ số phản hồi β& . Xét tr−ờng hợp phản hồi thế – f. nèi tiÕp (c¸c tr−êng hîp kh¸c còng cã thÓ chøng minh t−¬ng tù). U& K& f = & ra U& V = U& th + U& f Ta cã: U th. K& f U& U& ra U& / U& K& = &ra = = ra th = Uv 1 + β&K& f U& th + U& f U& ra & 1+ β & Uth. → V×. K& f = K& + K& β&K& f. K& = Ke jϕK. β& = β e. ⇒ jϕ β. K& f =. K& 1 − K& β&. j (ϕ +ϕ ) nªn: K& β& = Kβ e K β = Kβ e jϕ. víi ϕ ≡ ϕ K + ϕ β lµ gãc lÖch pha gi÷a tÝn hiÖu vµo vµ thÕ ph¶n håi.. 49.

(64) • NÕu ϕ = 2kπ víi (k =1, 2, ...) tøc lµ thÕ ph¶n håi trïng pha víi tÝn hiÖu vµo, trong hÖ x¶y ra ph¶n håi d−¬ng: Lóc nµy cã. e jϕ = 1 Kβ < 1 th×. NÕu. K& β& = Kβ. suy ra Kf > K. vµ khi. ⇒ Kf =. Kβ ≈ 1. K 1 − Kβ. th× K f → ∞. Nghĩa là phản hồi d−ơng làm tăng hệ số khuếch đại nh−ng cũng rất dễ làm bộ khuếch đại không ổn định và trở thành một máy phát sóng.. • NÕu ϕ = (2k + 1)π , tøc lµ thÕ ph¶n håi ng−îc pha víi tÝn hiÖu vµo, trong hÖ cã ph¶n håi ©m. Lóc nµy cã. suy ra K& β& = − Kβ. e j ϕ = −1. ⇒ Kf =. K 1 + Kβ. Ta thấy Kf luôn nhỏ hơn K và nếu tăng hệ số phản hồi β lên sẽ càng làm giảm hệ số khuếch đại cña hÖ. Xét tính ổn định của hệ khi có phản hồi d−ơng và âm so với khi ch−a có phản hồi. Tính các độ biến thiên hệ số khuếch đại khi có và ch−a có phản hồi ta đ−ợc:. ⎛ & ⎞ ⎜ K ⎟ ⎛ d⎜ ⎟ ⎜ 1 − K& β& ⎞⎟ + K& β& ⎜ ⎟ & & 1 − Kβ ⎟⎠ ⎜⎝ d K& f 1 − K& β& d K& ⎠ = ⎝ & = × 2 K K& ⎛ K& f & β& ⎞⎟ ⎜ − 1 K ⎜ ⎟ 1 − K& β& ⎝ ⎠. (. Hay. d K& f = K& f. ). 1 1 − K& β&. - Víi ph¶n håi d−¬ng, ϕ = 0 ta ®−îc:. dK f 1 dK dK = × > Kf 1 − Kβ K K Nhận xét: khi K thay đổi một l−ợng ΔK thì K f thay đổi một l−ợng lớn hơn 1/(1 - Kβ) lần. Vậy. khi có phản hồi d−ơng hệ kém ổn định hơn khi không có phản hồi. - Víi ph¶n håi ©m, ϕ = π ta ®−îc:. dK f Kf. =. 1 dK dK × < 1 + Kβ K K. Lý luận nh− trên ta thấy khi có phản hồi âm hệ sẽ ổn định hơn so với khi không có phản hồi. Còng cßn cã thÓ chøng minh dÔ dµng r»ng ph¶n håi ©m lµm t¨ng trë kh¸ng vµo vµ gi¶m trë kh¸ng ra cña m¹ch (1 + Kβ ) lÇn, cßn ph¶n håi d−¬ng th× ng−îc l¹i. Ph¶n håi ©m cßn lµm më réng dải truyền qua của bộ khuếch đại. 50.

(65) Ch−¬ng 4 linh kiÖn b¸n dÉn vμ c¸c m¹ch ®iÖn tö liªn quan Các linh kiện điện tử, trong đó có các linh kiện tích cực, tạo nên các mạch điện tử thực hiện các nhiệm vụ khuếch đại, gia công xử lý tín hiệu. Tr−ớc đây các đèn điện tử chân không (electronic vacumm tube) hoạt động nhờ hiệu ứng phát xạ nhiệt điện tử đóng vai trò chính trong hầu hết các m¹ch ®iÖn. Tõ nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû tr−íc, c¸c dông cô b¸n dÉn ®iÖn nh− diode, transistor vµ sau đó là các vi mạch đơn khối (th−ờng gọi là mạch tích hợp vi điện tử IC) ra đời đã thay thế dần các đèn điện tử này và cho tới nay hầu hết các linh kiện điện tử đều đ−ợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Do đó trong các giáo trình mạch điện tử hiện đại, hầu nh− chỉ các linh kiện bán dẫn và các mạch điện liên quan mới đ−ợc trình bày. Vì cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các dụng cụ này đã đ−ợc trình bày trong các giáo trình về linh kiện bán dẫn nên ở đây chỉ mô tả tóm tắt một cách đơn giản những nguyên lý hoạt động của chúng nhằm phục vụ cho mục đích chính là khảo sát các mạch ®iÖn tö liªn quan sö dông dông cô b¸n dÉn.. 4.1. ChÊt b¸n dÉn vµ líp tiÕp gi¸p p-n 4.1.1. ChÊt b¸n dÉn ChÊt b¸n dÉn lµ nh÷ng chÊt mµ ®iÖn trë suÊt cña chóng n»m gi÷a c¸c chÊt dÉn ®iÖn vµ c¸ch ®iÖn. D¶i ®iÖn trë suÊt cña ba lo¹i nµy nh− sau: ChÊt dÉn ®iÖn:. 10-3 đến 10-5 Ωm. ChÊt c¸ch ®iÖn:. 107 đến 1016 Ωm. ChÊt b¸n dÉn:. 10-5 đến 107 Ωm. Đặc điểm của chất bán dẫn là các tính chất điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, nồng độ tạp chất, tác dụng của ánh sáng, bức xạ ion hoá, v.v... C¸c nguyªn tö trong vËt r¾n ®−îc s¾p xÕp t¹o thµnh c¸c m¹ng tinh thÓ víi c¸c h¹t nh©n nguyªn tö vµ c¸c ®iÖn tö ho¸ trÞ liªn kÕt víi nhau. ChØ c¸c ®iÖn tö tù do kh«ng n»m trong c¸c vÞ trÝ liªn kÕt, chuyển động theo điện tr−ờng tác động lên vật là có thể tạo thành dòng điện. Tại một nhiệt độ nào đó, thí dụ nh− ở nhiệt độ phòng, trong chất bán dẫn có một số điện tử do dao động nhiệt, bị bắn ra khỏi vị trí liên kết và trở thành điện tử tự do tham gia vào việc tạo nên dòng điện. Các điện tử đó đ−ợc gọi là các điện tử dẫn. Khi một điện tử rời khỏi vị trí liên kết của nó sẽ để lại sau mình một vị trí trống và làm cho các nguyên tử gần kề trở nên không trung hoà và tích điện d−ơng. Vị trí trống đó sẽ “chuyển động” ng−ợc với đ−ờng đi của điện tử dẫn và cũng đ−ợc coi lµ mét phÇn tö dÉn ®iÖn mang ®iÖn tÝch d−¬ng vµ ®−îc gäi lµ lç trèng. B»ng c¸ch thªm vµo chÊt b¸n dÉn tinh khiÕt, thÝ dô Si cã ho¸ trÞ 4, mét Ýt t¹p chÊt donor cã ho¸ trÞ lín h¬n (thÝ dô ho¸ trÞ 5) hay t¹p chÊt aceptor cã ho¸ trÞ nhá h¬n (thÝ dô ho¸ trÞ 3) ta lÇn l−ît cã c¸c chÊt b¸n dÉn lo¹i n cã c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn c¬ b¶n (®a sè) lµ ®iÖn tö vµ c¸c chÊt b¸n dÉn lo¹i p cã c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn c¬ b¶n lµ lç trèng. 51.

(66) Các chất bán dẫn có thể là đơn chất nh− Si, Ge, Se hay các ô-xýt, sunfua, selenua, v.v... Từ những năm 50 thế kỷ tr−ớc, ng−ời ta đã chế tạo thành công các dụng cụ bán dẫn nh− diode transistor, thyristor và gần đây là các mạch tích hợp đơn khối gọi là vi mạch IC (integrated circuit) mà đỉnh cao là các mạch vi xử lý. Do đặc điểm có tuổi thọ cao, gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ và hiÖu suÊt cao nªn c¸c dông cô b¸n dÉn ngµy cµng cã nhiÒu øng dông trong kü thuËt m¹ch ®iÖn tö. 4.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lớp tiếp giáp p-n. Diode bán dẫn Sù tiÕp xóc cña hai b¸n dÉn lo¹i p vµ n t¹o nªn mét vïng chuyÓn tiÕp ®iÖn tö–lç trèng vµ ®−îc gọi là lớp chuyển tiếp p-n (hay tiếp giáp p-n) nh− trình bày trên hình 4.1.a. Nguyên tắc hoạt động của các dụng cụ bán dẫn đều dựa trên việc ứng dụng các tính chất của lớp tiếp giáp này. EJ. p. n. Líp tiÕp gi¸p khi ch−a cã ph©n cùc. (a). A. K. Engoμi. Engoμi EJ. EJ. p. n +. (b). p. -. n -. Líp tiÕp gi¸p khi ph©n cùc thuËn. Ep-n= Engoμi- EJ. (c). +. Líp tiÕp gi¸p khi ph©n cùc ng−îc. Ep-n= Engoμi+ EJ. H×nh 4.1. Líp tiÕp gi¸p p–n vµ cÊu t¹o cña diode b¸n dÉn.. Do có sự chênh lệch nồng độ các phần tử tải điện nên có sự khuếch tán lỗ trống từ miền p sang miÒn n vµ khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ miÒn n sang miÒn p, tøc lµ xuÊt hiÖn dßng khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ lç trèng qua líp tiÕp gi¸p p- n. Lç trèng khuÕch t¸n tõ miÒn p lµm xuÊt hiÖn c¸c i«n ©m trong mét vïng cña miÒn p s¸t víi miÒn n, cßn ®iÖn tö khuÕch t¸n tõ miÒn n sÏ lµm xuÊt hiÖn c¸c i«n d−¬ng trong mét vïng cña miÒn n s¸t víi miÒn p. V× c¸c nguyªn tö ®−îc ph©n bè ë c¸c nót cña m¹ng tinh thÓ chÊt b¸n dÉn nªn c¸c iôn âm và d−ơng đ−ợc tạo nên này không thể dịch chuyển tự do đ−ợc. Điều đó có nghĩa là xuất hiện →. trong lớp tiếp giáp các điện tích không gian và sinh ra trong đó một điện tr−ờng E j h−ớng từ miền n sang p. §iÖn tr−êng nµy sÏ h·m qu¸ tr×nh khuÕch t¸n vµ lµm gi¶m dßng khuÕch t¸n. Trong cïng thời gian ấy, tr−ờng này làm tăng tốc chuyển động của các phần tử tải điện không cơ bản tức là điện tö tõ miÒn p sang n vµ lç trèng tõ miÒn n sang p. Nh− vËy nã lµm xuÊt hiÖn dßng ®iÖn tr«i theo 52.

(67) h−ớng ng−ợc với dòng khuếch tán. Kết quả là trong trạng thái cân bằng động, điện tích không gian kh«ng t¨ng n÷a vµ vïng tiÕp gi¸p sÏ thiÕu v¾ng c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn. Do vËy ®iÖn trë cña vïng nµy sÏ rÊt lín vµ nã ®−îc gäi lµ vïng nghÌo ®iÖn tÝch. C¸c dßng ®iÖn khuÕch t¸n vµ tr«i b»ng nhau cho nªn dßng tæng ®i qua líp tiÕp gi¸p lµ b»ng kh«ng. Khi đặt một nguồn điện bên ngoài lên lớp tiếp giáp theo h−ớng: cực d−ơng đặt lên miền p và cực âm đặt lên miền n nh− hình 4.1.b. thì c−ờng độ điện tr−ờng ngoài là ng−ợc chiều với điện →. tr−ờng chuyển tiếp E j , do đó làm giảm tác dụng của nó. Kết quả là dòng khuếch tán đ−ợc tăng lên so với dòng trôi và dòng tổng hợp sẽ đ−ợc xác định bởi dòng khuếch tán và chảy theo chiều từ miền p sang n. §iÖn tö tõ miÒn n khuÕch t¸n vµo miÒn p d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng ngoµi vµ trë thµnh phÇn tö t¶i kh«ng c¬ b¶n trong miÒn p. Ng−îc l¹i lç trèng khuÕch t¸n tõ miÒn p sang n còng trë thµnh c¸c phÇn tö t¶i kh«ng c¬ b¶n trong miÒn nµy. C¸c hiÖn t−îng nµy gäi lµ sù phun phÇn tö t¶i điện cơ bản sang miền mà tại đó nó thành không cơ bản còn dòng chảy qua miền tiếp giáp gọi là dßng phun hoÆc dßng ®iÖn thuËn. Trong tr−êng hîp nµy ta nãi líp tiÕp gi¸p ®−îc ph©n cùc thuËn vµ dßng ®iÖn thuËn th−êng lín. Ng−îc l¹i khi m¾c nguån ®iÖn ngoµi sao cho cùc ©m nèi víi miÒn p, cùc d−¬ng nèi víi miÒn n nh− trong h×nh 4.1.c th× tiÕp gi¸p ®−îc ph©n cùc ng−îc. ChiÒu ®iÖn tr−êng ngoµi lóc nµy cïng chiÒu →. víi tr−êng E j do vËy lµm t¨ng t¸c dông cña nã. KÕt qu¶ lµ cµng lµm gi¶m thµnh phÇn khuÕch t¸n cña dßng qua líp tiÕp gi¸p xuèng d−íi gi¸ trÞ øng víi tr¹ng th¸i c©n b»ng vµ lµm t¨ng thµnh phÇn trôi. Dòng qua lớp tiếp giáp p-n lúc này sẽ đ−ợc xác định bởi dòng trôi theo chiều ng−ợc với dòng điện thuận và gọi là dòng điện ng−ợc. Vì nồng độ các phần tử tải không cơ bản rất nhỏ hơn nồng độ c¸c phÇn tö t¶i c¬ b¶n nªn dßng ®iÖn ng−îc lµ rÊt nhá so víi dßng ®iÖn thuËn. Khi nèi hai ®iÖn cùc vµo hai miÒn p vµ n nh− vËy ta sÏ cã ®−îc mét dông cô gäi lµ diode b¸n dẫn có ký hiệu nh− hình 4.1.a chỉ ra, trong đó cực nối với miền p gọi là Anode (A) còn cực nối với miÒn n gäi lµ Kathode (K). I(mA) Sù phô thuéc cña dßng I d qua diode vào thế U d = UAK đặt. Ge 40. -. +. (. ). +. 30. trªn nã tÝnh theo c«ng thøc:. I d = I s e Ud / UT − 1. GaAs. Si. 20. (4.1). Trong đó:. I S lµ dßng b·o hoµ hay dßng nhiÖt khi diode ®−îc ph©n cùc ng−îc; K lµ h»ng sè Boltzmann b»ng 1,38.10-23 J/K;. 10 -30. -20. 0. -10 2. UAK (V) 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 6. μA. H×nh 4.2. §Æc tr−ng V-A cña diode b¸n dÉn.. T là nhiệt độ K; e0 là điện tích điện tử bằng 1,6. 10-19C và U T ≡. KT e0. gäi lµ thÕ nhiÖt. T¹i. nhiệt độ phòng UT cỡ 25,5 mV. 53.

(68) 4.2. øng dông cña diode b¸n dÉn Lớp tiếp giáp p-n có thể đ−ợc dùng trong nhiều mục đích nh− chỉnh l−u dòng điện, tách sóng tần số cao, biến đổi tín hiệu phi tuyến, v.v... Vì vậy cũng có rất nhiều loại diode. Diode đ−ợc phân loại theo nhiều đặc điểm khác nhau tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo, phạm vi ứng dụng, v.v... Còn tuú theo kÝch th−íc vµ cÊu t¹o mµ ph©n ra diode tiÕp mÆt vµ diode tiÕp ®iÓm. KÝch th−íc cña diode tiếp điểm đ−ợc xác định bởi diện tích của lớp tiếp giáp p-n có đ−ờng kính nhỏ hơn bề dày của lớp nµy. Diode tiÕp mÆt cã diÖn tÝch tiÕp gi¸p rÊt lín so víi bÒ dµy cña nã. Diode tiÕp ®iÓm ®−îc dïng ë c¸c m¹ch ®iÖn tÇn sè cao. Diode chØnh l−u ®−îc chÕ t¹o theo c«ng nghÖ chÊt b¸n dÉn Ge cã ®iÖn trë thuận nhỏ hơn từ 1,5 đến 2 lần so với diode Si, song điện áp ng−ợc mà nó có thể chịu đ−ợc thấp hơn kh«ng qu¸ 400V trong khi diode Si cã thÓ chÞu ®−îc tíi mét vµi ngµn v«n v× cã dßng ng−îc rÊt nhá. Diode Si còn có thể làm việc đ−ợc trong một dải nhiệt độ khá rộng từ -60°C đến +150°C. Cã thÓ liÖt kª vµi tham sè c¬ b¶n cña diode nh− sau: - Dòng điện chỉnh l−u trung bình cực đại: là dòng phân cực thuận trung bình cực đại cho phÐp ch¶y qua diode trong thêi gian sö dông dµi mµ diode kh«ng háng v× qu¸ nhiÖt. - Điện áp ng−ợc cực đại: th−ờng bằng 1/2 giá trị điện áp ng−ợc mà tại đó diode bị hỏng do bị đánh thủng lớp tiếp giáp. - Dòng điện ng−ợc: là trị số dòng điện ng−ợc khi diode ch−a bị đánh thủng, nó phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. - D¶i tÇn sè lµm viÖc: bÞ giíi h¹n chñ yÕu do ®iÖn dung cña líp tiÕp gi¸p p-n, khi tÇn sè tÝn hiÖu v−ît qu¸ trÞ sè nµy th× diode kh«ng cßn thÓ hiÖn tÝnh dÉn ®iÖn mét chiÒu n÷a. 4.2.1. Diode chØnh l−u ChØnh l−u lµ øng dông ®Çu tiªn cña líp tiÕp gi¸p p–n. C¸c diode tiÕp mÆt th−êng ®−îc dïng cho mục đích chỉnh l−u trong các bộ nguồn nuôi mạch điện tử đ−ợc cấp từ mạng điện công nghiệp.. • M¹ch chØnh l−u nöa sãng cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu tõ nguån ®iÖn c«ng nghiÖp 50 Hz cã s¬ đồ nh− hình 4.3.a. Trong tính toán gần đúng bậc nhất khi biên độ điện áp vào đủ lớn, có thể coi đặc tuyÕn cña diode lµ mét ®−êng gÊp khóc nh− h×nh 4.3.b. cã ®iÖn trë th«ng lµ rd = ΔU d / ΔI d = const. Do đó trong nửa chu kỳ d−ơng của tín hiệu vào, diode đ−ợc phân cực thuận và trở nên thông cho dßng ®iÖn ch¶y qua trë t¶i. Dßng ®i qua t¶i lµ mét d·y c¸c sãng nöa chu kú h×nh sin sÏ g©y nªn điện áp trên tải có cùng dạng với dòng. Ta đ−ợc dạng thế chỉnh l−u UT = UK nh− đồ thị hình 4.3.c. Id. UA. d A AC 50Hz. K. ~. t t. RT. Ud. UT=UK. 0V t. t. (a). 54. (b) H×nh 4.3. M¹ch chØnh l−u nöa sãng.. (c).

(69) • Mạch chỉnh toàn sóng có sơ đồ chỉnh l−u cầu đơn giản nh− trên hình 4.4. Trong nöa chu kú ®iÖn ¸p vµo d−¬ng, hai diode ë hai nh¸nh AB vµ DC ®−îc ph©n cùc thuËn do đó trở nên thông, còn hai diode ở hai nhánh CB và DA đ−ợc phân cực ng−ợc và trở nên bị cấm. Do vËy xuÊt hiÖn dßng dÉn ®i qua trë t¶i theo chiÒu tõ B sang D theo ®−êng: A - B - RT - D - C. Trong nöa chu kú ©m, hai diode ë hai nh¸nh CB vµ DA lóc nµy ®−îc ph©n cùc thuËn trong khi hai diode ë hai nh¸nh AB vµ DC l¹i bÞ ph©n cùc ng−îc. Do vËy xuÊt hiÖn dßng dÉn ®i qua trë t¶i còng theo chiÒu tõ B sang D nh−ng theo ®−êng: C - B - RT - D - A. Kết quả là trong cả hai nửa chu kỳ ta đều có dòng đi qua trở tải tạo nên thế UT nh− đồ thị hình 4.4.b. UA-C A t AC 50Hz. B. ~ D. UB-D. RT. C. t. (a). (b) H×nh 4.4. M¹ch chØnh l−u toµn sãng.. • Lọc gợn sóng lối ra trên trở tải: Trong hai sơ đồ trên, điện áp ra trên tải mới là một chiều nh−ng có biên độ còn biến đổi theo sóng hình sin. Muốn có đ−ợc điện áp ra một chiều có biên độ không đổi (bằng phẳng) phải mắc song song với tải một tụ điện C có điện dung đủ lớn nh− hình 4.5.a. Thùc chÊt ®©y lµ viÖc l¾p vµo mét bé läc th«ng thÊp RC ë lèi ra m¹ch chØnh l−u. Trong tr−êng hîp kh«ng t¶i (RT = ∞), ®iÖn trë R ë ®©y chÝnh lµ ®iÖn trë thuËn rd cña diode. V× phæ Fourier cña d¹ng sãng lèi ra sau chØnh l−u (gåm c¸c nöa chu kú sin) gåm thµnh phÇn mét chiÒu vµ c¸c sãng hµi h×nh sin cã tÇn sè 50 Hz, 100 Hz, ... nªn gi¸ trÞ cña tô C (tøc h»ng sè thêi gian RC) ph¶i ®−îc chän đủ lớn sao cho tần số cắt của bộ lọc đủ thấp chỉ để cho qua thành phần một chiều còn các thành phÇn kh¸c bÞ suy gi¶m hÕt. d AC 50Hz. ~. UT. rd C. ThÕ trªn t¶i khi cã tô. ΔU. ThÕ trªn t¶i khi kh«ng cã tô. RT. t. (a). (b) H×nh 4.5. Läc gîn sãng trªn t¶i.. Khi m¾c t¶i th× ®iÖn trë t¶i còng sÏ tham gia vµo m¹ch läc nµy vµ ®iÖn trë t¶i cµng nhá hiÖu qu¶ läc cµng kÐm (sãng mÊp m« nhiÒu). Do vËy mçi m¹ch chØnh l−u cã m¾c tô chØ tho¶ m·n trong một dải điện trở tải nhất định. Đôi khi ng−ời ta dùng mạch lọc LC nh−ng không có hiệu quả cao về. 55.

(70) kinh tế do để chặn các hài bậc thấp đòi hỏi giá trị L rất lớn, cuộn cảm trở nên cồng kềnh và giá thµnh cao. 4.2.2. Diode æn ¸p Trong chế độ phân cực ng−ợc, các diode Si có một đặc điểm nh− sau: nếu thế phân cực v−ợt quá một giá trị nào đó thì sẽ xảy ra hiện t−ợng đánh thủng trong lớp tiếp giáp p-n. Lúc này thế trên diode hầu nh− không đổi trong khi dòng ng−ợc chảy qua nó thay đổi rất lớn. Điều đó cho phép duy trì một cơ chế ổn áp trên trở tải mắc song song với diode. Điện áp mà tại đó xảy ra hiện t−ợng đánh thñng ®−îc gäi lµ ®iÖn ¸p æn UZ. Có hai loại cơ chế đánh thủng đ−ợc phân định ở ng−ỡng UZ = 5,6V: - Đánh thủng loại zener, cho ta các diode có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là ứng với một điện áp nhất định dòng qua diode giảm khi nhiệt độ tăng. - Đánh thủng loại thác lũ, cho ta các diode có hệ số nhiệt độ d−ơng. Dòng ổn áp cực đại bị hạn chế bởi công suất cực đại chịu đ−ợc của diode ổn áp. Khi v−ợt quá công suất này, diode trở nên quá nóng và bị hỏng do đánh thủng vì nhiệt. Diode ổn áp đ−ợc dùng cho nhiều mục đích, thí dụ nh− tạo bộ ổn áp thông số, bộ hạn chế biên độ tín hiệu, v.v... Hình 4.6.a là thí dụ về đặc tr−ng V-A của loại diode ổn áp có thế ổn áp UZ =9,8 V. §Æc tr−ng thuËn. UZ = -9,8V. UV. §Æc tr−ng ng−îc. I(mA ). UZ. RS. t UV ΔIZ = 40mA. ΔUZ = 0,2V. RT. ~. IZ UT UZ. IZmax. (a). t. (b) Hình 4.6. Đặc tr−ng V-A của diode ổn áp và mạch hạn chế biên độ.. Trong chế độ đánh thủng, dòng ng−ợc tăng lên đến 40 mA trong khi thế thay đổi không quá 0,2V. Hình 4.6.b là một sơ đồ ứng dụng diode ổn áp làm mạch hạn chế biên độ, trong đó RS là điện trë b¶o vÖ diode khái bÞ qu¸ dßng. Nhìn vào đồ thị điện áp UT ta thấy: có những khoảng thời gian nguồn tín hiệu có biên độ lớn hơn mức thế ổn áp UZ nhiều nh−ng điện áp sụt trên tải lúc đó (cũng chính là điện áp phân cực ng−ợc của diode) luôn chỉ bằng UZ do tính chất ổn áp của diode trong miền đánh thủng. Để đánh giá chất l−ợng ổn áp ng−ời ta hay dùng thông số hệ số ổn áp là tỷ số giữa sự biến thiªn ®iÖn ¸p trªn ®iÖn ¸p t¶i tÝnh theo phÇn tr¨m. ΔU T % . Để đảm bảo hệ số ổn áp theo yêu cầu, UT. th−ờng chọn dòng đánh thủng qua diode lớn gấp từ 3 đến 5 lần dòng qua tải. 56.

(71) 4.2.3. Diode biÕn dung Chiều dày của lớp tiếp giáp p-n đ−ợc xác định bởi độ sâu của lớp ngăn trong các miền p và n. Các phép tính chi tiết chứng tỏ rằng độ thấm sâu của lớp ngăn trong các miền p và n tỷ lệ ng−ợc với nồng độ tạp chất trong các miền ấy. Trong miền tiếp giáp p-n hình thành hai loại điện dung: -. Điện dung điện tích đ−ợc xác định bởi sự thay đổi của điện tích khối (đ−ợc tạo bởi các iôn d−ơng và âm trong lớp tiếp giáp p-n) khi thay đổi điện áp tác dụng từ ngoài. Theo quan ®iÓm nµy th× líp tiÕp gi¸p p-n t−¬ng tù nh− mét tô ®iÖn ph¼ng cã ®iÖn dung b»ng: C =ε. S. . Trong đó S là diện tích lớp tiếp giáp, ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn. δ. vµ δ lµ bÒ dµy líp tiÕp gi¸p. -. §iÖn dung khuÕch t¸n thÓ hiÖn khi líp tiÕp gi¸p p-n ®−îc m¾c theo chiÒu thuËn vµ ®−îc xác định bởi sự biến đổi của điện tích trong miền p và miền n vì sự thay đổi của số điện tử và lỗ trống phun vào các miền đó. Dùa trªn nguyªn t¾c nµy ng−êi ta chÕ t¹o ra diode biÕn dung (varicap) cã ®iÖn dung cña líp tiếp giáp p-n phụ thuộc vào điện áp ng−ợc tác dụng lên nó nh− đặc tr−ng C-U trên hình 4.7.a. Ký hiệu của varicap đ−ợc vẽ trên sơ đồ ứng dụng trong hình 4.7.b. (nF). CV = Cp-n. Anten thu. 200. C0 + -. 100. Ung−îc 10. 20. 30. P L CV. TÝn hiÖu ra. (V). (a) (b) Hình 4.7. Đặc tr−ng Vôn-Fara của diode biến dung và sơ đồ ứng dụng.. Đây là một sơ đồ điều h−ởng tần số cộng h−ởng của khung dao động LC rất hay đ−ợc dùng trong kỹ thuật phát thanh truyền hình hiện nay. Thay vì cho việc sử dụng một tụ điện biến đổi (tụ xoay) bằng cơ khí nh− kiểu cũ trong khung LC, một diode biến dung CV đ−ợc thế vào vị trí đó. Khi điều chỉnh vị trí con chạy của biến trở P, điện áp phân cực ng−ợc đặt vào diode thay đổi và làm thay đổi điện dung CV của nó. Điều đó cho phép điều h−ởng giá trị tần số dao động riêng của khung ( ω 0 = 1 / LCV ) cho phù hợp với tần số nguồn tín hiệu cần thu để có đ−ợc hiện t−ợng cộng h−ởng dòng trong khung nhằm chọn lọc tín hiệu đài phát có tần số bằng tần số ω0 . Tụ C0 trong sơ đồ có tác dụng ngăn thành phần một chiều từ nguồn đi vào cuộn cảm L; do vậy giá trị của nó đ−ợc chọn đủ lớn so với CV sao cho trong dải điều h−ởng, dung kháng của nó (bằng 1/ ωC0) có thể coi b»ng kh«ng. 4.2.4. Diode quang ®iÖn (photo diode) Diode quang ®iÖn lµ dông cô b¸n dÉn cã dßng ng−îc t¨ng nhanh khi ®−îc chiÕu s¸ng. Khi chiÕu s¸ng diode b»ng bøc x¹ ¸nh s¸ng cã b−íc sãng thÝch hîp, dßng ng−îc nµy t¨ng do sù t¹o ra 57.

(72) c¸c h¹t t¶i ®iÖn kh«ng c¬ b¶n trong c¸c miÒn p vµ n còng nh− sù ph¸t sinh c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng trong vùng tiếp giáp p-n. Họ đặc tr−ng V-A của một diode quang điện với các quang thông φ khác nhau chiÕu vµo nã ®−îc biÓu diÔn nh− h×nh 4.8.a. Dßng ng−îc khi diode ch−a ®−îc chiÕu s¸ng (φ0 = 0) gäi lµ dßng tèi. Khi φ ≠ 0, dßng quang ®iÖn lµ tæng cña 3 dßng thµnh phÇn: dßng khuÕch t¸n cña c¸c ®iÖn tö trong miÒn p ®−îc sinh ra do c¸c ph«-t«n s¸ng chiÕu vµo, dßng khuÕch t¸n cña quang lç trèng trong miÒn n vµ dßng ph¸t quang trong vïng tiÕp gi¸p p-n. Diode quang ®iÖn ®−îc dùng trong các sơ đồ thu và chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Hình 4.8.b là ký hiệu của một diode quang điện và sơ đồ mạch ứng dụng phát hiện các xung ánh sáng của nó. K. +Vcc. Id S. φ3>φ2 >φ1 >φ0 φ0 φ1 φ2. d 0. Bé khuếch đại. Ud. §iÖn ¸p ra. RC. φ3. (a) (b) Hình 4.8. Họ đặc tr−ng vôn-ampe với các quang thông khác nhau (a) và sơ đồ øng dông cña diode quang ®iÖn thu nhËn c¸c xung ¸nh s¸ng (b).. Các xung ánh sáng từ nguồn sáng S qua các khe của đĩa quay K đ−ợc chiếu tới bề mặt của diode quang ®iÖn d. Nguån +Vcc cÊp ®iÖn ¸p ng−îc cho diode qua ®iÖn trë g¸nh RC. Trong thêi kho¶ng kh«ng cã xung s¸ng chiÕu vµo, dßng ng−îc rÊt nhá, sôt thÕ trªn trë t¶i b»ng kh«ng. Khi cã xung ¸nh s¸ng chiÕu vµo diode t¹o nªn dßng quang ®iÖn Id tû lÖ víi quang th«ng. Dßng nµy g©y nªn các điện áp xung trên trở tải bằng IdRC. Điện áp này đ−ợc đ−a tới mạch khuếch đại công suất ra tải. Đo tần số của xung điện lối ra ta có thể xác định đ−ợc tốc độ quay của đĩa, v.v... 4.2.5.. Diode ph¸t quang LED (light emitting diode). Diode phát quang là loại hoạt động với lớp chuyển tiếp p-n đ−ợc phân cực thuận. Lúc này các ®iÖn tö c¬ b¶n tõ miÒn n ®−îc phun sang miÒn p vµ t¸i hîp víi lç trèng. Ng−îc l¹i lç trèng ®−îc phun tõ miÒn p sang miÒn n vµ t¸i hîp víi ®iÖn tö. Trong qu¸ tr×nh t¸i hîp, n¨ng l−îng ®−îc gi¶i phóng d−ới dạng tia bức xạ ánh sáng. Do đó diode loại này đ−ợc gọi là diode phát quang LED. Các đặc tr−ng quan trọng nhất của một diode phát quang là: phổ ánh sáng phát xạ, hiệu suất và đáp ứng cña diode víi xung kÝch thÝch. C¸c diode ph¸t quang th«ng dông gåm c¸c lo¹i ph¸t ¸nh s¸ng trong vïng kh¶ kiÕn vµ lo¹i ph¸t trong vïng hång ngo¹i. Chóng ®−îc sö dông nhiÒu trong c¸c b¶ng chØ thÞ (display), trong các linh kiện ghép nối quang và nhạy quang (nh− optron). Thời gian đáp ứng của chóng cã thÓ tõ cì mili gi©y tíi c¸c xung hÑp cì nan« gi©y. Ngoµi c¸c linh kiÖn diode kÓ trªn cßn nhiÒu lo¹i kh¸c hiÖn ®ang ®−îc sö dông nhiÒu trong thùc tÕ nh− diode ®−êng hÇm (tunel), diode laser, diode siªu cao tÇn, v.v... vµ c¸c diode c«ng suÊt lín hoạt động với thế phân cực ng−ợc và dòng rất lớn. Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm kỹ thuật của các diode loại này cùng các sơ đồ ứng dụng của nó có thể xem thêm trong các giáo trình vật liệu, linh kiÖn b¸n dÉn. 58.

(73) 4.3. Transistor l−ìng cùc 4.3.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Transistor l−ìng cùc BJT (bipolar junction transistor) lµ mét linh kiÖn b¸n dÉn cã 3 líp (miÒn) b¸n dÉn nèi tiÕp nhau p-n-p hoÆc n-p-n. Mçi líp nµy lÇn l−ît ®−îc gäi lµ líp ph¸t E (emitter), líp gèc B (base) vµ líp gãp C (collector). Mçi líp ®−îc nèi ra c¸c ®iÖn cùc t−¬ng øng lµ emitter, base vµ collector. Sù s¾p xÕp gi÷a c¸c líp b¸n dÉn vµ bè trÝ c¸c ®iÖn cùc còng nh− ký hiÖu cña hai lo¹i transistor trong sơ đồ mạch nh− hình 4.9. Transistor trong hình (a) là loại pnp hay gọi là transistor thuận, loại trong hình (b) gọi là transistor ng−ợc npn. Với cách sắp xếp nh− vậy, đôi khi transistor ®−îc coi nh− 2 diode m¾c nèi tiÕp nhau nh− h×nh. E. p. n. p. E. C. n. p. B. B. C B. C. n. C. C B. B. B E. E E. C. E. (a) (b) H×nh 4.9. Sù s¾p xÕp c¸c líp b¸n dÉn trong hai lo¹i transistor vµ ký hiÖu cña nã.. Nguyên lý hoạt động của các transistor đã đ−ợc khảo sát kỹ trong các giáo trình linh kiện bán dẫn, ở đây ta chỉ điểm lại một cách vắn tắt sự hoạt động của một transistor loại pnp để thấy tác dụng khuếch đại công suất của nó khi đ−ợc mắc trong một sơ đồ thích hợp, thí dụ nh− sơ đồ hình 4.10. Transistor ®−îc cÊp ®iÖn tõ hai n p p nguồn E1 << E2. Nhìn vào sơ đồ ta E C B thÊy, nguån E1 t¹o mét ph©n cùc thuËn K cho líp tiÕp gi¸p E-B trong khi nguån RB E2 t¹o ra mét ph©n cùc ng−îc trªn líp IE IC tiÕp gi¸p B-C. Khi kho¸ K më, ®iÖn ¸p EV ~ IB UEB b»ng kh«ng cßn tiÕp gi¸p B-C l¹i + + ®−îc ph©n cùc ng−îc nªn dßng E2 E1 collector Ic hÇu nh− b»ng kh«ng (thùc Hình 4.10. Giải thích sự khuếch đại của transistor pnp. ra chØ cã mét dßng ng−îc rÊt nhá cña các phần tử tải điện không cơ bản là các điện tử từ lớp C sang lớp B). Khi đóng công tắc K, tiếp giáp E-B ®−îc ph©n cùc thuËn tõ nguån E1 nªn cã mét dßng ®iÖn thuËn gåm c¸c lç trèng tõ líp E ®−îc phun vµo líp B. Líp B ®−îc chÕ t¹o sao cho rÊt máng vµ phÇn tö t¶i c¬ b¶n ë ®©y lµ ®iÖn tö cã mËt độ rất thấp. Vì vậy chỉ một số ít lỗ trống từ lớp E sang đ−ợc tái hợp với số điện tử trong lớp B và tạo ra dßng IB, cßn l¹i phÇn lín ®−îc khuÕch t¸n qua líp B vµ tr−ît tíi líp C. Nguyªn nh©n lµ do khi tíi lớp tiếp giáp B-C, chính điện tr−ờng mạnh do nguồn E2 tạo ra đã làm tăng tốc lỗ trống và kéo chúng sang lớp C để tạo nên dòng IC chảy qua trở tải RT. Tóm lại, nhờ có lớp tiếp giáp E-B đ−ợc phân cực 59.

(74) thuËn bëi nguån E1 t¹o ra mét dßng ®iÖn nhá IB mµ líp emitter cã thÓ phun ®−îc mét dßng lç trèng lín qua base sang líp collector t¹o nªn dßng ®iÖn Ic lín. Dßng ®iÖn nµy d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng m¹nh g©y ra bëi E2 sÏ sinh ra c«ng lín trªn trë t¶i RT. NÕu b©y giê m¾c nèi tiÕp víi E1 mét nguån tÝn hiÖu vµo nhá EV, thÝ dô nguån xoay chiÒu, th× dßng lèi ra IC vµ thÕ trªn t¶i UT kh«ng chØ phô thuéc vµo E1 mµ cßn biÕn thiªn theo quy luËt cña nguån tÝn hiÖu EV nµy nh−ng gi¸ trÞ biÕn thiªn ë lèi ra trªn t¶i lín h¬n gi¸ trÞ biÕn thiªn cña nguån tín hiệu vào nhiều. Ta có sự khuếch đại tín hiệu nhờ transistor. I (4.2) Tû sè α ≡ C ®−îc gäi lµ hÖ sè truyÒn dßng ®iÖn. IE Theo ph©n tÝch trªn th× I E = I B + I C (víi Tû sè β ≡. I B << I C ) nªn α < 1.. IC đ−ợc gọi là hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh. IB. (4.3). Trong thực tế β th−ờng có giá trị từ vài chục đến vài trăm. Mối quan hệ giữa α và β nh− sau:. α=. β. β=. 1+ β. α 1-α. (4.4). 4.3.2. Các sơ đồ cơ bản mắc transistor trong mạch khuếch đại Có 3 cách mắc cơ bản transistor trong các mạch khuếch đại. Tuỳ theo emitter, base hay collector đ−ợc nối với điểm chung giữa nguồn tín hiệu vào và ra trong sơ đồ t−ơng đ−ơng mà t−ơng øng cã c¸c c¸ch m¾c emitter chung CE (common emitter), base chung CB vµ collector chung CC nh− tr×nh bµy trªn h×nh 4.11. RT + E2 EV. ~. E. RB. RT. ≈. -. EV. ~. Uvµo. Ura. E. + E1. EV. ~. RT. RB B. - +. -. E1. +. ≈. EV. ~. Uvµo. B. RT. Ura. E2. C + E2 EV. ~. RT. RB. -. ≈. RT EV. ~. Uvµo. + E1. Hình 4.11. Ba cách mắc transistor và sơ đồ t−ơng đ−ơng. 60. C. Ura.

(75) Sơ đồ t−ơng đ−ơng đ−ợc hình thành từ sơ đồ thực với thực tế tín hiệu đ−ợc truyền nối tắt qua c¸c nguån hoÆc tô ®iÖn truyÒn cã ®iÖn dung lín. 4.3.3.. Mạch cấp điện và các sơ đồ ổn định điểm làm việc. • M¹ch cung cÊp ®iÖn M¹ch ®iÖn t¹o c¸c ®iÖn ¸p ban ®Çu cho transistor khi ch−a cÊp nguån tÝn hiÖu vµo gäi lµ m¹ch tạo thiên áp, và điểm trên các đặc tr−ng V-A t−ơng ứng với các giá trị thế và dòng tĩnh UBE0 và IB0, UC0 và IC0lúc đó gọi là điểm làm việc tĩnh của nó. Muốn transistor làm việc trong vùng tích cực th−ờng phải đảm bảo các yêu cầu về nguồn điện nh− sau: lớp tiếp giáp E-B phải đ−ợc phân cực thuËn víi ®iÖn ¸p thÊp (cì trªn 0,3 V víi transistor chÕ t¹o theo c«ng nghÖ Ge vµ cì 0,7 V víi transistor Si), cßn líp tiÕp gi¸p C-B ®−îc ph©n cùc ng−îc víi ®iÖn ¸p cao. Th−êng thay v× 2 nguån nu«i E1 vµ E2 nh− trªn h×nh 4.10. ng−êi ta chØ dïng mét nguån EC cÊp chung cho cả hai tiếp giáp E-B và C-B nh− trong thí dụ của sơ đồ emitter chung. Collector của transistor ®−îc cÊp nguån qua c¸c ®iÖn trë sôt ¸p RC, th−êng gäi lµ trë g¸nh (h×nh 4.12a). Khi cã nhiÒu transistor cïng dïng chung mét nguån th× c¸c tÇng th−êng ®−îc m¾c song song víi nguån cung cÊp. §Ó gi¶m ghÐp ký sinh gi÷a c¸c tÇng, trong m¹ch th−êng m¾c c¸c m¹ch RLCL nh− thÊy trong h×nh. §ã thùc chÊt lµ c¸c bé läc tÇn thÊp. Nh− vËy, vai trß cña nguån EC cÊp cho m¹ch collector gièng nh− E2. Cßn thay v× E1, nguån Ecc cÊp cho m¹ch base mét ®iÓm lµm viÖc tÜnh UBE0 (điện áp định thiên) qua điện trở RB gọi là điện trở định thiên nh− trên hình 4.12b. RL CL. EC+. EC+. RC2. RC1. RC. RB. C2 Uvµo. (a). C1. RT. Ura. (b). Hình 4.12. Mạch nuôi transistor npn trong sơ đồ emitter chung.. Hai tô C1 vµ C2 ®−îc m¾c trong m¹ch gäi lµ c¸c tô truyÒn (hay tô nèi tÇng). §iÖn dung cña chúng phải đủ lớn để tại tần số tín hiệu chúng có dung kháng rất nhỏ hơn các giá trị trở kháng lân cận và có thể coi chúng đ−ợc đoản mạch với các tín hiệu tại tần số đó. Còn đối với nguồn nuôi, các tụ đó có tác dụng ngăn dòng điện một chiều từ nguồn này đi vào nguồn tín hiệu hoặc vào lối vào tầng khuếch đại transistor tiếp sau. Với các sơ đồ base chung và collector chung cũng có các mạch t−¬ng tù chØ sö dông mét nguån nu«i kiÓu nh− vËy.. • Hiện t−ợng trôi điểm làm việc và các sơ đồ ổn định Do chất bán dẫn rất nhạy cảm với sự biến đổi của nhiệt độ nên khi làm việc, d−ới tác dụng nhiệt của môi tr−ờng xung quanh và ngay chính dòng IC cũng làm nóng transistor dẫn đến các thông số của nó nh− hệ số khuếch đại α, β cũng nh− các dòng và thế tĩnh trên base và collector thay. 61.

(76) đổi, tức là điểm làm việc tĩnh bị trôi nhiệt. Để đánh giá mức độ ảnh h−ởng của điện áp trôi đến điện áp ra, th−ờng định nghĩa hệ số khuếch đại điện áp trôi là K tr ≡. ΔU C 0 . ΔU BE. Do có hiện t−ợng trôi nhiệt nên các sơ đồ cung cấp điện cho transistor th−ờng phải kèm thêm các mạch ổn định điểm làm việc tĩnh. Đ−ợc dùng phổ biến là các sơ đồ dùng hồi tiếp âm một chiều. Hình 4.13 là 3 sơ đồ hay đ−ợc dùng. RC. RC. RB. +EC. +EC. +EC RB. RC. RB. R2. +. R2. rBE. RE. -. (a). (b). CE. (c). Hình 4.13. Ba sơ đồ ổn định điểm làm việc.. Hình 4.13a là sơ đồ dùng mạch phân áp điện trở. Khi chọn R2 << rBE là điện trở giữa hai cực B và E của transistor ta có dòng qua R2 rất lớn hơn dòng IB0. Lúc đó điện áp UBE chủ yếu phụ thuộc vào R2 mà R2 lại là điện trở không phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nh− chất bán dẫn. Do vậy điểm làm việc UBE đ−ợc ổn định. Th−ờng chọn dòng IR2 = 1 đến 5 lần IB0. Hình 4.13b là sơ đồ dùng mạch phản hồi giữa collector và base bằng điện trở RB đ−ợc mắc nh− trong hình. Do vậy nguồn nuôi mạch định thiên cho transistor trong tr−ờng hợp này không phải là thế E+ không đổi mà là thế UC0 biến đổi theo dòng IC0. Ta có UC0 = EC – IC0RC. Nếu nhiệt độ tăng dẫn tới IB0 tăng làm IC tăng, do đó UC0 giảm. Do đó thế định thiên UBE sẽ giảm, dẫn tới dòng IB0 giảm bù lại sự tăng của nó do nhiệt độ. Lý luận t−ơng tự cho tr−ờng hợp nhiệt độ transistor giảm cũng sẽ dẫn tới sự ổn định IB0 do nó phụ thuộc vào UC0. Hình 4.13c là sơ đồ dùng mạch phản hồi âm bằng trở RE mắc tại cực emitter. Khi nhiệt độ tăng dẫn tới dòng IC tăng, tức là dòng IE tăng. Điều đó làm cho sụt áp URE = IERE trên trở RE tăng. Điều nµy t−¬ng ®−¬ng víi t¸c dông cña ph¶n håi ©m vÒ dßng mét chiÒu vÒ lèi vµo UBE, dÉn tíi ®iÖn ¸p UBE giảm, dòng IB0 giảm và dẫn tới dòng IC giảm bù lại sự tăng do nhiệt độ. Để tránh tổn hao do ph¶n håi ©m c¶ vÒ tÝn hiÖu xoay chiÒu trªn trë RE, th−êng ng−êi ta m¾c song song víi RE mét tô CE. Muốn vậy, điện dung của tụ phải đủ lớn để sao cho ở tần số tín hiệu ω phải đảm bảo dung kháng 1/ωCE << RE. 4.3.4. Các họ đặc tuyến và đ−ờng tải của transistor l−ỡng cực Transistor l−ỡng cực có các họ đặc tuyến tĩnh lối vào I B = f (U BE ) U. lèi ra I C = f (U CE ) U. BE. =const. CE. =const. và họ đặc tuyến. nh− đ−ợc trình bày trên các hình 4.14 a và b. Với đặc tuyến lối vào,. khi không chú ý tới sự hiện diện của thế UCE ta thấy tiếp giáp base-emitter cho ta một đặc tr−ng V-A còng gièng nh− mét diode th«ng th−êng. 62.

(77) Với đặc tuyến lối ra, ta thấy mỗi đ−ờng trong họ nằm trong 3 vùng rõ rệt: - Vïng b·o hoµ (vïng B) víi dßng IC ®−îc t¹o bëi c¸c ®iÖn tÝch mang phun tõ líp emitter. Trong vïng nµy dßng collector ®−îc t¨ng lªn nhanh chãng khi t¨ng thÕ UCE.. - Vùng tích cực (vùng A): với mỗi thế UBE không đổi, khi thế UCE tăng đến một giá trị nào đó tÊt c¶ c¸c ®iÖn tö mang ®−îc phun hÕt vµo líp collectorr vµ dßng IC kh«ng thÓ t¨ng ®−îc nữa dù thế UCE có tăng. Lúc này dòng IC chỉ thuần tuý đ−ợc điều khiển bởi sự biến đổi của thế UBE hay dòng IB. Đây là vùng làm việc đ−ợc sử dụng cho các bộ khuếch đại dùng transistor. - Vùng đánh thủng (vùng C): trong vùng này dòng IC đột ngột tăng rất mạnh theo thế UCE dẫn đến làm hỏng transistor. IB (μA). IC(mA). IC (mA). ( A) B. UCE = const 100. A. 80. C. 40. 60. ΔUCE. 30. 40. ΔIB. 20. 20. ΔUBE. 10. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. UBE (V). ΔIC. 680mV. 25. 660mV. 20 15. 640mV 620mV. 4. 6. 8. 10. 12. IC0. S = ΔIC/ ΔUBE. 10. 600mV. 2. (a). UCE = const. UBE= 700mV. 50. UCE (V). UBE (V). 5 0,2. 0,4. 0,6. (b). 0,8. (c). Hình 4.14. Đặc tuyến lối vào (a), lối ra (b) và đặc tuyến truyền đạt (c).. Từ hai đặc tuyến này thấy rằng với một sự thay đổi nhỏ của điện áp vào cũng dẫn tới sự thay đổi lớn của dòng collector lối ra nh− trên đặc tuyến truyền đạt IC = f (U BE ) U. CE. = const. t¹i h×nh 4.14c.. Giống nh− đặc tuyến vào, đặc tuyến truyền đạt cũng có dạng hàm mũ:. IC = I S (T ,UCE )eU BE / U T. (4.5). Trong đó IS là dòng ng−ợc phụ thuộc nhiệt độ T và thế UCE. Ngoài họ ph−ơng trình đặc tuyến tĩnh I C = f (U CE ) I. B. = const. kÓ trªn, do transistor ®−îc m¾c nèi. tiÕp víi trë g¸nh RC nh− h×nh 4.12. nªn dßng IC cßn phô thuéc vµo nguån EC vµ trë g¸nh nh− sau:. I C RC + U C = EC →. IC =. EC − U C RC. (4.6). Nếu vẽ trên cùng một đồ thị với họ đặc tuyến ra cña transistor th× ®©y lµ mét ®−êng th¼ng ®−îc gäi lµ ®−êng t¶i víi hai giao ®iÓm b»ng (EC / RC) trªn trôc tung vµ b»ng (EC) trªn trôc hoµnh nh− h×nh 4.15. Giao điểm của đ−ờng tải với các đ−ờng đặc tuyến ứng với mçi dßng vµo IB lµ c¸c ®iÓm lµm viÖc cña transistor. Nh− định nghĩa ở trên thì điểm làm việc tĩnh là giao. IC. EC/ RC IC0. IB0. UC0. EC. UCE. Hình 4.15. Họ đặc tuyến ra tĩnh và ®−êng t¶i cña transistor BJT. 63.

(78) điểm của đ−ờng tải với đ−ờng đặc tuyến ứng với IB = IB0 là dòng base khi không có tín hiệu vào. 4.3.5. Các thông số của transistor trong chế độ tín hiệu nhỏ Nãi chung, thÕ hoÆc dßng ®iÖn tÝn hiÖu t¹i ®iÓm lµm viÖc sÏ gåm tæng cña hai thµnh phÇn: thành phần một chiều dc và thành phần biến đổi xoay chiều ac nh− hình 4.16. chỉ ra. Thành phần dc th−ờng là để duy trì điểm làm việc của transistor còn thành phần ac là tín hiệu cần khuếch đại. Khi tÝn hiÖu vµo ac nhá, cã thÓ coi transistor lµ mét bé khuÕch s(t) s(t) đại tuyến tính hoạt động quanh ®iÓm lµm viÖc (IC0, UBE0) trªn h×nh dc 4.14c hay ®iÓm (IC0, UC0) h×nh ac 4.15. Khi tÝnh to¸n, ®−êng cong đặc tuyến của nó đ−ợc thay thế t 0 t 0 b»ng tiÕp tuyÕn víi ®−êng cong t¹i H×nh 4.16. Hai thµnh phÇn dc vµ ac cña tÝn hiÖu. ®iÓm lµm viÖc. Lóc nµy cã thÓ coi transistor nh− mét tø cùc tuyÕn tÝnh vµ cã thÓ thiÕt lËp c¸c mèi quan hÖ gi÷a dßng, thÕ lèi vµo vµ lèi ra. NÕu coi m¹ch lèi vµo cña transistor nh− mét t¶i nèi tiÕp víi nguån tÝn hiÖu thÕ, ng−êi ta ®−a vµo kh¸i niÖm ®iÖn trë vµo vi ph©n:. ~. rBE ≡. ∂U BE ∂I B. (4.7) U CE =const. rBE th−ờng có giá trị từ vài trăm Ω đến vài trăm kΩ; Sự thay đổi dòng collector lối ra phụ thuộc vào thế lối vào đ−ợc đặc tr−ng bởi độ hỗ dẫn:. S≡. ∂I C ∂U BE. (4.8) U CE = const. Theo biÓu thøc (4.8) trªn th×: S=. I S U BE / UT I C = e UT UT. (4.9). Nhìn vào biểu thức ta thấy độ hỗ dẫn tỷ lệ với dòng collector IC. Sự phụ thuộc của điện áp collector-emitter vào dòng collector đ−ợc đặc tr−ng bởi điện trở ra vi ph©n:. rCE ≡. ∂U CE ∂I C. (4.10) U BE = const. rCE th−ờng có giá trị từ vài chục kΩ đến hàng MΩ. Điện trở này tỷ lệ nghịch với độ lớn của IC, nã sÏ gi¶m ®i khi dßng collector cµng lín. Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh β = IC/ IB nh− đã nói ở mục trên chỉ không đổi trong một ph¹m vi h¹n chÕ cña dßng collector nh− thÊy trong h×nh 4.17. V× vËy mét th«ng sè n÷a th−êng ®−îc đ−a vào đặc tr−ng cho độ khuếch đại tại một điểm làm việc nào đó với tín hiệu nhỏ gọi là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân: 64.

(79) β' ≡. ∂I C ∂I B. (4.11) U CE = const. Sù phô thuéc nµy còng ®−îc cho thÝ dô trªn h×nh 4.17.. 300. Biết β và độ hỗ dẫn S có thể tính đ−ợc điện trở. 200. β, β’. vµo:. rBE. β β’. 100. ∂U BE ∂U BE β βU T = = = = (∂I C / β ) S I C ∂I B. (4.12). 0 10-6 10-5. Th−ờng thiết lập mối quan hệ giữa các đại l−îng vµo vµ ra cña transistor I B = f (U BE ,U CE ) vµ. dI C. L−îng. ∂I B ∂U CE. tr×nh c¬ b¶n:. ∂I B ∂U BE. ∂I C = ∂U BE. U CE. ∂I B ∂U CE. U BE. U CE. ∂I C + ∂U CE. U BE. . dU BE +. . dU BE. 10-3. 10-2. 10-1. IC(A). Hình 4.17. Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh và động vào dòng collector.. I C = f (U BE ,U CE ) b»ng c¸c vi ph©n toµn phÇn:. dI B =. 10-4. . dU CE (4.13). . dU CE. gọi là truyền đạt ng−ợc th−ờng rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Do vậy ta có ph−ơng UBE. 1 ⎧ ⎪ dI B = r dU BE ⎪ BE ⎨ ⎪ dI = S .dU + 1 .dU BE CE ⎪⎩ C rCE. (4.14). Th−êng viÕt (4.16) d−íi d¹ng ma trËn Y :. ⎛ dI B ⎞ ⎛1 / rBE ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎝ dI C ⎠ ⎝ S. 0 ⎞ ⎛ dU BE ⎞ ⎟⎜ ⎟ 1/rCE ⎟⎠ ⎜⎝ dU CE ⎟⎠. (4.15). Bên cạnh đó còn có ma trận H nh− sau: ⎛ dU BE ⎞ ⎛ h11 h12 ⎞ ⎛ dI B ⎞ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ dI C ⎠ ⎝ h21 h22 ⎠ ⎝ dU CE ⎠. (4.16). Gi÷a c¸c phÇn tö c¸c ma trËn nµy tån t¹i c¸c quan hÖ:. 1 / rBE = y11 = 1 / h11 S = y21 = h21 / h11 = β / rBE. 1 / rCE = y22 = (1 / h11 )(h11h22 − h21h12 ) ≈ h22. (4.17). 4.3.6. Phân tích 3 loại khuếch đại cơ bản dùng transistor trong chế độ tín hiệu nhỏ Ta sẽ phân tích transistor hoạt động ở tần số thấp hơn tần số giới hạn (là tần số mà tại đó hệ số khuếch đại dòng điện giảm đi 3 dB so với ở tần số thấp) trong các cách mắc. Khi coi transistor nh− 65.

(80) một tứ cực tuyến tính ta dùng ph−ơng pháp sơ đồ t−ơng đ−ơng với các thông số đ−ợc định nghĩa nh− trên để khảo sát 3 loại sơ đồ khuếch đại cơ bản của transistor là sơ đồ emitter chung, collector chung vµ base chung.. • Sơ đồ emitter chung đơn giản: Sơ đồ thực (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng tín hiệu nhỏ (b) của nó đ−ợc trình bày trên hình 4.18, trong đó cần chú ý rằng các phần tử của transistor chỉ nằm trong phạm vi vòng chấm chấm bên trong còn bộ khuếch đại bao gồm cả các phần tử nằm trong vòng chấm chấm bên ngoài (thêm các điện trở mạch khuếch đại Rb và RC. Các điện trở rn là thuộc về điện trë néi cña nguån tÝn hiÖu vµ RT lµ ®iÖn trë t¶i. Transistor lóc nµy ®−îc coi lµ gåm cã mét trë vµo rBE ®−îc m¾c nèi tiÕp víi nguån tÝn hiÖu vµ nguồn dòng βIB đ−ợc mắc song song ở lối ra với trở ra vi phân rCE. Trong sơ đồ này hai tụ C1 và C2 lµ c¸c tô nèi tÇng. Tô C1 ng¨n dßng mét chiÒu tõ nguån nu«i vµo nguån tÝn hiÖu vµo. MÆt kh¸c nã đảm bảo cho điện áp UB0 của điểm làm việc tĩnh không bị ảnh h−ởng bởi điện trở trong rn của nguồn tÝn hiÖu vµo. Tô C2 ng¨n kh«ng cho thµnh phÇn mét chiÒu tõ tÝn hiÖu ra vµ dßng mét chiÒu cña nguồn nuôi vào tải (hay tầng khuếch đại tiếp sau) và chỉ cho thành phần tín hiệu xoay chiều lối ra đi tới tải. Điện trở định thiên Rb xác định điểm làm việc cho transistor với dòng I B 0 =. EC − U BE . Rb. +EC Rb. rn. RC. IB. C. B. IC. C2 C1 Un. ~. ≈ RT. Uv= UBE. Un. ~. Rb. Ura. rBE. β IB. rCE RC. RT. E Bộ khuếch đại Transistor. (a). (b). Hình 4.18. Sơ đồ khuếch đại emitter chung (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b).. Nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại này nh− sau: khi đ−a một l−ợng điện áp biến đổi ΔUv tới lối vào transistor, sẽ làm biến đổi thế ΔUBE = ΔUv, dẫn tới làm dòng base biến đổi một l−ợng. ΔIB. Do đó dòng collector cũng biến đổi một l−ợng ΔIC lớn gấp β lần ΔIB. Dòng biến đổi này khi ch¶y qua tô C2 tíi trë t¶i RT sÏ g©y nªn sôt ¸p ë lèi ra ΔUra = RTΔIC. Ta tính các thông số của bộ khuếch đại nh− sau: 1. Trở lối vào Rvào của bộ khuếch đại là trở đ−ợc “nhìn” từ phía nguồn tín hiệu về bộ khuếch đại (có tr−ờng hợp ng−ời ta tính tới cả ảnh h−ởng của trở tải đ−ợc mắc ở lối ra bộ khuếch đại). Nhìn vào sơ đồ 4.18.b ta thấy trở vào này bằng trở của lớp tiếp giáp rBE mắc song song với Rb. Th−ờng để tạo điện áp thiên áp cho base, trong thực tế Rb cỡ từ vài trăm kΩ đến hàng MΩ nên là rất lớn so với. rBE (cỡ vài trăm Ω đến kΩ). Do vậy th−ờng trở vào của bộ khuếch đại trong tr−ờng hợp này đ−ợc tÝnh lµ b»ng rBE.. 66.

(81) 2. Trở lối ra Rra của bộ khuếch đại là trở đ−ợc “nhìn” từ phía trở tải ng−ợc về bộ khuếch đại (có tr−êng hîp tÝnh tíi c¶ sù cã mÆt cña ®iÖn trë nguån tÝn hiÖu). Trong h×nh 4.18.b, trë nµy b»ng rCE m¾c song song víi trë g¸nh RC. Th−êng trë g¸nh cì mét vµi kΩ trong khi rCE cì hµng tr¨m kΩ. V× vậy, có thể coi trở ra của bộ khuếch đại trong tr−ờng hợp này bằng R ra ≈ RC . 3. Tính hệ số khuếch đại thế Au của bộ khuếch đại đ−ợc định nghĩa bằng tỷ số số gia điện áp lèi ra trªn t¶i trªn sè gia ®iÖn ¸p nguån tÝn hiÖu vµo. Ký hiÖu thÕ hoÆc dßng tÝn hiÖu xoay chiÒu biÕn ~. ~. thiên nhỏ là U hay I , trong sơ đồ t−ơng đ−ơng 4.18.b ta thấy: ~ ~. U BE. ~. ~. rBE = Un rn + rBE. → Un =. ~. U BE. rBE /(rn + rBE ). =. ~ I B rBE = I B (rn + rBE ) rBE /(rn + rBE ). vËy: ~. ~. ΔUra U T β I B (RC // rCE // RT ) Au ≡ ≡ ~ = ~ ΔUvao Un I B (rn + rBE ) =−. β (RC // rCE // RT ). (rn + rBE ). =. β (RC // rCE // RT ) ⎛ r ⎞ rBE ⎜⎜ 1 + n ⎟⎟ rBE ⎠ ⎝. =. S (RC // rCE // RT ) r 1+ n rBE. (4.18). Có khi ng−ời ta đ−a dấu âm vào biểu thức bên vế phải để xác định là: thế tín hiệu ra trên collector biến đổi ng−ợc pha với thế tín hiệu vào trên base. Nếu điện trở nguồn tín hiệu rn << rBE và RC , RT << rCE thì hệ số khuếch đại thế cực đại và b»ng:. Au = − S (R C // R T ) V× S =. IC UT. nªn Au = −. I C (RC // RT ) UT. (4.19). 4. Tính hệ số khuếch đại dòng điện Ai của bộ khuếch đại.. Ai ≡. ~. ~. I ra. IT. ~. I vµo. ≈. ~. IB. ~. =. β I B (rCE // R C // R T ) RT. ~. /I B =β. (rCE // R C // R T ) RT. (4.20). 5. Xét hệ số méo phi tuyến: Hệ số méo phi tuyến đ−ợc định nghĩa là tỷ số giữa biên độ trung bình của các hài bậc cao trên biên độ hài bậc một tại lối ra bộ khuếch đại nếu ở lối vào đặt một tín hiệu điều hoà. Nguyên nhân chủ yếu gây méo phi tuyến trong bộ khuếch đại dùng transistor là do đặc tuyến vào I B = f (U BE ) không tuyến tính.. Do ®iÖn ¸p tÝn hiÖu lµ ®iÒu hoµ, thÝ dô b»ng U0sinωt, ta cã:. U BE = U BE 0 + U0 sin ωt 67.

(82) Ph−ơng trình của đặc tuyến vào là: I B ≈ I 0eU BE / U T với I 0 ≈ I E (1 − α ) Thay UBE vµo biÓu thøc cña IB cã:. I B = I0e §Æt I B 0 ≡ I 0 e. U BE 0 / U T. U BE 0 UT. .e. U0 sin ωt UT. , khai triÓn thµnh cÊp sè víi c¸c sãng hµi:. ⎡ ⎤ U U 2 I B ≈ I B 0 ⎢1 + 0 sin ωt + 0 2 (1 − cos 2ωt ) + ...⎥ 4U T ⎢⎣ U T ⎥⎦ Do đó méo phi tuyến do hài bậc 2 gây nên là: k =. U U 0 2 / 4U T 2 100% = 0 100% 4U T U0 / UT. (4.21). Vậy hệ số méo phi tuyến phụ thuộc vào biên độ điện áp tín hiệu lối vào U0 mà không phụ thuéc vµo vÞ trÝ ®iÓm lµm viÖc.. • Sơ đồ emitter chung có điện trở tại emitter, phản hồi âm về dòng NÕu m¾c thªm trë RE t¹i emitter cña transistor nh− h×nh 4.19.a, ngoµi t¸c dông t¹o ph¶n håi ©m về dòng một chiều để ổn định điểm làm việc (hình 4.13.c) ta còn có phản hồi âm về dòng tín hiệu xoay chiều qua nó. Trong tr−ờng hợp này có sơ đồ t−ơng đ−ơng với tín hiệu xoay chiều nhỏ nh− h×nh 4.19.b. Ta sÏ tÝnh c¸c th«ng sè khi thùc tÕ rCE >> RE, RC, RT vµ Rb >> rBE + RE. 1. Trở lối vào bộ khuếch đại RV bằng trở vào của transistor đ−ợc mắc song song với Rb. Do Rb vµ rCE rÊt lín nh− nãi trªn ta cã: ~. RV =. ~. Uv. ≈. ~. ~ ~ ⎛~ rBE I B + R E ⎜⎜ I B + I C ⎝. ~. rBE I B + R E I E ~. Iv. =. ⎞ ⎟⎟ ⎠. ~. IB. IB. ~ ⎞ ⎛~ I B + R E ⎜⎜ I B + β I B ⎟⎟ ⎝ ⎠. (4.22). ~. rBE =. ~. = rBE + (1 + β )R E. IB So s¸nh víi tr−êng hîp kh«ng cã trë RE, trong tr−êng hîp cã ph¶n håi ©m, trë kh¸ng vµo. t¨ng thªm (1 + β )RE .. +EC Rb. β IB. RC. rn. C2 C1 Un. ~. ≈ Uv. RE. RT. Ura. B. IB. C IC. Un. ~. Uv Rb. RE. IE. rCE. E. (a). (b). Hình 4.19. Sơ đồ khuếch đại có trở phản hồi âm tại emitter (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b). 68. Ira. rBE RC. RT.

(83) Rra ≈ RC. 2. Trë lèi ra: 3. Hệ số khuếch đại thế:. Nhận xét từ hai sơ đồ t−ơng đ−ơng 4.18b và 4.19b ta thấy chỉ việc dùng công thức (4.18) víi viÖc thay trë vµo tõ gi¸ trÞ b»ng rBE thµnh rBE + (1+β)RE lµ ®−îc: ~. Au =. UT ~. =. Un. − β (RC // rCE // RT ) − S (RC // rCE // RT ) = rn + rBE + (1 + β )RE 1 + rn + (1 + β ) RE rBE rBE. (4.23). So với tr−ờng hợp không có trở RE hệ số khuếch đại thế bị giảm đi. 4. Hệ số khuếch đại dòng đ−ợc tính nh− tr−ờng hợp trên có:. Ai ≡. ~. ~. I ra. IT. ~. Iv. ≈. ~. ~. =. β I B (rCE // R C // R T ). IB. ~. =β. RT I B. rCE // R C // R T RT. (4.24). Vì sơ đồ này rất hay đ−ợc dùng nên ta nêu thí dụ tính toán các linh kiện trong mạch của nó. Giả sử nguồn tín hiệu có điện trở nội rn = 10 kΩ, transistor có hệ số khuếch đại dòng tĩnh β = 250, nguån nu«i +15 V, h·y tÝnh c¸c gi¸ trÞ ®iÖn trë vµ tô ®iÖn trong m¹ch h×nh 4.20 víi trë t¶i 100 kΩ. Ta chän dßng tÝn hiÖu t¹i collector kh«ng lớn để sao cho trở kháng vào xoay chiều không nhá h¬n 20 kΩ. Trë kh¸ng nµy b»ng R1//R2//rBE (CE ®−îc chän sao cho cã dung kh¸ng coi nh− bằng 0 ở tần số làm việc, đoản mạch xuống đất,. +15V RC=40kΩ. R1=1,4MΩ rn=310kΩ. Un. ~. C2=100nF Ω. C1=0,36μF. Uv R2=330kΩ. Ura. RE=10kΩ. RL=100kΩ. CE=100μF. ta sÏ tÝnh sau). NÕu chän IC = 200 μA, ta cã:. rBE =. βU T IC. =. 250 × 25,5.10 −3 200.10. −6. ≈ 32 kΩ. H×nh 4.20. ThÝ dô tÝnh c¸c th«ng sè cña bé khuếch đại điện trở.. Xác định điểm làm việc khi không có tín hiệu: điểm làm việc càng ổn định nếu sụt áp một chiÒu trªn RE cµng lín (ph¶n håi ©m vÒ dßng mét chiÒu cµng lín). NÕu chän UE = 2V th× dßng collector chỉ thay đổi một l−ợng. ∂I C / ∂T o 2mV / o C = = 0,1% / 1o C là đạt yêu cầu về ổn định IC 2V. nhiÖt. §Ó tr¸nh mÐo phi tuyÕn, ®iÖn ¸p collector khi kh«ng cã tÝn hiÖu còng ph¶i kh«ng ®−îc r¬i vµo vùng bão hoà UCE ≈ 0,3V, nh−ng cũng không đ−ợc lớn quá vì hệ số khuếch đại sẽ nhỏ. Giả sử tín hiệu cực đại ở lối ra cần có:. UC > U E + UC min + ΔUC max = 2V + 1V + 2 V = 5 V Ta chän UC = 7V vµ tÝnh c¸c gi¸ trÞ RC vµ RE cho tr−êng hîp nµy: 69.

(84) RE ≈. UE 2 = = 10 kΩ IC 200.10 − 6. RC =. + VC − U C 15 − 7 = = 40 kΩ IC 200.10 − 6. ThÕ base khi kh«ng cã tÝn hiÖu cÇn chän sao cho sôt ¸p trªn RE kho¶ng 2V trong khi sôt ¸p trªn lớp tiếp giáp base-emitter cỡ UBE ≈ 0,6V. Vậy thế trên base bằng: UB = UE + UBE = 2,6V. Từ đó tÝnh ra dßng base:. I B = IC / β =. 200.10 −6 = 0,8 μA 250. Để ổn định, dòng chảy qua điện trở R2 trong phân áp R1, R2 phải lớn hơn cỡ 10 lần dòng base và do vËy b»ng 8μA. Ta tÝnh ®−îc:. R1 =. 15 V − 2,6 V 15 − 2,6 = = 1,4 MΩ −6 8 μA + 0,8 μA 8.10 + 0,8.10 − 6. R2 =. 2,6 V 2,6 = = 330 kΩ 8 μA 8.10 − 6. TÝnh trë kh¸ng vµo:. rV = rBE // R 1 // R 2 = 29 kΩ. TÝnh trë kh¸ng ra, theo tµi liÖu kü thuËt víi dßng cùc gãp 200μA ta cã rCE = 500 kΩ. VËy trë kh¸ng ra b»ng:. rra = R C // rCE = 40 kΩ // 500 kΩ = 37 kΩ Ta sÏ tÝnh gi¸ trÞ cña c¸c tô ®iÖn, do trong m¹ch cã 3 bé läc th«ng cao nªn cÇn chän tÇn sè c¾t của chúng thấp đến cỡ mong muốn, thí dụ là 20 Hz. Khi đấu nối tiếp n bộ lọc thông cao có tần số c¾t b»ng nhau th× tÇn sè c¾t bé läc gÇn b»ng tÇn sè c¾t thµnh phÇn nh©n víi Do vËy cã:. VËy:. f CΣ = f Ci n →. n.. f Ci = f CΣ / n = 20 Hz / 3 = 11,5 Hz. C1 =. 1 1 = = 0,36 μF 2πf Ci (rn + rBE ) 2π × 11,5.(10.10 3 × 32.10 3 ). CE =. IC S 200.10 − 6 = = ≈ 100 μF 2πf Ci 2πf Ci U T 2π × 11,5 × 25,5. C2 =. 1 ≈ 100 nF 2πgf Ci (rra + R L ). • Sơ đồ collector chung: Sơ đồ thực và sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ khuếch đại này đ−ợc trình bày trên hình 4.21. Đây còn đ−ợc gọi là sơ đồ lặp lại emitter. Đ−ợc gọi nh− vậy vì điện áp lấy ra trên emitter lặp lại sự thay đổi điện áp lối vào trên base, hệ số khuếch đại thế của sơ đồ gần bằng 1. Điện trở RE trong sơ đồ đóng vai trò nh− RC trong sơ đồ emitter chung. 70.

(85) +EC Rb C1. ≈. C2 Un. ~. IB. rn. Uv. RT. RE. Un. IE. rBE. Uv. ~. E. B. β IB. Rb. Ura. rCE. RE. RT. C. (a) (b) Hình 4.21. Sơ đồ khuếch đại collector chung (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b).. Tính các thông số của sơ đồ bộ khuếch đại. 1. Trở lối vào Rv của bộ khuếch đại là trở vào của transistor đ−ợc mắc song song với Rb. Nếu ch−a tÝnh tíi Rb vµ th−êng rCE >> RE, RT ta cã: ~. RV =. ~. Uv. ≈. ~. ~. rBE I B + (R E // R T ) I E ~. Iv. IB. ~ ⎞ ⎛ rBE I B + (R E // R T ) ⎜⎜ I B ~ + β I B ⎟⎟ ⎝ ⎠. (4.25). ~. =. ~. = rBE + (1 + β ) (R E // R T ). IB Nh− vậy trở vào của sơ đồ lặp lại emitter là lớn khi điện trở RE lớn và gấp cỡ β lần. Khi tính cả Rb thì trở vào bộ khuếch đại giảm đi và đ−ợc tính bằng Rb // Rvào.. 2. Trë lèi ra Rra khi ch−a tÝnh tíi rCE vµ RE th× ~. Rra =. Ura ~. ~. (R // r ) I ≈ B n. IB =. + rBE I B. ~. I ra v×. ~. B. IE IE 1+ β. nªn. R ra ≈. NÕu tÝnh tíi rCE vµ RE th× Rra ≈. (R B // rn ) + rBE 1+ β. (RB // rn ) + rBE // r 1+ β. CE. // RE. (4.26). Trong tr−êng hîp rn << RB , rBE vµ rCE >> RE th×:. Rra ≈. rBE // RE 1+ β. (4.27). Vậy bộ khuếch đại lặp lại emitter có đặc điểm là trở lối vào rất lớn, trở lối ra rất nhỏ. Đó là một đặc điểm quý, cho phép dùng nó nh− một bộ phối hợp trở kháng tốt giữa một nguồn tín hiÖu cã ®iÖn trë nguån lín víi t¶i tiªu thô cã ®iÖn trë t¶i nhá. NghÜa lµ nã cho phÐp truyÒn trÞ số sức điện động của nguồn tín hiệu lên một điện trở tải nhỏ hơn điện trở của nguồn tín hiệu nhiÒu víi hiÖu suÊt truyÒn rÊt cao.. 71.

(86) ~. Do rn << Rv nªn Au =. 3. Hệ số khuếch đại thế Au :. ~. U ra. ≈. Un. U ra. .. ~. Uv. Khi ch−a tính đến Rb ta có thể tính hệ số này bằng: ~. Au ≈. (R E // R T ) I. ~. E. ~. =. (R E // R T ) (1 + β ) I. B. ~. RV I B. RV I B. Thay gi¸ trÞ RV ë trªn ta cã:. Au =. (RE // RT ) (1 + β ) = rBE + (1 + β ) (RE // RT ) 1 +. Khi RE >> 1 / S =. β. 1 ≤1 rBE (1 + β ) (RE // RT ). (4.28). th× Au ≈ 1. rBE. 4. Hệ số khuếch đại dòng: ~. Ai =. vËy. ~. ~. IT. IT. ≈. ~. IV. ~. Ib. ~. ~. ~. I b + I c + β I b − U T / rCE = 0 ,. T¹i ®iÓm nót E , ta cã:. =. 1+ β ≈ 1+ β RT RT + 1+ R E rCE. (do RE // rCE >> RT). (4.29). • Sơ đồ base chung: Sơ đồ thực và sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ khuếch đại này đ−ợc trình bày trªn h×nh 4.22. +EC Rb1. C1. Un. ~. Rc. β IB. C2. rn. RT RE. ≈. Un. ~. E. Uv. RE. IE. C. rBE. rCE. Ic. Rc. RT. Cb. Rb2. B. (a). (b). Hình 4.22. Sơ đồ khuếch đại base chung (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b). 1. Tính hệ số khuếch đại thế Au : So sánh với sơ đồ emitter chung ta thấy điện áp tín hiệu vào cũng đ−ợc đặt giữa emitter và base, điện áp tín hiệu ra đ−ợc lấy trên emitter. Do đó độ khuếch đại điện áp cũng giống nhau và từ các công thức (4.18) và (4.19) có thể suy ra các biểu thức tính hệ số khuếch đại điện áp cho sơ đồ mắc base chung nh− sau, với l−u ý đ−a dấu d−ơng vào vì biến thiên điện áp ra trên base là đồng pha với biến thiên điện áp vào trên emitter:. 72.

(87) S (R C // rCE // R T ) r 1+ n rBE. Au =. Và khi rn << rBE và R C , R T << rCE thì hệ số khuếch đại thế cực đại và bằng:. Au = − S (R C // R T ). I (R // R T ) IC nªn Au = − C C UT UT. V× S =. (4.30). 2. Tính hệ số khuếch đại dòng điện Ai: ~. Ai ≡. I ra ~. ~. ≈. IV. IT ~. =. IE. β 1+ β. ≈1. (4.31). 3. Trở kháng vào của sơ đồ base chung nhỏ hơn nhiều trở kháng vào của sơ đồ emitter chung: ~. ~. R vµo =. U vµo ~. ≈. U vµo. IE. ~. IC. =. R C rBE ⎛ 1 1 ⎜ + β ⎜⎝ R C rCE. ⎞ rBE RC r U ⎟⎟ = ≈ BE = T β IC ⎠ β R C // rCE. (4.32). 4. Trở kháng ra của sơ đồ cũng giống nh− sơ đồ emitter chung và bằng:. Rra = RC // rCE Khi hoạt động trong vùng tần số cao cần chú ý đến điểm khác biệt giữa sơ đồ base chung và sơ đồ emitter chung về điện dung lối vào. Với sơ đồ emitter chung, điện dung vào là tổng của CBE và điện dung ghép giữa mạch ra và vào CCB tác động về mạch vào C'CB = KuCCB. Nó có trị số khoảng từ 10 đến 100 pF. Với sơ đồ base chung, điện dung vào chỉ là điện dung base-emitter CBE có trị số vài pF. Nh÷ng ®iÖn dung vµo nµy cïng víi trë néi nguån tÝn hiÖu t¹o thµnh m¹ch läc th«ng thÊp lµm giảm tần số giới hạn trên của transistor. Do vậy sơ đồ base chung th−ờng đ−ợc dùng cho các bộ khuếch đại làm việc ở các tần số cao hơn trong các sơ đồ khác.. • Tóm tắt các tính chất của 3 loại sơ đồ. Qua các khảo sát trên, ta có thể đánh giá khái quát các đặc điểm của 3 loại sơ đồ vừa phân tích theo các thông số của sơ đồ nh− bảng sau: Emitter chung. Collector chung. Base chung. Au. lín. nhá. lín. Ai. lín. lín. nhá. RV. trung b×nh. lín. nhá. Rra. trung b×nh-lín. nhá. lín. - Mạch emitter chung có hệ số khuếch đại công suất P = AuAi là lớn nhất, do đó th−ờng hay ®−îc dïng. Trë kh¸ng vµo vµ trë kh¸ng ra cã gi¸ trÞ trung b×nh v× vËy còng thuËn lîi cho viÖc ghÐp gi÷a t¶i vµ nguån tÝn hiÖu. §iÖn trë t¶i thÝch hîp víi m¹ch nµy trong kho¶ng vµi kΩ.. 73.

(88) - Mạch collector chung có điện trở vào lớn, điện trở ra nhỏ nên th−ờng đ−ợc dùng để phối hợp trở kháng giữa nguồn tín hiệu có trở kháng lớn và trở tải nhỏ. Mạch này có hệ số khuếch đại thế nhỏ hơn và gần bằng 1 nh−ng có hệ số khuếch đại dòng lớn. - M¹ch base chung ®−îc dïng nhiÒu ë d¶i tÇn sè cao v× cã ®iÖn dung vµo nhá h¬n so víi m¹ch emitter vµ collector chung. 4.3.7. Sơ đồ Darlington: Khi sử dụng bộ lặp lại emitter mà độ khuếch đại dòng điện của một transistor ch−a đủ thì ng−ời ta th−ờng bổ sung thêm một transistor nữa nh− sơ đồ hình 4.23.a gọi là sơ đồ Darlington. Hai transistor T1 và T2 lúc này có thể đ−ợc xem nh− một transistor với các điện cực E', B', C' nh− hình vẽ. Ta hãy tính các thông số của sơ đồ. Gọi hệ số khuếch đại dòng ®iÖn tÜnh cña hai transistor t−¬ng øng lµ β1 vµ β2. Trong tr−êng hîp. C'. B'. hÖ β ' b»ng:. B'. T1. trë R'E rÊt lín (b»ng ∞) th× dßng emitter cña T1 chÝnh b»ng dßng base cña T2 nªn ta cã thÓ dÔ dµng thÊy đ−ợc hệ số khuếch đại dòng của cả. C'. T2. R'E. E'. T1 T2. R'E. E'. (a) (b) Hình 4.23. Sơ đồ Darlington thông th−ờng (a) và kiểu bù (b).. β ' = β1 β 2. (4.33). Nhìn vào sơ đồ ta cũng thấy, trở lớp tiếp giáp emitter-base rBE2 của transistor T2 đóng vai trò nh− một điện trở mắc vào emitter của transistor T1 trong sơ đồ emitter chung có điện trở phản hồi âm ở emitter. Do vậy có thể áp dụng công thức (4.22) cho việc tính trở vào của bộ khuếch đại Darlington:. R V = rBE 1 + (1 + β 1 )rBE 2 ~. V×. I C 2 ≈ β 2 IC 1. nªn. rBE 2 =. 1 rBE 1 1 + β1. R V = 2 rBE 1 = 2 β '. VËy:. UT IC '. (4.34). Để có độ hỗ dẫn S' lớn th−ờng chọn dòng IB1 > IB2 bằng cách đ−a vào emitter T1 một nguồn dòng hoặc mắc thêm R'E nh− hình vẽ. Điện trở này th−ờng đ−ợc chọn lớn hơn rBE2 nhiều để sao cho ~. hÇu hÕt dßng tÝn hiÖu I E1 ®i vµo base cña transistor T2. Cũng có thể nối hai transistor khác loại để tạo thành một sơ đồ Darlington kiểu bù nh− hình 4.23.b. Transistor T1 lúc này là loại p-n-p chứ không phải là loại n-p-n. Các thông số của sơ đồ vẫn nh− sơ đồ hình 4.23.a.. 74.

(89) 4.3.8. Sơ đồ tạo nguồn dòng không đổi Nguồn dòng không đổi (gọi tắt là nguồn dòng) đảm bảo trên tải một dòng không đổi, không phụ thuộc vào sự biến đổi của trở tải. Đặc điểm của đoạn nằm ngang trong đặc tuyến của transistor cho phép sử dụng nó làm nguồn dòng rất tốt. Để có dòng lối ra không đổi khi trở tải thay đổi thì trở nội của nguồn dòng phải rất lớn so với trở tải. Hình 4.24.a là một sơ đồ nguồn dòng ổn định có m¹ch ph©n ¸p. + R1. ++ RL. +. Ira~=I~C= const. R1. ++ RL. Ira =IC. UC. + R1. RL. Iv. UC. UB. UD. D. RE. R2. (a). RE. +. ++. UBE. Ira. (b). RL. R1. Ira=βIB. UC. T2 UE. IB. RE. R2. ++. (c). T1. RE. (d). Hình 4.24. Sơ đồ nguồn dòng ổn định có mạch phân áp.. Đặc tính ra của transistor cho sơ đồ có đặc điểm là có nội trở vi phân ra rất lớn (rra = dUra/dIra = dUC / dIC) trong khi néi trë tÜnh (Ura / Ira = UC / IC) nhá. V× vËy dßng ra xoay chiÒu hÇu nh− kh«ng phô thuéc vµo trë t¶i RL. §Ó tÝnh trë néi ri ta cã:. dI ra = dI C ,. dU CE ≈ − dU ra ,. ri = −. dI C = dI E + dI B ,. dU BE = − dI B ( R 1 // R 2 ) − dI E R E. ⎡ ⎤ dU ra βR E = rCE ⎢1 + ⎥ dI ra ⎣ (R 1 // R 2 ) + rBE + R E ⎦. ThÝ dô, chän RE = 5 kΩ, UE = 5V, ®iÖn trë ph©n ¸p (R1 / R2) = 10 kΩ, rCE = 100 kΩ, β = 300, rBE = βUT = 7,8 kΩ ta cã ri cì 6,7 MΩ. Từ công thức trên thấy rằng điện trở phân áp có ảnh h−ởng đến nội trở của nguồn dòng, vì vậy th−êng thay R2 b»ng mét diode æn ¸p nh− h×nh 4.24.b. Hình 4.24.c là sơ đồ nguồn dòng "g−ơng dòng điện". Để bù trừ hiệu ứng nhiệt tại cực emitter (2mV/°C) ng−ời ta đấu nối tiếp một điện trở R2 với diode D. Khi đó ta có:. I≈I=. U B − U BE I v R 2 + U D − U BE R = ≈ 2 Iv RE RE RE. Do dòng Ira tỷ lệ với dòng Iv nên sơ đồ này gọi là g−ơng dòng điện. Để đảm bảo UD ≈ UBE, thay cho diode, ng−êi ta dïng mét transistor T1 cã cùc collector ®−îc nèi víi base nh− h×nh 4.24.d. Trong sơ đồ này U CE = U BE > U CEbh (UCEbh là thế bão hoà), do đó T1 bão hoà.Vì UBE1 = UBE2 nên khi chän ®−îc c¸c transistor thÝch hîp ta sÏ cã: 75.

(90) IB1 = IB 2 = IB Lúc đó: I v = βI B + 2 I B. vµ IC 1 = IC 2 = β I B vµ. I ra = βI B =. β β +2. Iv ≈ Iv. Nh− vậy sơ đồ có khả năng làm việc ngay cả khi điện trở cực phát bị đoản mạch. 4.3.9. Hiện t−ợng trôi điểm không và sơ đồ khuếch đại kiểu cầu Trong quá trình hoạt động của transistor trong bộ khuếch đại, các thông số môi tr−ờng thay đổi (thí dụ, sự thay đổi nhiệt độ, thay đổi gía trị điện áp nguồn nuôi, v.v...) sẽ gây nên hiện t−ợng trôi điểm không. Thí dụ, ta biết rằng chất bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ nên nếu nhiệt độ môi tr−ờng thay đổi, về nguyên tắc dù ít dù nhiều cũng làm thay đổi dòng collector của transistor mặc dù tín hiệu vào base không đổi. Khi đó dù tín hiệu vào luôn bằng không, thì sau một thời gian tín hiệu ra của bộ khuếch đại vẫn biến đổi tới một giá trị khác không nào đó. Ta gọi đó là hiện t−ợng trôi của bộ khuếch đại một chiều. Hiện t−ợng này gắn liền với bản chất vật lý của các quá trình thăng giáng trong vật liệu bán dẫn d−ới tác động biến đổi chậm của các thông số môi tr−ờng hoặc do ngay sự không ổn định các tham số của transistor. Với các bộ khuếch đại liên kết giữa các tầng b»ng tô ®iÖn hoÆc biÕn thÕ ph©n c¸ch th× kh«ng x¶y ra hiÖn t−îng nµy v× c¸c thÕ tr«i bÞ c¸c tô ®iÖn lo¹i bá. Do đó độ trôi điểm không là một thông số rất quan trọng với một bộ khuếch đại một chiều. Trong các bộ khuếch đại này, nếu không đ−ợc thiết kế cẩn thận thì tín hiệu trôi (đ−ợc coi nh− nguồn gây nhiễu) rất gần giống với tín hiệu biến đổi chậm cần khuếch đại. Vì vậy việc thiết kế các bộ khuếch đại dùng transistor có khả năng triệt độ trôi cao là cần thiết. Sơ đồ khuếch đại kiểu cầu là mét thÝ dô. Sơ đồ khuếch đại một chiều kiểu cầu đ−ợc xây dựng trên nguyên tắc cân bằng của cầu Wheatstonse nh− h×nh 4.25.a. Khi tho¶ m·n ®iÒu kiÖn c©n b»ng R1 = R2, R3 = R4 th× thÕ ë ®−êng chÐo cña cÇu UCD kh«ng phô thuéc vµo thÕ nu«i cÇu UAB, tøc lµ UCD = 0 víi mäi UAB. Nãi c¸ch khác, nếu các cặp điện trở R1, R2 và R3, R4 đều giống nhau về cấu tạo và trị số (công nghệ chế tạo, vËt liÖu chÕ t¹o gièng nhau) th× ®iÒu kiÖn c©n b»ng cÇu sÏ lu«n ®−îc tho¶ m·n khi c¸c th«ng sè cña môi tr−ờng cũng nh− giá trị nguồn nuôi biến đổi. A Rb3. R2. R1 UAB. +EC Rb1. RC1. RC2 Ura. C. UCD. D R4. R3. UV. T1. T2. Rb2. B. (a) (b) Hình 4.25. Cầu Weatstone và sơ đồ khuếch đại kiểu cầu.. 76. P. Rb4 0V.

(91) Dựa trên nguyên lý đó, mạch khuếch đại kiểu cầu đ−ợc thiết kế nh− hình 4.25.b. Trong đó các linh kiÖn RC1, RC2 vµ c¸c transistor T1 vµ T2 gi÷ vai trß lµ c¸c nh¸nh cña cÇu. NÕu chän c¸c cÆp nµy hoµn toµn gièng nhau vÒ vËt liÖu vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o th× khi cho UV = 0, ®iÒu chØnh biÕn trë P sao cho Ura = 0, trong tr−ờng hợp lý t−ởng mạch sẽ luôn giữ đ−ợc trạng thái cân bằng này dù nhiệt độ môi tr−ờng hay thế nguồn nuôi +EC thay đổi. Thực vậy, nguyên do là vì lúc đó sự biến đổi của nhánh RC1, T1 hoàn toàn giống sự biến đổi của nhánh RC2, T2. Tuy nhiên trong thực tế vì không thể chế tạo hoàn toàn chính xác các linh kiện này đ−ợc nên mạch vẫn còn một độ trôi nào đó nh−ng rất nhá. Bây giờ nếu tác động ở lối vào một thế UV ≠ 0 thì trở nội của T1 sẽ thay đổi, cầu bị lệch cân bằng và làm xuất hiện thế lối ra Ura ≠ 0. Trong vùng hoạt động tuyến tính của T1, thế lối ra Ura sẽ biến đổi tuyến tính theo thế lối vào UV. Đó là nguyên tắc hoạt động của sơ đồ khuếch đại một chiều kiểu cầu. Nh−ợc điểm của nó là ở chỗ chỉ có transistor T1 là làm nhiệm vụ khuếch đại còn transistor T2 chỉ đơn thuần giữ vai trò là một điện trở có đặc tính biến đổi giống "điện trở" T1. 4.3.10. Sơ đồ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai có sơ đồ nh− hình 4.26. Sơ đồ này gần giống sơ đồ kiểu cầu trong đó thêm vào điện trở RE đ−ợc mắc tại điểm nối chung hai emitter của các transistor tới một nguồn thứ hai là VCC. Gía trị của RE đ−ợc chọn đủ lớn để dòng qua điện trở này đ−ợc xem nh− không đổi. Về tính cân xứng để triệt độ trôi điểm không thì +Vcc bộ khuếch đại này không khác nhiều so với khuếch đại kiểu cầu. Nh−ng về nguyên tắc khuếch đại tín hiệu có R R khác. Đây là bộ khuếch đại tín hiệu một chiều đối U U U xøng, cã 2 lèi vµo UV1, UV2 vµ 1 lèi ra lµ hiÖu thÕ gi÷a T2 UC1 vµ UC2. T1 U C. C1. Ura = UC1 − UC 2. C. C2. ra. Uv2. v1. E. TÊt nhiªn còng cã thÓ lÊy tÝn hiÖu ra tõ 2 ®Çu ra so R víi ®iÓm chung lµ UC1 hoÆc UC2. -Vcc Nhờ có RE mà cả T1 và T2 đều tham gia khuếch đại tín hiệu. Thực vậy, giả sử các linh kiện đối xứng trong Hình 4. 26. Bộ khuếch đại vi sai. m¹ch cã c¸c th«ng sè gièng nhau hoµn toµn th× ë vÞ trÝ c©n b»ng Uv1 = Uv2 = 0 ta cã Ura = 0. NÕu gi÷ nguyªn UV2 vµ cho UV1 t¨ng th× IE1 vµ IC1 sÏ t¨ng dÉn tíi UC1 gi¶m. MÆt kh¸c, dßng IE1 t¨ng sÏ lµm cho thÕ t¹i ®iÓm E lµ UE1 t¨ng. V× UV2 = UB2 không đổi nên điều này làm giảm hiệu thế UBE2, dẫn tới làm giảm dòng IE2 và IC2. Vì IC2 giảm nên thế UC2 tăng. Kết quả là nhờ sự có mặt của RE mà một sự tăng thế UV1 đã làm giảm thế UC1 và tăng thế UC2 tức là làm tăng gấp đôi sự biến đổi của thế lối ra Ura (= UC1 - UC2) so với tr−ờng hợp ở sơ đồ kiểu cầu do cả transistor T2 cũng tham gia khuếch đại. T−ơng tự cũng có thể lý luận cho tr−ờng hợp giữ nguyên UV1 và biến đổi UV2. Đặc biệt khi UV1 và UV2 đ−ợc biến đổi theo h−ớng ng−ợc nhau, ta gọi là đã tác động lên lối vào một tín hiệu vi sai (biến đổi ng−ợc pha nhau) thì sự biến đổi thế lối ra sẽ tăng gấp bội. Còn trong tr−ờng hợp khi UV1 và E. 77.

(92) UV2 biến đổi theo h−ớng cùng chiều (biến đổi đồng pha nhau) ta gọi là đã tác động lên lối vào một tín hiệu đồng pha. Lý luận cho thấy thế lối ra sẽ giữ nguyên bằng 0 khi các biến đổi đó là đồng pha và có độ lớn bằng nhau. Tuy nhiên trong thực tế do không thể chế tạo đ−ợc các linh kiện đối xứng hoàn toàn nên vẫn còn một giá trị lối ra khác không nào đó nh−ng rất nhỏ. Đó là những đặc tính rất quý của bộ khuếch đại vi sai: nó cho phép khuếch đại nhạy với các tín hiệu vi sai và không nhạy với các tín hiệu đồng pha. Bộ khuếch đại vi sai sẽ rất ít nhạy với sự biến đổi của các thông số môi tr−ờng xung quanh (thí dụ nh− nhiệt độ môi tr−ờng bao quanh transistor làm thay đổi dòng collector của nó) do sự tác động của chúng lên các lối vào của bộ khuếch đại có bản chất nh− các tín hiệu đồng pha. Điện trở RE mắc ở emitter cũng tạo nên một phản hồi âm về dòng làm tăng tính ổn định của mạch khuếch đại. Nếu chọn RE đủ lớn thì độ triệt tín hiệu đồng pha sẽ rất lớn (độ triệt các tạp âm đồng pha cao) và mạch sẽ ổn định dù nhiệt độ môi tr−ờng thay đổi. Giống nh− ở mạch khuếch đại cầu, mức độ cân xứng trong khuếch đại vi sai phụ thuộc vào sự c©n xøng (hoµn h¶o) trong c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c cÆp T1, T2, RC1, RC2. Ta sẽ tính hệ số khuếch đại của sơ đồ. Ph©n biÖt ®iÖn ¸p tÝn hiÖu vµo thµnh 2 thµnh phÇn: U + U v2 (4.35) - Điện áp đồng pha: U g ≡ v1 2 Ud ≡. - §iÖn ¸p ng−îc pha (cßn gäi lµ ®iÖn ¸p vi sai): Nh− vËy:. Uv1 − Uv 2 2. Uv1 + Uv 2 Uv1 − Uv 2 + = Ug + Ud 2 2 U + Uv 2 Uv1 − Uv 2 = v1 − = U g − Ud 2 2. (4.36). Uv1 = Uv 2. (4.37). ~. ~. Gäi K g ≡. U ra ~. là hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha và K d ≡. Ug hiÖu vi sai, ta cã:. U ra ~. Ud ~. ~. ~. Kg =. ~. U C1 = K g U g + K d U d ~. là hệ số khuếch đại tín. ~. ~. U C2 = K g U g − K d U d. ~. U C1 + U C 2 ~. 2U g. →. ~. Kd =. ~. (4.38). U C1 − U C 2 ~. 2U d áp dụng các công thức với transistor hoạt động trong cách mắc emitter chung có trở RE tại emitter ta cã:. Kg =. rBE. − β RC + (1 + β )RE. − β RC Kd = rBE 78. (4.39).

(93) Từ kết quả trên ta thấy hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai không phụ thuộc vào RE và gần bằng hệ số khuếch đại trong sơ đồ emitter chung. Trong khi đó hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha lại phụ thuéc vµo RE. Chän RE >> RC sÏ cho Kg << 1. Râ rµng r»ng nÕu chän RE cµng lín th× cµng triÖt ®−îc tốt các can nhiễu đồng pha. Giá trị điển hình của Kd là từ 50 đến 100 còn của Kg vào cỡ 0,001. Để đánh giá phẩm chất của bộ khuếch đại vi sai, ng−ời ta còn đ−a vào thông số hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha:. Kd Kg. G≡. (dB) ,. th−êng G cã gi¸ trÞ cì hµng tr¨m ngµn.. (4.40). ViÖc chän RE lín qu¸ g©y nªn sôt thÕ trªn nã t¨ng vµ lµm cho transistor r¬i vµo ®iÓm lµm viÖc phi tuyến dẫn tới giảm hệ số khuếch đại. Để giải quyết vấn đề này ng−ời ta có thể thay điện trở bằng một phần tử tích cực đóng vai trò là một nguồn dòng. Lý do vì nguồn dòng có trở nội rất lớn nh−ng sụt thế trên nó (trở một chiều) lại nhỏ. Hình 4.27.a là sơ đồ khuếch đại vi sai với nguồn dòng. Trị số của dòng IE = IC3 có thể thay đổi đ−ợc nhờ thế điều khiển UB3. Bằng sơ đồ này có thể có đ−ợc G lên tới 60 đến 80 dB mà vẫn đảm bảo khuếch đại trong miền tuyến tính. Trong thực tế còn nhiều sơ đồ dùng nguồn dòng phức tạp hơn, hình 4.27.b là một thí dụ trong đó thay cho T3 là cụm linh kiện R1, R2, R3, R4, diode ổn áp d và transistor T3, T4 tạo thành một nguồn dßng I0. Ta cã: U BE 3 + I E 3 R3 = U BE 4 + I E 4 R4. NÕu chän T3 vµ T4 gièng nhau th×. U BE 3 = U BE 4. NÕu chän R3 = R4 th× I E 3 = I E 4 Dòng IE3 đ−ợc tạo ra từ nguồn thế ổn áp UZ và các trở R2, R3 cố định nên luôn có giá trị cố định. Do vậy IE4 cũng luôn cố định và I0 = IC4 luôn là dòng không đổi. +Vcc. +Vcc RC. RC. RC. RC. Ura. Ura. Uv1. Uv2 E. T1. T2 IC3. UB3. Uv1. Uv2 E. T1. T2 R1 R2. T4. T3. Uz. T3 RE'. R4 -Vcc. (a). R3 IE4. d IE3. -Vcc. (b). Hình 4.27. Sơ đồ khuếch đại vi sai với nguồn dòng.. Do có điện dung tiếp giáp B-C nên hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha sẽ tăng lên theo tần số do vËy lµm gi¶m G. §Æc tÝnh tÇn sè ®iÓn h×nh cña Kd vµ G cho nh− h×nh 4.28. Ta thÊy giíi h¹n cña G thấp hơn rất nhiều của Kd vì lúc đó điện trở phụ thuộc tần số là điện trở rất lớn của nguồn dòng còn điện trở collector RC t−ơng đối nhỏ. 79.

(94) Trong bộ khuếch đại vi sai cũng phân biệt trở kháng vào đồng pha ~. (dB) 100. ~. |G|. Z vg ≡ U g / I v vµ trë kh¸ng vµo vi sai ~. ~. Z vd ≡ U d / I v . Nếu vẽ sơ đồ t−ơng đ−ơng. |Kd|. 40. sẽ thấy trong chế độ khuếch đại vi sai, f, kHz nguån tÝn hiÖu m¾c nèi tiÕp víi c¸c ®Çu vµo cña transistor nªn trë kh¸ng vµo vi H×nh 4.28. §Æc tÝnh tÇn sè cña Kd vµ G. sai tăng lên gấp đôi so với trở kháng vào mạch emitter chung. Ng−ợc lại, trở kháng vào trong chế độ khuếch đại đồng pha giảm đi hai lần. §iÖn trë ra cña m¹ch trªn mét transistor còng gièng nh− tr−êng hîp m¹ch emitter chung. Ta xét thêm đặc tính truyền đạt IC = f(Ud) của bộ khuếch đại vi sai để đánh giá dải động của m¹ch. Trong tr−êng hîp hÖ sè e U BE / U T >> 1 dßng collector cña hai transistor phô thuéc vµo thÕ base nh− sau: IC 1 ≈ I E 1 = I bh1eU BE 1 / U T IC 2 ≈ I E 2 = I bh 2eU BE 2 / U T. Trong đó Ibh là dòng bão hoà emitter, UT là thế nhiệt cỡ 25,5 mV ở nhiệt độ phòng. Nếu hai transistor có đặc tuyến tĩnh nh− nhau và ở cùng một nhiệt độ, ta có:. I bh1 = I bh 2 ≡ I bh. I E = I E1 + I E 2. Dòng qua RE không đổi và bằng tổng hai dòng:. I E − I E 1 = I E 2 = I bheU BE 2 / U T. Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã:. Thay vµo biÓu thøc dßng collector ta cã:. IC 1 ≈ I E 1 = IC 2 ≈ I E 2 =. 1+ e. IE − (U BE 1 −U BE 2 ) / U T. IE ( U BE 1 −U BE 2 ) / U T 1+ e. Hình 4.29 là đặc tính truyền đạt của hai transistor với hai đ−ờng đối xứng nhau. Ta thấy các đặc tính này có độ dốc lớn nhất khi Ud = UBE1 - UBE2 = 0 và bằng:. dIC 1 d (U BE 1 − U BE 2 ) U. = d. =0. IE 4UT. 1,0. (4.41). 0,8 -6. Miền khuếch đại tuyến tính nằm trong kho¶ng -UT < Ud < +UT tøc lµ trong kho¶ng 50÷60 mV Nh×n vµo ®©y ta còng thÊy mÐo phi tuyÕn trong bộ khuếch đại vi sai nhỏ hơn so với mạch emitter chung nhiều vì có sự bù trừ đặc tuyến vµo cña hai transistor. 80. -4. -2. 0. 2. 4. 6. IC2 IE. I C1 IE. 0,6 0,4. Miền khuếch đại tuyÕn tÝnh. 0,2 -6. -4. -2. 0. 2. 4. 6. Ud. Hình 4.29. Đặc tính truyền đạt tĩnh của bộ khuếch đại vi sai..

(95) Trong bộ khuếch đại vi sai cũng xảy ra hiện t−ợng trôi do các tác nhân nh− nhiệt độ, nguồn nuôi, các tham số của transistor không ổn định. Các trị số điện gây nên bởi các nguồn này tác động lên hai transistor về nguyên tắc là các điện áp đồng pha nên không ảnh h−ởng đến tín hiệu ra. Nh−ng trong thực tế vì mạch không hoàn toàn đối xứng nên vẫn sẽ có một điện áp vi sai trôi (điện ¸p lÖch ®iÓm kh«ng) ΔU 0 = ΔU BE1 − ΔU BE 2 . Víi c¸c transistor th«ng th−êng ®iÖn ¸p nµy cì mét vµi mV khi nhiệt độ thay đổi 1°C. Trong tr−ờng hợp này tính đ−ợc điện áp lệch không đầu vào là:. ΔU BE = U BE 1 − U BE 2 ≈ U T ln. I C 1 + I Ebh I = U T ln C 1 I C 2 + I Ebh I C2. Khi không có tín hiệu vào, trên các đầu vào hai transistor của bộ khuếch đại có dòng base. HiÖu c¸c dßng mét chiÒu nµy gäi lµ dßng lÖch ®iÓm kh«ng (dßng off-set). Dßng nµy ch¹y qua c¸c điện trở vào cùng với sự không đối xứng tuyệt đối của mạch gây nên một điện áp lệch không ở đầu ra bộ khuếch đại vi sai. Th−ờng ng−ời ta triệt điện áp ra này bằng thiết kế đặt một điện áp lệch không có dấu ng−ợc lại rồi truyền vào một trong hai cửa vào của bộ khuếch đại. Việc chọn chính xác giá trị điện áp bù đ−ợc thực hiện bằng việc tinh chỉnh giá trị của một biến trở đóng vai trò là mét bé ph©n ¸p. Bộ khuếch đại vi sai có nhiều −u điểm nh− độ tuyến tính cao, chế độ hoạt động ổn định khi nhiệt độ thay đổi, triệt tiêu tốt các tạp âm đồng pha và giảm đ−ợc độ trôi. Do vậy nó đ−ợc dùng nhiều trong các ứng dụng phép đo chính xác cho các đại l−ợng nh− nhiệt độ, độ ẩm, c−ờng độ sáng, v.v... Những đại l−ợng này qua các sensor đ−ợc biến đổi thành các tín hiệu điện. Độ lớn của tín hiệu đó th−ờng nhỏ (cỡ mV thậm chí μV) và biến thiên rất chậm. Chúng đ−ợc đ−a tới các lối vào của bộ khuếch đại vi sai để khuếch đại lên một giá trị thế mong muốn. Bộ khuếch đại vi sai th−ờng đ−ợc thiết kế làm các tầng khuếch đại vào của bộ khuếch đại thuật toán nh− sẽ đ−ợc trình bày ở sau. Tất nhiên bộ khuếch đại vi sai cũng đ−ợc dùng tốt cho việc khuếch đại các tín hiệu biến thiên xoay chiÒu. 4.3.11. Mạch ghép giữa các tầng khuếch đại Trong thực tế cần phải ghép các tầng khuếch đại với nhau để đạt đ−ợc một mục đích nào đó. Một số tr−ờng hợp cần phải tổ hợp hai hoặc một số transistor để đ−ợc một bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng hoặc thế đủ lớn, có trở kháng vào thích hợp hay để tránh đ−ợc hiện t−ợng "trôi". v.v... Nhìn chung, mạch ghép giữa các tầng có nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu từ tầng này sang tầng tiÕp sau sao cho tæn hao trªn nã lµ nhá nhÊt. Th−êng cã hai kh¶ n¨ng liªn kÕt gi÷a hai tÇng: - Liên kết xoay chiều, trong đó các phần tử liên kết (nh− tụ điện hay biến thế) chỉ cho tín hiệu xoay chiều đi qua mà ngăn cản các thành phần một chiều hay tín hiệu biến đổi chậm. Liên kết loại này dùng trong các bộ khuếch đại xoay chiều và tránh đ−ợc hiện t−ơng trôi. - Liên kết một chiều, trong đó các tầng đ−ợc nối trực tiếp với nhau qua các phần tử điện trở. Liên kết loại này dùng cho các bộ khuếch đại một chiều và phải chú ý đến tác động của hiÖn t−îng tr«i. H×nh 4.30 liÖt kª mét sè m¹ch ghÐp tÇng ®iÓn h×nh. Ghép điện dung (hình 4.30.a) đ−ợc dùng rộng rãi trong các mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều (nh− khuếch đại âm tần). Tụ điện nối tầng C có điện dung đủ lớn để ngắn mạch giữa đầu ra 81.

(96) tÇng tr−íc víi ®Çu vµo tÇng sau. ThÕ collector tÇng tr−íc vµ thÕ thiªn ¸p base tÇng sau cã thÓ ®−îc chọn độc lập với nhau vì đ−ợc phân cách một chiều của tụ nối tầng. Nh−ợc điểm cơ bản của kiểu ghép tầng này là đáp ứng tần số bị suy giảm ở phía tần số thấp và gây ra dịch pha ảnh h−ởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại.. C. T1. R1. T1 T2. T2. T1. T2 R2. (a). (c). (b) Tr. d T1. T2. T1. (d). T1. T2. T3. T1. (f). (e). T2. T3. T2. T4 T. (h). (g) H×nh 4.30. Mét sè m¹ch ghÐp tÇng ®iÓn h×nh.. Ghép trực tiếp nh− hình 4.30.b là cách ghép đơn giản nhất. Về mặt lý t−ởng mạch ghép này kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè tÝn hiÖu. ViÖc tÝnh to¸n phèi hîp gi÷a c¸c møc ®iÖn ¸p mét chiÒu lèi ra tầng tr−ớc với lối vào tầng sau sao cho đảm bảo chế độ khuếch đại là việc cần chú ý. GhÐp ®iÖn trë nh− h×nh 4.30.c t¹o ®−îc mét møc dÞch ®iÖn ¸p gi÷a hai tÇng nh−ng còng g©y ra tæn hao trªn c¸c ®iÖn trë R1, R2. Trong thùc tÕ, ®iÖn dung vµo tÇng sau còng tham gia vµo m¹ch ghÐp tạo nên một mạch RC lối ra trên C làm cho mạch ghép phụ thuộc vào tần số. Do đó để truyền tốt c¸c tÝn hiÖu ë tÇn sè cao, th−êng m¾c song song víi R1 thªm mét tô ®iÖn. GhÐp b»ng diode Zener d nh− h×nh 4.28.d thay cho ®iÖn trë R1 trong h×nh 4.30.c. Lo¹i ghÐp nµy vÉn t¹o ®−îc mét møc dÞch 82.

(97) điện áp giữa hai tầng nh−ng sụt áp trên diode lại không đáng kể vì điện trở vi phân của diode Zener nhá. GhÐp b»ng biÕn ¸p Tr nh− h×nh 4.30.e cho phÐp c¸ch ly ®−îc vÒ ®iÖn gi÷a ®Çu ra tÇng tr−íc vµ ®Çu vµo tÇng sau vµ còng dÔ phèi hîp trë kh¸ng gi÷a hai tÇng. Tuy vËy, m¹ch nµy cã d¶i tÇn lµm viÖc hÑp, cã kÝch th−íc vµ träng l−îng lín (nhÊt lµ víi tÝn hiÖu ©m tÇn), kh«ng cho tÝn hiÖu mét chiều qua đ−ợc nên ít đ−ợc dùng. Ghép bằng transistor nh− hình 4.30.f trong đó cho phép có thể dịch mức điện áp trong dải rộng với cực tính tuỳ ý mà còn đ−ợc tăng thêm về hệ số khuếch đại. Sự đòi hỏi phối hợp các mức sai khác về điện áp giữa collector tầng tr−ớc và base tầng sau đ−ợc thực hiện bởi transistor T3. Sơ đồ hình 4.30.g là sự vận dụng cách ghép này khi sự dịch mức điện áp về phía d−ơng do bộ khuếch đại vi sai T1, T2 gây ra sẽ đ−ợc bù lại nhờ bộ khuếch đại vi sai bù T3, T4 và sôt ¸p trªn m¹ch lÆp l¹i emitter T5. GhÐp b»ng c¸c linh kiÖn quang-®iÖn nh− h×nh 4.30.h cã tÝnh chÊt c¸ch ly ®iÖn nh− ghÐp biÕn áp. C−ờng độ sáng từ diode phát quang tỷ lệ với tín hiệu tầng tr−ớc sẽ gây ra các tín hiệu điện tác động lên tầng sau ở lối ra phần tử transistor nhạy quang. Mạch ghép kiểu này có thể làm việc trong dải tần rất rộng từ một chiều đến vài GHz. Đặc biệt điện trở cách điện giữa 2 tầng có thể đạt rất cao, cho phÐp c¸ch ®iÖn víi hiÖu thÕ tíi vµi kV. 4.3.12. Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại điện trở Các bộ khuếch đại có trở gánh là điện trở nh− kể trên rất thông dụng. Ta sẽ khảo sát đáp ứng tần số hay dải tần làm việc của một bộ khuếch đại điện trở lắp trên transistor T1 có ghép với tầng sau T2 qua điện dung C2 nh− hình 4.31.a. Trong sơ đồ này, mạch điện của transistor T2 là tải của tầng khuếch đại T1. Trong thực tế, cần phải chú ý đến điện dung giữa các lớp tiếp giáp p-n ở lối ra transistor T1. Cũng vậy, ngoài các phần tử tích cực ra, mạch tải T2 còn chứa đựng cả các phần tử nh− điện dung ký sinh, điện dung lắp ráp, v.v... cần phải tính đến khi khảo sát dải tần làm việc của bộ khuếch đại T1. +EC. Z1 RN. Rb1. Rb2. RC1. C2. RC2. C2. Z2. C1. Un. ε=KuUV. ~. RT. CTΣ. T2. T1. ~. CCE1. (a). CKS. CT. (b). Hình 4.31. Mạch ghép nối 2 tầng khuếch đại điện trở (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng (b).. Nh− vậy, trong sơ đồ có các phần tử điện dung và điện trở nh− sau: CCE lµ ®iÖn dung gi÷a c¸c líp collector-emitter cña transistor; CKS lµ ®iÖn dung do viÖc l¾p r¸p c¸c linh kiÖn vµ d©y ®i m¹ch g©y ra; CT lµ ®iÖn dung cña t¶i tÇng 1, chÝnh lµ ®iÖn dung lèi vµo tÇng 2; RT lµ ®iÖn trë t¶i tÇng 1, chÝnh lµ ®iÖn trë vµo tÇng 2. 83.

(98) Ta có thể vẽ gọn một sơ đồ t−ơng đ−ơng nh− hình 4.29.b trong đó CTΣ = CCE + CT + CKS và RN là điện trở nội của nguồn suất điện động ε = Ku UV bao gồm transistor T1 và nguồn tín hiệu vào, với K u = − β RC1 / rBE1 . Gäi trë kh¸ng cña c¸c côm RN, C2 vµ RT, CTΣ t−¬ng øng lµ Z1 vµ Z2, ta cã:. U& ra = K& u U& V = K& u. Z2 Z1 + Z2. Hệ số khuếch đại:. Z2 U& ra & 1 K& = = Ku = K& u ≡ Z1 + Z 2 ⎛ 1 ⎞ & UV ⎟ 1+ 1 + j ⎜⎜ ωRN CTΣ − ωR T C2 ⎟⎠ ⎝ víi τ 1 ≡ RN CTΣ. K& u ⎛ 1 ⎞ ⎟ j ⎜⎜ ωτ 1 − ωτ 2 ⎟⎠ ⎝. vµ τ 2 ≡ RT C2. K& u. K& =. ⎛ 1 ⎞ ⎟ 1 + ⎜⎜ ωτ 1 − ωτ 2 ⎟⎠ ⎝. (4.42). 2. Ta có đ−ờng đáp ứng tần số của bộ khuếch đại nh− hình 4.32. K/Kmax 1 0,7. ωt. ωtb. ω. ωC. Hình 4.32. Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại điện trở.. T¹i ω =. 1 C2CTΣ RN RT. K& u Cho K& =. ≡ ωtb gäi lµ tÇn sè gi¶ céng h−ëng ta cã K& = K& u = K max. 2. → 2. ⎛ 1 ⎞ ⎟ = 2 1 + ⎜⎜ ωτ 1 − ωτ 2 ⎟⎠ ⎝. ta t×m ®−îc hai tÇn sè giíi h¹n d−íi ωt vµ. giíi h¹n trªn ωc cña m¹ch: Víi c¸c tÇn sè thÊp, bá qua ωτ 1 ta cã: Víi c¸c tÇn sè cao, bá qua thµnh phÇn. 1. ω tτ 2 1. ωτ 2. = 1 → ωt =. 1. (4.43). τ2. ta cã: ωcτ 1 = 1 →. ωc =. 1. τ1. (4.44). Ta thấy rằng hệ số khuếch đại bị suy giảm ở phía tần số thấp là do giá trị điện dung C2. Giá trị này càng lớn thì tần số cắt càng đ−ợc thấp. Về phía tần số cao, hệ số khuếch đại bị suy giảm là do 84.

(99) điện dung tổng ở lối ra bộ khuếch đại, các giá trị này càng nhỏ thì tần số cắt càng đ−ợc cao. Với những bộ khuếch đại dùng transistor l−ỡng cực ở tần số rất cao thì nguyên nhân suy giảm hệ số khuếch đại còn là do hệ số khuếch đại Ku của transistor gây nên. Trong miền tần số cao, do bản chất vật lý của các transistor, dòng khuếch tán của các phần tử tải điện không theo kịp sự biến đổi của điện tr−ờng mà dòng tín hiệu tần số cao sinh ra nên làm giảm hệ số khuếch đại dòng điện β. 4.3.13. Một số mạch khuếch đại dùng transistor. • Khuếch đại dải rộng Với các bộ khuếch đại âm tần, một dải hoạt động từ vài chục Hz đến vài chục ki-lô Hz là đủ. Trong khi đó nhiều bộ khuếch đại lại cần làm việc trong một dải tần số rộng hơn, thí dụ bộ khuếch đại thị tần trong máy thu hình cần một dải tần làm việc rộng từ 0 Hz đến 6,5 MHz. Th−ờng các bộ khuếch đại âm tần sử dụng các mạch ghép tầng bằng tụ điện nh− vừa trình bày ở trên. Chính các tụ ghép tầng này gây nên việc suy giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số thấp và các điện dung ký sinh trong c¸c líp tiÕp gi¸p p-n t¹i transistor vµ ®iÖn dung l¾p r¸p còng nh− ®iÖn dung t¶i g©y nªn viÖc suy giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số cao. Vì vậy việc thiết kế các bộ khuếch đại có dải truyền réng h¬n lµ cÇn thiÕt. Một cách tự nhiên muốn mở rộng dải truyền của bộ khuếch đại thì phải tăng điện dung C2 và gi¶m c¸c ®iÖn dung ký sinh. Tuy nhiªn c¸ch nµy chØ cho phÐp më réng d¶i truyÒn trong ph¹m vi rÊt hạn chế. Để mở rộng dải truyền hơn phải dùng các mạch sửa. Hình 4.33 là một sơ đồ bộ khuếch đại víi m¹ch söa phÝa tÇn sè thÊp vµ cao. +EC. RC1. RSt. RV 2. (b). CSt. T1. LSc. RSt. CSt. (a) Rb1. RC1. Rb2. RC2. C2. C1. UV. ZC1. Ura. RC1. T2. T1 CCE1. CKS. CTΣ. (c). CT. RV 2. LSC. T1. Hình 4.33. Sơ đồ khuếch đại dải rộng (a), sơ đồ t−ơng đ−ơng của trở gánh lèi ra cña T1 ë tÇn sè thÊp (b) vµ ë tÇn sè cao (c).. Trong sơ đồ này, các linh kiện Rb1, Rb2, RC1, C1, C2 là thuộc mạch khuếch đại ch−a sửa. Các linh kiÖn RST, CST lµ m¹ch söa phÝa tÇn sè thÊp. C¸c linh kiÖn LSC1, LSC2 lµ c¸c linh kiÖn thuéc m¹ch söa tÇn sè cao. Nhắc lại rằng hệ số khuếch đại của mạch khi không có sửa là tỷ lệ với trở gánh và bằng: Ku =. − βRC 1 . rBE 85.

(100) XÐt t¸c dông cña m¹ch söa tÇn sè thÊp RSt, CSt. ë vïng tÇn sè trung b×nh trë xuèng, trë kh¸ng cña cuén c¶m LSC1 lµ rÊt nhá vµ ®−îc coi nh− b»ng 0. Chän gi¸ trÞ cña RST vµ CST sao cho tõ tÇn sè ω > ωt tho¶ m·n ®iÒu kiÖn:. R ST >>. 1. ω C ST. Lúc đó, với các tần số ω > ωt dung kháng của tụ CST nhỏ làm ngắn mạch RSt xuống đất, mạch sửa không có tác dụng vì trở gánh thực sự của mạch vẫn là RC1. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại nh− khi ch−a söa, nh− kh«ng cã mÆt RSt. Nh−ng víi c¸c tÇn sè ω < ωt th× kh¸c, gi¸ trÞ dung kh¸ng của tụ CSt sẽ càng trở nên đáng kể và bằng vô cùng khi tần số giảm xuống 0. Lúc này trở gánh của tầng khuếch đại T1 phải đ−ợc coi là RC1 mắc nối tiếp với trở kháng của cụm gồm điện trở RSt đ−ợc m¾c nèi tiÕp víi ®iÖn trë g¸nh RC1 vµ tô CSt m¾c song song víi RSt (h×nh 4.33.b). Trë g¸nh thùc sù đ−ợc tăng thêm một l−ợng bằng RSt // (1/jωCSt). Tại tần số 0, trở này cực đại và bằng RC1 + RST. Do vậy, hệ số khuếch đại của tầng T1 sẽ đ−ợc tăng lên về phía tần số thấp hơn ωt. XÐt t¸c dông cña m¹ch söa tÇn sè cao. Do dung kh¸ng t¹i d¶i tÇn sè nµy cña c¸c tô rÊt nhá nªn có thể bỏ qua ảnh h−ởng của RSt, CSt và C2 trong sơ đồ t−ơng đ−ơng khuếch đại xoay chiều. Giá trị cña cuén c¶m LSc ®−îc chän sao cho ë vïng tÇn sè trung b×nh trë xuèng, c¶m kh¸ng cña nã nhá không đáng kể và coi nh− bằng 0. Nh−ng ở vùng tần số ω > ωc, cuộn cảm này cùng trở gánh RC1 và ®iÖn dung tæng CTΣ t¹o thµnh mét khung céng h−ëng víi tæng trë ZC1 gi÷ vai trß trë g¸nh cho transistor T1 (h×nh 4.33.c). Trong công thức tính hệ số khuếch đại kể trên phải thay RC1 bằng giá trị của ZC1:. ZC 1 =. RC 1 + jωLSc 1 × j ω CTΣ ⎛ ⎞ 1 ⎟⎟ RC 1 + j ⎜⎜ ωLSc − ωCTΣ ⎠ ⎝. Khung có trở kháng cực đại tại tần số ωch =. (4.45). 1 vµ do tû lÖ víi trë kh¸ng g¸nh nªn hÖ LScCTΣ. số khuếch đại của mạch cũng đạt cực đại tại tần số đó. Đáp ứng tần số khi ch−a sửa (đ−ờng a) và có sửa (các đ−ờng b, c) của mạch khuếch đại dải rộng có dạng nh− trên hình 4.34. Khi chọn các thông số mạch sửa đúng đắn nh− tr−ờng hợp đ−ờng đặc tuyến (b), dải truyền của bộ khuếch đại đ−ợc mở rộng từ (ωc - ωt) đến (ω'c - ω't) và không xuất hiện những vùng có dạng hệ số khuếch đại quá cao (dạng b−ớu) nh− ở đặc tuyến (c). NhËn thÊy r»ng ë phÝa d¶i tÇn thÊp kh«ng thÓ gi¶m ωt xuèng qu¸ một giới hạn nào đó đ−ợc vì đáp øng sÏ xuÊt hiÖn d¹ng b−íu, v¶ l¹i do tô C2 nªn vÒ nguyªn t¾c kh«ng thÓ gi¶m ωt xuèng tíi 0Hz. Th−êng chän h»ng sè thêi gian cña m¹ch. 86. K. c. Ku Ku/√2. b. ω't ωt. a. ωtb. b. c. ωC ω'C ωch. ω. Hình 4.34. Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại dải rộng..

(101) sửa tần thấp căn cứ vào ωt mong muốn (τT = RSTCST = Tt = 2π/ωt ). Sau đó chọn RST ≤ 1,6 RC1 thì đ−ờng đáp ứng sẽ không xuất hiện b−ớu. Trong vùng tần số cao cũng do có thể xuất hiện b−ớu nên viÖc chän gi¸ trÞ thÝch hîp cho hÖ sè phÈm chÊt Q =. 1 LSC lµ quan träng. NÕu Q = 0,4 th× hÇu RC 1 CTΣ. nh− kh«ng cã b−íu cßn víi c¸c Q tõ 0,5 trë lªn ®−êng b−íi xuÊt hiÖn râ.. • Khuếch đại cao tần chọn lọc Trong th«ng tin v« tuyÕn ®iÖn, sãng cao tÇn cã tÇn sè cì hµng tr¨m kHz trë lªn. C¸c m¹ch khuếch đại hoạt động ở dải tần số này gọi là khuếch đại cao tần. Thông tin trong dải sóng này th−ờng đ−ợc thiết lập trong một vùng tần số hẹp xung quanh một tần số nào đó gọi là sóng mang. Đó là các kênh thông tin do các đài phát sóng phát đi. Do đó một yêu cầu thực tế là cần có các bộ khuếch đại tín hiệu thu chỉ khuếch đại chọn lọc tín hiệu có tần số sóng mang và các tín hiệu lân cận, còn thì loại bỏ các tín hiệu có tần số xa tần số sóng mang. Đó là các bộ khuếch đại chọn lọc. Các bộ khuếch đại chọn lọc cao tần th−ờng dùng khung cộng h−ởng làm trở gánh nên cũng còn đ−ợc gọi là bộ khuếch đại cộng h−ởng. Sơ đồ tầng khuếch đại cộng h−ởng về cơ bản cũng giống nh− khuếch đại điện trở, chỉ có thay trë g¸nh RC b»ng mét khung céng h−ëng LC cã m¹ch ghÐp ®iÖn c¶m M lÊy thÕ lèi ra Ura1 nh− trªn h×nh 4.35.a hay còng cã thÓ trÝch thÕ lèi ra Ura2 qua tô C2 trªn h×nh. Z Zmax. + L. C. Zmaxx/√2. M L1. Rb1. Ura1. (b). ω. C2. 1/√LC. C1. Ura2. Uv. K. Rb2. RE. Kmax. CE. Kmaxx/√2. (c). (a). ω 1/√LC. Hình 4.35. Bộ khuếch đại cộng h−ởng. Tụ CE đ−ợc chọn đủ lớn sao cho ở tần số hoạt động có *. đại của mạch là: K =. Z& C =. 1. ωt CE. << R E , ta sÏ cã hÖ sè khuÕch. − β ZC víi ZC lµ tæng trë cña khung céng h−ëng LC. rBE. ρ2 1 ⎞ ⎛ R + ⎜ ωL − ⎟ ωC ⎠ ⎝. R lµ trë tæn hao cña khung, ρ =. víi R << ωL. (4.46). L lµ trë kh¸ng sãng. C. 87.

(102) Nh− đã trình bày trong các ch−ơng tr−ớc, đặc tr−ng trở kháng - tần số của khung có dạng đ−ờng cong cộng h−ởng nh− hình 4.35.b và do vậy đáp ứng tần số K = f(ω) của mạch cũng có dạng céng h−ëng nh− vËy trªn h×nh 4.35.c. Hình 4.36.a là một sơ đồ khuếch đại chọn lọc ở tầng khuếch đại sóng ngắn thu đ−ợc từ anten m¸y thu thanh. Transistor dïng ë ®©y ph¶i lµ lo¹i cao tÇn cã t¹p ©m néi nhá vµ tÇn sè giíi h¹n cì hàng trăm MHz trở lên. Các trở Rb1, Rb2 định điểm làm việc cho các transistor. Các tụ C1, C2 dùng để cách ly dòng một chiều và đoản mạch về dòng xoay chiều cao tần. Chúng có trị số đủ lớn (hàng trăm đến ngàn pF), do vậy không ảnh h−ởng đến tính chất cộng h−ởng của các khung dao động. Tín hiÖu tõ khung céng h−ëng anten LC chØ ®−îc trÝch ®−a mét phÇn vµo cùc base cña transistor T1 qua liªn kÕt hç c¶m (biÕn thÕ) víi cuén ghÐp L1 Ýt vßng h¬n L. ViÖc ghÐp nh− vËy nh»m phèi hîp trë kháng giữa khung và lối vào transistor (cỡ 1 kΩ) và tránh ảnh h−ởng đến độ phẩm chất của khung. Khung céng h−ëng ë m¹ch g¸nh transistor T1 lµ khung C vµ (L2 + L3 = L). V× trë kh¸ng ra cña T1 lớn trong khi trở kháng vào tầng sau T2 nhỏ nên sơ đồ cũng dùng mạch ghép là cuộn cảm biến thế L4 cã t¸c dông nh− ë khung anten lèi vµo. §Ó tr¸nh dßng mét chiÒu ch¶y qua cuén c¶m cña khung có lõi Fe-rit ảnh h−ởng đến từ thông của nó, collector T1 đ−ợc ghép biến thế tự ngẫu với khung bằng c¸ch nèi nã víi ®iÓm gi÷a L2 Ýt vßng h¬n cuén L3. Nh− vËy dßng mét chiÒu nu«i transistor chØ ch¶y qua L2 là một phần của cuộn cảm khung và sơ đồ hoạt động ổn định hơn. + C. L3. Rb1. C. L1 C1. C. L. L1. C1. L3. L4. Rb. CE. (a). T2. L2 C. T2 C2. RE. T1. L4. T1. L. CCE. Rb2. L2. +E. (b). Hình 4.36. Một số sơ đồ khuếch đại chọn lọc dùng transistor.. Nh− trên đã nói, các sơ đồ base chung cũng rất hay đ−ợc dùng cho các tầng khuếch đại cao tần. Hình 4.36.b là một sơ đồ thí dụ. Trong sơ đồ này tụ C1 có điện dung lớn (cỡ hàng ngàn pF) nên coi nh− base đ−ợc ngắn mạch với đất đối với sóng cao tần. Điều này cho phép đ−a toàn bộ tín hiệu cao tÇn tõ cuén L1 vµo lèi vµo base-emitter cña transistor T1. §iÖn dung lèi ra CCB ®−îc ghÐp song song víi ®iÖn dung C trong khung céng h−ëng t¹i collector. §iÖn dung lèi vµo cña m¹ch gåm Cks vµ CBE. Do tín hiệu ra trên collector đồng pha với với tín hiệu vào trên emitter nên điện dung CCE có tác dụng phản hồi d−ơng về thế. Tần số càng cao, phản hồi d−ơng càng lớn và hệ số khuếch đại càng tăng. Điều này làm tăng giới hạn tần số của bộ khuếch đại. Ngoài ra, thế vào cũng đ−ợc truyền trực tiếp từ emitter đến collector qua CCE. Các tác dụng này làm giảm điện dung lối vào của T1 do vậy tầng khuếch đại base chung hay đ−ợc dùng ở cao tần, tuy nhiên nó có nh−ợc điểm là trở vào nhỏ, dòng vào lớn nên chỉ thích hợp với các tín hiệu có công suất t−ơng đối lớn. Nói cách khác độ nhạy cña m¸y thu kh«ng cao.. 88.

(103) • Khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ truyền công suất ra đủ lớn trên tải, có khi tới hàng trăm W. Khi khuếch đại các tín hiệu lớn nh− vậy các transistor không còn làm việc trong miền tuyến tính nữa, do đó không thể dùng ph−ơng pháp sơ đồ t−ơng đ−ơng với tín hiệu bé mà phải dùng ph−ơng pháp xét toàn bộ đồ thị các đặc tr−ng của transistor. Ngoài trở kháng vào cần phải lớn, trở kháng ra cần nhỏ để có khả năng truyền đạt công suất ra tải lớn (phối hợp trở kháng), hai thông số của bộ khuếch đại công suất cần đ−ợc chú ý là: P Hệ số khuếch đại công suất K P = ra là tỉ số giữa công suất ra trên công suất vào. Có thể PV dùng sơ đồ emitter chung để vừa có khuếch đại cao về cả dòng và thế nh−ng cũng có thể dùng sơ đồ base chung chỉ cho hệ số khuếch đại dòng lớn còn khuếch đại thế nhỏ hơn 1 vì trở tải nhỏ. P HiÖu suÊt η ≡ ra lµ tØ sè gi÷a c«ng suÊt ra trªn c«ng suÊt nguån mét chiÒu cung cÊp cho P0 mạch. Điều này đòi hỏi phải chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại và tải. Ngoài ra phải đảm bảo công suất tổn hao trên transistor nhỏ hơn công suất tiêu tán cho phép. Vấn đề nữa là cần chọn chế độ hoạt động thích hợp để có công suất lớn, hiệu suất lớn mà không bị méo tÝn hiÖu. Có một số chế độ hoạt động trong tầng công suất dùng transistor. Hình 4.39 minh hoạ các chế độ hoạt động này. Chế độ A là chế độ có điểm làm việc đ−ợc chọn nằm ở giữa phần tuyến tính của đặc tr−ng IC = f (UBE) nên tín hiệu khuếch đại không bị méo. Nh−ng vì điểm làm việc nằm ở giữa đoạn tuyến tÝnh nªn chØ tËn dông ®−îc 1/2 d¶i réng cña ®o¹n. Nh−îc ®iÓm n÷a lµ v× dßng tÜnh collector IC0 lu«n ~. lớn hơn biên độ dòng tín hiệu ra, khi không có tín hiệu ( U BE = 0 ) dòng tĩnh vẫn lớn khác 0, nên hiÖu suÊt thÊp (< 50%). Chế độ B có điểm làm việc đ−ợc xác định tại UBE = 0. Do đó chỉ nửa chu kỳ d−ơng (hoặc âm) của tín hiệu vào đ−ợc khuếch đại. −u điểm của chế độ này là dòng tĩnh bằng 0 nên hiệu suất cao và tận dụng đ−ợc tối đa cả đoạn tuyến tính của đặc tr−ng. Tuy nhiên do chỉ khuếch đại đ−ợc nửa chu kỳ nên phải dùng sơ đồ đẩy kéo cho phép hai transistor hoạt động luân phiên, mỗi transistor khuếch đại trong một nửa chu kỳ tín hiệu. Nếu chọn điểm hoạt động nằm ở đoạn phi tuyến của đặc tr−ng trên điểm không ta có chế độ AB. Trong chế độ này khi tín hiệu bằng 0 vẫn có dòng IC0 nh−ng rất nhỏ, do vậy khi tín hiệu vào nhỏ, bộ khuếch đại vẫn có thể hoạt động tuyến tính đ−ợc. Còn khi tín hiệu vào lớn nó hoạt động nh− ở chế độ B. Chế độ này cho hiệu suất cao hơn chế độ A (đến 70%). Chế độ C là chế độ cho dòng collector chỉ xuất hiện trong một phần của nửa chu kỳ tín hiệu. Điểm hoạt động đ−ợc chọn là điểm C sau điểm 0. Thế phân cực UBE < 0. Chế độ này th−ờng đ−ợc dùng trong các bộ khuếch đại cao tần có tải cộng h−ởng để có thể lọc ra đ−ợc các hài bậc một.. 89.

(104) - Sơ đồ khuếch đại công suất đơn. Các sơ đồ khuếch đại công suất đơn th−ờng đ−ợc thiết kế theo cách mắc emitter chung hoặc lặp lại emitter để đảm bảo có hệ số khuếch đại dòng điện lớn và méo phi tuyến nhỏ. Th−ờng sử dụng chế độ A với điểm làm việc nằm ở giữa đ−ờng đặc tr−ng tĩnh. IC. Tín hiệu ra chế độ A. t. A. Tín hiệu ra chế độ B. AB C. Tín hiệu ra chế độ C. B. UBE. TÝn hiÖu vµo. Hình 4.37. Các chế độ hoạt động của transistor trong tầng công suất.. + Sơ đồ khuếch đại công suất emitter chung. Tải của tầng khuếch đại công suất th−ờng đ−ợc mắc trực tiếp vào collector của transistor công suất. Th−ờng hay sử dụng mạch ghép qua biến áp để cho có hiệu suất cao nh− hình 4.38.a. Th−ờng tầng khuếch đại sử dụng chế độ A. IC EC/ZC. IC. ICmax. +. ~ IC. IC0 L1. ICmin. L2. IC0. Rb UCE. UCE0. t. EC. Uv UCE. (a). (b). Hình 4.38. Sơ đồ khuếch đại công suất đơn ghép biến áp.. Từ họ đặc tr−ng tĩnh và đ−ờng tải (hình 4.38.b) xác định đ−ợc dòng IB0 và tính đ−ợc trở định thiên Rb. Công suất ra cực đại của tín hiệu hình sin đ−ợc xác định theo biểu thức:. Pr max =. 90. ^ 1^ I c max U c max 2.

(105) ^. ^. I c max và U c max là biên độ cực đại của dòng và thế trên collector. 1 C«ng suÊt nguån cung cÊp cho m¹ch lµ: P0 = T. T. ^ ⎛ ⎞ E C ⎜⎜ I C 0 + I C sin ωt ⎟⎟ dt = E C I C 0 ⎝ ⎠ 0. ∫. ^. (4.47). ^. Để tận dụng tối đa công suất ra thì phải đảm bảo: U C max ≈ EC và I C max ≈ IC 0 Do vậy hiệu suất tối đa mà sơ đồ có thể đạt đ−ợc là:. ηmax =. Pr max = 50% P0. (4.48). ^. Khi chän U c b»ng mét nöa Ecc ta ®−îc c«ng suÊt tiªu t¸n trªn transistor nhá h¬n c«ng suÊt tiªu tán cực đại cho phép:. PC = ICUCE ≤ Pc max Từ giá trị nguồn nuôi và công suất tiêu tán cực đại cho phép này ta tìm đ−ợc tải động tối −u của m¹ch:. RTop =. EC2. (4.49). PC max. Ta biÕt r»ng trë t¶i RT ®−îc chuyÓn sang m¹ch collector thµnh trë t−¬ng ®−¬ng R'T = n2RT. Trong đó n là tỉ số biến thế. Vậy từ công thức này có thể tính đ−ợc tỉ số biến thế n. Do có −u điểm độ tuyến tính cao nh−ng hiệu suất nhỏ nên khuếch đại kiểu này th−ờng đ−ợc sử dông trong c¸c bé c«ng suÊt nhá. + Sơ đồ khuếch đại công suất lặp lại emitter. Sơ đồ lặp lại emitter đặc biệt thích hợp với tầng khuếch đại công suất. Phần nữa nó cũng thích hợp vì phối hợp đ−ợc trở kháng của nguồn tín hiệu với các trở tải nhỏ mà không cần qua biến thế. Hình 4.39.a là sơ đồ của mạch. +EC. Rb1 IC Uv EC/RT. Rb2. RT = RE. (a). IB0. IE0 +EC UCER. Rb1. EC. ~ IE. UCE. C1 C2. Uv Rb2. RE. (c) RT. (b). 91.

(106) Hình 4.39. Khuếch đại công suất dùng sơ đồ lặp lại emitter.. Để có tín hiệu ra lớn chọn chế độ hoạt động A. Trên đ−ờng đặc tr−ng hình 4.39.c ta có:. U CE 0 = U CER + I E0 ≈. E C − U CER E C + U CER = 2 2. EC 2R T. Biên độ điện áp và dòng điện ra cực đại là: ^. ^. U r max = U E max =. EC − UCER 2. Khi ®iÖn trë t¶i tèi −u b»ng: RTop = ^. Pr max. ^. ^. I r max = I E 0. Ecc − UCER ta ®−îc c«ng suÊt ra lín nhÊt: 2IE 0. ^. (E − UCER )2 UE IE U E2 = = = C 2 2 RTop 8 RTop. (4.50). Khi coi Ic ≈ IE ta tÝnh ®−îc c«ng suÊt nguån mét chiÒu cÊp cho m¹ch:. P0 = E C I C 0. (4.51). Vậy hiệu suất cực đại của mạch là:. ηmax =. (E − UCER )2 100% = 1 EC − UCER 100% ≈ 25% Pr max 100% = C P0 8 RTop EC I E 0 4 EC. (4.52). Còng tÝnh ®−îc c«ng suÊt tæn hao trªn transistor:. 1 PC = P0 − Pra = P0 − T. ∫. ^ ⎞ ⎛ ⎜ ^ I C2 ⎟ ⎛ ⎞ 2 ⎟ R T ⎜⎜ I E 0 + I C sin ωt ⎟⎟ dt ≈ P0 − R T ⎜ I E 0 + 2 ⎟ ⎜⎜ ⎝ ⎠ ⎟ ⎝ ⎠. (4.53). Trong tr−ờng hợp không muốn dòng điện một chiều chảy qua tải phải dùng sơ đồ lặp lại emitter ghép điện dung với tải nh− sơ đồ hình 4.39.b. Tuy nhiên tính toán cho thấy khi chạy trong chế độ A, sơ đồ này có hiệu suất rất thấp (< 10%) nên ít đ−ợc dùng. - Các sơ đồ đẩy kéo. Các sơ đồ khuếch đại công suất kiểu đẩy kéo th−ờng hoạt động trong các chế độ B hoặc AB cho phép tăng đ−ợc công suất, hiệu suất và giảm méo phi tuyến. Một tầng đẩy kéo thông th−ờng gồm 2 transistor đ−ợc mắc chung với một tải. Mỗi transistor đ−ợc hoạt động trong một nửa chu kỳ d−ơng hoặc âm của tín hiệu. Có thể phân biệt 2 loại sơ đồ đẩy kéo. Loại sơ đồ đẩy kéo song song, trong đó nguồn cung cấp cho các transistor đ−ợc mắc song song với nhau; loại này th−ờng dùng tải là biến thế có 2 nửa bên sơ cấp để hoà tác động vào 1 cuộn lối ra bên thứ cấp. 92.

(107) Loại sơ đồ đẩy kéo nối tiếp, trong đó nguồn cung cấp điện cho các transistor đ−ợc mắc nối tiếp với nhau; lo¹i nµy cã ®Çu nèi lèi ra n»m ë gi÷a 2 transistor. + Sơ đồ đẩy kéo song song. Hình 4.40.a là sơ đồ tầng công suất đẩy kéo song song dùng biến ¸p vµo vµ biÕn ¸p ra. +EC. IC2. Rb1 Tr1. L1. T2. Tr2. L2. L4. L3. L5. T1. L5. UBE3. RT. D2 0 0,6V. D3 - 0,6V. T3 C. UBE2. Rb2. IC3. (a). (b) Hình 4.40. Sơ đồ khuếch đại đẩy kéo song song.. Sơ đồ gồm 2 tầng khuếch đại. Tầng thứ nhất gồm transistor T1 và biến thế Tr1 gọi là tầng khuếch đại đảo pha với biến thế Tr1 là biến thế đảo pha. Nó gồm một cuộn sơ cấp L1 và hai cuộn thứ cấp L2 và L3. Hai cuộn L2 và L3 đ−ợc cuốn cùng chiều, với điểm giữa đ−ợc nối đất nhờ tụ C. Với c¸ch cuèn d©y nh− vËy ta cã thÓ nhËn ®−îc 2 tÝn hiÖu ng−îc pha nhau trªn L2 vµ L3 tõ mét tÝn hiÖu trên L1. Hai transistor T2 và T3 hoạt động đẩy kéo. Thế phân cực (điểm hoạt động) cho chúng do cặp điện trở Rb1 và Rb2 tạo ra trên đặc tuyến IC = f(UBE) đ−ờng chấm chấm trên hình 4.40.b. Cần chọn sao cho thế này t−ơng ứng với các điểm D2 và D3 (chế độ AB). Vì hai transistor T2 và T3 có cùng thế phân cực nên đoạn từ D2 đến D3 triệt tiêu và đặc tr−ng IC (UBE) của T2 và T3 đ−ợc dịch lại và nhập chung nh− đ−ờng liền nét. Nh− vậy là T2 sẽ hoạt động trong một nửa chu kỳ tín hiệu và T3 sẽ hoạt động trong nửa chu kỳ có dấu ng−ợc lại. Nếu khuếch đại tín hiệu hình sin thì mỗi nửa dòng hình sin nµy sÏ ch¶y qua mét nöa cuén s¬ cÊp biÕn thÕ xuÊt Tr2. Do c¶m øng nªn kÕt qu¶ lµ bªn thø cÊp biÕn thế sẽ xuất hiện tín hiệu hình sin tổng hợp đủ cả hai nửa chu kỳ xuất ra tải. Tỉ số số vòng sơ cấp trên thứ cấp của biến thế Tr2 đ−ợc tính toán sao cho nó cũng đảm bảo đ−ợc nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại và tải. Ta h·y tÝnh hiÖu suÊt ra cña m¹ch: Gäi n ≡. N1 lµ tû sè biÕn thÕ Tr2, víi N1 sè vßng cña nöa cuén s¬ cÊp vµ N2 lµ sè vßng cuén thø N2. cÊp. Nh− vËy trë ra t−¬ng ®−¬ng cña mçi transistor lµ: R T' = n 2 R v . ^. VËy:. IC =. ^. U CE R T'. ^. ^2. ^. vµ U CE = n U ra .. C«ng suÊt ra t¶i lµ:. ^. U ra U CE Pra = = 2 2 RT 2 n R T. ^. Biên độ điện áp ra cực đại của một transistor: U CE max = UCE − UCER 93.

(108) Pra max =. Vậy công suất ra cực đại:. (UCE − UCER )2. (4.54). 2 n 2 RT. Vì bộ khuếch đại làm việc ở chế độ B nên dòng collector trung bình là: −. IC. 1 = T. ^. T. ∫ I C (t )dt = 0. IC. π ^. P0 =. VËy c«ng suÊt mét chiÒu cÊp cho m¹ch lµ:. 2. π. ^. I C EC =. 2 U CE E C. π. n 2 RT Thay P0 vµ Pra vµo ta tÝnh ®−îc c«ng suÊt tæn hao trªn collector cña transistor: ^. PC = P − P =. ^. 2 U CE E C. π. n 2 RT. −. U CE. (4.55). 2n 2 R T ^. ^. 2. PC thay đổi theo U CE và đạt cực đại khi:. U CE =. ở chế độ B, công suất tổn hao cực đại là:. PC max =. Vậy hiệu suất cực đại của mạch là: ηmax =. Pra max π 100% ≈ 100% ≈ 78,5%. P0 max 4. EC. π. 4. π2. Pra max (4.56). Ta thấy hiệu suất của bộ khuếch đại đẩy kéo lớn hơn bộ khuếch đại đơn nhiều. Bộ khuếch đại đẩy kéo hoạt động ở chế độ AB nên dòng tĩnh ban đầu rất nhỏ tức là khi không có tín hiệu thì các transistor hầu nh− không hoạt động và không tổn hao nhiệt, do vậy hiệu suất rất cao. Hơn nữa vùng hoạt động tuyến tính của bộ khuếch đại rộng gấp hai lần trong tr−ờng hợp khuếch đại đơn. Nh−ng v× kÝch th−íc biÕn ¸p lín, gi¸ thµnh cao vµ d¶i tÇn lµm viÖc bÞ h¹n chÕ nªn ngµy nay cßn hay sö dụng các sơ đồ liên kết trực tiếp nh− d−ới đây. + Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp. Trong các bộ khuếch đại âm thanh, việc chọn đ−ợc biến thế cho chất l−ợng dải truyền tần số đến các tần số cực thấp là khó. Do vậy, sử dụng tầng khuếch đại đẩy kéo có liên kết trực tiếp cho phép khắc phục các nh−ợc điểm trên, đặc biệt đ−ợc dùng trong các bộ khuếch đại đòi hỏi chất l−ợng cao. Các sơ đồ này thuộc loại đẩy kéo nối tiếp sử dụng các transistor khác loại hay cùng loại. Ta sẽ khảo sát 2 sơ đồ điển hình sau. Hình 4.41 là sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng 2 transistor cùng loại. +EC +EC If. RC Rb1. UV. T2. Ivf. Ura. T1 Rb2. UVf. Rb2. T3 RE. RC Rf1. T2. Iv. Rf2 Uv. T1. Ura. RT. T3 D. -E. C (a) (b) -EC Hình 4.41. Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng 2 transistor cùng loại.. 94. RT.

(109) T1 là tầng khuếch đại tín hiệu đảo pha để tạo các tín hiệu ng−ợc pha đ−a vào hai base của các transistor T2, T3. Trong sơ đồ này thay cho nguồn cung cấp có điểm giữa nối đất ng−ời ta dùng nguồn đối xứng ± Ec. Có thể coi trong sơ đồ T2 mắc theo mạch collector chung, còn T3 mắc theo mạch emitter chung. Ngoài nhiệm vụ đảo pha, T1 còn có nhiệm vụ định điểm làm việc cho T2 và T3 nhờ điện áp tĩnh trên base và emitter của nó. Trong thực tế, chọn RE sao cho đảm bảo yêu cầu về độ mÐo vµ c«ng suÊt ra khã nªn ng−êi ta th−êng thay ®iÖn trë RE trong h×nh 4.41.a b»ng diode D nh− trong hình 4.41.b. Diode làm nhiệm vụ hạn chế biên độ điện áp base-emitter của T3, nhờ đó khắc phục đ−ợc hiện t−ợng quá tải cho T3. Mạch phản hồi âm gồm Rf1, Rf2 để giảm méo phi tuyến. Ta hãy tính hệ số khuếch đại khi có phản hồi Kf. Với nút vào base của transistor T1 ta có:. I v = I vf + I f =. Uv , U vf = I vf R f 2 + U v Rv. U rf = I f R f 1 + U v = K u U v VËy:. Kf =. U raf U vf. =−. Rf1 Rf2. với Ku là hệ số khuếch đại khi không có phản hồi.. Ku Ku + 1 + R f 1 / R f 2 + R f 1 / Rv. NÕu ph¶n håi ©m s©u ( K u >> 1 +. Rf1 Rf2. +. Rf1 Rv. ) th× K f ≈ −. R f1. (4.57). Rf2. Hình 4.42 là sơ đồ tầng công suất đẩy kéo nối tiếp dùng các transistor khác loại đơn giản nhất cùng đặc tr−ng tĩnh và đ−ờng tải của một trong các transistor. IC. +EC. IEmax. T1. Ura. UV T2. IB0. Ira. RT. UCE EC. Ura. -EC. (a). (b). Hình 4.42. Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp dùng 2 transistor khác loại.. C¶ hai transistor ®−îc m¾c theo kiÓu collector chung víi t¶i lµ RT. §iÖn ¸p vµo base b»ng 0 nªn điện áp ra trên các emitter cũng bằng 0. Điện áp kích cho cả hai transistor là đồng pha và có biên độ bằng nhau. Hệ số khuếch đại của mạch Ku ≈ 1. ^. Biên độ tín hiệu ra nằm trong khoảng:. U ra = k (EC − UCER ) ;. ^. I ra = kI E max. Trong đó k là hệ số tỉ lệ lấy giá trị từ 0 đến 1. ^. ^. 1 U ra I ra 1 2 VËy c«ng suÊt ra cña mçi transistor lµ: Pra = = k (EC − UCER )I E max 2 2 4 C«ng suÊt nguån mét chiÒu cung cÊp cho mçi transistor lµ:. (4.58). 95.

(110) P0 = EC. T/2^. 1 T. ∫. k. I ra sin ωtdt =. π. 0. (4.59). EC I E max. C«ng suÊt tæn hao trªn collector cña mçi transistor lµ:. k2 (EC − UCER )I E max π 4 Cho đạo hàm dPc / dk = 0 ta tính đ−ợc giá trị k tại đó công suất tổn hao là cực đại: PC = P0 − Pra =. kP max =. k. EC I E max −. (4.60). 2 EC 2 ≈ π (EC − UCER ) π. Vậy công suất tổn hao cực đại trên mỗi transistor là:. PC max =. EC2 I E max. π (EC − UCER ) 2. ≈. EC I E max. π2. Vì PCmax và EC đã biết nên tính đ−ợc dòng emitter IEmax:. I E max =. π 2 PC max (EC − UCER ) EC2. ≈. π 2 PC max. (4.61). EC. Tõ ®©y còng tÝnh ®−îc c¸c th«ng sè kh¸c: ^. RT =. U ra ^. =. I ra PraΣ = P0 Σ =. EC − UCER E2 = 2 C I E max π PC max. 2 2 2 k2 (EC − UCER )I E max = k 2 π PC max (EC − U2CER ) ≈ k 2 π PC max 2 2 2 EC. 2k. π. EC I E max ≈ k 2πPC max. VËy hiÖu suÊt cña m¹ch lµ: P π η = raΣ = k P0 Σ 4. khi k = 1 → η =. π 4. ≈ 78,5%. (4.62). Giống sơ đồ nối tiếp cùng loại kể trên, sơ đồ này cũng gặp phải méo phi tuyến khi làm việc ở chế độ B. Tại các thế tín hiệu nhỏ hơn điện áp thông của lớp tiếp giáp E-B các transistor ngắt và ~. ~. quan hệ giữa U ra theo U vào là không tuyến tính trong vùng gần gốc toạ độ. Muốn khắc phục loại méo này phải dùng mạch phản hồi âm nh− nói trên. Muốn khắc phục triệt để phải di chuyển điểm ~. làm việc sao cho UBE01 = UBE02 t−ơng ứng với mức điện áp vào U vào = 0 . Tức là phải đặt lên base của các transistor các điện áp ban đầu thích hợp trong chế độ hoạt động AB. Hình 4.43.a là sơ đồ đẩy kéo nh− vậy. Trong sơ đồ, T1 là tầng khuếch đại đảo pha mắc theo kiểu emitter chung. Tải collector của nó là hai điện trở R4 và R5. Trong đó R5 và hai diode d1, d2 tạo thế phân cực cho T2 và T3 hoạt động trong chế độ AB. Khuếch đại đẩy kéo đ−ợc thực hiện bởi các transistor khác loại T2 (lo¹i n-p-n) vµ T3 (lo¹i p-n-p). Khi ch−a cã tÝn hiÖu, ®iÒu chØnh biÕn trë R2 sao cho Ub2 = 0,6V. Khi cã tÝn hiÖu xoay chiÒu ë lèi vµo UV , trªn collector cña T1 sÏ xuÊt hiÖn dßng xoay chiÒu IC1 vµ thÕ 96.

(111) xoay chiều UC1. Trong nửa chu kỳ d−ơng của UC1, T2 sẽ khuếch đại tín hiệu. Trong nửa chu kỳ âm của UC1, T3 sẽ khuếch đại. Kết quả là dòng qua tải (loa) sẽ là dòng xoay chiều hình sin có dạng nh− tÝn hiÖu lèi vµo. C¸c ®iÖn trë R6 vµ R7 lµm nhiÖm vô b¶o vÖ cho T2 vµ T3. Chóng cã trÞ sè nhá 0,5 Ω. Trë ra cña T2 vµ T3 thùc chÊt ®−îc m¾c song song víi nhau, h¬n n÷a R5 = 1kΩ vµ hai diode d1, d2 m¾c ë lèi vµo nªn nã cã trÞ sè nhá so víi trë kh¸ng cña loa (vµi «m). +EC R1. +EC. R4. R2. R3 T2. d1 d2. R5. T2'. Ura R1. R6. T1. UV. R7 R3. RE. T2. d1 d2 d3 d4. RT. T3. RT. T3'. UV. T3. Ura. T1 R2. -EC. (a) (b) Hình 4.43. Sơ đồ đẩy kéo nối tiếp công suất nhỏ (a) và công suất lớn (b).. -EC. Khi cần công suất lớn hơn, th−ờng dùng sơ đồ hình 4.43.b. Trong đó T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất. T1 là tầng kích cho tầng công suất hoạt động. Các cặp T2, T2' và T3, T3' đ−ợc mắc theo sơ đồ Darlington nhằm đạt đ−ợc hệ số khuếch đại dòng rất lớn và trở ra rất nhỏ. Để sơ đồ hoạt động ổn định, th−ờng một mạch phản hồi âm đ−ợc thiết kế từ lối ra qua mạch RC đến lối vào của T1. Điều cần chú ý khi lắp ráp sơ đồ là phải đảm bảo điều chỉnh đ−ợc tính cân xứng. Khi không có tÝn hiÖu xoay chiÒu, thÕ mét chiÒu trªn t¶i ph¶i lµ 0 v«n.. 4.4. Transistor tr−êng Transistor hiệu ứng tr−ờng hoạt động dựa trên tác động của điện tr−ờng lên chuyển động của c¸c h¹t t¶i ®iÖn trong mét kªnh b¸n dÉn lo¹i p hoÆc n. Cã hai lo¹i transistor tr−êng: lo¹i JFET vµ lo¹i MOSFET. 4.4.1. Transistor tr−êng lo¹i JFET Ch÷ JFET lµ viÕt t¾t cña côm tõ tiÕng Anh: Junction Field Effect Transistor cã nghÜa lµ transistor hiệu ứng tr−ờng có lớp chuyển tiếp p-n. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transistor tr−êng lo¹i JFET ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 4.44.a. Cã 2 lo¹i JFET kªnh N vµ kªnh P. Ta sÏ xÐt ®iÓn h×nh mét lo¹i kªnh N. I (mA) D. -VGS IDS Gate. líp p. ID Source 0V. miÒn nghÌo Kªnh N. RT Drain. (a) H×nh 4.44.. +VD. UP - 4. 0. VGS (V). (b) Cấu trúc và đặc tính truyền đạt của transistor tr−ờng JFET.. 97.

(112) Trªn mét thanh b¸n dÉn silicon lo¹i n, ng−êi ta t¹o nªn mét kªnh dÉn ®iÖn N víi c¸c phÇn tö t¶i ®iÖn c¬ b¶n lµ ®iÖn tö n ®−îc giíi h¹n bëi mét líp b¸n dÉn lo¹i p bao xung quanh. Cã 3 ®iÖn cùc đ−ợc gắn lên đó: cực nguồn S (source), cực cửa G (gate) và cực máng D (drain). Vị trí và nguồn ®iÖn cÊp cho c¸c cùc ®−îc cho nh− trªn h×nh. Transistor JFET kªnh N gäi lµ N-JFET. Khi ho¹t động, ta thấy lớp tiếp giáp p-n giữa cực cửa G và cực nguồn S đ−ợc phân cực ng−ợc bởi thế UGS, còn t¶i tiªu thô ®−îc m¾c nèi tiÕp víi kªnh dÉn vµ dßng qua t¶i chÝnh lµ dßng cùc m¸ng ID. Nh− đã biết về đặc tính của lớp tiếp giáp p-n, sự biến đổi giá trị của điện áp phân cực ng−ợc trên cực cửa UGS sẽ làm thay đổi độ rộng của miền nghèo phần tử tải. Điều đó dẫn đến làm thay đổi thiết diện ngang của kênh dẫn N và làm thay đổi dòng cực máng ID chảy qua kênh. Nh− vậy dòng cực máng phụ thuộc vào thế cực cửa và do đó cực cửa còn đ−ợc gọi là cực điều khiển. Điện áp mà tại đó dòng cực máng ID nhận giá trị cực tiểu (≈ 0) gọi là điện áp ng−ỡng UP. Đặc tuyến truyền đạt ⎛ U ®−îc m« t¶ bëi ph−¬ng tr×nh I D = I DS ⎜⎜ 1 − GS UP ⎝. 2. ⎞ ⎟ và có dạng nh− trên hình 4.44.b, trong đó IDS là ⎟ ⎠. dßng cùc m¸ng khi UGS = 0. Transistor tr−êng ID (mA) vïng JFET có tác dụng khuếch đại nh− transistor vïng b·o hoµ tuyÕn tÝnh l−ỡng cực. Họ đặc tr−ng lối ra của transistor 10 U = 0V N-JFET cã d¹ng nh− h×nh 4.45 gåm 3 vïng: 8 - Vùng bão hoà (UD > Ubh): trong đó ID U = -0,5V 6 kh«ng phô thuéc vµo UDS mµ chØ phô thuéc vµo UGS. Đây là vùng sử dụng cho khuếch đại với 4 U = -1,0V dßng ID ®−îc ®iÒu khiÓn bëi thÕ vµo UGS. 2 -1,5V -2,5V - Vùng tuyến tính (UD < Ubh): trong đó UD 0 UDS (V) 0 2 4 6 8 10 cã gi¸ trÞ nhá vµ phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo ID. Hình 4.45. Họ đặc tr−ng lối ra của JFET. - Vùng đánh thủng: trong đó dòng ID đột ngột tăng khi UDS đủ lớn để đánh thủng lớp tiếp giáp p-n gần điện cực máng. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của transistor tr−ờng P-JFET về nguyên tắc cũng giống nh− loại N-JFET. Hình 4.46 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của hai loại này. GS. GS. GS. Ký hiÖu. Cùc tÝnh. UDS. Đặc tuyến truyền đạt. ID. ID (mA). D. NJ-FET. IDS N-JFET. G. +. +. -. S. UP -4. ID (mA). D. PJ-FET. 0. P-JFET. G. VGS (V). 0. -. -. 4. UGS (V). +. S. Hình 4.46. Ký hiệu và đặc tính truyền đạt của hai loại transistor tr−ờng JFET.. 98.

(113) 4.4.2. Transistor tr−êng lo¹i MOS-FET Ch÷ MOS-FET lµ viÕt t¾t cña côm tõ tiÕng Anh: Metal-Oxyt Semiconductor FET cã nghÜa lµ transistor hiÖu øng tr−êng cã cùc cöa c¸ch ®iÖn b»ng vËt liÖu «-xit kim lo¹i. CÊu tróc cña mét transistor MOS-FET ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 4.47. +V Linh kiÖn còng gåm cã 3 cùc: cùc nguån R +V +Ecc S vµ cùc m¸ng D nèi víi hai ®Çu kªnh dÉn, cùc G I D S cöa G nèi víi b¶n kim lo¹i ®−îc c¸ch ®iÖn cao N N víi kªnh qua mét líp c¸ch ®iÖn, th−êng lµ «-xit Kªnh N nh«m cã ®iÖn trë rÊt cao. Víi cÊu tróc nh− vËy, §Õ P tån t¹i mét tô ®iÖn MOS n»m gi÷a cùc nguån vµ cùc m¸ng. ThÝ dô, transistor MOS-FET H×nh 4.47. CÊu tróc cña transistor MOS-FET. kênh N sử dụng đế silicon loại p, cực nguồn và cực máng là silicon N+. Một hiệu điện thế d−ơng đủ lớn đặt lên cực cửa sẽ làm đảo ng−ợc tính bán dẫn của đế P và làm hình thành trong đế một kênh dẫn N. Các điện tử trong kênh dẫn sẽ chuyển dịch từ cực nguồn sang cực máng khi có một hiệu thế d−ơng UDS đặt giữa cực máng và cực nguồn. Nh− vậy cũng bằng cách biến đổi giá trị của thế đặt vào cực cửa ta có thể biến đổi giá trị của dòng chảy qua cực máng. Transistor tr−ờng MOS-FET cũng có thể dùng để khuếch đại dòng điện. Do tính cách điện cao của lớp ô-xit kim loại nên transistor MOS-FET có đặc điểm rất quý là có trở vào rÊt cao, dßng dß lèi vµo rÊt nhá. Trong mçi lo¹i kªnh P hay N, transistor tr−êng MOS-FET cßn ®−îc ph©n biÖt thµnh 2 lo¹i: - Loại kênh có sẵn (hoạt động trong enhancement-mode): trong đó ngay tại thế UGS = 0 đã tồn tại sẵn kênh dẫn N (nếu đế loại P) hay kênh dẫn P (nếu đế loại N). Khi thế UGS < 0 sẽ làm nghèo nồng độ hạt tải của kênh và giảm độ dẫn kênh, giảm dòng ID. - Loại kênh không có sẵn (hoạt động trong deplete - mode): trong đó khi UGS = 0, độ dẫn của kênh rất nhỏ, hầu nh− bằng 0. Chỉ khi đặt một thế d−ơng (với loại kênh N, đế loại P) hay thế âm (với loại kênh P, đế loại N) mới hình thành kênh dẫn điện. Sự tăng giảm của UGS trên giá trị điện áp ng−ỡng sẽ làm thay đổi nồng độ hạt tải điện của kênh, làm thay đổi độ dẫn kênh và t−ơng ứng là dßng cùc m¸ng ch¹y qua kªnh. Hình 4.48 là tóm tắt ký hiệu và dạng đặc tính truyền đạt của 4 loại này. GS. T. DS. D. Cùc tÝnh Ký hiÖu. UDS. ID. UGS. Đặc tuyến truyền đạt ID. NMOS-FET kªnh cã s½n. D. +. G. +. -. S 0. UGS. ID 0. D. PMOS-FET kªnh cã s½n. -. G. -. +. VGS. S. 99.

(114) ID. NMOS-FET kªnh ch−a cã s½n. D. +. G. +. +. S 0. PMOS-FET kªnh ch−a cã s½n. UGS ID. 0. D. -. -. -. VGS. G S. Hình 4.48. Tóm tắt các ký hiệu và dạng đặc tính ra của các loại transistor MOS-FET.. Nói chung các sơ đồ hoạt động của transistor +Ecc tr−êng FET còng t−¬ng tù nh− transistor l−ìng cùc BJT, tức là cũng có các sơ đồ mắc theo kiểu nguồn U C D G chung (source chung), cöa chung (gate chung) hay _ U S máng chung (drain chung). Riêng mạch định điểm + U <U lµm viÖc, thÝ dô cho mét transistor tr−êng N-JFET, R C R I th−ờng hay sử dụng sơ đồ dùng sụt áp qua trở mắc tại cực nguồn nh− trình bày trên hình 4.49. Trong sơ đồ nµy, dßng m¸ng ID gÇn b»ng dßng cùc nguån IS sÏ t¹o H×nh 4.49. §Þnh ®iÓm lµm viÖc cho transistor J-FET kªnh N qua trë cùc nguån RS. nªn mét sôt ¸p trªn ®iÖn trë RS víi chiÒu nh− h×nh vÏ. Sụt áp này đ−ợc truyền qua một điện trở đặt tại cực cửa Rg (th−ờng có giá trị lớn cỡ mê-ga ôm) để t¹o mét ®iÖn ¸p ng−îc cÊp cho tiÕp gi¸p cöa - nguån G-S. ra. V. G. S. g. E. S. S. 4.5. Thyristor vµ triac Thyristor vµ triac lµ c¸c linh kiÖn chuyÓn m¹ch b¸n dÉn. §ã lµ v× chóng chØ n»m ë mét trong hai tr¹ng th¸i: cÊm hoµn toµn vµ th«ng ë møc b·o hoµ. Trong khi thyristor hoạt động với nguồn điện một chiều thì triac có thể hoạt động cả với nguồn ®iÖn xoay chiÒu. 4.5.1. Thyristor: nh− trªn h×nh 4.50.a lµ cÊu tróc gåm 4 líp b¸n dÉn ®−îc ghÐp liªn tiÕp víi nhau n-p-n-p (h×nh a) hay p-n-p-n (h×nh b) cïng víi 3 ®iÖn cùc nh− ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh gäi lµ a-nèt A (anode), ka-tèt K (kathode) vµ cùc cöa G (gate). Ký hiÖu cña thyristor nh− h×nh 4.50.b. S¬ đồ cấp điện cho thyristor loại p-n-p-n với tải đ−ợc trình bày trên hình 4.50.c, trong đó ECC là nguồn cung cấp, UG là thế điều khiển đ−ợc đặt vào cực cửa với đất. Với loại thyristor n-p-n-p thì cực tính ®iÖn ¸p nguån vµ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ®−îc m¾c ng−îc l¹i. Họ đặc tr−ng I AK = f (U AK ) U. G. = const. có dạng nh− hình 4.51. Ta thấy dạng này giống đặc tr−ng. của đèn chứa khí. Với một thế UG không đổi, khi UAK < Umồi, dòng qua thyristor hầu nh− bằng kh«ng. Thyristor ë vµo tr¹ng th¸i cÊm trong vïng (I). Khi thÕ UAK = Umåi, dßng qua thyristor b¾t đầu tăng lên một cách đột ngột dẫn tới sự sụt thế mạnh trên anode làm cho UAK giảm, thyristor lúc nµy ë tr¹ng th¸i cã ®iÖn trë ©m (II) tøc lµ thÕ gi¶m-dßng t¨ng. 100.

(115) IAK A (anode) A. n. G (gate). +. p2. UG. -. J3. n2. p -. ECC. J2. G. K. +. J1. n1 G. RT. p1. A. p n. UAK. K. K (kathode). (a). (b) H×nh 4.50. CÊu tróc, ký hiÖu vµ c¸ch m¾c thyristor.. (c). Sau đó khi tăng thế nguồn vào, dòng IAK tiếp tục tăng IAK rÊt nhanh, thyristor ë vµo tr¹ng th¸i th«ng trong vïng (III). (III UG1 > UG2> UG3 Ng−ợc lại, trong vùng thông, ta phải giảm dần thế UAK đến ) IH một mức nào đó quá đi thì thyristor mới lại nhảy nhanh (II) chãng vÒ tr¹ng th¸i cÊm. §−êng chÊm chÊm cho ta qu¸ tr×nh chuyển từ thông sang cấm đó. Họ đặc tr−ng cho thấy, khi (I ) U U U U U U thÕ UG t¨ng th× ®iÖn ¸p måi Umåi gi¶m xuèng, tøc lµ thyristor 0 UAK sÏ dÔ chuyÓn tõ tr¹ng th¸i cÊm sang tr¹ng th¸i th«ng h¬n. H×nh 4.51. §Æc tr−ng V-A cña Vậy ngoài quá trình quá độ (vùng II), thyristor sẽ ở vào một Thyristor. trong hai trạng thái ổn định là cấm hoặc thông giống nh− mét c¸i chuyÓn m¹ch ®iÖn tö (c«ng t¾c) cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc ë mét trong hai tr¹ng th¸i kho¸ hoÆc më. Do vËy trong tiÕng Anh, thyristor th−êng ®−îc gäi t¾t lµ SRC (silicon controlled rectifer) cã nghÜa lµ dông cô chØnh l−u cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu b¸n dÉn silic. Kh¸c víi c¸c chuyển mạch điện - cơ khí, ngoài đặc điểm có tốc độ chuyển mạch rất nhanh (tốc độ điện tử) −u điểm của thyristor còn ở chỗ nó là chuyển mạch không có tiếp điểm. Các quá trình xảy ra trong đó hoµn toµn do b¶n chÊt vËt lý cña qu¸ tr×nh dÉn ®iÖn n»m trong vËt liÖu b¸n dÉn, nªn tr¸nh ®−îc viÖc đánh lửa trong không khí trong thời gian chuyển mạch quá độ của các tiếp điểm cơ khí. Bằng cách ®iÒu chØnh gi¸ trÞ cña thÕ UG cã thÓ ®iÒu khiÓn cho thyristor chuyÓn tõ mét tr¹ng th¸i nµy sang tr¹ng th¸i kh¸c nhanh hay chËm h¬n víi c¸c thÕ UAK kh¸c nhau. Cã thÓ gi¶i thÝch nguyªn lý lµm viÖc cña thyristor lo¹i p-np-n trªn h×nh 4.50.c nh− sau: §Æt thyristor d−íi ®iÖn ¸p mét chiÒu ®−îc ph©n cùc nh− h×nh vÏ, tøc lµ anode ®−îc nèi víi cùc d−¬ng vµ kathode ®−îc nèi víi cùc ©m cña nguån ®iÖn. Lóc nµy c¸c tiÕp gi¸p J1 vµ J3 ®−îc ph©n cùc thuận nh−ng tiếp giáp J2 đ−ợc phân cực ng−ợc. Do vậy gần nh− toàn bộ điện áp nguồn đ−ợc đặt lên J2. Trong tr−êng hîp nµy, ®iÖn tr−êng ngoµi EC cïng chiÒu víi h−íng cña ®iÖn tr−êng néi t¹i EJ cña lớp tiếp giáp, tức là có chiều h−ớng từ lớp n1 sang p2 và do đó làm vùng nghèo (cách điện) càng réng ra ng¨n kh«ng cho dßng ®iÖn ch¶y qua thyristor. Thyristor ë vµo tr¹ng th¸i kho¸. NÕu cho mét xung d−ơng tác động vào cực điều khiển G thì sẽ làm cho các điện tử chạy từ vùng n2 sang p2. Một số ít các điện tử này tái hợp với lỗ trống tại miền p2 tạo thành dòng điều khiển IG, còn đại đa số chịu G1. m1. G2. m2. G3. m3. 101.

(116) søc hót cña ®iÖn tr−êng tæng hîp trªn líp tiÕp gi¸p J2 lao vµo vïng chuyÓn tiÕp nµy. Chóng ®−îc tăng tốc nên có động năng lớn va chạm với các nguyên tử Si và tạo nên những điện tử tự do mới. Số ®iÖn tö nµy l¹i tham gia vµo qu¸ tr×nh b¾n ph¸ c¸c nguyªn tö Si vµ kÕt qu¶ cña ph¶n øng d©y chuyÒn nµy sÏ lµm xuÊt hiÖn ngµy cµng nhiÒu ®iÖn tö ch¶y vµo vïng n1 qua p1 tíi cùc d−¬ng cña nguån ®iÖn ngoµi g©y nªn hiÖn t−îng dÉn ®iÖn th¸c lò. Líp tiÕp gi¸p J2 chuyÓn sang thµnh líp dÉn ®iÖn tõ mét điểm nào đó xung quanh cực G rồi lan ra toàn bộ lớp tiếp giáp với tốc độ rất nhanh cỡ 1cm/100μs. Các thyristor hiện đại cho tốc độ tăng dòng mở từ vài chục đến hàng ngàn A/μs. Thực nghiệm cho thấy điện trở của thyristor khi còn ở trạng thái khoá cỡ hàng MΩ đã trở thành chỉ khoảng phần trăm Ω khi ở trạng thái mở. Do điện trở nội của thyristor lúc mở rất nhỏ nh− vậy nên trên đặc tr−ng V-A, thÕ UAK lóc më chØ cì hµng v«n. Một khi thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển UG không còn tác dụng nữa. Thyristor sÏ chØ chuyÓn sang tr¹ng th¸i kho¸ khi gi¶m dßng ®iÖn IAK xuèng d−íi gi¸ trÞ dßng duy tr× IH (hình 4.51) hoặc đặt một điện áp ng−ợc lên thyristor. Khi đặt điện áp ng−ợc, lớp tiếp giáp J2 đ−ợc phân cực thuận nh−ng hai lớp J1 và J3 sẽ đ−ợc phân cực ng−ợc. Những điện tử tr−ớc thời điểm đảo cực tính của nguồn đang có mặt tại các miền p1, n1 và p2 sẽ đảo chiều hành trình và tạo nên dòng ®iÖn ng−îc ch¶y qua kathode vÒ cùc ©m nguån ®iÖn. Lóc ®Çu dßng ®iÖn nµy kh¸ lín nh−ng råi sau đó J1 và J3 trở nên cách điện. Chỉ còn lại một ít điện tử bị giữ giữa hai lớp n1 và p2 sẽ bị hiện t−ợng khuếch tán làm ít dần đi đến hết. Thời gian khoá tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ng−ợc cho đến khi dòng này bằng không. Đó là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên thyristor thì nó cũng không mở nếu ch−a có thế UG tác động. Do vậy không đ−ợc đặt thyristor d−ới điện áp thuận khi nó ch−a bị khoá hoàn toàn để tránh gây chập mạch điện nguồn. Thời gian khoá. cña c¸c thyristor th«ng th−êng cì vµi chôc μs. Cũng có thể giải thích một cách đơn giản quá trình chuyển rất nhanh chóng từ trạng thái khoá sang më cña thyristor nh− sau. Víi bèn vïng b¸n dÉn ®−îc s¾p xÕp nh− vËy cã thÓ coi thyristor nh− lµ 2 transistor kh¸c lo¹i ®−îc m¾c tæ hîp víi nhau nh− h×nh 4.52. §Æc ®iÓm chÝnh cña tæ hîp lµ ë chç: lèi ra A cña transistor nµy l¹i ®−îc m¾c trùc tiÕp tíi lèi A vào của transistor kia. Nếu gọi hệ số khuếch đại p T I =I dßng cña hai transistor T1 vµ T2 trªn h×nh lÇn l−ît n 2. là β1 và β2 ta sẽ thấy nếu có một tác động nào đó. lên cực cửa của thyristor thì quá trình biến đổi dßng ®iÖn trong nã sÏ x¶y ra theo qu¸ tr×nh th¸c lò. ThËt vËy, nÕu dßng collector cña T1 t¨ng lªn mét l−îng ΔIC1 còng tøc lµ dßng base cña T2 t¨ng lªn mét l−îng ΔIb2. §iÒu nµy lµm dßng collector. n. G. p. p. ∼. C1. G. B2. T1. IB1 = IC2. n K. K. H×nh 4.52. Coi Thyristor nh− 2 transistor ®−îc m¾c tæ hîp víi nhau.. cña T2 t¨ng mét l−îng ΔIC2 = β2ΔIb2 = ΔIb1 (v× dßng IC2 còng chÝnh lµ dßng Ib1). Do vËy sù t¨ng dßng base nµy sÏ dÉn tíi lµm t¨ng dßng collector cña T1 lªn mét gi¸ trÞ míi lµ ΔI'C1 = β1ΔIb1 = β1β2ΔIb2 =. β1β2ΔIC1. Nh− vậy sau một chu trình phân tích, dòng collector của T1 đã tăng lên một l−ợng: 102.

(117) ΔIC' 1 = β1β 2 lÇn. Ph©n tÝch nh− vËy cho kÕt qu¶ lµ sau n chu tr×nh, dßng nµy sÏ t¨ng lªn rÊt nhanh ΔIC 1 chãng theo hµm mò (β1β2)n lÇn. Râ rµng qu¸ tr×nh nµy cho phÐp thyristor chuyÓn tr¹ng th¸i tõ kho¸ sang më rÊt nhanh. 4.5.2. Triac: gièng nh− thyristor nh−ng cã. IAK. đặc điểm là cho phép dòng điện đi qua theo cả 2 chiÒu tõ anode sang kathode vµ tõ kathode sang. A. anode khi thÕ U AK > Umåi . Ký hiÖu cña triac vµ đặc tr−ng V-A của nó đ−ợc chỉ ra trên hình 4.53. Thyristor vµ Triac th−êng ®−îc sö dông trong các sơ đồ chỉnh l−u công suất có điều khiển đ−ợc. Đó là các sơ đồ dùng để điều khiển tốc độ các động cơ, điều khiển c−ờng độ ánh sáng, các bộ biÕn tÇn, nghÞch l−u, v.v... trong c¸c m¸y ®iÖn.. G. K. UAK. 0. H×nh 4.53. Ký hiÖu cña triac vµ đặc tr−ng V-A của nó.. 4.6. Bộ khuếch đại thuật toán và các sơ đồ ứng dụng cơ bản Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) về nguyên tắc hoạt động cũng giống nh− bộ khuếch đại thông th−ờng nh−ng có khác là nó có phẩm chất rất cao bởi có hệ số khuếch đại rất lớn (hàng trăm ngµn lÇn), trë kh¸ng vµo rÊt cao (dßng dß lèi vµo chØ cì pA) vµ trë kh¸ng ra thÊp, v.v... Do vËy, trong khi các thông số của bộ khuếch đại thông th−ờng phụ thuộc vào sơ đồ cụ thể của nó thì nh− sẽ đ−ợc trình bày ở sau, các đặc tr−ng của bộ KĐTT chỉ phụ thuộc vào mạch phản hồi lắp ở bên ngoài. Do thời gian đầu, các bộ khuếch đại kiểu này đ−ợc sử dụng làm các phần tử tính toán trong các máy tính analog nên từ đó mà có tên gọi là bộ khuếch đại thuật toán (operational amplifier OPAM). Hiện nay, dựa trên công nghệ vi điện tử, các bộ KĐTT đ−ợc chế tạo, sản xuất hết sức rộng rãi với kích th−ớc nhỏ gọn, giá thành rẻ d−ới dạng các vi mạch tích hợp đơn khối IC (integrated circuits). Th−ờng thì chỉ cần biết các đặc tr−ng chủ yếu của bộ một KĐTT là có thể thiết kế đ−ợc mét m¹ch ®iÖn theo yªu cÇu, nh−ng còng cã tr−êng hîp ph¶i biÕt thªm c¶ cÊu tróc bªn trong cña bé K§TT n÷a. ThiÕt kÕ bªn trong bé K§TT th−êng bao gåm c¸c m¹ch ®iÖn ®−îc l¾p trªn c¸c transistor với tầng tiền khuếch đại vi sai, tầng đệm, tầng khuếch đại vi sai rồi tầng khuếch đại công suất cùng các mạch phản hồi nhằm tăng tính ổn định và thực hiện một số chức năng cần thiết. Ngày nay, bộ KĐTT đ−ợc sử dụng trong rất nhiều sơ đồ ứng dụng khác nhau. Hình 4.54 là ký hiệu của bộ KĐTT và sơ đồ t−ơng đ−ơng của một bộ KĐTT lý t−ởng. +Vcc. UP. P. UN. N. +. +Vcc. +. Ura. 0. _. UP. +. + _. UN. _. _. (a) H×nh 4.54.. -Vcc. A(UP-UN). (b). Ký hiệu (a) và sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ KĐTT lý t−ởng (b). 103.

(118) Bộ KĐTT lý t−ởng có hệ số khuếch đại và trở lối vào là bằng vô cùng. Do tầng vào th−ờng là bộ khuếch đại vi sai nên bộ KĐTT có 2 lối vào và th−ờng có 1 hoặc 2 lối ra. Lối vào P gọi là lối vào thuận vì điện áp lối ra đồng pha với điện áp lối vào này (UP) ở tần số thấp. Trên sơ đồ, lối vào thuận đ−ợc đánh dấu "+". Lối vào N là lối vào đảo vì điện áp lối ra ng−ợc pha với điện áp lối vào này (UN) ở tần số thấp. Trên sơ đồ, lối vào đảo đ−ợc đánh dấu "-". HiÖu 2 ®iÖn ¸p lèi vµo nµy gäi lµ ®iÖn ¸p vµo vi sai: U D ≡ U P − U N . Điện áp nuôi bộ KĐTT th−ờng là điện áp l−ỡng cực (thí dụ ±5V, ±15V) vì để đảm bảo cho nó hoạt động trong cả dải các tín hiệu d−ơng và âm so với điểm chung (đất). 4.6.1. Các đặc tr−ng kĩ thuật 1. Hệ số khuếch đại vi sai, đ−ợc định nghĩa nh− sau:. ⎧ ΔU ra ⎪ ΔU ΔU ra ΔU ra ⎪ P =⎨ = AD ≡ ΔU D Δ(U P − U N ) ⎪ ΔU ra − ⎪⎩ ΔU N. víi U N = const (4.63). víi U P = const. Hệ số này có trị hữu hạn và ở tần số thấp nó có giá trị trong khoảng từ 104 đến 105. Hệ số này còn đ−ợc gọi là hệ số khuếch đại riêng hay hệ số khuếch đại không có phản hồi hay hệ số khuếch đại mạch hở của bộ KĐTT. Ura(V) Hình 4.55 là đặc tr−ng truyền đạt mô tả sự Uramax phô thuéc ®iÓn h×nh gi÷a ®iÖn ¸p ra vµ ®iÖn ¸p vµo vi sai. Trong d¶i U ra min < U ra < U ra max hÖ sè nµy phô thuéc hÇu nh− tuyÕn tÝnh vµo UD. MiÒn này gọi là miền khuếch đại. Hai miền còn lại là miền bão hoà. Các giới hạn của miền khuếch đại nằm cách giá trị biên độ điện áp nguồn nuôi cỡ v«n vµ tuú thuéc vµo tõng lo¹i vi m¹ch K§TT. 2. ThÕ lèi vµo lÖch kh«ng (thÕ offset). 0 -50. U0. 50. UD (mV). I0 Uramin. Hình 4.55. Đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT.. Đặc tuyến truyền đạt đi qua điểm "không" (đ−ờng liền nét) nh− trên hình chỉ đúng khi tầng lối vµo vi sai ®−îc chÕ t¹o hoµn toµn c©n xøng. Trong tr−êng hîp nµy, khi kh«ng cã ®iÖn ¸p vµo UP = UN = 0 ta sÏ cã c¸c dßng lèi vµo IP = IN = 0 vµ dßng vµo lÖch kh«ng tÜnh I 0 =| I P − I N |= 0 . Nh−ng trong thùc tÕ, do c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c transistor vi sai lèi vµo bé K§TT kh«ng thÓ gièng nhau tuyệt đối nên dù các thế lối vào bằng không thì hai dòng lối vào vẫn khác nhau. Kết quả dẫn tíi r»ng, mÆc dï thÕ lèi vµo vi sai UD = 0 th× ë lèi ra bé K§TT vÉn cã mét thÕ Ura kh¸c 0. Nãi c¸ch khác đặc tuyến truyền đạt thực tế bị dịch đi khỏi điểm không nh− đ−ờng chấm chấm trên hình 4.55. Nh− vậy, để làm cho điện áp ra bằng không thì cần đặt tới lối vào bộ KĐTT một hiệu điện áp nào đó ng−ợc dấu và có giá trị bằng U0 nh− trên đặc tính truyền đạt thực tế để bù trừ nó. Điện áp này gọi lµ thÕ vµo lÖch kh«ng hay thiªn ¸p kh«ng U0 (thÕ offset). ThÕ offset th−êng vµo kho¶ng mét vµi mV xuống d−ới chục μV tuỳ chất l−ợng IC và phụ thuộc vào các nhân tố nh− nhiệt độ môi tr−ờng, thời gian giµ ho¸ linh kiÖn, nguån nu«i, v.v... ThÝ dô, vi m¹ch th«ng dông μA-741 cã thÕ offset cì 1mV 104.

(119) và độ trôi thế offset theo nhiệt độ là cỡ 6 μV/1°C. Th−ờng các vi mạch KĐTT đ−ợc thiết kế sẵn các đầu nối cho phép ng−ời dùng mắc các mạch chỉnh thế offset để điều chỉnh thế ra bằng không. 3. Hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha: Do bộ KĐTT không hoàn toàn là lý t−ởng nên nh− đã nói ở trên, nếu đặt tới hai lối vào cùng một tín Ura(V) hiệu có độ lớn và phân cực nh− nhau, gọi là U0 10 các tín hiệu đồng pha, thì lối ra cũng không hoµn toµn b»ng kh«ng. Tøc lµ hÖ sè khuÕch ΔU ra còng đại tín hiệu đồng pha A G ≡ 0 UVG (V) ΔU G 10 -10 kh«ng hoµn toµn b»ng kh«ng. §Æc tuyÕn truyền đạt của điện áp ra theo tín hiệu vào -10 đồng pha trên hình 4.56 cho thấy với một giá trị đủ lớn của tín hiệu vào đồng pha, thế ra Hình 4.56. Điện áp ra phụ thuộc vào tín hiệu đồng pha tăng lên đáng kể. Nh− vËy, tÝnh kh«ng lý t−ëng cña bé K§TT cã thÓ ®−îc biÓu thÞ bëi mét th«ng sè gäi lµ hÖ sè suy giảm tín hiệu đồng pha đ−ợc định nghĩa nh− sau:. G≡. AD AG. (4.64). Hệ số này th−ờng cỡ từ 104 đến 105 tuỳ thuộc chất l−ợng vi mạch KĐTT. Chú ý rằng khi sử dụng khái niệm hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha nh− trên thì phải hiểu chính xác hơn hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai theo công thức sau: AD ≡. ∂Ura ∂U D. U G = const. Nh− vËy cã thÓ nhËn ®−îc biÓu thøc tæng qu¸t víi ®iÖn ¸p ra bé K§TT:. ΔUra =. ∂Ura ∂U D. ΔU D + U G = Const. ∂Ura ∂U G. ΔU G U D = const. ΔU ra = A D ΔU D + A G ΔU G. hay: NÕu ΔU ra = 0 th× G =. AD ΔU G =− AG ΔU D. (4.65) (4.66). U ra = const. ý nghĩa của biểu thức này ở chỗ: cần phải đặt điện áp vào vi sai UD bằng bao nhiêu để bù trừ tín hiệu đồng pha ΔU G ở lối vào. Thí dụ, một bộ KĐTT có G = 104, ΔU D = 10 −3V ; muốn cho Ura bằng 0 (hay không đổi) thì phải đ−a vào thế ΔU D = −. ΔU G = 0,1 μV . G. NÕu chó ý tíi thÕ offset U0 th× cã thÓ viÕt thÕ lèi ra nh− sau:. Ura = AD (UD − U0 ) + AGUG. (4.67). 4. Trë kh¸ng vµo bé K§TT 105.

(120) Các bộ KĐTT thực tế có trở kháng vào hữu hạn. Th−ờng phân biệt trở kháng vào đối với tín hiệu vi sai và trở kháng vào đối với tín hiệu đồng pha. Hình 4.57 cho khái niệm về các dòng lối vào vµ c¸c trë kh¸ng vµo t−¬ng øng nµy. Víi c¸c bé K§TT dïng transistor l−ìng cùc ë lèi. IP. vào, trở kháng vào đối với tín hiệu vi sai rD cỡ vài MΩ trong khi trở kháng vào đối với tín hiệu đồng pha rG rất. IV +. rG + rD. _. IN. Ura. lớn cỡ vài GΩ. Dòng tín hiệu vào đ−ợc xác định bởi các r I trë kh¸ng nµy cã trÞ sè vµo kho¶ng vµi nA trong khi dßng mét chiÒu cã gi¸ trÞ lín h¬n nhiÒu ch¶y qua lèi vµo của bộ KĐTT. Dòng vào lúc không có tín hiệu là Hình 4.57. Sơ đồ t−ơng đ−ơng với trở kháng V. IV =. I V+ − I V− , 2. G. vào vi sai, đồng pha và các dòng vào.. cßn. dßng. vµo. lÖch. kh«ng. lµ. I 0 = I V+ − I V− . §èi víi c¸c bé K§TT cã transistor lèi vµo l−ìng cùc, dßng vµo ban ®Çu cì tõ 20 đến 200nA. Còn đối với các bộ KĐTT có lối vào là transistor tr−ờng, dòng này chỉ khoảng vài nA. 5. Phản hồi âm trong sơ đồ KĐTT XÐt m¹ch K§TT cã m¾c m¹ch ph¶n håi ©m víi hÖ sè ph¶n håi β bªn ngoµi nh− h×nh 4.58. Gäi hệ số khuếch đại của mạch khi có phản hồi là Af ta có lối ra khi có phản hồi âm là bằng:. U ra = A D (U V − βU ra ). →. Af =. U ra AD = = U V 1 + βAD. V× AD rÊt lín nªn: A f ≈. UD = UV - βUra. 1. β+. 1. β. 1 AD. UV. +. Ura = Af UV. AD. β. (4.68) Hình 4.58. Phản hồi với bộ khuếch đại thuật toán.. Từ đây rút ra kết luận, hệ số khuếch đại của bộ KĐTT khi mắc mạch phản hồi chỉ đ−ợc quyết định bởi mạch phản hồi (hệ số β) mà không phụ thuộc vào bản thân bộ KĐTT. Chính tính chất quan trọng này sẽ dẫn tới các sơ đồ ứng dụng phong phó vµ thiÕt kÕ dÔ dµng cña bé K§TT khi coi nã lµ gÇn lý t−ëng. Nh− phÇn sau sÏ thÊy, nÕu mạch phản hồi là một phân áp điện trở thì ta sẽ có đ−ợc một bộ khuếch đại tuyến tính, nếu mạch ph¶n håi lµ c¸c linh kiÖn RC ta sÏ cã mét m¹ch läc tÇn sè, nÕu m¹ch ph¶n håi gåm c¸c phÇn tö phi tuyến thì ta sẽ nhận đ−ợc một bộ tạo dạng sóng lối ra tuân theo các hàm số nhất định (bộ tạo hàm), v.v... Bé K§TT khi ®−îc m¾c c¸c m¹ch ph¶n håi ©m hoÆc d−¬ng sÏ cã c¸c tÝnh chÊt gièng nh− cã ë các bộ khuếch đại thông th−ờng. Thí dụ, phản hồi âm cho một hệ số khuếch đại nhỏ đi so với hệ số khuếch đại hở mạch nh−ng lại làm tăng tính ổn định của mạch và mở rộng dải truyền, v.v... 6. §¸p øng tÇn sè cña bé K§TT Th−ờng bộ KĐTT đ−ợc chế tạo cho nhiều mục đích sử dụng nên để ổn định, ng−ời ta th−ờng thiết kế nó có đáp ứng tần số giống nh− của một bộ lọc tần thấp bậc một có tần số cắt rất thấp nh− h×nh 4.59. 106.

(121) Hệ số khuếch đại vi sai phức có dạng:. A& D =. AD. |AD| (dB) 100. (4.69). f 1+ j fC. 80 60. Trong đó AD là giá trị của hệ số khuếch đại ở dải tần số thấp t−ơng ứng với d¶i th«ng ë møc 3 dB, fC lµ tÇn sè c¾t cña d¶i truyÒn.. 40 20. f (Hz). fC. 0. 1. 102. 10. 103. 104. 105. 106. 107. H×nh 4.59. §¸p øng tÇn sè ®iÓn h×nh cña bé K§TT kh«ng cã m¹ch ph¶n håi.. TÇn sè c¾t fC cña d¶i truyÒn qua khi. kh«ng cã m¹ch ph¶n håi ©m rÊt thÊp, chØ cỡ 10 Hz. Ta hãy xác định dải truyền khi có mạch phản hồi mắc vào bộ KĐTT, tức là xác định tần sè c¾t fCf khi cã ph¶n håi. Nh− trên đã có A f =. AD thay AD b»ng gi¸ trÞ phô thuéc tÇn sè, ta cã: 1 + β AD. AD 1+ j. A& D. A& f ( f ) =. =. 1 + β A& D. 1+ β. f fC AD. 1+ j. 1/ β. ≈. 1+ j. f fC. (4.70). f. βA D f C. 1 A f max ta tÝnh ®−îc tÇn sè c¾t khi cã ph¶n håi nh− sau: Cho A& f ( f ) = 2 1/ β ⎛ f 1 + ⎜⎜ ⎝ βA D f C. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. 2. ⇒ f = βAD f C ≡ f Cf. (4.71). Râ rµng d¶i truyÒn qua khi cã ph¶n håi ©m (fCf) lín gÊp βAD lÇn khi ch−a cã ph¶n håi (fC). V×. Af ≈. 1. β. nªn:. A f f Cf = A D f C ≡ f T = const. KÕt qu¶ trªn cho thÊy tÝch cña hÖ sè khuếch đại nhân với bề rộng dải truyền là một số không đổi fT. Nói cách khác, khi m¾c m¹ch ph¶n håi víi bé K§TT nÕu chọn hệ số khuếch đại đ−ợc lợi bao nhiêu th× l¹i bÞ thiÖt bÊy nhiªu vÒ d¶i truyÒn qua. H×nh 4.60 lµ kÕt qu¶ cña sù më réng d¶i tÇn lµm viÖc cña bé K§TT khi cã m¹ch ph¶n håi. §¸p øng tÇn sè cña m¹ch cã. (4.72). (dB) AD. 100. M¹ch hë. 80. M¹ch cã ph¶n håi. 60. Af. 40 20. fC. 0. 1. 10. f (Hz). fCf 102. 103. 104. 105. 106. 107. H×nh 4.60. Sù më réng d¶i tÇn lµm viÖc cña bé K§TT khi cã ph¶n håi ©m.. 107.

(122) phản hồi đ−ợc mở rộng ra bao nhiêu lần thì hệ số khuếch đại lại giảm xuống một l−ợng t−ơng ứng. 4.6.2. CÊu t¹o bªn trong cña bé K§TT Trong mét sè tr−êng hîp ng−êi thiÕt kÕ m¹ch cÇn biÕt cÊu tróc bªn trong cña bé K§TT cÇn dïng. PhÇn nµy chØ tr×nh bµy nh÷ng nÐt c¬ b¶n nhÊt cña viÖc thiÕt kÕ bªn trong bé K§TT. Víi c¸c thông số đã nêu ở trên, một bộ KĐTT cần có những yêu cầu cơ bản sau: - Dải tần mở rộng tới 0Hz để cho phép khuếch đại tín hiệu xuống đến một chiều. - §iÖn ¸p lÖch kh«ng cµng nhá cµng tèt. - Độ trôi thế và dòng lệch không theo nhiệt độ, điện áp nguồn, v.v... càng nhỏ càng tốt. - Trë kh¸ng vµo cao, trë kh¸ng ra thÊp. - Hệ số khuếch đại lớn. Muốn có hệ số khuếch đại cao phải ghép một vài tầng khuếch đại. Vì phải đảm bảo khuếch đại một chiều nên phải sử dụng ghép trực tiếp. Điều này dẫn tới phải dùng các sơ đồ dịch mức điện áp giữa lối ra của tầng này và lối vào tầng sau. Để giảm độ trôi lệch không, các tầng lối vào th−ờng phải sử dụng bộ khuếch đại vi sai, các tầng còn lại là khuếch đại không đối xứng để có điện áp lối ra không đối xứng so với điện áp không. Hệ số khuếch đại tại một điểm của sơ đồ giữa phần đối xứng và không đối xứng cần phải đủ lớn để độ trôi điện áp trên lối ra đủ nhỏ do sự gia tăng độ trôi cña tÇng vµo g©y nªn. Hình 4.61 là sơ đồ bên trong đơn giản nhất của mét bé K§TT. §Ó ®iÓm lµm viÖc cña transistor T2 không rơi vào miền bão hoà khi khuếch đại tín hiệu th× thÕ trªn collector khi kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶i b»ng V+/2. TrÞ sè thÕ lèi ra khi kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶i bằng 0. Diode D có điện áp ổn định bằng V+/2 0,6V đảm bảo việc dịch mức điện áp. Nếu tín hiệu đồng pha lối vào bằng không thì khi lựa chọn đúng các thông số của sơ đồ, điện thế collector của T2 có thể biến đổi từ 0 đến V+. Dải biến đổi của điện áp ra. +. + RC. +. T3 UP. T1. T2. UN. D Ura RE. _. Hình 4.61. Sơ đồ KĐTT đơn giản nhất.. bộ khuếch đại khi đó vào khoảng ±V+/2. Khi xuất hiện tín hiệu vào đồng pha d−ơng, dải biến động của điện áp ra giảm đến trị số t−ơng ứng với tín hiÖu nµy trong miÒn ©m. Hình 4.62 là sơ đồ nguyên lý đã đ−ợc đơn giản hoá của bộ KĐTT rất phổ biến là loại μA-741. Thực sự, bộ KĐTT μA-741 gồm 20 transistor và điện trở, tụ điện đ−ợc tích hợp trên một đơn tinh thể bán dẫn và đ−ợc đóng vỏ với 8 chân tín hiệu (vỏ gốm, nhựa hình chữ nhật hay vỏ kim loại hình tròn nh− hình 4.62.b. Tầng vào là bộ khuếch đại vi sai T1, T2. Nguồn dòng T4 giữ vai trò là điện trở gánh cho T2. Transistor T3 kết hợp với T4 tạo thành "g−ơng dòng điện". Do đó dòng ra của tầng vào có thể đ−ợc tính bằng: I K = IC 1 − IC 2 . Nhờ tầng khuếch đại vi sai này mà các tín hiệu vào đồng pha và các tín hiệu dòng collector đồng pha đ−ợc suy giảm đáng kể. Các cực emitter của T3 và T4 đ−ợc 108.

(123) dẫn ra bên ngoài 2 chân 5 và 8 của vi mạch. Chúng đ−ợc sử dụng để điều chỉnh điểm lệch không b»ng viÖc nèi víi 2 ®Çu cña mét biÕn trë, ®Çu gi÷a biÕn trë ®−îc nèi xuèng nguån -VCC. TÇng thø hai của bộ KĐTT gồm các transistor T5 và T6, tầng này mắc theo sơ đồ emitter chung và nguồn dòng đóng vai trò là trở gánh. Tụ CK dùng để hiệu chỉnh đặc tính tần số. Các transistor T7 và T8 là tầng lối ra, đ−ợc mắc theo sơ đồ bộ lặp cực phát kiểu bù với dòng tĩnh nhỏ, đấu đẩy kéo ở chế độ AB. +. +. + I2= 300 μA. I1= 20 μA. T7 CK = 30nF. T1. UN. T2. UP. T8. IC2. IC1. T5 T6. IK T3. T4. offset. offset 1kΩ. 1kΩ. 8. _ _. 1. 8. offset 1. 7 +Vcc −. −. input 2. 6 out +. + input 3. _. 5 offset 4 -Vcc. _. (a). (b) Hình 4.62. Sơ đồ nguyên lý đơn giản hoá của μA-741.. C¸c transistor ë tÇng vµo ®−îc thiÕt kÕ lµm viÖc víi dßng collector cì 10μA. Hç dÉn S lóc nµy cỡ 0,4 mA/V. Hỗ dẫn của cả tầng vi sai bằng khoảng một nửa mức này. Trong sơ đồ thực vì mỗi transistor vào lại gồm 2 transistor đồng nhất mắc nối tiếp nên trị số này còn giảm đi một nửa nữa. Nh−ng nhờ sơ đồ g−ơng dòng điện nên trị số đó lại tăng lên gấp đôi. Nói chung tổng hỗ dẫn tầng vào cỡ 0,2 mA/V. Với các giá trị dòng tĩnh đã cho, trở kháng gánh t−ơng đ−ơng của mạch đ−ợc tính bằng cỡ 2 MΩ. Do đó hệ số khuếch đại của tầng vào cỡ bằng 400. Hỗ dẫn tầng khuếch đại tiếp theo víi dßng 300 μA t−¬ng øng víi gi¸ trÞ 6 mA/V. Víi trë kh¸ng g¸nh tÇng ra 2 kΩ ta cã hÖ sè khuÕch đại tầng này cỡ 450. Vậy hệ số khuếch đại của toàn bộ KĐTT là AD = 400 ì 450 = 1,8.105 . Khi cÇn cã dßng dß lèi vµo nhá, trë kh¸ng vµo lín ng−êi ta th−êng sö dông c¸c bé K§TT cã tầng lối vào bằng các transistor tr−ờng. Hình 4.63 là sơ đồ đơn giản hoá của bộ KĐTT LF-356 dùng các transistor tr−ờng JFET ở lối vào. Hệ số khuếch đại của vi mạch này cũng t−ơng đ−ơng với vi m¹ch tr−íc. B¶ng 4.1 d−íi ®©y cho c¸c th«ng sè ®iÓn h×nh cña 2 bé K§TT th«ng dông: lo¹i μA-741 sö dông transistor l−ìng cùc ë ®Çu vµo vµ lo¹i LF-356 dïng transistor tr−êng JFET ë ®Çu vµo.. 109.

(124) +. +. +. I5 + I1=240μA CK = 10nF UN. T1. T2. T6 T7. UP T3. T4. Ura T8 T9. T5. I3. I2. I4 _. _. _. _ _. Hình 4.63. Sơ đồ đơn giản hoá của vi mạch LF-356.. B¶ng 4.1. Th«ng sè. Ký hiÖu. μA-741. LF-356. Hệ số khuếch đại vi sai. AD. 105. 105. Hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha. 4. 105. G. 3.10. D¶i th«ng m¹ch hë. fC. 10 Hz. Tích hệ số khuếch đại - dải thông. fT. 1 MHz. 5 MHz. Trë kh¸ng vi ph©n lèi vµo. rD. 106 Ω. 1012 Ω. Trở kháng đồng pha lối vào. rG. 109 Ω. 1014 Ω 30 nA. 50 Hz. Dßng vµo khi kh«ng cã tÝn hiÖu. IV0. 80 nA. ThÕ offset. U0. 1 mV. 3 mV. §é tr«i thÕ offset. ΔU0/°C. 6μV/°C. 5μV/°C. Hệ số suy giảm sự biến đổi điện áp nguồn. ΔU0/ΔUCC. 15 μV/V. 10 μV/V. Miền suy giảm tín hiệu đồng pha. UGmax. ± 13 V. +15 V, -12 V. Miền khuếch đại điện áp ra. Uramax. ± 13 V. ± 13 V. Dòng lối ra cực đại. Iramax. ± 20 mA. ± 20 mA. Trë kh¸ng ra. rra. 1 kΩ. 50 Ω. Dßng tiªu thô. ICC. 1,7 mA. 5 mA. 4.6.3. Các sơ đồ cơ bản dùng phản hồi âm của bộ KĐTT Các sơ đồ khuếch đại dùng bộ KĐTT th−ờng dùng mạch phản hồi âm vì với mạch hở (không có phản hồi) hoặc phản hồi d−ơng, chỉ cần một điện áp vào chênh lệch rất nhỏ cỡ mV đã dẫn tới lối ra rơi vào miền bão hoà không khuếch đại đ−ợc. Trong một số tr−ờng hợp đặc biệt, ng−ời ta cũng có dïng ph¶n håi d−¬ng nh−ng luîng ph¶n håi ©m ph¶i ®−îc thiÕt kÕ sao cho lu«n lín h¬n l−îng ph¶n hồi d−ơng. Tuỳ thuộc vào điện áp cần khuếch đại đ−ợc đ−a tới lối vào thuận hay lối vào đảo mà ta có một trong hai sơ đồ cơ bản: khuếch đại không đảo và khuếch đại đảo. 1. Sơ đồ khuếch đại không đảo Sơ đồ cơ bản đ−ợc chỉ ra trên hình 4.64.a với thế lối ra cùng pha với thế lối vào. Hình 4.64.b và 4.64.c là hai tr−ờng hợp đặc biệt của bộ khuếch đại không đảo khi R 1 = ∞ . Lúc này ta có bộ 110.

(125) khuếch đại lặp lại với phản hồi âm 100% và hệ số khuếch đại thế bằng 1. Giống nh− bộ khuếch đại lặp lại emitter của transistor, sơ đồ này có trở kháng vào rất cao, trở kháng ra thấp nên hay đ−ợc dùng làm các tầng đệm phối hợp trở kháng giữa tầng tr−ớc có trở ra cao và tầng sau có trở vào thấp. +. UV. Ura. −. +. UV. −. +. UV. Ura. Rf. Ura. −. Rf. Rf = 0; R1 = ∞. (a). (b). (c). Hình 4.64. Bộ khuếch đại không đảo.. • Ta hãy tính hệ số khuếch đại của sơ đồ trong tr−ờng hợp bộ KĐTT là lý t−ởng. HÖ sè ph¶n håi β ë ®©y b»ng: β =. R1 R1 + R f. Do vậy hệ số khuếch đại có phản hồi bằng:. Af =. 1. β. =. R1 + R f R = 1+ f R1 R1. (4.73). Víi c¸c bé K§TT thùc cã thÓ tÝnh chÝnh x¸c h¬n:. Ura = AD (UD − U0 ) + AGUG. nÕu U 0 = 0 th× U G = U V. U ra = A D U D + A G U V thay U D = U V − βU ra ta cã:. U ra = A D (U V − βU ra ) + A G U V. VËy:. →. U ra (1 + βAD ) = U V ( A D + A G ). 1 1+ U ra A D + A G G = = Af = 1 UV 1 + βAD +β AD. (4.74). NÕu G >> 1 vµ AD >> 1 th× ta l¹i cã kÕt qu¶ nh− tr−êng hîp võa tÝnh cho bé K§TT lý t−ëng.. • Để xác định trở kháng vào cần thay thế sơ đồ nh− hình 4.65. Nhờ có phản hồi mà có một điện áp rất nhỏ đặt lên trở kháng vào vi sai rD: UD =. U ra U = V A D βA D. Nh− vËy lµ chØ cã dßng U V / β AD rD ch¶y qua ®iÖn trë nµy. Râ rµng trë kh¸ng vi ph©n lèi vµo nhê cã phản hồi âm mà đã đ−ợc tăng lên βAD lần. Ta có công thøc víi tæng trë vµo: ΔU V rV = = βA D rD // rG ≈ rG ΔI V. +. UV. (4.75). Ura IP. rG. −. rD. IN. rG. Rf. R1. Hình 4.65. Sơ đồ bộ khuếch đại không đảo có tính đến trở kháng vào.. 111.

(126) Ngay cả với các bộ KĐTT thông th−ờng dùng transistor l−ỡng cực thì trở này cũng đã v−ợt quá 10 Ω nh−ng nhớ rằng đây là trở đối với tín hiệu xoay chiều biến thiên nhỏ trong khi trị trung bình 9. cña dßng vµo mét chiÒu th× lín h¬n nhiÒu. 2. Sơ đồ khuếch đại đảo Sơ đồ cơ bản đ−ợc chỉ ra trên hình 4.66.a với thế lối ra ng−ợc pha với thế lối vào. Rf R1 UV. Rf IV. −. N. −. Ura. Ura. +. +. (a) (b) Hình 4.66. Sơ đồ khuếch đại có đảo cơ bản (a) và sơ đồ biến đổi dòng thành thế (b).. Để tính hệ số khuếch đại thế ta sử dụng quy tắc đ−ợc phát biểu nh− sau: do có phản hồi âm; với độ chính xác đủ cao, trong miền khuếch đại tuyến tính bộ KĐTT đảm bảo biến thiên sao cho điện áp hai lối vào UP và UD luôn bằng nhau. Trong sơ đồ này lối vào không đảo đ−ợc nối với điểm không, điểm đất (UP = 0) nên theo quy tắc trên giá trị của UN cũng luôn bằng 0 trong miền khuếch đại mặc dù điểm N không đ−ợc nối với điểm đất. Vì thế điểm N của lối vào đảo th−ờng đ−ợc gọi là điểm đất ảo. Viết ph−ơng trình Kirchhoff cho điểm nút N trong tr−ờng hợp coi bộ KĐTT là lý t−ëng (dßng vµo b»ng 0):. U V U ra + =0 R1 Rf. →. Af =. Rf U ra =− UV R1. (4.76). Trong tr−ờng hợp bộ KĐTT là thực, trị số UN khác không và bằng U N = −U ra / AD . Khi đó:. Af =. − (1 − β )AD 1 + β AD. (4.77). Khi βAD >> 1 ta lại có giá trị hệ số khuếch đại trong tr−ờng hợp lý t−ởng. Nh− vậy độ sai lệch so với tr−ờng hợp lý t−ởng đ−ợc xác định bởi hệ số βAD . Trở kháng vào của sơ đồ khuếch đại đảo có trị số gần bằng R1. Hình 4.66.b là tr−ờng hợp đặc biệt ứng dụng sơ đồ khuếch đại đảo để biến đổi đại l−ợng dòng điện ở lối vào thành đại l−ợng điện áp ở lối ra bộ KĐTT. Đây là mạch phản hồi âm điện áp - song song. Có thể tính hệ số truyền đạt của mạch nh− sau:. U D = R f I V + U ra = U N = 0. do đó: U ra = − R f I V. (4.78). 4.6.3. C¸c biÖn ph¸p bï lÖch kh«ng cña bé K§TT Khi dùng bộ KĐTT để khuếch đại các tín hiệu một chiều có trị số nhỏ thì phải tính đến thế vào lÖch kh«ng vµ hiÖn t−îng tr«i ®iÓm kh«ng. C¸c dßng ®iÖn tÜnh ë hai lèi vµo bé K§TT th−êng gÇn b»ng nhau vµ th−êng ®−îc cho gi¸ trÞ trung b×nh trong c¸c tµi liÖu kÜ thuËt. C¸c dßng nµy g©y nªn sôt ¸p trªn c¸c lèi vµo. Do sù kh¸c nhau cña c¸c ®iÖn trë lèi vµo mµ c¸c sôt ¸p nµy còng kh¸c nhau gây nên hiệu điện thế của chúng là điện áp lệch không khác 0. Vì vậy trong các sơ đồ thực tế cần 112.

(127) phải thiết kế sao cho điện áp lệch không này càng nhỏ càng tốt. Thí dụ, trong sơ đồ khuếch đại đảo ở hình 4.67.a, điểm P của lối vào thuận không đ−ợc nối trực tiếp xuống đất mà th−ờng đ−ợc nối qua một điện trở R2 có giá trị đ−ợc tính sao cho bằng giá trị điện trở vào trên lối vào đảo. Nghĩa là chọn sao cho: R 2 = R 1 // R f =. (. lµ I N R 1 // R f. ). (. R1 R f R1 + R f. vµ I P R 1 // R f. . Lóc nµy dßng tÜnh g©y ra trªn hai ®Çu vµo c¸c sôt ¸p t−¬ng øng. ) b»ng nhau.. UV. R1. −. N. UV. Ura. R1. −. −. Ura. +. +. + R4. IP R2. R3. −. Ura. +. +. P. (a). UV. Rf. Rf. R4. R2. R1 R3. −. Rf. R2. (b) (c) Hình 4.67. Các sơ đồ bù điện áp lối vào lệch không.. (. Trên lối vào bộ KĐTT còn có thêm điện áp đồng pha U G = I t R 1 // R f. ) víi I t = I P +2 I N. .. §iÖn ¸p lÖch kh«ng cßn g©y ra trªn lèi ra bé K§TT mét sai sè. Cã thÓ tÝnh sai sè nµy dùa vµo ph−¬ng tr×nh dßng ®iÖn cho nót N.. U V − U 0 U ra − U 0 + =0 R1 Rf. →. U ra = −. Rf ⎞ ⎛ ⎟U 0 U V + ⎜⎜ 1 + R1 R 1 ⎟⎠ ⎝. Rf. Từ đó có sai số điện áp lệch không bằng:. Rf ⎞ ⎛ ⎟U0 Ura 0 = ⎜⎜ 1 + R1 ⎟⎠ ⎝. (4.79). Rõ ràng hệ số khuếch đại Af = Rf / R1 của mạch càng lớn, sai số này càng lớn. Trong thực tế ng−ời ta th−ờng dùng các sơ đồ bù điển hình nh− hình 4.67.b và 4.67.c trong đó việc chỉnh giá trị của biến trở R4 cho phép bù chính xác thế lệch không. Các sơ đồ này không những cho phép bù thế lệch không mà trong một số tr−ờng hợp đặc biệt có thể chỉnh điện áp ra ban đầu đến một giá trị cần thiết khác. 4.6.5. Các sơ đồ mạch ứng dụng bộ KĐTT Nh− trên đã nói, do tính chất đặc biệt của bộ KĐTT nên bằng việc mắc các mạch phản hồi âm kh¸c nhau vµo sÏ cho ta c¸c m¹ch ®iÖn øng dông kh¸c nhau. D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè m¹ch øng dụng đó với tính toán coi bộ KĐTT là lý t−ởng. 1. Mạch lấy tổng đại số (cộng / trừ) Sơ đồ mạch nh− trên hình 4.68. Sử dụng quy tắc dòng điện tại nút N ta có thể tính đ−ợc thế lối ra nh− sau. U v1 U v 2 U U + + ... + vn + ra = 0 R1 R2 Rn Rf. 113.

(128) Rf Rf ⎞ ⎛Rf U ra = ⎜⎜ U v1 + U v 2 + ... + U vn ⎟⎟ R2 Rn ⎠ ⎝ R1. Rf UV1. (4.80). Rf R. (U v1 + U v 2 + .... + U vn ). Ura. + Rn. UVn. (4.81). −. N. R1. UV2. NÕu chän R1 = R2 = ... = Rn ≡ R ta cã:. U ra =. R1. H×nh 4.68. M¹ch lÊy tæng.. 2. Mạch khuếch đại trừ (sơ đồ vi sai) Sơ đồ mạch khuếch đại trừ nh− hình 4.69. Ta sẽ chøng minh thÕ lèi ra Ura tû lÖ víi hiÖu cña hai thÕ lèi vµo Uv2 vµ Uv1.. RN/αN. −. RP/αP. Ta cã: Ura = k1Uv1 + k2Uv 2 víi k1 vµ k2 lµ c¸c hÖ. RP. Hình 4.69. Mạch khuếch đại trừ.. k 1 = −α N. →. Ura. +. UV2. số khuếch đại riêng của từng tín hiệu vào. Khi Uv2 = 0, tín hiệu Uv1 đ−ợc khuếch đại theo kiểu đảo:. UraN = −α NUv1. RN. UN. UV1. Khi Uv1 = 0, tín hiệu Uv2 đ−ợc khuếch đại theo kiểu không đảo với hệ số khuếch đại bằng. 1+. RNα N nh−ng tÝn hiÖu nµy cßn bÞ qua bé ph©n ¸p gåm RP/αP vµ RP nªn: RN. UraP = Uv 2. RP RP +. RP. αP. ⎡ α ⎤ VËy: Ura = UraN + UraP = ⎢ P (1 + α N )⎥ (Uv 2 − Uv1 ) ⎣1 + αP ⎦. (4.82). Tr−ờng hợp đặc biệt khi α N = α P ≡ α → U ra = α (U v 2 − U v1 ). (4.83). 3. M¹ch tÝch ph©n Có một vài sơ đồ cho phép tín hiệu lối ra tỷ lệ với tích phân theo thời gian của tín hiệu vào. - Sơ đồ tích phân đảo: nh− trình bày trên hình 4.70.a. dB. C. UVao. R. −. N. + R1. (a). 114. Ura. 100 80 60 40 20 0 -20 -40. AD. 1/2πRC. f(Hz) 10-1. 100. 101. 102. 103 104. (b) Hình 4.70. Mạch tích phân đảo và đặc tr−ng tần số.. 105. 106.

(129) Ph−¬ng tr×nh cho dßng ®iÖn t¹i nót N:. I V + I C = 0 hay Từ đó có: U ra. UV dU ra +C =0 R dt T. 1 1 =− U V (t )dt = − U V (t )dt + U ra (t = 0) RC RC. ∫. ∫. (4.84). 0. Trong đó: T là thời gian lấy tích phân, U ra (t = 0) là thế lối ra tại thời điểm bắt đầu lấy tích ph©n (®iÒu kiÖn ®Çu). Dòng và thế vào lệch không cũng nh− dòng dò tĩnh qua tụ C ảnh h−ởng đáng kể tới lối ra của m¹ch tÝch ph©n. Khi ch−a lÊy tÝch ph©n, dßng vµ c¸c th¨ng gi¸ng lèi vµo g©y nªn hiÖn t−îng tr«i thÕ lối ra và trong thời gian đủ lớn có thể lệch đến tận thế ra cực đại. Để giảm ảnh h−ởng này có thể t¨ng gi¸ trÞ cña tô C, chän cã vËt liÖu c¸ch ®iÖn tèt, v.v.... Cßn gi¶m dßng tÜnh lèi vµo b»ng kü thuËt sơ đồ: không nối trực tiếp lối vào thuận với đất mà nối qua một biến trở R1. Điều chỉnh chính xác giá trị R1 bằng trở vào bên lối vào đảo (bằng trở R// trở dò qua C// trở vào bộ KĐTT ≈ R). Đồ thị Bode đặc tuyến tần số của bộ tích phân điển hình nh− hình 4.70.b trong đó hằng số tích phân τ = RC = 100μ s . Đó là đ−ờng dốc 20 dB/ decad với hệ số khuếch đại cực đại của mạch phản hồi cỡ 600 lần, nh− vậy có thể đảm bảo độ chính xác của phép tích phân đến 1/600 ≈ 0,2%. Th−ờng điều kiện đầu đ−ợc chọn bằng 0. Trong tr−ờng hợp đó, mạch lấy tích phân đ−ợc thiết kế thêm vào các khoá K1 và K2 nh− sơ đồ hình 4.71.a. Khi ch−a lấy tích phân các khoá ở vị trí 1, thế lối ra bằng 0. Các khoá đ−ợc chuyển sang vị trí 2 khi bắt đầu lấy tích phân. Sơ đồ này tránh đ−ợc hiÖn t−îng tÝch ph©n (tÝch luü) c¸c ®iÖn ¸p th¨ng gi¸ng tr«i ë lèi vµo bé K§TT khi ch−a lÊy tÝch ph©n. Sơ đồ tích phân không đảo đ−ợc trình bày trên hình 4.71.b. Viết ph−ơng trình dòng điện cho ®iÓm nót P: U V − U P U ra − U P CdU P + − =0 R R dt. U ra 2 vµ U P = U N nªn: U ra = U V (t )dt (4.85) 2 RC Thực chất sơ đồ này là một mạch tích phân RC đ−ợc ghép với một bộ KĐTT có phẩm chất cao. ∫. Theo sơ đồ thì U N =. R1. 1. K2. R1. 2. UV. 1 2. R K1. −. N. +. −. C Ura. Ura. + UV. R R C. R1. (a) (b) Hình 4.71. Sơ đồ mạch tích phân có khoá đặt lại (reset) và tích phân không đảo.. 115.

(130) 4. M¹ch vi ph©n Sơ đồ mạch vi phân đ−ợc cho trên hình 4.72.a. Viết ph−ơng trình dòng điện cho nút N ta có: dB. R. UV C. N. −. Ura. +. (a). AD. 100 80 60 40 20 0 -20 -40. 1/2πRC. f(Hz) 10-1. 100. 101. 102. 103 104. 105. 106. (b) Hình 4.72. Sơ đồ mạch vi phân và đặc tr−ng tần số.. U Q 1 = I C dt nh−ng I C = − I R = − ra C C R dU V U ra = − RC (4.86) nªn: dt Đặc tr−ng biên độ - tần số (đồ thị Bode) theo thang lô-ga-rit là một đ−ờng thẳng với độ dốc +20 dB trªn mét decade. 5. M¹ch ®iÒu khiÓn PID: lµ mét m¹ch hay ®−îc dïng trong kü thuËt ®iÒu khiÓn nh»m t¨ng. ∫. UV =. tính ổn định của hệ thống trong một dải tần rộng. Lối ra của mạch này đ−ợc thiết kế tỷ lệ với lối vào víi c¸c hÖ sè tû lÖ (Propotional), tÝch ph©n (Integration) vµ vi ph©n (Diffrentiation) kh¸c nhau. H×nh 4.73.a là một trong những sơ đồ mạch PID. R2. R1. UV C1. N. C2. log K. −. D. I. Ura. P. + log f 0. f2. f1. (a). (b) Hình 4.73. Sơ đồ mạch PID (a) và đặc tr−ng tần số của nó (b).. ViÕt ph−¬ng tr×nh dßng ®iÖn cho nót N:. dU V UV + C1 + I2 = 0 dt R1 Ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p trªn nh¸nh ra: Ura = R2 I 2 +. Ta cã:. 116. 1 I 2dt C2. ∫. ⎛U dU ra U ra = −⎜⎜ ra + C1 dt ⎝ R1. ⎞ 1 ⎟R 2 − ⎟ C2 ⎠. ⎛ UV. ∫ ⎜⎜⎝ R1. + C1. dU V dt. ⎞ ⎟dt ⎟ ⎠.

(131) ⎛R C ⎞ 1 − U ra = ⎜⎜ 2 + 1 ⎟⎟U V + R1C2 ⎝ R1 C2 ⎠. Hay. ∫ U V dt + R 2 C1. Nh×n vµo biÓu thøc (4.87) ta thÊy, ë tÇn sè thÊp ω << ω 2 = bé tÝch ph©n, ë tÇn sè cao ω >> ω1 =. dU V dt. (4.87). 1 m¹ch cã tÝnh chÊt nh− mét R 2 C2. 1 m¹ch cã tÝnh chÊt nh− mét bé vi ph©n, cßn trong d¶i tÇn R1C1. ω 2 < ω < ω1 mạch giống bộ khuếch đại thông th−ờng. Do vậy đáp ứng tần số của mạch có dạng nh− h×nh 4.73.b.. 6. Mạch khuếch đại lô-ga-rit Nhờ có việc mắc một diode (hoặc transistor) vào mạch phản hồi của bộ KĐTT mà sơ đồ mạch nh− h×nh 4.74.a vµ 4.74.b cho phÐp ®iÖn ¸p lèi ra tû lÖ víi l«-ga-rit cña ®iÖn ¸p vµo. Ta biết rằng dòng chạy qua diode ID và điện áp đặt lên nó UD có mối quan hệ:. I D = I S (eU D / U T − 1) UD R. −. UV. UV. Ura. R. −. Ura. +. +. (b). (a) Hình 4.74. Sơ đồ mạch khuếch đại lô-ga.. Trong đó IS là dòng ban đầu bằng dòng ng−ợc và UT ≈ 25,5 mV ở nhiệt độ phòng gọi là thế nhiÖt. NÕu I D >> I S th×:. I D ≈ I S eU D / U T. ⎛I hay U D = U T ln⎜⎜ D ⎝ IS. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. Nh−ng N là đất ảo nên U ra = U D , ta có:. U vµo = − I D = − I S e Ura / U T R. ⎛U ⎞ U ra = −U T ln⎜⎜ vµo ⎟⎟ ⎝ RI S ⎠. →. (4.88). 7. Mạch đối lô-ga-rit (mạch lấy hàm e mũ): Do phép lấy e mũ là phép ng−ợc của phép lấy lô-ga nên trong sơ đồ trên ta chỉ việc tráo vị trí của diode hoặc transistor và điện trở là có mạch đối lô-ga nh− hình 4.75.a và 4.75.b. R. UV. UD. − +. (a). R. Ura. UV. −. Ura. +. (b) Hình 4.75. Sơ đồ mạch khuếch đại đối lô-ga.. 117.

(132) Lý luËn t−¬ng tù nh− trªn ta sÏ cã:. U ra = RI D = RI S e U D / U T. (4.89). 8. C¸c m¹ch so s¸nh tÝn hiÖu t−¬ng tù M¹ch so s¸nh cã nhiÖm vô so s¸nh mét ®iÖn ¸p vµo t−¬ng tù Uv víi mét ®iÖn ¸p chuÈn Uch. §iÖn ¸p ra cña m¹ch so s¸nh sÏ ë møc thÕ thÊp hoÆc cao tuú vµo mèi t−¬ng quan gi÷a ®iÖn ¸p vµo và điện áp chuẩn. Nếu dùng bộ KĐTT để lắp mạch so sánh thì mức thấp và cao của nó chính là mức ®iÖn ¸p lèi ra b·o hoµ Uramin vµ Uramax gÇn 2 møc ®iÖn ¸p nguån cung cÊp -VCC vµ +VCC. - So sánh một ng−ỡng: căn cứ vào đặc tuyến truyền đạt của bộ KĐTT, về nguyên tắc có thÓ dïng nã lµm mét m¹ch so s¸nh do chØ mét chªnh lÖch rÊt nhá gi÷a 2 thÕ lèi vµo UP vµ UN (cì mV) cũng gây nên một b−ớc nhảy ra ngoài vùng khuếch đại tuyến tính và tới một trong hai ng−ỡng Uramin hoặc Uramax . Hình 4.76.a là bộ KĐTT dùng nh− một bộ so sánh và đặc tuyến truyền đạt của nã víi sù sai kh¸c gi÷a Uv vµ Uch lín. Tốc độ chuyển mạch của bộ so sánh (từ Uramin sang Uramax hoặc ng−ợc lại) phụ thuộc vào việc các transistor trong IC thoát ra khỏi miền bão hoà nhanh hay chậm. Tốc độ này gọi là tốc độ tăng tr−ởng và tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo và đ−ợc đo bằng đơn vị V/μs. Ura Uramax UV. +. UR. −. Ura Uch. UV. Uramin. (a) (b) Hình 4.76. Bộ KĐTT nh− một bộ so sánh (a) và đặc tuyến truyền đạt (b).. - So s¸nh hai ng−ìng: cho phÐp thÕ lèi ra chØ thÞ hai tr−êng hîp khi thÕ lèi vµo lín h¬n mét mức điện áp chuẩn hay bé hơn một mức điện áp chuẩn khác. Sơ đồ điển hình của nó cho trên hình 4.77. X1 Uch2. +. X1. U1v. −. Ura AND. UV. Uv. + Uch1. X2. −. X2. Ura. Uch2. Uch1. (a). Uv. (b). Hình 4.77. Bộ so sánh hai ng−ỡng (a) và đặc tuyến truyền đạt (b).. Sơ đồ sử dụng 2 bộ KĐTT và một mạch lôgic số AND. Mạch số AND có chức năng: lối ra chỉ ë møc thÕ cao khi vµ chØ khi c¶ 2 thÕ lèi vµo ë møc cao. Ta cã chøc n¨ng cña toµn m¹ch nh− biÓu thøc sau: Ura ë møc thÕ cao khi Uch1 (133) - Trig¬ smith: lµ mét bé so s¸nh cã 2 møc chuyÓn m¹ch kh«ng trïng nhau mµ kh¸c nhau một giá trị nào đó gọi là độ trễ. Sơ đồ một trigơ Smith đảo đ−ợc trình bày nh− hình 4.78.a trong đó cã mét m¹ch ph¶n håi d−¬ng qua ph©n ¸p R1, R2. Ura. −. UV. Ura. Uramax. + R2 UP2 R1. UP1. UV. Uramin. (a) (b) Hình 4.78. Trigơ Smith (a) và đặc tuyến truyền đạt (b).. Khi U ra = U ra max th× thÕ ë ®iÓm P b»ng: U P1 =. R1 U ra max R1 + R2. Nếu Uv tiến tới Uramax nh−ng vẫn nhỏ hơn thì thế Ura vẫn không đổi. Nh−ng khi U v ≥ U P1 thì thế lèi ra nh¶y xuèng møc Uramin. Qu¸ tr×nh nµy x¶y ra rÊt nhanh v× cã ph¶n håi d−¬ng. ThÕ t¹i ®iÓm P lóc nµy b»ng: U P 2 =. R1 U ra min R1 + R2. Nếu muốn thế lối ra trở về Uramax thì phải cho thế lối vào giảm xuống đến khi U v ≤ U P 2 . Vậy nh− h×nh 4.78.b ta thÊy cã mét vßng trÔ chuyÓn m¹ch trong hÖ lµ: ΔU v = U P1 − U P 2 =. R1 (U ra max − U ra min ) R2. (4.93). 9. M¹ch diode lý t−ëng vµ chØnh l−u nöa chu kú chÝnh x¸c Một diode thông th−ờng không thể chỉnh l−u chính xác đ−ợc các sóng có biên độ nhỏ hơn mức thông của diode (thí dụ, là 0,6 V với diode Silic). Muốn chỉnh l−u đ−ợc các sóng có biên độ nhỏ cỡ mV phải có một diode lý t−ởng có đặc tr−ng V-A đã tuyến tính hoá nh− hình 4.79.a, trong đó mức th«ng cña diode (møc ng−ìng) ®−îc dÞch vÒ gÇn 0V. M¹ch chØnh l−u chÝnh x¸c ®−îc dïng trong c¸c m¸y ®o l−êng, trong c¸c bé t¸ch sãng. Dïng bé K§TT kÕt hîp víi mét diode th«ng th−êng cã thể cho một sơ đồ tách sóng lý t−ởng. Hãy so sánh 2 mạch: chỉnh l−u nửa chu kỳ thông th−ờng với 1 diode (h×nh 4.79.b) vµ chØnh l−u cã dïng bé K§TT (h×nh 4.79.c). IID(V). §Æc tr−ng lý t−ëng Ung−ìng ≈ 0V _ §Æc tr−ng thùc Ung−ìng = 0,6(V). UV. ~. Ura. UD. +. RT UV. ~. Ura. RT. UO. UD(V) 0. 0,6. (a) (b) (c) H×nh 4.79. §Æc tr−ng V-A cña diode lý t−ëng (a), m¹ch chØnh l−u diode th−êng (b) và mạch chỉnh l−u chính xác với sơ đồ diode lý t−ởng (c). 119.

(134) Víi m¹ch chØnh l−u th−êng (h×nh 4.79.a) ta cã: U ra = U V − U D , thÕ Uvµo ph¶i lín h¬n møc ng−ìng lµ møc th«ng cña diode khi ®−îc ph©n cùc thuËn UD t (thÝ dô, 0,6V) th× Ura míi lín h¬n 0. Víi m¹ch h×nh 4.79.c, ta cã: U 0 = U Dt + U ra = A D (U V − U ra ) →. U ra ≈ U V − U Dt / A D. (4.91). Rõ ràng với sơ đồ diode lý t−ởng, mức ng−ỡng giảm đi AD lần. Vì hệ số khuếch đại của bộ KĐTT rất lớn (hàng trăm ngàn lần) nên mức này có thể giảm xuống đến mV và do đó sơ đồ cho phÐp chØnh l−u (t¸ch sãng) c¸c tÝn hiÖu vµo nhá tíi mV chø kh«ng ph¶i trªn 600 mV nh− b×nh th−ờng. Sơ đồ hình 4.80.a là mạch chỉnh l−u nửa chu kỳ chính xác kiểu đảo. Hình 4.80.b. là sơ đồ chỉnh l−u chính xác kiểu không đảo. R2 D1 R1. R2 D2. D1 Ura. _. R1. D2 Ura. _. UV +. +. UV. (a). (b). Hình 4.80. Sơ đồ chỉnh l−u chính xác kiểu đảo (a) và không đảo (b).. - Khi tÝn hiÖu vµo ©m, Uv < 0 th× diode D1 th«ng, D2 cÊm, ta cã:. U ra = −U v. R2 R1. Theo sơ đồ ta thấy điện áp lối vào đảo của bộ KĐTT là:. UN = Uv. R2 R1 U + Ura − Dt 1 = 0 R1 + R2 R1 + R2 AD. Trong đó UDt1 là điện áp thuận của diode D1 khi thông bão hoà. Do đó:. Ura = −Uv. R2 UDt 1 ⎛ R1 + R2 ⎞ ⎜ ⎟ + R1 AD ⎜⎝ R1 ⎟⎠. Chó ý r»ng hÖ sè ph¶n håi cña m¹ch lóc nµy b»ng β =. Ura = −Uv. R2 U Dt 1 + R1 β AD. R1 ta cã: R1 + R 2. (4.92). Điều này nói lên rằng ở lối ra, điện áp thông của diode đã giảm đi βAD lần làm cho đặc tuyến truyền đạt gần với dạng lý t−ởng hơn. U - Khi tín hiệu vào d−ơng, Uv > 0, diode D2 thông, D1 cấm. Do đó U ra = − Dt 2 ≈ 0 AD Hình 4.81 là sơ đồ mạch chỉnh l−u 2 nửa chu kỳ chính xác và đặc tuyến truyền đạt của nó. Đây còn gọi là bộ tạo giá trị tuyệt đối của tín hiệu vào.. 120.

(135) D2. D1. IT. RT D3 R1. IT. D4. _. UV +. UV. 0. (a) (b) Hình 4.81. Mạch chỉnh l−u 2 nửa chu kỳ chính xác (a) và đặc tuyến truyền đạt (b).. Khi ®iÖn ¸p vµo d−¬ng, dßng vµo ch¶y qua R1, diode D1, ®iÖn trë t¶i, diode D4 råi tíi ®Çu ra bé KĐTT và về đất. Khi điện áp vào âm thì dòng vào chạy từ đầu ra bộ KĐTT, qua D2, qua tải, đến D3, qua R1 trë vÒ ®Çu vµo. Nh− vËy dßng ch¶y qua t¶i lµ: IT = UV / R1 . 10. Mạch tách sóng đỉnh Hình 4.82.a là mạch chỉnh l−u giá trị đỉnh (mạch tách sóng điện áp đỉnh). Mạch này có chức năng này luôn cho thế lối ra bằng giá trị đỉnh của thế vào biến đổi theo thời gian. U. UV. D. + _ A1. I1. UC. I2. IC. K. Ura. + _. A2. Ura UV. C. t. 0. (a) (b) Hình 4.82. Mạch tách sóng đỉnh (a) và tín hiệu vào, ra theo thời gian (b).. Khi Uv > UC thì diode D thông và dòng ra của bộ khuếch đại A1 nạp cho tụ C tới khi UC ≈ Uv đỉnh. Nếu sau đó Uv giảm thì diode D cấm, tụ C phóng điện qua điện trở ng−ợc của diode và trở lối vào của bộ khuếch đại A2. Vì điện trở ng−ợc của diode cũng nh− trở vào của A2 là mạch khuếch đại lÆp l¹i cã gi¸ trÞ rÊt lín nªn ®iÖn ¸p trªn C hÇu nh− kh«ng suy gi¶m mÆc dï ®iÖn ¸p vµo gi¶m. KÕt quả ta có đồ thị thời gian của điện áp ra theo điện áp vào nh− hình 4.82.b. Khoá K trong sơ đồ để ng¾n m¹ch tô C, t¹o ®−êng x¶ hÕt ®iÖn trªn tô khi cÇn ®o c¸c gi¸ trÞ míi. 11. C¸c m¹ch läc tÝch cùc dïng bé K§TT Có nhiều loại mạch lọc đ−ợc phân biệt theo dải thông tần Δf trên đặc tr−ng tần số nh− minh ho¹ trªn h×nh 4.83: m¹ch läc th«ng thÊp (a), läc th«ng cao (b), läc th«ng d¶i (c) vµ läc chÆn d¶i (d). K/Kmax. 1,0. 1. Δf. 0,7. |K|. |K|. K/Kmax. 1,0. Δf. 0,7. Δf. 0,7. Δf 0. fC. (a). f. 0. ft. ∝. f. 0. ft. fC. (b) (c) H×nh 4.83. Ph©n lo¹i c¸c m¹ch läc theo d¶i th«ng.. f. 0. ft. fC. f. (d). 121.

(136) Các mạch lọc ở tần số cao hay đ−ợc thiết kế bằng các phần tử thụ động RLC. Tuy nhiên ở tần sè thÊp th× viÖc thiÕt kÕ nh− vËy gÆp ph¶i khã kh¨n do c¸c gi¸ trÞ ®iÖn c¶m cÇn ph¶i qu¸ lín còng nh− hệ số phẩm chất của mạch lọc trong dải tần này rất thấp. Các bộ lọc thụ động không thể có đ−ợc một độ dốc lớn (gần vuông góc) tại vùng tần số cắt nh− đáp ứng lý t−ởng. Vì vậy hiện nay hay sử dụng phần tử tích cực là bộ KĐTT kết hợp với các phần tử RC để tạo nên các mạch lọc tích cực. Hàm truyền đạt của một bộ lọc thông thấp bất kỳ th−ờng đ−ợc biểu diễn nh− sau: K0 (4.93) K ( P) = Π 1 + a i P + bi P 2 i. Trong đó :. P≡. p. ωc. =. (. ). jω. ωc. =. j f = jΩ fc. K0 là hệ số truyền đạt ở tần số thấp; ai vµ bi lµ nh÷ng sè thùc d−¬ng. Bậc của bộ lọc đ−ợc quyết định bởi số mũ lớn nhất của P trong biểu thức, nó ảnh h−ởng đến độ dốc của bộ lọc quanh tần số cắt. Dạng đáp ứng tần số xung quanh tần số giới hạn và dải thông tần còn đ−ợc xác định bởi loại bộ lọc. Đó là các loại bộ lọc Tschebyscheff, bộ lọc Bessel và bộ lọc Butterworth. §Æc tÝnh cña c¸c m¹ch läc th«ng thÊp cña chóng ®−îc minh ho¹ trªn h×nh 4.84, trong đó thang tần số đ−ợc chuẩn theo tần số cắt (tần số cắt Ω = 1). Bộ lọc Butterworth (đ−ờng a) có đáp ứng phẳng trong vùng truyền qua nh−ng đặc tr−ng pha lại không tốt, đáp ứng biên độ có dạng: *. K =. 1. (4.94). 1 + ( f / f C )2 n. Trong đó n là bậc của bộ lọc và fc là tần số cắt. Bậc bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến ở tần sè f > fc. AD (dB) 10 0 -10 -20 -30. a. b. c. -40 -50 -60 0,01. 0,03. 0,1. 0,3. 1. 3. 10. 30. Ω. H×nh 4.84. §¸p øng tÇn sè cña 3 lo¹i bé läc th«ng thÊp bËc 4.. Bộ lọc Tschebyscheff (đ−ờng b) có độ dốc ở vùng tần số cắt cao hơn nh−ng lại mấp mô ở vùng truyền qua. Đáp ứng biên độ của nó có dạng:. 122.

(137) *. K =. 1. (4.95). 1 + ε Cn ( f / f C ) 2. Trong đó ε là hằng số quyết định độ mấp mô tại vùng truyền qua và Cn là các hệ số của đa thức Tschebyscheff bậc n. Giống nh− trên, bộ lọc này cũng có đáp ứng pha không tốt lắm. Bộ lọc Bessel (đ−ờng c) có đáp ứng biên độ không tốt bằng hai bộ lọc trên, nó giảm đều từ vùng truyền qua đến vùng chặn nh−ng lại có đáp ứng pha rất tốt. D−ới đây là một vài sơ đồ mạch lọc tích cực đơn giản.. • Bé läc tÝch cùc th«ng thÊp vµ th«ng cao bËc mét. Hàm truyền đạt của bộ lọc thông thấp bậc 1 trong tr−ờng hợp tổng quát có dạng: K ( P) =. K0 1 + a1 P. Nh− đã biết, một mạch thụ động RC lối ra trên C cho ta một mạch lọc thông thấp đơn giản với hệ số truyền đạt: K(P) = 1/(1+pRC) = 1/(1+ωCRCP). Nếu bổ sung cho nó một bộ KĐTT có nhiệm vụ biến đổi trở kháng và khuếch đại tín hiệu nh− sơ đồ hình 4.85.a ta sẽ có một mạch lọc tích cực thông thấp bậc một, trong đó hệ số truyền đạt tín hiệu một chiều K0 = 1 + R2/R3. C2. R1 UV. Ura. + _. C1. R1. _. R2 UV. R2 Ura. +. R3. (a). (b) Hình 4.85. Sơ đồ mạch lọc thông thấp bậc 1.. Mạch ở hình 4.85.b sử dụng mạch RC làm vòng phản hồi cho bộ KĐTT. Hàm truyền đạt của nã ®−îc tÝnh cã d¹ng: K ( P) = −. R2 / R1 1 + ωc R2C1P. (4.96). Th−ờng ng−ời ta cho tr−ớc tần số cắt ωc, hệ số truyền đạt ở một chiều K0 và C1, tính đ−ợc: R2 = a1 / 2πf c C1 vµ. R1 = − R2 / K 0. Để có sơ đồ bộ lọc thông cao bậc 1, chỉ cần thay hệ số P trong biểu thức (4.99) bằng 1/P. Do đó chỉ cần tráo vị trí của C1 và R1 trong sơ đồ 4.85 là đ−ợc. Sơ đồ lọc thông cao bậc 1 có đảo nh− h×nh 4.86. R2 Hàm truyền đạt của sơ đồ này có dạng: K ( P) = −. C1. R2 / R1 1 1 1+ ωc R1C1 P. (4.97). UV. R1. _. Ura. +. TÝnh ®−îc c¸c trÞ sè linh kiÖn: R1 = 1 / 2πfc a1C1 vµ R2 = − R1K∞. Hình 4.86. Sơ đồ lọc thông cao bậc 1 có đảo.. 123.

(138) • C¸c bé läc tÝch cùc th«ng thÊp vµ th«ng cao bËc cao Với bộ lọc thông thấp bậc 2 ta có hàm truyền đạt tổng quát: K ( P) =. K0 1 + a1 P + b1 P 2. Hình 4.87 là một sơ đồ của bộ lọc tích cực thông thÊp bËc 2 cã ph¶n håi ©m dïng bé K§TT. Hàm truyền đạt của nó đ−ợc tính ra nh− sau:. C1. R2 R1. R3. _. UV. R2 / R1 K ( P) = − ⎛ R R ⎞ 1 + ωc C1 ⎜⎜ R2 + R1 + 2 3 ⎟⎟ P + ωc2C1C2 R2 R3 P 2 R1 ⎠ ⎝ (4.98). Ura. +. C2. H×nh 4.87. Bé läc tÝch cùc th«ng thÊp bËc 2.. Giống nh− bộ lọc bậc 1, để thực hiện bộ lọc thông cao bậc 2 có thể dùng tất cả các sơ đồ lọc thông thấp với điều kiện đổi chỗ vị trí của R và C. Hình 4.88 là sơ đồ một bộ lọc thông cao bậc 2 có mạch phản hồi d−ơng. Hàm truyền đạt của nã cã d¹ng:. α. K ( P) = 1+. R2 (C1 + C2 ) + R1C2 (1 − α ) 1 1 1 + R1 R2C1C2ωc P R1R2C1C2ωc2 P 2. (4.99). Nếu đặc tính biên độ của bộ lọc bậc 2 còn ch−a đủ dốc thì có thể xây dựng các bộ R2 C1 C1 C2 läc cã bËc cao h¬n. Muèn thÕ ph¶i m¾c nèi + UV Ura tiÕp c¸c m¾t läc bËc 1 hoÆc bËc 2 víi nhau. _ R1 Đặc tính của toàn bộ lọc sẽ là tích các đặc (α-1)R3 tÝnh cña c¸c m¾t läc thµnh phÇn. Tuy nhiªn R3 lóc nµy bËc cña bé läc kh«ng ph¶i lµ tÝch c¸c bËc thµnh phÇn vµ tÇn sè c¾t còng sÏ kh¸c. Do H×nh 4.88. Bé läc tÝch cùc th«ng cao bËc 2. đó về nguyên tắc phải cho các hệ số của các mắt lọc sao cho kết quả nhân các đặc tính tần số của chúng sẽ cho một loại bộ lọc mong muốn. ViÖc s¾p xÕp thø tù c¸c m¾t läc tuú thuéc vµo trë g¸nh cña tõng m¾t (m¾t läc cã tÇn sè c¾t nhá nhÊt ®−îc chän lµ m¾t thø nhÊt), tuú thuéc vµo møc t¹p ©m cña bé läc (m¾t läc cã tÇn sè c¾t nhá nhÊt l¹i nên đ−ợc đặt ở khâu cuối cùng), v.v.... • Bé läc tÝch cùc th«ng d¶i NÕu m¾c mét m¾t läc th«ng thÊp vµ mét m¾t läc th«ng cao, ta cã thÓ nhËn ®−îc mét bé läc th«ng d¶i. XÐt mét bé läc th«ng d¶i bËc 2 ®−îc thiÕt kÕ tõ viÖc m¾c liªn tiÕp 2 m¾t läc thông thấp và thông cao bậc 1 nh− sơ đồ hình 4.89. 124. αR +. UV C. C Ura. _ R/α. H×nh 4.89. Bé läc th«ng d¶i bËc 2..

(139) Đáp ứng tần số của nó là tích đáp ứng của 2 khâu lọc riêng rẽ. Kết quả ta có hàm truyền đạt nh− sau:. K ( P) =. αpRC 1 1 = 1 + (1 / αpRC ) 1 + ( pRC / α ) 1 + [ (1 + α ) 2 / α ] pRC + ( pRC )2. (4.100). Nếu gọi ωr ≡ 1 / RC là tần số cộng h−ởng ta có dạng hàm truyền đạt đ−ợc chuẩn hoá:. K ( P) =. αP. (4.101). 1 + [ (1 + α )2 / α ] P + P 2. HÖ sè phÈm chÊt cña bé läc lµ: Q =. α . Với α = 1, Q đặt cực đại và bằng 0,5. Để có phẩm 1+α 2. chất lớn hơn phải thực hiện bởi các mạch đặc biệt. Hình 4.90 là mạch lọc thông dải có phản hồi âm phøc t¹p. C. R2 C. R1. _. UV R3. Ura. +. H×nh 4.90. Bé läc th«ng d¶i cã ph¶n håi ©m.. Hàm truyền đạt của nó có dạng: − R2 R3 Cωr P R1 + R3 K ( P) = 2 R1R3 RR R 1+ Cωr P + 1 2 3 C 3ωr2 P 2 R1 + R3 R1 + R3. (4.102). TÇn sè céng h−ëng cña bé läc lµ:. fr =. 1 2πC. HÖ sè phÈm chÊt: Q =. R1 + R 3 R1 R 2 R 3 1 2. R 2 (R1 + R 3 ) = πR 2 Cf r R1 R 3. D¶i th«ng cña bé läc lµ: f 1 B= r = Q πR 2 C. (4.103). (4.104). (4.105). • Bé läc tÝch cùc chÆn d¶i. Để chặn một dải tần số nào đó ta phải cần một bộ lọc có hệ số truyền đạt ở một tần số nào đó bằng 0 còn ở các vùng tần số thấp hơn và cao hơn, hệ số truyền đạt sẽ tăng đến một giá trị không đổi nào đó. Mạch lọc thụ động cầu chữ T kép (hình 4.91.a) có đặc tính biên độ - tần số K(Ω) và pha - tÇn sè ϕ(Ω) nh− h×nh 4.91.b. T¹i tÇn sè céng h−ëng (Ω = 1) hÖ sè truyÒn b»ng 0 vµ cã pha b»ng. ±90°. Kết hợp với bộ KĐTT cho ta một mạch lọc chặn dải tích cực nh− sơ đồ hình 4.91.c. 125.

(140) |K| 0,5R C. C. Ura. UV R. 1. UV. Ω. R. R. _. R. 90°. (k-1)R1. 2C 1. (a). Ura. +. ϕ. 0,5R. 2C. C. C. Ω. R1. -90°. (b) (c) H×nh 4.91. M¹ch läc tÝch cùc chÆn d¶i sö dông cÇu ch÷ T kÐp.. Các tín hiệu có tần số xa tần số cộng h−ởng chạy qua cầu chữ T kép không bị thay đổi và bằng. kUv. T¹i tÇn sè céng h−ëng f r = 1 /( 2πRC) ®iÖn ¸p ra b»ng kh«ng. Lóc nµy cÇu ch÷ T kÐp t−¬ng đ−ơng với trở R/2 nối đất. Hàm truyền đạt của bộ lọc có dạng: K (P) =. k (1 + P 2 ). (4.106). 1 + 2( 2 − k ) P + P 2. Q=. HÖ sè phÈm chÊt cña m¹ch lµ:. 1 2(2 − k ). (4.107). Việc điều chỉnh điện trở sao cho đạt tối −u cả giá trị tần số cộng h−ởng và hệ số truyền đạt của bé läc cÇu ch÷ T kÐp lµ khã kh¨n. Do vËy ng−êi ta cßn sö dông m¹ch läc dïng cÇu Viªn (h×nh 4.92.a) lµm m¹ch ph¶n håi cho bé K§TT. §Æc tr−ng tÇn sè cña cÇu Viªn còng gièng nh− cÇu ch÷ T kép. Sơ đồ mạch lọc tích cực chặn dải dùng cầu Viên nh− hình 4.92.b. Giá trị độ phẩm chất của bộ läc nµy kh«ng h¬n g× cÇu ch÷ T kÐp nh−ng dÔ ®iÒu chØnh h¬n. Hàm truyền đạt của nó có dạng:. [ β /(1 + α )](1 + P 2 ) 1 + [ 3 /(α + 1) / P ] + P 2 1 TÇn sè céng h−ëng lµ: fr = 2πR 2 C K ( P) = −. Hệ số truyền đạt K 0 = −. β. (4.108) (4.109). vµ hÖ sè phÈm chÊt Q =. 1+α. 1+α 3. (4.110). R1/α UV. R1 2R1. R. Ura. UV. C. R1/β. R2. _. _. + R. C. R1. 126. Ura. + C. (k-1)R1 R2. (a). R3. (b) H×nh 4.92. Bé läc chÆn d¶i tÝch cùc dïng cÇu Viªn.. 2R3.

(141) Ch−¬ng 5 Các mạch tạo dao động điện 5.1. Các khái niệm chung về mạch tạo dao động Mạch điện tử để tạo ra điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu thì đ−ợc gọi là mạch dao động điện từ (hay là mạch tạo sóng). Mạch tạo dao động có thể tạo ra dao động có dạng điều hoà (dao động hình sin) hay các dao động có dạng khác sin nh−: xung chữ nhật, xung tam giác, xung răng c−a hoặc tạo từng xung đơn riêng biệt. Các mạch dao động điều hòa th−ờng đ−ợc dùng trong các hệ thống th«ng tin, trong c¸c m¸y ®o, trong m¸y kiÓm tra, trong c¸c thiÕt bÞ y tế v.v... Các mạch dao động điều hòa có thể làm việc tốt trong dải tần từ vài Hz cho đến hàng nghìn MHz. Để tạo dao động, có thể dùng các phần tử tích cực nh−: đèn điện tử, transistor l−ỡng cực (BJT), transistor tr−ờng (FET), các bộ khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt nh−: diode Tunel, diode Gunn. Các đèn điện tử chân không vẫn còn đ−ợc dùng khi yêu cầu công suất ra lớn. Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số rất thấp đến phạm vi tần số rất cao. ở phạm vi tần số thấp và trung bình th−ờng dùng khuếch đại thuật to¸n, cßn ë ph¹m vi tÇn sè cao vµ rÊt cao th× dïng transistor l−ìng cực và transistor tr−ờng hoặc các loại diode đặc biệt. Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm: tần số của tín hiệu ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra và hiệu suất. Có thể tạo dao động điều hòa theo 2 nguyên tắc cơ bản sau: -. Tạo dao động bằng bộ khuếch đại có hồi tiếp d−ơng.. -. Tạo dao động bằng ph−ơng pháp tổng hợp mạch.. C¸c m¹ch t¹o xung th−êng ®−îc dïng trong c¸c thiÕt bÞ ®o l−êng, kiÓm tra hoÆc ®−îc dïng trong truyÒn th«ng sè.. 5.2. Nguyên tắc tạo các dao động điện từ Để xét nguyên tắc tạo các dao động điện dùng sơ đồ khối hình 5.1, trong đó khối (1) là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K& = K .e jϕ K và. 127.

(142) khối (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt (hay hệ số hồi tiếp). β& = β .e. jϕ β. .. Vì mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp đều gồm các phần tử điện kháng nên hệ số truyền đạt của chúng là một đại l−ợng phức. ở đây : K là mô-đun của hệ số khuếch đại (độ lớn của hệ số khuếch đại).. ϕ K là độ di pha của bộ khuếch đại (góc lệch pha của tín hiệu ở lối ra so với tín hiệu ở lối vào của bộ khuếch đại).. β là mô-đun của hệ số hồi tiếp (độ lớn của hệ số hồi tiếp). ϕ β là độ di pha của bộ hồi tiếp, là góc lệch pha của tín hiệu ở lối ra vµ lèi vµo cña bé håi tiÕp. Để xác định xem sơ đồ với m¹ch håi tiÕp kÝn cã t¹o ra tÝn hiÖu xoay chiÒu hay kh«ng ta m¾c mét ®iÖn trë RV vµo lèi ra cña m¹ch håi tiÕp cña bé t¹o dao động hở mạch có trị số bằng điện. Hình 5.1. Sơ đồ khối của mạch tạo dao. trở lối vào của mạch khuếch đại.. động theo nguyên tắc hồi tiếp.. §iÖn trë RVht lµ ®iÖn trë lèi vµo cña bé håi tiÕp. Nếu đặt tới lối vào của mạch khuếch đại một tín hiệu X& V và giả thiÕt K& β& = 1 th×:. X& ht = X& r β& = X& V K& .β& = X& V . ở đây X& r là tín hiệu ở lối ra của mạch khuếch đại, X& ht là tín hiệu ở lèi ra cña m¹ch håi tiÕp. Tín hiệu vào của mạch khuếch đại X& V và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp X& ht bằng nhau cả về biên độ và pha nên có thể nối a và a’ với nhau, ngắt tín hiệu đ−a tới lối vào của mạch khuếch đại, tín hiệu ra vẫn không đổi. Lúc này ta có sơ đồ của mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiÕp. Trong sơ đồ này chỉ duy trì dao động mà tần số của nó thỏa m∙n ®iÒu kiÖn sau: 128.

(143) K& β& = 1. (5.1). Vì K& và β& đều là số phức, nên (5.1) có thể viết lại nh− sau: j (ϕ +ϕ ) K& β& = K .β .e K β = 1. (5.2). Cã thÓ t¸ch biÓu thøc (5.2) thµnh hai biÓu thøc: Mét biÓu thøc viÕt theo m«-®un vµ mét biÓu thøc viÕt theo pha.. Kβ = 1 (5.3a). ϕ = ϕ K + ϕ β = 2nπ. víi n = 0, ±1, ±2.... (5.3b). ϕ. là tổng độ dịch pha của mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp.. Quan hệ (5.3a) đ−ợc gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy mạch chỉ có thể tạo ra dao động duy trì khi mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại bù đ−ợc sự tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Quan hệ (5.3b) ®−îc gäi lµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha, cho thấy dao động chỉ có thể phát. +. sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng. −. Ur. R. •. 1 R2. pha víi tÝn hiÖu vµo (håi tiÕp •. d−¬ng).. U1. C. •. M * L. * Uht. R1. §Ó minh häa ta xÐt m¹ch t¹o dao động trên hình 5.2. Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ khuếch. Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi. đại thuận có hệ số khuếch đại: K =1+. tiÕp.. R2 . Vì trở kháng ra của bộ khuếch đại nhỏ, nên trong mạch ra R1. mắc thêm điện trở R để giảm ảnh h−ởng của trở kháng ra đến trở kh¸ng cña khung céng h−ëng LC. Điện áp hồi tiếp về bộ khuếch đại.. U ht =. M U 1 = βU 1 L. M lµ hÖ sè hç c¶m cña c¸c cuén d©y;. (5.4) L lµ ®iÖn c¶m cña khung. dao động. Điện áp ra của bộ khuếch đại:. U r = K .U ht. (5.5). 129.

(144) Để xác định điện áp ra, viết ph−ơng trình dòng điện tại nút 1: U r − U1 dU 1 1 −C − U 1 dt = 0 dt R L. ∫. (5.6). Thay (5.4) và (5.5) vào (5.6) và biến đổi ta đ−ợc (5.7).. d 2U r dt. 2. −. 1 − Kβ dU r 1 + Ur = 0 RC dt LC. (5.7). Để đơn giản, đặt:. α=. 1 − Kβ ; 2 RC. ω o2 =. 1 LC. Khi đó (5.7) đ−ợc viết lại nh− sau:. d 2U r dt. 2. + 2α. dU r + ω o2 .U r = 0 dt. (5.8). NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh vi ph©n (5.8) nh− sau:. U r = U ro e − αt cos ω o2 − α 2 .t. (5.9). Từ nghiệm (5.9) có thể phân biệt ba tr−ờng hợp đặc tr−ng: 1. α > 0 , nghĩa là Kβ < 1 , biên độ điện áp ra giảm dần theo quy luật hàm mũ, mạch có dao động tắt dần. 2. α = 0 , nghÜa lµ Kβ = 1 , ®iÖn ¸p ra lµ ®iÖn ¸p h×nh sin cã tÇn sè. ωo =. 1. và biên độ không đổi.. LC. 3. α < 0 , nghĩa là Kβ > 1 , biên độ điện áp ra tăng dần theo quy luật hµm mò. Từ các tr−ờng hợp trên đây, có thể rút ra kết luận, để có dao động duy trì thì khi mới đóng mạch Kβ phải lớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần cho đến khi bộ khuếch đại chuyển sang làm việc ở trạng thái b∙o hòa, hệ số khuếch đại giảm dần sao cho Κβ = 1. Lúc này dao động ra đ−ợc duy trì nh−ng không phải hình sin. Để có dao động h×nh sin ph¶i ®iÒu chØnh hÖ sè khuÕch đại sao cho Κβ = 1 và xác lập tr−ớc khi bộ khuếch đại chuyển sang tr¹ng th¸i b∙o hßa. Tại các tần số đủ cao, dễ dàng có thể thực hiện các khung dao động có phẩm chất cao. Khi đó điện áp trên khung dao động ngay cả lúc bộ khuếch đại b∙o hòa sâu, trên thực tế vẫn có dao động hình sin. Vì thế trong các sơ đồ tạo dao động cao tần th−ờng không dùng các biện 130.

(145) pháp đặc biệt để điều chỉnh biên độ tín hiệu ra của bộ khuếch đại, còn điện áp ra lấy trực tiếp trên khung dao động.. 5.3. ổn định biên độ vμ tần số dao động 5.3.1. ổn định biên độ dao động Khi mới đóng mạch, có một xung dòng chạy qua các phần tử trong mạch. Phổ của một xung là liên tục có tần số từ không đến vô cùng. Nếu điều kiện cân bằng pha (5.3b) đ−ợc thỏa m∙n tại một tần số nào đó, đồng thời Κβ > 1 thì trong mạch tăng c−ờng dao động ở tần số đó, mạch ở trạng thái quá độ và biên độ dao động tăng dần. Đến trạng thái xác lập hay trạng thái dừng biên độ dao động không đổi ứng với Κβ = 1. Để đảm bảo ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện b»ng c¸c biÖn ph¸p sau: - Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp. Biết rằng biên độ đỉnh đỉnh của điện áp xoay chiều cực đại trên lối ra của mạch khuếch đại luôn nhỏ hơn giá trị điện áp một chiều cung cấp cho tầng khuếch đại đó. - Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại. - Dïng m¹ch håi tiÕp phi tuyÕn hoÆc dïng phÇn tö ®iÒu chØnh, vÝ dô: điện trở nhiệt, điện trở thông thuận của diode để ổn định biên độ. Tïy thuéc vµo m¹ch cô thÓ cã thÓ ¸p dông mét trong nh÷ng biÖn ph¸p trªn. 5.3.2. ổn định tần số độ dao động Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện c©n b»ng pha. Khi độ dịch pha giữa điện áp hồi tiếp về và điện áp lối vào thay đổi, sẽ dẫn đến sự thay đổi tần số dao động. Trong ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha (5.3b), nÕu cho n = 0, ta cã:. ϕ = ϕK + ϕβ = 0. (5.10). Gãc pha ϕ K vµ ϕ β phô thuéc vµo tham sè c¸c phÇn tö cña m¹ch vµ phụ thuộc vào tần số. Do đó có thể viết điều kiện (5.10) một cách tổng qu¸t nh− sau: 131.

(146) ϕ K ( m , ω ) + ϕ β ( n, ω ) = 0. (5.11). Trong đó m và n đặc tr−ng cho tham số của các phần tử trong mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp. Lấy vi phân toàn phần biểu thức (5.11) và biến đổi, ta nhận đ−ợc biểu thøc (5.12) dω =. (∂ϕ K ∂m ).dm + (∂ϕ β ∂n).dn (∂ϕ K ∂ω ) + (∂ϕ β ∂ω ). (5.12). Từ (5.12) có thể suy ra biện pháp để nâng cao độ ổn định tần số của mạch tạo dao động: a) Thực hiện các biện pháp để ổn định tham số của mạch khuếch đại dm vµ tham sè cña m¹ch håi tiÕp dn b»ng c¸ch: - Dïng nguån nu«i mét chiÒu lµ nguån æn ¸p. - Dïng c¸c phÇn tö cã hÖ sè nhiÖt nhá. - Giảm ảnh h−ởng của tải đến mạch dao động bằng cách mắc thêm tầng đệm ở lối ra của mạch tạo dao động. - Dïng c¸c phÇn tö bï nhiÖt. b) Thực hiện các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham sè cña m¹ch, nghÜa lµ gi¶m. ∂ϕ β ∂ϕ K vµ b»ng c¸ch chän m¹ch dao ∂m ∂n. động thích hợp (ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, ghép biến áp ...). c) Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ biến đổi của góc pha theo tÇn sè tøc lµ t¨ng. ∂ϕ β ∂ϕ K vµ xung quanh tần số dao động. Cụ thể là ∂ω ∂ω. sö dông c¸c phÇn tö cã phÈm chÊt cao nh− th¹ch anh vµ sö dông c¸c phần tử tích cực có hệ số khuếch đại cao. Thông th−ờng nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt, thì độ không ổn định tần số t−ơng đối. Δf của bộ tạo dao động điều hòa có fo. thể đạt đ−ợc trong khoảng 10 −2 ữ 10 −3 . Khi dùng các biện pháp ổn định có thể đạt đ−ợc độ không ổn định tần số t−ơng đối tới 10 −4 hoặc nhỏ hơn, trong tr−ờng hợp mạch dao động dùng thạch anh có thể đạt 10 −6 ữ 10 −8 .. 5.4. Bộ tạo dao động sóng cao tần hình sin LC 132.

(147) 5.4.1. Vấn đề ổn định biên độ trong các các bộ tạo dao động cao tÇn LC 1) Chế độ dao động mềm và dao R1. RC. Để ổn định biên độ trong các bộ tạo dao động cao tần LC th−ờng. lµm viÖc cña c¸c phÇn tö tÝch cùc. §iÖn trë RE trªn h×nh (5.3) lµm nhiÖm vụ đó. ë ®©y R1, R2, RE ph©n cùc cho. CP2. •. CP1. dïng ph−¬ng ph¸p di chuyÓn ®iÓm. o + EC. •. động cứng. o. • R2. C1 L. • RE. CE. C2. •. Hình 5.3. Sơ đồ máy phát ba điểm điện dung (Sơ đồ Colpit).. transistor b»ng dßng emitter (tù phân cực). Khi mới đóng mạch, biên độ dao động nhỏ, mạch làm việc với góc cắt θ = 180 o t−ơng ứng chế độ dao động mềm, độ dốc trung bình tại lân cận điểm làm việc khá lớn, do đó. Κβ > 1. Trong quá trình quá độ, biên độ dao động tăng dần, điểm làm việc chuyÓn sang vïng phi tuyÕn, bé khuếch đại chuyển sang làm việc ở chế độ b∙o hòa, ứng với góc cắt. θ < 90 o , t−ơng ứng chế độ dao động cứng. Đồng thời độ dốc trung bình giảm, làm cho hệ số khuếch đại giảm, tích Kβ tiến tới bằng 1 ở chế độ xác. Hình 5.4. Mạch tạo dao động định thiªn tù cÊp RBCB. lập. Cũng có thể dịch chuyển điểm làm việc bằng cách thay đổi định thiªn tù cÊp trªn ®iÖn trë RB cña m¹ch base trªn h×nh 5.4. 2) Hiện t−ợng dao động ngắt quãng NÕu chän RE CE (h×nh 5.3) hoÆc RB CB (h×nh 5.4) qu¸ lín th× ngay khi mạch đang ở trạng thái quá độ điện áp Base-Emitter đ∙ quá âm làm cho transistor ngắt và mất dao động. Sau đó CE phóng điện qua RE (còng nh− vËy, CB phãng ®iÖn qua RB), ®iÖn ¸p base-emitter t¨ng dÇn. Sau một thời gian nào đó mạch dao động trở lại. Quá trình lặp đi lặp lại và trong mạch có dao động ngắt qu∙ng. Ng−ợc lại nếu chọn RE CE (RB CB) quá. 133.

(148) nhỏ thì mạch có dao động tăng dần (Κβ > 1). Vì vậy cần chọn trị số RECE (RB CB) thích hợp lấy để trong mạch luôn luôn có dao động và mạch làm viÖc ë tr¹ng th¸i x¸c lËp khi Κβ = 1. 5.4.2. Mạch tạo dao động cao tần LC ghép hỗ cảm (ghép biến áp - sơ đồ Maisnơ) + EC. + EC. M. M. *. R1. L. w2. R1. * L. C. C. w1 *. * Ur. Ur. C2. C2 R2. UZ. C1. CE. RE. RE. CE. Hình 5.5. Bộ tạo dao động cao tần LC. Hình 5.6. Bộ tạo dao động LC ghép biến. ghÐp biÕn ¸p. áp, dùng diode ổn áp để ổn định điện. (Sơ đồ Maisnơ) phân cực bằng dòng. ¸p mét chiÒu cña base. Emitter.. Đặc điểm của bộ tạo dao động theo sơ đồ Maisnơ là: hồi tiếp đ−ợc thùc hiÖn nhê mét biÕn ¸p. Cuén s¬ cÊp cña nã kÕt hîp víi tô ®iÖn lµm thành một khung dao động quyết định tần số dao động của bộ tạo dao động. Trên hình 5.5 đến 5.7 vẽ ba biến thể của bộ tạo dao động transistor. o+E. C. * L. mắc theo sơ đồ emitter chung. Bộ khuếch. C. *. đại, khuếch đại điện áp lối vào có tần số b»ng tÇn sè céng h−ëng cña khung dao động ω o = 1. LC , trªn cùc Collector cña. RE. CE. transistor, điện áp sẽ có biên độ cực đại và dÞch pha 180o. Mét phÇn ®iÖn ¸p nµy lÊy tõ. H×nh 5.7. Bé t¹o dao. cuộn thứ cấp dùng để hồi tiếp. Để thỏa m∙n. động LC ghép biến áp, hoạt. điều kiện cân bằng pha, biến áp cần bảo đảm. động ở chế độ B.. viÖc quay pha tÝn hiÖu. o. håi tiÕp 180 .. NÕu. cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp cña biÕn ¸p cã cïng chiều cuốn, thì để quay pha, phải đấu các 134.

(149) cuén d©y ng−îc ®Çu nhau, tøc lµ ®iÖn ¸p trên đầu cuối của cuộn thứ cấp đồng pha với điện áp trên collector. DÊu sao (*) ë gÇn cuén d©y biÕn ¸p chØ râ c¸c ®Çu ra cña cuén d©y cã điện áp đồng pha. Hệ số biến áp đ−ợc chọn sao cho tại tần số cộng h−ởng, hệ số khuếch đại vòng Κβ lớn hơn 1. Nhờ đó mà ngay lập tức khi đấu nguồn nuôi sẽ xuất hiện một dao động có biên độ tăng theo hàm mũ cho đến lúc tầng khuếch đại bị quá tải. Do bị quá tải mà hệ số khuếch đại trung bình của tầng khuếch đại bị giảm đi, quá trình giảm tiếp tục cho đến khi trị số Κβ = 1. Lúc đó biên độ dao động đ−ợc xác lập b»ng mét h»ng sè. SÏ ph©n biÖt 2 d¹ng qu¸ t¶i lµ qu¸ t¶i lèi vµo vµ qu¸ t¶i lèi ra. Qu¸ t¶i lèi ra xuÊt hiÖn khi tiÕp gi¸p collector base cña transistor mở. Trong các sơ đồ hình 5.5 và 5.6 xuất hiện khi điện áp trên collector nhá h¬n ®iÖn ¸p trªn base. Với độ sâu hồi tiếp lớn có thể xuất hiện quá tải lối vào. Nó xuất hiện vì các tín hiệu vào lớn bắt đầu đ−ợc tách sóng bởi tiếp giáp base emitter của transistor. Tụ C1 bắt đầu nạp và do đó transistor chỉ đ−ợc më trong nöa chu kú d−¬ng cña ®iÖn ¸p vµo. Trong sơ đồ hình 5.5, nếu bỏ điện trở R2, lúc đó transistor đ−ợc phân cực bằng dòng cố định, ngay cả với biên độ dao động nhỏ, tụ C1 cũng đ−ợc nạp rất nhanh đến điện áp âm, lúc đó transistor bị khóa và chấm dứt dao động. Bộ tạo dao động chỉ đ−ợc kích (dao động) khi điện áp trên base-emitter với hằng số thời gian R1C1 đủ lớn, để tăng đến +0,6V. Khi đó một điện áp răng c−a đ−ợc tạo ra trên tụ C1. Sơ đồ nh− vậy đ−ợc gọi là bộ tạo dao động tự triệt, hay là bộ tạo dao động nghẹt (Blocking). Để tránh hiện t−ợng tự triệt của bộ tạo dao động, tr−ớc hÕt ph¶i gi¶m qu¸ t¶i lèi vµo b»ng c¸ch chän hÖ sè biÕn ¸p thÝch hîp. Ngoµi ra, m¹ch thiªn ¸p mét chiÒu cho base sÏ ®−îc chän cã ®iÖn trë càng nhỏ càng tốt. Trong sơ đồ hình 5.3 nếu bỏ R2, giảm điện trở R1 sẽ làm cho dòng Base lớn do đó không thể thực hiện đ−ợc. Vì thế, hợp lý nhất là định điểm làm việc bằng hồi tiếp âm dòng điện, đối với sơ đồ hình 5.5 có điện trở R2, hoặc nh− các sơ đồ hình 5.6 và 5.7. Để xét điều kiện cân bằng biên độ, tính K và β. Hệ số khuếch đại: K = −SZ c ë ®©y. (5.13). Zc lµ trë kh¸ng cña khung céng h−ëng cña m¹ch collector; 135.

(150) S là độ dốc của đặc tr−ng truyền đạt của transistor. Trong đó:. 1 1 n2 1 = + + Zc Rtd h11e zt. (5.14). Rt® lµ trë kh¸ng cña khung céng h−ëng t¹i tÇn sè céng h−ëng.. R tđ =. L cr. (5.15). L : §iÖn c¶m cña khung céng h−ëng; C : §iÖn dung cña khung céng h−ëng; r : §iÖn trë tæn hao cña khung céng h−ëng; Zt : Trë kh¸ng cña t¶i.. S=. h21e h11e. (5.16). HÖ sè håi tiÕp: u& M β& = − B = − = −n u&C L. (5.17). LËp tÝch Kβ ≥ 1. (5.18). Thay (5.13) ... (5.17) vµo (5.18) nhËn ®−îc:. n 2 − n.h21e + Trong đó Z = Rtd // Z t. h11e ≤0 Z. (5.19). Cho vÕ ph¶i cña biÓu thøc b»ng kh«ng, gi¶i ph−¬ng tr×nh ta ®−îc: 2. n 1, 2 =. h 21e h ⎛h ⎞ ± ⎜ 21e ⎟ − 11e 2 2 2 ⎝ ⎠. (5.20). §¹o hµm (5.19) vµ xÐt dÊu, ta thÊy (5.19) ≤ 0. Khi. n2 ≤ n ≤ n1. (5.21). VËy nÕu hÖ sè håi tiÕp n tháa m∙n ®iÒu kiÖn (5.21) trong m¹ch cã dao động. Mạch có dao động hình sin (ở trạng thái xác lập) tại n1 , hoặc n2. Xác định trị số các linh kiện qua hệ số hồi tiếp n theo (5.17) và qua tần số dao động của mạch: f dđ ≈ f ch =. 5.4.3.. 1 2π LC. (5.22). Bộ dao động ba điểm (Máy phát ba điểm). Còng nh− m¸y ph¸t ghÐp hç c¶m, m¸y ph¸t ba ®iÓm còng gåm mét tầng khuếch đại cộng 136.

(151) h−ëng vµ m¹ch håi tiÕp d−¬ng. Sù kh¸c nhau chØ ë m¹ch håi tiÕp. §èi víi m¸y ph¸t ghÐp hç c¶m, m¹ch håi tiÕp d−¬ng ®−îc thùc hiÖn bëi m¹ch hç cảm, còn các sơ đồ máy phát ba điểm mạch hồi tiếp d−ơng đ−ợc thực hiÖn b»ng ®iÖn c¶m hoÆc ®iÖn dung. Khái niệm ba điểm ở đây, đối với sơ đồ dùng transistor là ở điểm nối các cực emitter E, base B, collector C vào mạch, còn đối với transistor tr−êng lµ ba ®iÓm nèi cöa cùc nguån S, cùc m¸ng D, cùc cöa G vµo m¹ch. Trong thực tế các sơ đồ máy phát ba điểm đ−ợc sử dụng nhiều hơn, nhất lµ vïng tÇn sè rÊt cao, v× linh kiÖn Ýt, dÔ l¾p r¸p v.v... 1) Nguyªn t¾c thiÕt lËp m¹ch ba ®iÓm Các mạch tạo dao động LC nói chung đều có thể đ−a về một kết cấu chung theo hình 5.8.a. Trong đó K1 là một bộ khuếch đại có thể dùng transistor, transistor tr−ờng, khuếch đại thuật toán v.v... Bộ khuếch đại này có thể biểu diễn theo sơ đồ t−ơng đ−ơng (hình 5.8.b). Trong đó Ud là điện áp vào, K1 là hệ số khuếch đại khi ch−a có hồi tiếp, rr là điện trở ra của tầng khuếch đại. Theo h×nh 5.8.a ta cã:. −. HÖ sè håi tiÕp:. β& =. K1 +. Z1 Z1 + Z 3. C. o Z3. (5.23). •B. Z t = Z 2 //( Z1 + Z 3 ). Z2. o C. rr. K1U d. Z1. Hệ số khuếch đại khi có tải:. u& Zt K& = r = − K1 u& d rr + Z t. Ur. (a). E. (b). (5.24) Hình 5.8. Sơ đồ tổng quát mạch tạo dao. (5.25) động ba điểm (a), sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ. LËp tÝch K& β& vµ thay (5.23) .... khuếch đại K1 (b).. (5.25) vµo ta cã:. K& β& = − K1. Z 2 Z1 rr ( Z1 + Z 2 + Z 3 ) + Z 2 ( Z1 + Z 3 ). (5.26). Trong chế độ dao động giả thiết trở kháng Z1, Z2, Z3 là thuần kháng.. Z 1 = jX 1 ;. Z 2 = jX 2 ;. Z 3 = jX 3. Thay vµo (5.26) ta cã:. Kβ = − K 1. X 2 X1 rr ( X 1 + X 2 + X 3 ) + X 2 ( X 1 + X 3 ). (5.27). 137.

(152) Khung dao động gồm các phần tử X1, X2, X3. Th−ờng tần số dao động gần bằng tần số cộng h−ởng riêng của khung, nên tại tần số dao động phÇn ¶o cña trë kh¸ng b»ng kh«ng:. X1 + X 2 + X 3 = 0. (5.28). Do đó từ (5.27) suy ra:. Kβ = − K 1. X1 X1 + X3. (5.29). Tõ (5.28) suy ra:. X1 + X 3 = − X 2 Do đó từ (5.29) suy ra:. Kβ = K 1. X1 X2. (5.30). Từ điều kiện cân bằng pha, để có hồi tiếp d−ơng, tổng di pha do mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp gây ra phải bằng không, tức là Kβ > 0 . Do đó từ (5.30) suy ra: X 1 X 2 > 0 và X3 phải nhỏ hơn không, hay nói cách khác là X3 trái dấu với X1, X2. Từ đó suy ra: - M¹ch ba ®iÓm ®iÖn c¶m:. X 1 X 2 > 0 vµ X 3 < 0. (5.31). (trong đó X1, X2 là điện cảm và X3 là điện dung). - M¹ch ba ®iÓm ®iÖn dung:. X 1 X 2 < 0 vµ X 3 > 0. (5.32). (trong đó X1, X2 là điện dung và X3 là điện cảm). 2) M¹ch ba ®iÓm ®iÖn c¶m (m¹ch Harley) Mạch tạo dao động ba điểm điện cảm, cũng t−ơng tự nh− mạch dao động ghép hỗ cảm. Nó chỉ khác ở chỗ biến áp đ−ợc thay đổi bằng cuộn cảm có đầu ra phụ. Cuộn cảm cùng tụ điện mắc song song với nó quyết định tần số dao động của bộ tạo dao động. Hình 5.9.a trình bày sơ đồ mạch tạo dao động ba điểm điện cảm dùng transistor m¾c theo kiÓu emitter chung. §iÖn ¸p håi tiÕp lÊy trªn cuén L1 qua tô C1 ®−a vÒ base cña transistor ng−îc pha víi ®iÖn ¸p trªn collector chÝnh lµ ®iÖn ¸p trªn cuén L2, nh− vËy m¹ch tháa m∙n ®iÒu kiện cân bằng pha. Hình 5.9.b trình bày sơ đồ mạch tạo dao động ba điểm. 138.

(153) ®iÖn c¶m dïng transistor m¾c theo kiÓu base chung. §iÖn ¸p håi tiÕp lÊy trªn L1 qua tô C, ®−a vÒ emitter cïng pha víi ®iÖn ¸p trªn collector lÊy trªn L1 vµ L2. Nh− vËy m¹ch tháa m∙n ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha. B R1 C1. w1. L1. w2. E L2. •. o + EC. L1 C. •. •. R1. E. U t®. C. L2. C1. o Ur. U t®. • •. C2. •. •. R2. C2. RE. CE. RE. o + EC. B•. C. C. •. •. R2. •. •. (a). (b). Hình 5.9. Mạch ba điểm điện cảm (mạch Harlay): sơ đồ emitter chung (a), sơ đồ base chung (b).. Xét theo điều kiện (5.31), các sơ đồ hình 5.9, X1 là điện kháng giữa base vµ emitter, X2 lµ ®iÖn kh¸ng gi÷a collector vµ emitter mang tÝnh ®iÖn c¶m, cßn X3 lµ ®iÖn kh¸ng gi÷a collector vµ base mang tÝnh ®iÖn dung. Do đó mạch thỏa m∙n điều kiện cân bằng pha. Xét điều kiện cân bằng biên độ (5.3a). Ta tính cho mạch hình 5.9.a: U& L β& = − B = − 1 = −n (5.33) L2 U& C Vµ. h K& = − SZ C = − 21e h11e. h11e ⎤ ⎡ 2 ⎢ P Rth // n 2 ⎥ ⎣ ⎦. (5.34). Trong đó P là hệ số ghép giữa transistor và mạch. P=. U CE L2 = U tđ L1 + L 2. (5.35). Thay (5.33) ... (5.35) vµo (5.3a) ta ®−îc:. (1 + n ) 2 h 11e + n 2 R tđ − nR tđ h 21e ≤ 0. (5.36). Nh− vËy (5.36) hoµn toµn trïng hîp víi (5.19) nªn c¸c kÕt qu¶ (5.20), (5.21) đều đúng trong tr−ờng hợp này. Tần số dao động của mạch đ−ợc xác định theo (5.37):. f dđ ≈ f ch =. 1 2 π ( L 1 + L 2 )C. (5.37). 139.

(154) Trong tr−ờng hợp dùng mạch base chung nh− hình 5.9.b để tạo dao động tần số cao, cũng cho những kết quả nh− vậy, nh−ng trong các biÓu thøc trªn ph¶i thay h11e vµ h21e bëi h11b vµ h21b , vµ hÖ số hồi tiếp β đ−ợc xác định theo (5.38), và hệ số ghép giữa transistor và m¹ch theo (5.39). U&. L. 1 β& = − & BE = − =n L1 + L2 U CB. P=. & U CB =1 & U tđ. (5.38). (5.39). 3) M¹ch ba ®iÓm ®iÖn dung (m¹ch colpits) Mạch ba điểm điện dung mắc theo sơ đồ emitter chung nh− trên hình 5.10.a. Còn mắc theo sơ đồ base chung nh− trên hình 5.10.b.. (b). (a). Hinh 5.10. Mạch ba điểm điện dung mắc theo sơ đồ emitter chung (a),và sơ đồ base chung (b). X 1 = X BE = −. 1 <0 ωC 2. X 2 = X CE = −. 1 <0 ωC1. X 3 = X CB = ωL > 0 . Nh− vËy m¹ch tháa m∙n ®iÒu kiÖn c©n b»ng pha. Đối với sơ đồ hình 5.10.a, hệ số hồi tiếp:. U&. C. β& = − & BE = − 2 C1 U CE. (5.40). Đối với sơ đồ hình 5.10.b, hệ số hồi tiếp:. U&. C. 2 β& = − & BE = − C1 + C 2 U CE. 140. (5.41).

(155) Đặc điểm của sơ đồ ba điểm điện dung là dùng điện dung để phân áp. Tần số dao động của mạch đ−ợc xác định theo (5.42). f dđ ≈ f ch =. 1. (5.42). C1 C 2 2π .L C1 + C 2. 4) Bộ tạo dao động LC ghép emitter Sơ đồ bộ tạo dao động LC ghép emitter đơn giản nhất trình bày ở hình 5.11, thực hiện trên cơ sở một tầng khuếch đại vi sai. Vì điện áp trên base của transistor T1 đồng pha. víi. ®iÖn. ¸p. trªn. collect¬. cña. Hình 5.11. Bộ tạo dao động. transistor T2, nên hồi tiếp xuất hiện khi đấu. LC ghÐp emitter. chóng trùc tiÕp lµ håi tiÕp d−¬ng. Bộ khuếch đại dùng để xây dựng nên bộ dao động ghép emitter và tầng cuối với biên độ tín hiệu ra điều chỉnh đ−ợc đ∙ đ−ợc h∙ng Motorola chÕ t¹o d−íi d¹ng vi m¹ch ký hiÖu MC - 1648, nã cã thÓ tạo ra tín hiệu có tần số đến 200MHz. 5.4.4. Các mạch tạo dao động dùng thạch anh 1) TÝnh chÊt vµ m¹ch t−¬ng ®−¬ng cña th¹ch anh Trong nhiều tr−ờng hợp, độ ổn định tần số của bộ dao động LC dùng các biện pháp ổn định nh− đ∙ trình bày trong mục 5.3.2 là không đủ. Độ ổn định tần số phụ thuộc vào nhiệt độ, hệ số điện cảm và điện dung. Để đạt độ ổn định tần số cao hơn th−ờng dùng thạch anh để ổn định tần số. Thạch anh có những tính chất vật lý rất đáng quý nh− độ bền cơ học cao, ít chịu tác động của nhiệt độ, độ ẩm và tác dụng hóa học. Th¹ch anh cã tÝnh chÊt ¸p ®iÖn, nghÜa lµ d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−ờng thì sinh ra dao động cơ học và ng−ợc lại khi có dao động cơ học thì sinh ra điện tích, do đó có thể dùng thạch anh nh− một khung cộng h−ởng. Ký hiệu thạch anh trên hình 5.12.a; sơ đồ t−ơng đ−ơng của thạch anh về điện hình 5.12.b, trong đó Lq, Cq, rq phụ thuộc vào kích th−íc vµ c¸ch c¾t khèi th¹ch anh.. 141.

(156) Th¹ch anh cã kÝch th−íc cµng nhá th× Lq, Cq vµ rq cµng nhá vµ tÇn sè céng. oA. oA. h−ởng càng cao, Lq, Cq, rq có tính ổn định. Lq. cao, còn Cp là điện dung của giá đỡ có độ. Cp. ổn định kém hơn.. Cq. Sau ®©y lµ c¸c gi¸ trÞ ®iÓn h×nh cña các tham số trong sơ đồ t−ơng đ−ơng đối víi mét th¹ch anh 4MHz:. rq. oB (a). oB (b). Lq = 100mH ,. rq = 100Ω. H×nh 5.12. Ký hiÖu th¹ch anh. C q = 0,015 pF ,. C p = 5pF. (a), sơ đồ t−ơng đ−ơng về điện cña th¹ch anh (b).. §é phÈm chÊt Q = 25.000 V× gi¸ trÞ cña rq rÊt nhá, nªn trong tÝnh to¸n cã thÓ bá qua. Trë kh¸ng t−¬ng đ−ơng của thạch anh lúc đó là điện kháng t−ơng đ−ơng đ−ợc xác định theo (5.43). 1 1 ) jωC q jωC p ω 2 Lq C q − 1 = j Zq = X q = 1 1 ω (C p + C q − ω 2 Lq C q C p ) + jωLq + jω C q jωC p ( jωLq +. (5.43). Tõ (5.43) suy ra th¹ch anh cã hai tÇn sè céng h−ëng: Mét tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp f q øng víi Z q = 0 vµ mét tÇn sè céng h−ëng song song f p øng víi Z q = ∞ . Tõ (5.43) suy ra:. fq =. 1 2π Lq C q. fp =. 1 2π. C p + Cq Lq C p C q. (5.44). = fq 1+. Cq Cp. (5.45). §iÖn dung Cp cµng lín so víi Cq th× tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp f q càng gần với tần số cộng h−ởng song song f p . Từ biểu thức (5.43) và đặc tÝnh ®iÖn kh¸ng cña th¹ch anh h×nh 5.13, th¹ch anh xuÊt hiÖn 3 miÒn cã tÝnh chÊt ®iÖn kh¸ng lÇn l−ît lµ: ë vïng tÇn sè f < f q th¹ch anh t−¬ng 142.

(157) ®−¬ng nh− mét dung kh¸ng, ë vïng tÇn sè f q < f < f p th¹ch anh t−¬ng ®−¬ng nh− mét c¶m kh¸ng, ë vïng tÇn sè f > f p th¹ch anh t−¬ng ®−¬ng nh− mét dung kh¸ng. Hai tÇn sè f q vµ f p cña th¹ch. Xt®. anh rÊt gÇn nhau chØ c¸ch nhau vµi chôc kHz. Th−êng s¶n xuÊt c¸c thạch anh với tần số f q = 1kHz đến. 0. fq. f. fp. hµng tr¨m MHz. C¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n vÒ ®iÖn. Zt®. cña th¹ch anh. • §é phÈm chÊt cao: Q = 10 4 ÷ 10 5 . •. Tû sè L q C q rÊt lín nªn trë. kh¸ng t−¬ng ®−¬ng cña th¹ch anh. 0 fq. H×nh 5.13. §Æc tÝnh ®iÖn kh¸ng. R t .a = Lq Cq rq rÊt lín. •. f. fp. cña th¹ch anh. Với khung dao động dùng. thạch anh có thể đạt đ−ợc độ không ổn định tần số t−ơng đối:. Δf = 10 −6 ÷ 10 −10 fo Để thay đổi tần số cộng h−ởng cña bé céng h−ëng th¹ch anh trong ph¹m vi hÑp, nh− m« t¶ ë h×nh 5.14 ng−êi ta m¾c nèi tiÕp víi th¹ch. Hình 5.14. Một biện pháp để thay đổi tÇn sè. anh một tụ biến đổi CS. Lóc nµy trë kh¸ng t−¬ng ®−¬ng. céng h−ëng cña th¹ch anh.. cña m¹ch:. Z q' =. 2 1 C q + C p + C S − ω Lq C q (C p + C S ) j ωC S C p + C q − ω 2 Lq C q C p. (5.46). Do đó tần số cộng h−ởng nối tiếp của mạch:. f q' = f q 1 +. Cq C p + CS. (5.47). 143.

(158) Ngoài ra vì CP ổn định kém, để giảm ảnh h−ởng của CP ng−ời ta mắc một tụ Co song song với CP , lúc đó trở kháng t−ơng đ−ơng của mạch:. Zq = j. ω 2 L q Cq − 1. (5.48). ω [C p + Co + Cq − ω 2 Lq Cq (C p + Co )]. Khi đó tần số cộng h−ởng song song:. f p = fq 1 +. Cq. (5.49). Co + C p. Khi Co >> Cq th× f p ≈ f q Do m¾c thªm tô Co nªn tÇn sè céng h−ëng song song f p gi¶m xuèng gÇn b»ng tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp f q vµ f p hÇu nh− kh«ng phô thuéc vào CP và Co. Nh−ng cũng vì vậy mà độ phẩm chất của mạch Q = 1 L r C gi¶m, v× C t¨ng. 2) Bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng nối tiếp Có thể ổn định tần số cộng h−ởng của bộ tạo dao động LC, nếu trong mạch hồi tiếp dùng bộ cộng h−ởng thạch anh. Để đảm bảo yêu cÇu vÒ tÇn sè, th¹ch anh m¾c nèi tiÕp víi CS , ë tÇn sè céng h−ëng nèi tiếp của thạch anh, tín hiệu hồi tiếp là lớn nhất. Khi đó thiết kế để điện trở mạch ngoài (đấu nối tiếp trong mạch hồi tiếp) nhỏ hơn điện trở tổn hao cña th¹ch anh cµng nhiÒu cµng tèt. NÕu kh«ng lµm ®−îc ®iÒu nµy, thì độ phẩm chất của thạch anh giảm, và khi độ phẩm chất càng giảm thì độ dốc của đặc tính pha ở gần tần số cộng h−ởng của thạch anh càng nhỏ. Lúc đó dịch pha ký sinh sẽ ảnh h−ởng nhiều đến tần số céng h−ëng.. (a). 144. (b).

(159) Hình 5.15. Bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng nối tiÕp: 3 ®iÓm ®iÖn c¶m (a) vµ 3 ®iÓm ®iÖn dung (b).. DÔ dµng thùc hiÖn ®−îc ®iÒu kiÖn ®iÖn trë nèi tiÕp nhá trong m¹ch cộng h−ởng thạch anh, nếu bộ tạo dao động LC đ−ợc xây dựng trên các transistor mắc theo sơ đồ base chung đ−ợc mô tả trên hình 5.15. Các sơ đồ mô tả trên hình 5.15 là bộ tạo dao động có khung cộng h−ởng LC. Để cho dao động xuất hiện phải điều chỉnh tần số cộng h−ởng của khung céng h−ëng LC ë tÇn sè cña bé céng h−ëng th¹ch anh. TÇn sè céng h−ởng của khung dao động có thể chọn bằng bội số nguyên tần số cộng h−ởng của thạch anh, và bộ dao động đ−ợc kích thích tại hài bội t−ơng ứng. Ph−ơng pháp này rất thuận lợi dùng để tạo các tần số lớn h¬n 10MHz. Khi sö dông th¹ch anh ë tÇn sè céng h−ëng c¬ b¶n cña nã th× cã thÓ bỏ không dùng khung dao động phụ. Trên hình 5.16 trình bày sơ đồ t−ơng ứng dùng để kích cộng h−ởng nối tiếp của thạch anh. Để không làm giảm độ phẩm chất của thạch anh, sơ đồ kích thích phải có điện trở đủ nhỏ. Muốn thế ng−ời ta dùng bộ lặp lại emitter của transistor T1. Dòng chạy qua bộ cộng h−ởng thạch anh, đ−ợc khuếch đại bởi một g−¬ng dßng ®iÖn trªn transistor T2 vµ diode D1. T¹i tÇn sè céng h−ëng nối tiếp, trị số của dòng này đạt cực đại. Hệ số khuếch đại dòng đ−ợc chọn sao cho tại tần số này thỏa m∙n điều kiện tự kích của sơ đồ. Điện trở R3 đ−ợc chọn nhỏ để điện áp xoay chiều trên bộ cộng h−ởng thạch anh không v−ợt quá 10 mV. Khi đó công suất tiêu thụ trên thạch anh nhỏ đến mức nó không ảnh h−ởng đến độ ổn định của tần số cộng h−ëng. Thay cho ®iÖn trë R3 , tèt h¬n c¶ lµ chän mét phÇn tö ®iÒu khiÓn ®−îc vÒ mÆt ®iÖn, ch¼ng h¹n nh− transistor tr−ờng. Khi đó trị số điện trở kênh của transistor tr−ờng đ−ợc xác lập bằng một sơ đồ điều khiển tự động biên độ tín hiệu. Giải pháp này đảm bảo sự kích thích tin cậy cho bộ cộng h−ởng thạch anh, và đảm bảo độ méo nhỏ cho điện áp hình sin của sơ đồ.. 145.

(160) Sơ đồ hình 5.16 cũng có thể bảo đảm đ−ợc khả năng kÝch thÝch cho m¹ch céng h−ëng ë c¸c sãng hµi béi. Muèn thÕ tô C1 sÏ ®−îc thay thế bởi một khung dao động, ®iÒu chØnh t¹i tÇn sè t−¬ng ứng. Sơ đồ bộ dao động có phần tử điều chỉnh biên độ ®iÖn ¸p trªn bé céng h−ëng th¹ch anh ®ang xÐt ®∙ ®−îc. Hình 5.16. Bộ tạo dao động dùng thạch anh. H∙ng Plessey chÕ t¹o d−íi. víi tÇn sè céng h−ëng nèi tiÕp kh«ng cã. d¹ng vi m¹ch víi ký hiÖu SL-. khung dao động LC.. 680C. Vi m¹ch nµy cho phÐp nhËn ®−îc ®iÖn ¸p ra cã tÇn số đến 150MHz. Độ không ổn định tần số t−ơng đối trong sơ đồ này vào khoảng 10−9 đến 10−7 . 3) Bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng song song M¹ch ®iÖn trªn h×nh 5.17.a lµ mét d¹ng m¹ch ®iÖn ba ®iÓm ®iÖn dung. Nh¸nh cã th¹ch anh m¾c nèi tiÕp víi tô CS t−¬ng ®−¬ng nh− mét ®iÖn cảm, nghĩa là tần số dao động của mạch phải thỏa m∙n điều kiện (5.50) vµ tô CS ph¶i tháa m∙n ®iÒu kiÖn (5.51). f q < f dđ < f p. (5.50). 1 < ω dđ L td ω dđ C S. (5.51). Trong đó, Lt là điện cảm t−ơng đ−ơng của thạch anh. Để giảm ảnh h−ởng của điện dung ra, điện dung vào đến tần số dao động của mạch:. C1 , C 2 >> C S Tần số dao động của mạch có thể xác định gần đúng nh− sau:. 146. (5.52).

(161) f dđ ≈ f p. (5.53). Với sơ đồ hình 5.17.b cũng là mạch điện ba điểm điện dung, nhánh có th¹ch anh m¾c nèi tiÕp víi tô CS t−¬ng ®−¬ng nh− mét ®iÖn c¶m, ®iÖn dung giữa base và emitter của transistor và tụ biến đổi C2 tạo thành mạch hồi tiếp. Giá trị của C2 thay đổi, làm thay đổi hệ số hồi tiếp. Các mạch tạo dao động dùng thạch anh hình 5.17 đều sử dụng tần số céng h−ëng song song. Điều kiện biên độ đ−ợc xét nh− mạch ba điểm điện dung thông th−êng.. (a). (b). Hình 5.17. Bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng h−ởng song song.. 5.5. Bộ tạo dao động RC 5.5.1. Khái quát chung của các bộ tạo dao động RC. Để tạo ra các dao động tần số thấp (có tần số từ 10 Hz đến 30 kHz), việc sử dụng bộ dao động LC là bất cập, vì cần trị số của L, C rất lớn. Cấu tạo của bộ dao động cồng kềnh và giá thành đắt. Hơn nữa khi L, C lớn thì điện trở tổn hao cũng lớn, do đó độ phẩm chất Q của mạch rất nhỏ và độ ổn định tần số thấp. Vì vậy bộ tạo dao động RC th−ờng đ−ợc dùng ở phạm vi tần số thấp thay cho các bộ tạo dao động LC. Trong các bộ tạo dao động RC không có cuộn cảm, do đó có thể chế tạo nó thuận tiÖn d−íi d¹ng vi m¹ch. Với cùng một điện dung biến đổi, có thể điều chỉnh đ−ợc tần số dao động của bộ tạo dao động RC trong phạm vi rộng hơn so với bộ tạo dao động LC. Vì trong bộ tạo dao động RC tần số dao động tỉ lệ với 1 C , còn trong bộ tạo dao động LC, tần số tỉ lệ với 1. C.. 147.

(162) Mạch hồi tiếp của bộ tạo dao động RC chỉ bao gồm các phần tử RC, nghÜa lµ nã kh«ng cã tÝnh céng h−ëng t¹i tÇn sè c¬ b¶n nh− trong c¸c bộ tạo dao động LC, vì vậy để giảm méo phi tuyến, yêu cầu bộ khuếch đại làm việc ở chế độ A. 5.5.2. Bộ tạo dao động RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp. Đối với bộ tạo dao động RC gồm một tầng khuếch đại dùng transistor mắc theo sơ đồ emitter chung, điện áp ở lối ra lệch pha so với điện áp ở lối vào 180o. Do đó để thỏa m∙n điều kiện cân bằng pha, m¹ch håi tiÕp ph¶i t¹o ra mét gãc di pha 180o (m¹ch nhanh pha) hoÆc. −180o (m¹ch chËm pha). Nh− ®∙ biÕt trong c¸c phÇn trªn, m¹ch RC lèi ra trên R có hàm truyền đạt đ−ợc xác định nh− sau:. R. K& =. 1 jωC. R+ (5.54a) Gãc lÖch pha:. ϕ = arctg. 1. ωRC. (5.54b) Theo (5.54b) mét m¹ch RC lèi ra trªn R chØ cã thÓ t¹o ra mét gãc di pha. ϕ < 90o khi. R và C khác không. Vì vậy muốn đảm bảo điều kiện cân. b»ng pha m¹ch håi tiÕp ph¶i cã tèi thiÓu ba m¾t läc RC lèi ra trªn R m¾c nèi tiÕp nhau, mçi m¾t läc thùc hiÖn mét gãc di pha b»ng 60o. NÕu dïng bèn m¾t läc th× mçi m¾t läc thùc hiÖn mét gãc di pha b»ng 45o. Có thể dùng các mắt lọc RC có trị số khác nhau, nh−ng để đơn giản th−êng chän cã trÞ sè b»ng nhau. Trªn h×nh 5.18.a tr×nh bµy bé t¹o dao động RC dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp, các linh kiện thỏa m∙n ®iÒu kiÖn (5.55).. R1 // R2 // rBo = R. 148. (5.55).

(163) C o. 1 •. U& C = U& V R o. (a). C. 2 •. 3 •. •. o U& B = u& r. R. R •. C. •. o. (b). Hình 5.18. Mạch tạo dao động dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp (a); M¹ch håi tiÕp dïng ba m¾t läc RC (b).. Để tính hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp, viết ph−ơng trình dòng điện cho nút 1, 2, 3 hình 5.18.b, rồi dùng ph−ơng pháp thế để giải, ta xác định đ−ợc:. β& =. U& B 1 = 2 & U C 1 − 5α − jα (6 − α 2 ). (5.56a) Trong đó α =. 1 ωRC. Từ đó suy ra độ lớn của hệ số hồi tiếp:. 1. β=. (1 − 5α ) + α 2 (6 − α 2 ) 2 2 2. (5.56b) Vµ gãc pha cña m¹ch håi tiÕp:. α (6 − α 2 ) 1 − 5α 2 Víi m¹ch di pha nµy, ϕ β = π khi α 2 = 6 ϕ β = arctg. (5.57). Do đó:. ωdđ =. 1 6 .RC. (5.58). Thay α 2 = 6 vào (5.56b) xác định đ−ợc giá trị hồi tiếp tại tần số dao động:. β=. 1 29. (5.59). Nh− vậy theo điều kiện cân bằng biên độ (5.3a), hệ số khuếch đại của tÇng K ≥ 29 . Bằng cách t−ơng tự, tính đ−ợc tần số dao động và hệ số truyền đạt đối với mạch hồi tiếp gồm 4 149.

(164) m¾t läc RC nh− sau:. ϕβ = π. khi ωdđ =. 1 10 .RC 7. β=. vµ. 1 18,4. Ng−ời ta thấy rằng số mắt lọc của mạch hồi tiếp càng tăng thì đạo hµm. ∂ϕ β ∂ω. càng lớn, do đó càng thuận lợi đối với yêu cầu về độ ổn định. tÇn sè. Trong sơ đồ hình 5.18, mạch hồi tiếp dùng mạch lọc thông cao (mạch nhanh pha), thùc tÕ cã thÓ dïng m¹ch håi tiÕp dïng m¹ch läc th«ng thÊp (m¹ch chËm pha) h×nh 5.19.. o. U& V o. R. 1 •. R. 2 • C. C. R. 3 •. U& r. C •. •. o. •. o. (b). (a). Hình 5.19. Bộ tạo dao động RC dùng mạch chậm pha (trễ pha) trong mạch hồi tiÕp (a); m¹ch håi tiÕp dïng m¹ch th«ng thÊp, trÔ pha (b).. §èi víi m¹ch håi tiÕp dïng 3 m¾t läc th«ng thÊp RC, cã thÓ tÝnh ®−îc:. ϕβ = −π. khi ω dđ =. 6 RC. và tại tần số dao động β =. Víi bèn m¾t läc th«ng thÊp RC th× ϕ β = − π khi ωdđ = dao động β =. 10 7 RC. 1 . 29. vµ t¹i tÇn sè. 1 . 18,4. 5.5.3. Bộ tạo dao động dùng mạch lọc cầu chữ T vμ T-kép trong m¹ch håi tiÕp M¹ch läc T vµ T-kÐp ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 5.20.. 150.

(165) R o. (a). C. 2 o. 1 • C. U& V. U& r •. (b). o. U& V o. 3. o. 1 •. R. R. o. •. o. C. C. 2. R. R 2. 2C •. •. U& r o. H×nh 5.20. M¹ch läc cÇu ch÷ T (a); vµ ch÷ T-kÐp (b).. Với mạch lọc T viết ph−ơng trình dòng điện cho nút 1 và nút 2, từ đó xác định đ−ợc hệ số truyền đạt: U& α 2 − 1 + j 2α β& = r = 2 U& V α − 1 + j 3α Trong đó α =. (5.60). 1 ωRC. Vậy độ lớn của hệ số truyền đạt và góc pha:. β=. (α 2 − 1) 2 + 4α 2 (α 2 − 1) 2 + 9α 2. (5.61a). ϕ β = arctg. α (1 − α 2 ) (α − 1) 2 + 6α 2 2. (5.61b) VËy ϕ β = 0. khi α = 1. tøc ωdđ =. 1 RC. Thay α = 1 vào (5.61a) đ−ợc hệ số truyền đạt có giá trị nhỏ nhất. β = β min =. 2 3. (5.61c) Với mạch lọc T-kép, để tính hệ số truyền đạt, viết ph−ơng trình dßng ®iÖn cho nót 1, 2 vµ 3: Nót 1: Nót 2: Nót 3: §Æt α =. u& V − u1 u& r − u&1 + − u1 .2 jωC = 0 . R R 2u& (u& V − u& 2 ). jωC + (u& r − u& 2 ) jωC − 2 = 0 . R u&1 − u& r (u& 2 − u& r ) jωC + =0. R. 1 , khö u&1 , u& 2 ta ®−îc hÖ sè truyÒn: ωRC 151.

(166) β& =. U& r α2 −1 = 2 U& V (α − 1) + j 4α. (5.62). §é lín cña hÖ sè truyÒn:. β=. α 2 −1 (α 2 − 1) 2 + 16α 2. (5.63a) vµ gãc pha:. ϕ β = arctg. − 4α 4α = arctg 2 α −1 1−α 2. (5.63b) Khi α = 1 th×. ω dđ =. π 1 vµ ϕ β = ± 2 RC. Thay α = 1 vào (5.63a) ta đ−ợc hệ số truyền đạt nhận giá trị nhỏ nhÊt:. β = β min = 0 (5.63c) Trong mạch lọc T-kép , với α = 1 , ωdđ = 1/ RC hệ số truyền đạt, đạt giá trÞ tèi thiÓu β = 0 , vµ gãc pha ϕ β = 0 . §©y lµ tr−êng hîp m¹ch cÇu kÐp ch÷ T lÖch c©n b»ng hay đ−ợc dùng trong bộ tạo dao động. Ta thấy tại tần số ωdđ = 1/ RC , ( α = 1 ) hệ số truyền đạt cả hai mạch trên đạt cực tiểu. Vì vậy các mạch T và mạch lọc T-kép phải đ−ợc mắc vào bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn, và chỉ mắc trong nhánh hồi tiếp âm của bộ khuếch đại làm nhiệm vụ chọn lọc tần số. Để mạch có thể tạo đ−ợc dao động ổn định trong bộ khuếch đại phải có thêm một nhánh hồi tiếp d−ơng không phụ thuộc vào tần số, sao cho mạch chỉ tạo dao động có tần số mà hệ số hồi tiếp ©m qua m¹ch T vµ T-kÐp nhá nhÊt, tøc lµ khi ω = ωdđ = 1/ RC. Trªn h×nh 5.21 trình bày mạch dao động dùng bộ khuếch đại thuật toán có mạch T trong m¹ch håi tiÕp ©m.. 152.

(167) Theo h×nh 5.21, m¹ch håi tiÕp d−¬ng gåm R1, R2. M¹ch håi tiÕp ©m lµ m¹ch T. T¹i tÇn sè ω = ωdđ = 1/ RC th× hÖ sè håi tiÕp ©m β − =. 2 . Do bé 3. khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại Ko rất lớn, nên để có. Hình 5.21. Mạch tạo dao động dùng bộ. dao động ổn định hệ số hồi tiếp. K§TT. d−¬ng β + ≥ β − .. cã m¹ch T trong m¹ch håi tiÕp ©m.. HÖ sè håi tiÕp d−¬ng:. β+ =. R2 2 ≥ R1 + R2 3. (5.64). Từ đó suy ra điều kiện (5.65) là điều kiện cân bằng biên độ:. R2 ≥ 2 R1. (5.65). T−ơng tự nh− vậy có thể thay mạch T trong hình 5.21 bằng mạch Tkép và tính điều kiện cân bằng biên độ của mạch. Bộ tạo dao động RC dùng mạch T-kép có độ ổn định tần số cao hơn dïng m¹ch T. 5.5.4.. Bộ tạo dao động RC dùng mạch cầu Viên trong mạch hồi. tiÕp. M¹ch cÇu Viªn ®−îc t¹o nªn bëi m¹ch U& V. Hệ số truyền đạt của mạch: β& =. U& r = U& V. 1 R1 C2 1 1+ + + j (ωR 1 C 2 − ) R 2 C1 ωR 2 C 1. R1. o. läc th«ng d¶i cã d¹ng nh− trªn h×nh 5.22.. •. C1. •. o U& r. R2. C2. o. (5.66). •. •. o. H×nh 5.22. M¹ch läc th«ng d¶i.. Từ (5.66) xác định đ−ợc độ lớn của hệ số truyền đạt: β=. 1 2. ⎛ R C ⎞ ⎛ 1 ⎞ ⎜ 1 + 1 + 2 ⎟ + ⎜ ωR 1 C 2 − ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ R C ω R 2 1 ⎠ 2 C1 ⎠ ⎝ ⎝. 2. (5.67a) Vµ gãc pha:. 153.

(168) ϕ β = −arctg. ωR1C2 − 1+. 1. ωR2C1. R1 C2 + R2 C1. (5.67b) C1 = C2 = C vµ R1 = R2 = R. Trong thùc tÕ th−êng chän: Ta cã:. 1. β=. 1 ⎞ ⎛ 9 + ⎜ ωRC − ⎟ ω RC ⎝ ⎠. 2. =. 1 ⎛1 ⎞ 9 + ⎜ −α ⎟ α ⎝ ⎠. 2. (5.68a). ϕ β = arctg. Vµ. 1 1 − +α ωRC = arctg α 3 3. − ωRC +. (5.68b) Trong đó α =. 1 ωRC. Khi α = 1 tøc lµ. ω = ω dđ =. 1 th× ϕ β = 0 RC. Thay α = 1 vào (5.68a) ta đ−ợc hệ số truyền đạt, đạt giá trị cực đại:. β = β max =. 1 3. (5.68c) Tại tần số dao động, mạch có hệ số truyền đạt (hệ số hồi tiếp) lớn nhất và góc di pha bằng không, do đó có thể dùng mạch cầu Viên làm mạch hồi tiếp d−ơng trong bộ tạo dao động RC dùng transistor với hai tầng khuếch đại. Sơ đồ trình bày trên hình 5.23 là bộ tạo dao động RC dùng transistor víi m¹ch cÇu Viªn trong m¹ch håi tiÕp.. C2. HÖ sè håi tiÕp d−¬ng β = 1 3 ,. R E1. C3 R4. R E2. do đó để thỏa m∙n điều kiện cân bằng biên độ, hệ số khuếch đại. cña. bé. khuÕch. đại:. K = K1.K 2 ≥ 3 trong K1, K2 lµ hÖ sè. 154. Hình 5.23. Bộ tạo dao động RC dùng mạch cÇu Viªn trong m¹ch håi tiÕp..

(169) khuếch đại của tầng thứ nhất và thứ hai. Để tăng độ ổn định tÇn sè trong m¹ch sö dông håi tiÕp ©m xoay chiÒu trªn RE1 , RE2 .. 5.5.5. Bộ tạo dao động RC dùng mạch cầu Viên - Rôbinxơn Về nguyên tắc, bộ tạo dao động RC có thể xây dựng theo sơ đồ t−ơng tự nh− sơ đồ hình 5.2, nếu ta thay khung dao động bằng một bộ lọc thông dải thụ động RC. Khi khảo sát các mạch lọc thụ động, ng−ời ta đ∙ chứng minh đ−ợc, bộ lọc thụ động RC độ phẩm chất lớn nhất bị hạn chế ở giá trị 1 2 . Dao động hình sin nhận đ−ợc trong các bộ tạo dao động này có độ ổn định tần số thấp. Điều này đ−ợc suy ra từ đặc tÝnh pha - tÇn sè cña c¸c bé läc kh¸c nhau vÏ trªn h×nh 5.24. §èi víi bé lọc tần số thấp thụ động với độ phẩm chất Q = 1 3 , thì dịch pha tại tần sè b»ng mét nöa tÇn sè céng h−ëng sÏ vµo kho¶ng 27o. NÕu dÞch pha bæ sung bëi bé khuếch đại, chẳng hạn −27 , thì. (ϕ) 180. 1. o. 120. 2. bộ dao động, phù hợp với điều 60. 3. kiện cân bằng pha, tổng độ dịch pha ϕ = 0 , sÏ ®−îc kÝch t¹i tÇn sè. 0. (f/f0) 0,1. 0,2. 0,5. 1. 2. 5. 10. -60. b»ng mét nöa tÇn sè céng h−ëng cña bé läc tÇn thÊp. Nh−. -120 -180. vậy để nhận đ−ợc độ ổn định tần số cao phải có mạch hồi tiếp, đặc tÝnh pha - tÇn sè cña m¹ch håi tiếp phải có độ dốc lớn ở điểm đi. Hình 5.24. Sự phụ thuộc của độ dịch pha vµo tÇn sè: ®−êng 1: CÇu Viªn-R«binx¬n; đ−ờng 2: Khung dao động với Q = 10, ®−êng 3: Bé läc th«ng d¶i víi Q = 1 3 .. qua kh«ng. TÝnh chÊt nh− vËy tån t¹i trong c¸c khung dao động có độ phẩm chất cao và trong cÇu Viªn - R«binx¬n. M¹ch 155.

(170) cÇu Viªn-R«binx¬n ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.25. Khác với bộ lọc thông dải, đặc tính biên độ - tần số của hệ số truyền đạt tại tần số cộng h−ởng là cực tiểu. Cầu Viên - Rôbinxơn dùng để triệt tiêu tín hiệu tại miền tần số nhất định, điện áp ra U& D đ−ợc xác định theo biểu thức (5.69). U& V. o. R C. R1 •. o. • U1. jΩ 1 U& D = U& V − .U& V 3 1 + 3 jΩ − Ω 2. •. o. •. o. • R1 2. R. C. ë ®©y: Ω = ωRC =. U& D. (5.69). ω gäi lµ tÇn sè gãc chuÈn ωo. hãa.. •. Từ đó ta có hệ số truyền đạt:. 1 1 − Ω2 3 1 + 3 jΩ − Ω 2. H×nh 5.25. CÇu Viªn -. β& ( jΩ) = .. R«binx¬n.. (5.70). M«-®un cña cã hÖ sè truyÒn:. β=. 1 − Ω2 3 (1 − Ω 2 ) 2 + 9Ω 2. Gãc pha:. ϕ = arctg.. 3Ω Ω2 − 1. (5.71). (5.72). §å thÞ cña β vµ ϕ phô thuéc vµo tÇn sè ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh (526) Tuy nhiªn, ®iÖn ¸p ra cña cÇu Viªn - R«binx¬n t¹i tÇn sè céng h−ëng bằng không, vì thế nó không thể dùng trực tiếp trong các sơ đồ tạo dao động. Để thiết lập sơ đồ tạo dao động, ng−ời ta thay đổi cầu Viên Rôbinxơn đi đôi chút nh− mô tả ở hình 5.27. Trị số ε là số d−ơng nhỏ hơn 1 rất nhiều. Dễ dàng tính đ−ợc đặc tính pha - tần số của cầu Viên Rôbinxơn cải biến, tại tần số cao và thấp so với tần số cộng h−ởng U1 =. 1 0. Khi đó điện áp ra U& D = − U V 3. 156.

(171) (độ). |β|. 90. 0,3. 45. 0,2 0 0,1 0. 0,2. 0,5. 1. 2. 5. 10. Ω. −45 0,1. 0,2. 0,5. 1. 2. 5. 10. Ω. ϕ. −90. H×nh 5.26. §å thÞ Bode cña cÇu Viªn - R«binx¬n. DÞch pha t¹i c¸c tÇn sè nµy b»ng. U& V. ± 180 . o. o o. • R C. 1 3. T¹i tÇn sè céng h−ëng U& 1 = U& V , v× vËy. 1 ⎞& ε ⎛1 U& D = ⎜ − ⎟U V ≈ U& V 9 ⎝3 3+ε ⎠. U1. R1 •. o. •. o. • R1 2+ε. R. C •. U& D. •. H×nh 5.27. CÇu Viªn - R«binx¬n c¶i. Nh− vËy t¹i tÇn sè céng h−ëng, ®iÖn áp ra U& D đồng pha với điện áp vào U& V .. biÕn. Để định l−ợng c¸c tham sè cña ®−êng 1 trong h×nh 5.24, tr−íc tiªn ta viÕt hµm truyÒn đạt của cầu Viên - Rôbinxơn:. −1 (1 + P 2 ) − ε .P U& D = U& V 3 + ε 1 + [(9 + ε )(3 + ε )].P + P 2 ë ®©y. P = p ω o : TÇn sè gãc phøc chuÈn hãa; p = jω + σ : TÇn sè gãc phøc.. Bỏ qua các ε có bậc cao, ta có công thức để xác định đặc tính pha tần số:. ϕ = arctg. 3Ω(Ω 2 − 1)(3 + 2ε ) (Ω 2 − 1) 2 (3 + ε ) − 9εΩ 2. Đ−ờng cong này đ−ợc vẽ ở hình 5.24 với ε = 0,01 . Nh− ta thấy rõ từ đồ thÞ cña hµm nµy, pha cña ®iÖn ¸p ra cña cÇu Viªn - R«binx¬n c¶i biÕn, trong một dải tần số rất nhỏ thay đổi từ + 90 o ữ −90 o . Dải này càng nhỏ nÕu chän ε cµng nhá. V× vËy cÇu Viªn - R«binx¬n cã thÓ so s¸nh víi khung dao động có độ phẩm chất cao. 157.

(172) Ưu điểm của sơ đồ này là: dịch pha không bị hạn chế bởi trị số. ± 90o mà tăng lên cho đến ± 180o , khi có độ lệch tần lớn. Việc này dẫn đến việc suy giảm tốt hơn đối với các hài bậc cao trong thành phần của tín hiệu ra. Nh−ợc điểm của sơ đồ cầu Viên - Rôbinxơn là suy giảm tín hiệu tại tÇn sè céng h−ëng cµng m¹nh khi ε cµng nhá. TrÞ sè suy hao t¹i tÇn sè céng h−ëng b»ng:. UD ε =β ≈ UV 9. (5.73). Nh− vậy trong thí dụ đang xét, trị số này vào khoảng 1 900 . Để đảm bảo điều kiện cân bằng biên độ, cần phải bù suy hao này bằng bộ khuếch đại. Trên hình 5.28 mô tả sơ đồ bộ tạo dao động với cầu Viên Rôbinxơn. R1. R. khuếch đại vi phân KD, thì để. •. thùc hiÖn ®iÒu kiÖn c©n b»ng biên độ K D .β = 1 , cần phải chọn. •. C. Nếu bộ khuếch đại có hệ số. UN • C. R. gi¸ trÞ ε.. ε = 9β = 9 K D Nếu ε lớn, thì biên độ dao động bắt đầu tăng, sự tăng còn tiếp diễn cho đến khi nào bé khuÕch. +. •. UD R2. • T →. •. •. −. C3 R3. • UG. D1. R4. •. o Uo. R5. •. C1 o. C2 D2. R6. •. Hình 5.28. Bộ tạo dao động đơn giản với cÇu Viªn - R«binx¬n. TÇn sè céng h−ëng:. f =. 1 2πRC. đại ch−a vào miền b∙o hòa. NÕu trÞ sè ε rÊt nhá, hoÆc thËm chí là âm, thì bộ dao động kh«ng tù kÝch. Tuy nhiên, không thể chọn các điện trở R1 và R1 ( 2 + ε ) với độ chính xác đủ để đảm bảo độ ổn định biên độ của tín hiệu, vì thế các trị số này cần phải đ−ợc điều chỉnh tự động, tùy thuộc vào biên độ điện áp ra. Muốn thế, trong sơ đồ hình 5.28 ta sử dụng transistor tr−ờng T. Đối với transistor tr−ờng, điện trở kênh RDS của nó, khi trị số UDS đủ nhỏ, chỉ phụ thuộc vào điện áp điều khiển UGS. Một phần điện áp U& N đặt trên điện 158.

(173) trở R2. Việc đấu nối tiếp điện trở R2 với RDS để tạo ra điện trở R1 ( 2 + ε ) . Giá trị tối thiểu của điện trở kênh RDS bằng RDS mở. Do đó trị số của điện trë R2 cÇn ph¶i chän nhá h¬n. 1 R1 − RDS më. 2. Khi đấu nguồn nuôi cho bộ dao động, đầu tiên U GS = 0 , RDS = RDS mở. Khi tháa m∙n ®iÒu kiÖn lùa chän trÞ sè R2, th× ®iÖn trë m¹ch nèi tiÕp gi÷a điện trở R2 và RDS sẽ nhỏ hơn (1 2).R1 . Khi đó, tại tần số cộng h−ởng, điện áp ra UD của cầu Viên - Rôbinxơn sẽ có trị số đủ lớn. Dao động xuất hiện và biên độ bắt đầu tăng. Điện áp ra của bộ tạo dao động đ−ợc chỉnh l−u béi ¸p bËc 2 trªn c¸c diode D1 vµ D2. §iÖn ¸p trªn cùc cöa cña transistor tr−ờng trở thành âm, và trị số điện trở RDS tăng lên, biên độ tín hiệu ra sẽ còn tăng cho đến khi điều kiện sau đây đ−ợc thỏa m∙n:. RDS + R2 =. R1 R1 = 2 + ε 2 + (9 K D ). (5.74). Hệ số méo phi tuyến của điện áp ra của bộ tạo dao động phụ thuộc vào độ tuyến tính của đặc tính ra của transistor tr−ờng. Độ tuyến tính này có thể đ−ợc nâng cao đáng kể nếu một phần điện áp giữa cực m¸ng vµ cùc nguån cña transistor tr−êng ®−îc céng víi c¸c ®iÖn ¸p cực cửa. Muốn vậy ta dùng các điện trở R3, R4 trong sơ đồ. Tụ C3 dùng để ngăn dòng một chiều đến lối vào N của tầng khuếch đại, dòng này có thÓ lµm lÖch ®iÓm kh«ng cña ®iÖn ¸p ra. Th−êng ng−êi ta chän R3 ≈ R4, B»ng c¸ch ®iÒu chØnh chÝnh x¸c trÞ sè cña ®iÖn trë R3 cã thÓ gi¶m ®−îc hệ số méo phi tuyến đến giá trị nhỏ nhất. Trên thực tế hệ số này đạt kho¶ng 0,1%. Nếu R là một chiết áp, thì có thể thay đổi từ từ tần số cộng h−ởng của sơ đồ. Đặc tr−ng góc quay của các chiết áp cũng kém đồng nhất, thì sơ đồ điều chỉnh tự động biên độ điện áp ra càng cần phải có hiệu quả hơn. Trị số cực đại của điện trở R phải đ−ợc chọn sao cho sụt áp do dòng vào tĩnh của bộ khuếch đại thuật toán gây ra trên nó là không đáng kể. Trong tr−ờng hợp ng−ợc lại có thể dẫn đến việc làm sai lệch điểm làm việc của bộ khuếch đại. Để đảm bảo khả năng điều chỉnh tần số trong giới hạn 1:10 thì phải đấu nối tiếp với chiết áp một điện trở cố định có giá trị bằng R 10 . Nếu lắp thêm một bộ phận làm chuyển đổi điện dung C thì sơ đồ có thể bao một dải tần số từ 10Hz đến 1MHz. Để bộ 159.

(174) điều chỉnh tự động biên độ không gây ra méo ngay cả ở tần số thấp nhÊt, th× h»ng sè thêi gian n¹p vµ phãng cña tô lµ R5C1 vµ R6C2 ph¶i ®−îc x¸c lËp lín h¬n Ýt nhÊt 10 lÇn chu kú dao động lớn nhất của bộ tạo dao động. Biên độ điện áp ra phụ thuộc vào tham số của transistor tr−ờng T. Độ ổn định biên độ không thể đặc biệt cao, vì có sự thay đổi theo điện trở kênh của transistor tr−ờng T, thì cần phải có một sự biến đổi nhất định của biên độ điện áp ra. Có thể khắc phục nh−ợc điểm này nếu dùng một tầng đệm, để khuếch đại điện áp điều khiển transistor tr−ờng. Sơ đồ bộ tạo dao động nh− vậy trình bày trên hình 5.29. Từ lối ra của bộ chỉnh l−u, trị số tuyệt đối của điện áp ra xoay chiều của bộ tạo dao động đ−ợc đặt lên bộ điều chỉnh tổ hợp tỷ lệ cải biến (thực hiện bởi bộ khuếch đại thuật toán 2). Bộ điều chỉnh xác lập ®iÖn ¸p trªn cùc cöa cña transistor tr−êng T, sao cho gi¸ trÞ trung bình của điện áp vào bộ khuếch đại thuật toán 2 bằng không. Khi đó giá trÞ trung b×nh c¸c ®iÖn ¸p ra U& r b»ng ®iÖn ¸p chuÈn Uch. •. H»ng sè thêi gian. o. C. cña bé ®iÒu chØnh cÇn dao. trong. động, tr−êng. bëi. v×. +. đó dẫn đến méo nghiêm träng trong ®iÖn ¸p ra. V× vËy nªn c¶i biÕn mét chút sơ đồ khuếch đại b»ng. c¸ch. đấu. song. song víi ®iÖn trë R6 mét tô ®iÖn, tô nµy ngay c¶ víi tÇn sè. 160. − R2. ng−îc l¹i, hÖ sè khuÕch qua tõng chu kú. §iÒu. K§TT 1. •. R. hîp. đại của nó sẽ thay đổi. C2 C1. • C. Ur. R1. R. phải đủ lớn so với chu kú. o. T. C3. R5. Bé chØnh l−u. +. R3 R4. =. R6. •. − K§TT 2. −. R5. +. •. U ch. Hình 5.29. Bộ tạo dao động dùng cầu Viên Rôbinxơn có bộ điều chỉnh biên độ tín hiệu ra chính xác. Biên độ tín hiệu: U r ≈. π U ch 2.

(175) làm việc thấp nhất của bộ tạo dao động cũng làm giảm bớt sụt áp trên trở R6. Khi đó điểm uốn của đặc tính biên độ tần số của bộ điều chỉnh n»m d−íi d¶i tÇn sè lµm viÖc.. 5.6. Các mạch điện tạo dao động xung Ngoài các bộ tạo dao động điều hoà còn có các bộ tạo tín hiệu xung. Kü thuËt xung sè bao gåm c¸c lÜnh vùc kh¸ réng vµ quan träng cña ngµnh ®iÖn tö - tin häc. Ngày nay trong b−ớc phát triển nhảy vọt của kỹ thuật tự động hóa, nã mang ý nghÜa lµ mét kh©u then chèt, lµ mét c«ng cô kh«ng thÓ thiếu đ−ợc trong công nghệ hay kỹ thuật , nâng cao độ tin cậy hay hiÖu qu¶ cña chóng. 5.6.1. Kh¸i niÖm chung. 1. TÝn hiÖu xung vµ c¸c tham sè Tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian có hai dạng cơ b¶n: Liªn tôc hay rêi r¹c (gi¸n ®o¹n). T−¬ng øng víi chóng tån t¹i hai lo¹i hÖ thèng gia c«ng, xö lý tÝn hiệu có những đặc điểm kỹ thuật khác nhau, mang những −u nh−ợc điểm kh¸c nhau lµ hÖ thèng liªn tôc (analog) vµ hÖ thèng rêi r¹c (digital). Nhiều khi do đặc điểm phát triển và để phát huy đầy đủ −u thế của từng lo¹i, ta gÆp trong thùc tÕ hÖ thèng lai ghÐp kÕt hîp c¶ viÖc gia c«ng xö lý hai lo¹i tÝn hiÖu trªn. Trong phần này chỉ đề cập tới loại tín hiệu rời rạc theo thời gian gäi lµ tÝn hiÖu xung. D¹ng cña tÝn hiÖu xung th−êng gÆp ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.30. TÝn hiÖu cã thÓ lµ mét d∙y xung tuÇn hoµn theo thêi gian víi chu kú lÆp lại T, hay chỉ là một xung đơn xuất hiện một lần, xung có thể có cực tính d−ơng, âm, l−ỡng cực, hoặc cực tính thay đổi. Các tham số cơ bản là: biên độ, độ rộng xung, độ rộng s−ờn tr−ớc và sau, độ sụt đỉnh.. 161.

(176) Biên độ xung Um xác định b»ng gi¸ trÞ lín nhÊt cña ®iÖn. U ¸p tÝn hiÖu xung trong thêi gian Um. tx. tng. tån t¹i. (a). §é réng s−ên tr−íc vµ sau. o. (ttr và ts) xác định bởi khoảng. U. thêi gian t¨ng vµ gi¶m cña biªn độ xung trong khoảng giá trị 0,1. Um o. Um đến 0,9 Um.. T tq. Độ rộng xung tx xác định b»ng kho¶ng thêi gian xung cã. t. T. t. tng. U. biên độ trên mức 0,1 Um (hay mức 0,5 Um).. (b). (c). o. T. t. H×nh 5.31 chØ ra mét xung vuông thực tế, với các đoạn đặc tr−ng: s−ờn tr−ớc, đỉnh, s−ờn sau. Độ sụt đỉnh xung thể hiện. H×nh 5.30. C¸c d¹ng tÝn hiÖu xung. D∙y xung vu«ng (a). D∙y xung tam gi¸c, r¨ng c−a (b). D∙y xung hµm mò, xung kim (c).. mức giảm biên độ xung ở đoạn đỉnh xung ΔU. Với d∙y xung tuần hoàn, còn có các tham số đặc tr−ng sau (cụ thể víi d∙y xung vu«ng): - Chu kú lÆp l¹i xung T (hay tÇn sè xung f = 1 / T ) lµ kho¶ng thêi gian gi÷a c¸c ®iÓmt−¬ng øng cña hai xung kÕ tiÕp nhau.. 162.

(177) - Thêi gian nghØ trong h×nh. U. 5.30(a) lµ thêi gian trèng gi÷a hai. Um. ΔU. 0,9 Um. xung liªn tiÕp. - HÖ sè lÊp ®Çy. γ. lµ tØ sè gi÷a 0,1 Um. độ rộng xung tx và chu kỳ T.. γ=. o. Tx T. t. t® tS. ttr. - Chu kú xung T = t x + t ng , vµ do đó. γ < 1.. H×nh 5.31. D¹ng xung vu«ng thùc tÕ.. Trong kü thuËt xung sè, ng−êi ta th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p sè đối với các tín hiệu xung, quy −ớc chØ cã hai tr¹ng th¸i ph©n biÖt:. - Trạng thái có xung (khoảng tx) với biên độ lớn hơn một mức ng−ìng UH gäi lµ møc cao hay møc “1” møc UH th−êng ®−îc chän cì b»ng. 1 2 ®iÖn ¸p nguån cung cÊp. - Trạng thái không có xung (khoảng tng) với biên độ nhỏ hơn một møc ng−ìng UL gäi lµ møc thÊp hay møc “0” møc UL ®−îc chän tïy theo phần tử khóa (transistor, khuếch đại thuật toán). - C¸c møc ®iÖn ¸p ra trong d¶i UL < Ura < UH lµ tr¹ng th¸i cÊm. 2. Chế độ khóa của transistor Transistor làm việc ở chế độ khóa, hoạt động nh− một khóa điện tử, đóng mở mạch với tốc độ nhanh (từ 10−9s đến 10−6s), có nhiều đặc điểm khác với chế độ đ∙ xét ở các ch−ơng tr−ớc. Yêu cầu cơ bản với một transistor ở chế độ khóa là điện áp ở lối ra cã hai tr¹ng th¸i riªng biÖt.. • Ura ≥ UH. khi. Uvµo ≤. khi. Uvµo ≥. UL.. • Ura ≤ UL. ⎫ ⎬ ⎭. (5.75). UH. Chế độ khóa của transistor đ−ợc xác định bởi chế độ điện áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua một mạch nào đó. Việc chuyÓn tr¹ng th¸i cña khãa, ®−îc thùc hiÖn nhê mét tÝn hiÖu xung cã 163.

(178) cực tính thích hợp tác động tới lối vào. Cũng có tr−ờng hợp khóa tự động chuyển đổi trạng thái một cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp d−ơng nội bộ, khi đó, không cần xung điều khiển, sẽ khảo sát trong m¹ch t¹o xung tiÕp sau. o +EC. Để đ−a ra những đặc điểm chủ yếu của chế độ khóa, h∙y xét mạch cụ thể. RC. RB. h×nh 5.32. M¹ch thùc hiÖn ®−îc ®iÒu o. kiÖn (5.75), khi lùa chän UH, UL còng nh−. UV. UBE. UCE. Rt Ura. c¸c gi¸ trÞ RB , RC thÝch hîp. Ban ®Çu khi UV = 0 (hay UV < UL), transistor ë. Hình 5.32. Mạch khóa (đảo) dùng. tr¹ng th¸i cÊm, dßng IC = 0, nÕu kh«ng. transistor.. cã t¶i Rt: Ura = +Ea. Lóc ®iÖn trë t¶i nhá nhÊt RC = Rt (víi Rt lµ ®iÖn trë vµo cña tÇng sau nèi với lối ra của sơ đồ), U ra = (1 / 2) EC , là mức nhỏ nhất của điện áp ra ở mức trạng thái cao H, để phân biệt chắc chắn, ta chọn U H = (1 / 2) EC (chẳng h¹n UH = 2,5V khi EC = 5V). Phèi hîp víi ®iÒu kiÖn (5.75), ®iÖn ¸p vµo n»m d−íi møc UL (®−îc hiÓu lµ điện áp vào lớn nhất, để transistor bị khóa chắc chắn UL = UV max), với transistor Silic ng−êi ta chän UL = 0,4V. Khi cã xung ®iÒu khiÓn cã cùc tÝnh d−¬ng ®−a tíi ®Çu vµo Uvµo ≥ UH transistor chuyển sang trạng thái mở (b∙o hòa), điện áp ra khi đó tháa m∙n ®iÒu kiÖn Ura ≤ UL. §iÖn trë RC chän thÝch hîp để thời gian qỳa độ đủ nhỏ và dòng IC không quá lớn, chẳng hạn: RC = 5kΩ. Xác định RB để khi UV = UH = 1,5V khi điện áp Ura ≤ UL = 0,4V. Muốn vậy dßng colect¬ b∙o hßa I Cbh =. EC = 1mA , RC. với hệ số khuếch đại dòng β = 100, khi đó dòng bazơ IBbh = 10μA. §Ó transistor b∙o hµo v÷ng ch¾c chän IB = 100μA cã:. RB =. (1,5 − 0,6)V = 9kΩ 100μA. ë ®©y 0,6V lµ ®iÖn ¸p th«ng thuËn gi÷a base vµ emitter cña transistor. Đặc tính truyền đạt của sơ đồ với những tham số nh− vậy đ−ợc tr×nh bµy trªn h×nh 5.33. 164.

(179) Để đánh giá mức tin cậy của khóa, ta định nghĩa các tham. Ura ( V ) Vïng b·o hßa. Vïng cÊm. 2,5. SH = Ura khãa - UH SL = UL - Ura më. (5.76). sè dù tr÷ chèng nhiÔu ë møc cao SH vµ ë møc thÊp SL. ë ®©y Ura khãa vµ Ura më lµ c¸c ®iÖn ¸p thùc tÕ t¹i lèi ra cña transistor lóc khãa hay lóc. SL. 2. Vïng khãa (c¾t dßng). UH 1 0,4 0,2. U CE Bh SL. UL. U vµo (V ) 1. 2. 3. Hình 5.33. Đặc tuyến truyền đạt của transistor khãa.. më t−¬ng øng. Víi tr−êng hîp cô thÓ trªn: SH = 2,5V - 1,5V = 1V (lóc UV ≤ UL) SL = 0,4V - 0,2V = 0,2V (lóc UV ≥ UH) ë ®©y ®iÖn ¸p gi÷a collector vµ emitter cña transistor khi b∙o hßa UCE bh ≈ 0,2V. Nh− vậy dự trữ chống nhiễu đối với mức cao SH = 1V, còn dự trữ chống nhiễu đối với mức thấp SL = 0,2V. Tõ c¸c kÕt quả trªn, cã thÓ nhËn xÐt nh− sau: - Có thể dễ dàng đạt đ−ợc mức SH lớn bằng cách chọn EC và các điện trë RB, RC thÝch hîp. - Do SL th−ờng nhỏ, cần phải quan tâm đặc biệt tới việc nâng cao tÝnh chèng nhiÔu víi møc thÊp. V× trÞ sè cña ®iÖn ¸p ra nhá nhÊt. U r min = U CEbh thùc tÕ kh«ng thÓ gi¶m ®−îc, muèn SL t¨ng cÇn ph¶i t¨ng møc UL (theo 5.76). Muèn vËy ng−êi ta ®−a vµo m¹ch base mét hoÆc vµi diode hoặc là nối vào đó một mạch phân áp (hình 5.34). Nh÷ng biÖn ph¸p nªu trªn, nhÊt thiÕt ph¶i tu©n theo khi sö dông c¸c transistor Gecmani làm phần tử khóa. Bởi vì đối với chúng điện áp base - emitter cña transistor më, trong nhiÒu tr−êng hîp nhá h¬n UCE bh. §èi với sơ đồ hình 5.34.a điện trở R2 để nối mạch dòng ng−ợc của tiếp giáp base – collector và mạch 5.33(c) điện trở R2 nối với nguồn âm để transistor ®−îc khãa ch¾c h¬n khi kh«ng cã xung ®iÒu khiÓn ë lèi vµo.. 165.

(180) o + EC. o +EC RC. R1. RC o. D. o. T. UV. o +EC. R1. Ur o. o. T. UV. R2. RC. o Ur o. R1 o. T. UV. o Ur o. R2. R2. o - EC. (a). (c). (b) H×nh 5.34. C¸c biÖn ph¸p n©ng cao SL.. Mét ®iÓm cÇn chó ý lµ khi sö dông transistor lµm phÇn tö khãa cÇn chú ý đến các tính chất động (quá độ) của mạch và yêu cầu cần nâng cao tính tác động nhanh của khóa. Khi đó biện pháp cơ bản là ngăn ngõa hiÖn t−îng b∙o hßa cña transistor b»ng c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt m¹ch. Th«ng th−êng tÝnh chÊt tÇn sè cña khãa biÓu thÞ bëi c¸c tham sè trung b×nh vÒ thêi gian trÔ tÝn hiÖu, tr×nh bµy trªn h×nh 5.35. C¸c gi¸ trÞ τ1, τ2 th−êng nhá. U vµo. (từ 10−8s đến 10−9s) nh−ng không. Um. thể bỏ qua, đặc biệt là τ2 liên quan đến thời gian hồi phục ®iÖn trë ng−îc khi chuyÓn. 50% t. U ra. transistor tõ më sang khãa, khi quan tâm đến tính làm việc đồng bộ giữa các khối hoặc các sơ đồ khác nhau, khi thực hiÖn. mét nhiÖm. vô xö lý. th«ng tin cô thÓ, ®iÒu nµy. 50%. τ2. τ1. Hình 5.35. Xác định thời gian trễ của. cµng quan träng trong c¸c hÖ. mạch khóa, trong đó τ1 là thời gian trễ. thèng ®iÒu khiÓn, tÝnh to¸n. s−ên tr−íc τ2 lµ thêi gian trÔ s−ên sau,. gi÷a c¸c khèi, c¸c m¹ch. Thêi gian trÔ tæng céng b»ng tæng thêi gian trÔ cña c¸c m¹ch thành phần. Từ sơ đồ hình 5.32 ta thÊy r»ng: møc H nhá h¬n nhiÒu so víi ®iÖn ¸p nguån nu«i vµ phô thuéc rÊt m¹nh vµo 166. đ−ợc tính ở mức biên độ 50% giá trị cực đại.. t.

(181) ®iÖn. trở gánh và trở tải, để khắc. o + EC. phục nh−ợc điểm này của sơ đồ,. RC. cã thÓ nh− m¹ch m« t¶ trªn h×nh 5.36, ng−êi ta m¾c thªm mét m¹ch lÆp l¹i emitter vµo sau sơ đồ khóa.. T2. R1 o. T1. UV o. D. o Ur o. R2. Khi đó các. nh−îc ®iÓm ®∙ nªu trªn ®−îc kh¾c phôc, møc UH ®−îc n©ng. Hình 5.36. Sơ đồ khóa transistor với mạch. lên. Với đặc tính điện dung của. lÆp dïng T2. g¸nh, khi UV ≥ UH T1 më b∙o hßa, ®iÖn ¸p trªn collector cña T1 gÇn b»ng kh«ng, còng chÝnh lµ ®iÖn ¸p trªn base cña T2. Do đó dòng phóng của điện dung gánh qua mạch ra của sơ đồ (có qua base - emitter cña T2 ph©n cùc ng−îc), sÏ rÊt nhá. VËy m¹ch ®∙ m¾c thªm diode D, diode nµy nèi m¹ch phãng cña ®iÖn dung g¸nh qua transistor mở T1, sẽ làm quá trình xảy ra nhanh. Tuy nhiên lúc đó điện áp ra của khóa trong trạng thái thấp tăng đến 0,8V (UDT điện áp thuận trªn diode b»ng 0,6V vµ ®iÖn ¸p më b∙o hßa UCE1 ≈ 0,2V). T−¬ng tù cã thÓ dïng transistor tr−êng FET lµm phÇn tö khãa. Khi làm việc ở chế độ xung, khuếch đại thuật toán hoạt động nh− một khóa điện tử đóng, mở nhanh, điểm làm việc luôn nằm trong vùng 167.

(182) b∙o hòa của đặc tr−ng truyền đạt Ura = f(Uvào). Khi đó điện áp ra có giá trị một trong hai mức b∙o hòa U r+max và U r−max ứng với các biên độ UV đủ lớn. Nguyên lý hoạt động của một IC khóa đ∙ đ−ợc khảo sát ở ch−ơng khuếch đại thuật toán. 5.6.2. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định Các mạch có hai trạng thái ổn định ở đầu ra (còn gọi là mạch trigger) là các mạch số có hồi tiếp d−ơng. Nó khác các sơ đồ tuyến tính có hồi tiếp d−ơng (hệ tự dao động) ở chỗ điện áp ra của chúng không biến đổi từ từ, mà nhảy từ một giá trị điện áp không đổi này đến một giá trị không đổi khác, chỉ xảy ra khi đặt tới lối vào thích hợp của nó các xung điện áp có biên độ và cực tính thích hợp. 1. Trigger đối xứng dùng transistor (Trigger RS) Hình 5.37 trình bày sơ đồ nguyên lý của trigger RS đối xứng. Thực chất đây là hai mạch đảo dùng T1 và T2 ghép liên tiếp nhau bằng các vßng håi tiÕp d−¬ng b»ng c¸c cÆp ®iÖn trë R1, R3 vµ. R2, R4.. Nguyên lý hoạt động: Mạch chỉ có hai trạng thái ổn định bền là: T1 mở T2 khóa ứng với mức ®iÖn ¸p ra Q = 1, Q = 0 hay T1 khãa T2 më øng víi tr¹ng th¸i ra Q = 0, Q = 1 . Các trạng thái còn lại: T1 và T2 cùng mở là không ổn định. Khi đóng m¹ch nguån nu«i, qua c¸c ®iÖn trë RC, R1, R2, mét ®iÖn ¸p d−¬ng sÏ ®−îc đặt vào base T1, T2 do đó lúc đầu cả hai transistor cùng mở, nh−ng do tính chất đối xứng không lý t−ởng của mạch, chỉ cần một sự chênh lÖch v« cïng bÐ cña dßng ®iÖn trªn hai nh¸nh (IB1 ≠ IB2 hay IC1 ≠ IC2), thông qua các mạch hồi tiếp d−ơng, độ chênh lệch này tăng lên nhanh chóng tới mức sơ đồ chuyển về một. o + EC. trong hai trạng thái ổn định bền ®∙ nªu trªn. (Ch¼ng h¹n ®Çu tiªn IB1 > IB2, dẫn đến IC1 > IC2, điện áp trên collector T1 gi¶m xuèng, cßn trªn collector T1 t¨ng lªn, qua m¹ch. RC. R2. R1. RC. o Q. o. Q. T1. T2 R3. R4. o. o. S. R. phân áp R2, R4 và R1, R3 dẫn đến IB1 >> IB2 vµ kÕt qu¶ lµ T1 më b∙o hßa, T2. 168. Hình 5.37. Trigger đối xứng kiểu RS dïng transistor.

(183) khãa). NÕu ng−îc l¹i lóc ®Çu IB1 < IB2 thì dẫn đến T1 khóa T2 mở. Trạng thái cả hai transistor đều khóa là kh«ng xÈy ra. Để lối ra đơn trị, tức là điện áp ở hai lối ra đảo nhau (một lối ra cã møc ®iÖn ¸p cao, lèi ra kia có mức điện áp thấp), điện áp ở hai lối vào không đồng thời ở mức cao, nghÜa lµ R = S = 1. §ã lµ tr¹ng th¸i kh«ng cho phÐp, hay ®iÒu kiÖn cÊm R. S = 0. Muốn chuyển trạng thái, tác động tới lối vào của transistor khóa một xung điện áp d−ơng, có biên độ thích hợp.Giả sử T1 mở, T2 khóa, khi đó điện áp trên collector T1 coi nh− bằng không. Sơ đồ o + EC. để tính điện áp tại lối vào R trình bày RC. trªn h×nh 5.38. §Ó më T2 ®iÖn ¸p U BE2 ≈ 0,6V .. U BE2. Mµ. R4 o. T. R. R2 = .U VR = 0,6V . R2 + R4. (5.77). R2. o Q. U BE. Hình 5.38. Sơ đồ xác định biên. Biên độ xung d−ơng tác dụng vào lối vµo R. độ điện áp để mở T2.. ⎛ R ⎞ U VR = ⎜⎜1 + 4 ⎟⎟.0,6V ⎝ R2 ⎠. (5.78). Tõ viÖc ph©n tÝch trªn, rót ra b¶ng tr¹ng th¸i cña trigger RS, cho phép xác định trạng thái ở đầu ra của nó ứng với tất cả các khả năng cã thÓ cña c¸c xung ë ®Çu vµo ë b¶ng 5.1. B¶ng 5.1: B¶ng tr¹ng th¸i cña trigger RS. §Çu vµo. §Çu ra. Rn. Sn. Qn +1. Q n +1. 0. 0. Qn. Qn. 0. 1. 1. 0. 1. 0. 0. 1. 1. 1. x. x. ë ®©y chØ sè n thÓ hiÖn tr¹ng th¸i hiÖn t¹i, cßn chØ sè n+1 chØ tr¹ng th¸i tiÕp theo. Lèi vµo R b»ng 1 th× lèi ra Q b»ng không, do đó lối vào R là lối vào xóa (Reset). Cßn lèi vµo S b»ng 1 th× lèi ra Q b»ng. 169.

(184) 1, do đó lối vào S là lối vào xác lập hay lối vào đặt (Set). BiÓu thøc logic cña lèi ra Q:. Qn+1 = S n + R n Qn. (5.79). Qua biÓu thøc 5.79, cho thÊy tr¹ng th¸i lèi ra cña trigger RS kh«ng chØ phô thuéc vµo tr¹ng th¸i lèi vµo, mµ cßn phô thuéc vµo tr¹ng th¸i tr−ớc, nh− vậy mạch có tính chất nhớ, do đó đ−ợc sử dụng làm ô nhớ có thể ghi và đọc thông tin d−ới dạng nhị phân. 2. Trigger Smith dïng transistor Để lật trạng thái ở lối ra của trigger RS, phải đặt một xung điện áp d−ơng, có biên độ thích hợp tới base của transistor bị khóa để mở nó (ở ®©y chØ xÐt víi quy −íc logic d−¬ng). Cã thÓ sö dông chØ mét ®iÖn ¸p vµo duy nhÊt cã cùc tÝnh vµ h×nh dạng tùy ý với biên độ thích hợp để lật trạng thái ở lối ra của trigger. Lo¹i m¹ch nµy ®−îc gäi lµ trigger Smith, ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c transistor hay IC tuyÕn tÝnh. Trigger Smith dùng để làm bộ so sánh với hai ng−ỡng, do đó tránh ¶nh h−ëng cña nhiÔu vµ ®−îc gäi lµ bé so s¸nh cã trÔ. §ång thêi còng đ−ợc sử dụng để biến đổi điện áp hình sin thành điện áp xung vuông có biên độ xác định. Vì vậy mạch đ−ợc dùng để tạo dạng xung trong truyÒn th«ng sè. Hình 5.39 trình bày sơ đồ nguyên lý trigger Smith dùng transistor và đặc tuyến truyền đạt của nó. Có thể giải thích nguyên lý hoạt động của mạch nh− sau: XÐt tr−êng hîp lóc ®Çu ®iÖn ¸p vµo cã gi¸ trÞ ©m lín, T1 khãa, T2 më (do T2 đ−ợc phân cực bằng thiên dòng cố định từ EC qua RC tới base của nó), lúc đó U r = U CE2bh = U r min . o + EC RC. R1. T1. Ur. RC •. U r max. o T2. Ur. U r min. o R2 o oU V. UV ng¾t. (a) 170. (b). U Vđóng. UV.

(185) Hình 5.39. Sơ đồ nguyên lý trigger Smith dùng transistor (a) và đặc tuyến truyền đạt (b).. Tăng điện áp vào, điện áp ra vẫn giữ không đổi U r = U r min cho tới khi UV ≥ UV đóng, T1 mở, qua mạch hồi tiếp d−ơng ghép trực tiếp từ collector T1 đến base T2, làm đột biến T1 mở b∙o hòa T2 khóa. Điện áp ra lật trạng th¸i tíi U r = U r max . TiÕp tôc t¨ng ®iÖn ¸p vµo, ®iÖn ¸p ra vÉn gi÷ kh«ng đổi U r = U r max . Tr−êng hîp lóc ®Çu ®iÖn ¸p vµo cã gi¸ trÞ d−¬ng lín, T1 më, collector T1 nèi trùc tiÕp víi. base T2 U CE1 = U BE2 ≈ 0 , do đó T2 khóa. U r = U r max . Giảm điện áp vào, điện áp ra vẫn không đổi, cho tới khi UV ≤ UV ng¾t. T1 khóa, qua các mạch hồi tiếp d−ơng, đột biến T2 mở b∙o hòa. U r = U r min . Tiếp tục giảm điện áp vào, điện áp ra vẫn không đổi. Các giá trị UV đóng, UV ngắt phụ thuộc vào các giá trị RC , R1, R2. HiÖn t−îng trªn cho phÐp dïng trigeer Smith nh− mét bé t¹o xung vu«ng, nhê håi tiÕp d−¬ng mµ qua tr×nh lËt tr¹ng th¸i xảy ra tøc thêi ngay cả khi UV biến đổi từ từ. Hình 5.40 mô tả một ví dụ biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông nhê trigger Smith. Giá trị UV đóng - UV ngắt gọi là độ trễ của chuyển mạch. Trị số của độ trễ chuyển. UR. mạch càng nhỏ (đó là điều. U R max. mong muèn) nÕu hiÖu cña ®iÖn. UV đóng. ¸p U r max vµ U r min cµng nhá, hay. U R min o. lµ khi hÖ sè suy gi¶m tÝn hiÖu. U R max. U R min. t. UV ng¾t. UV. g©y ra bëi ph©n ¸p R1, R2 cµng lín. TÊt c¶ mäi cè gắng h−íng. Hình 5.40. Giản đồ thời gian biến đổi tín hiệu. đến làm giảm độ trễ chuyển. h×nh sin thµnh xung vu«ng nhê trigger. mạch đều làm giảm độ sâu hồi. Smith.. tiếp d−ơng và có thể dẫn đến việc sơ đồ không. cßn. hai. trạng thái ổn định. Khi R1 → ∞, sơ đồ biến thành bộ khuếch đại hai tầng thông th−ờng. 171.

(186) §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm trªn, ng−êi ta dïng trigger Smith ghÐp emitter nh− h×nh 5.41. Mạch hình 5.41(a) là một tầng khuếch đại vi sai có hồi tiếp d−ơng qua R1, R2 vµ cã håi tiÕp ©m dßng ®iÖn qua RE. B»ng c¸ch lùa chän tham số thích hợp, có thể đạt đ−ợc trạng thái: Khi sơ đồ lật trạng thái dòng IC của một trong các transistor hoàn toàn truyền đến transistor kia vµ tr¹ng th¸i b∙o hßa kh«ng xÈy ra trong bÊt kú mét transistor nµo. Khi đó sơ đồ chuyển trạng thái, thời gian trễ gần bằng không, sơ đồ n©ng cao ®−îc tÇn sè giíi h¹n cña chuyÓn m¹ch. Ur. o + EC RC. U r max. RC. o R1 o. T1. T2. Ur o. U r min. UV o. RE. R2. (a). (b). o. U V ng¾t. U V đóng U V. Hình 5.41. Trigger Smith ghép emitter (a) và đặc tuyến truyền đạt của sơ đồ (b).. Trigger Smith có thể dùng khuếch đại thuật toán, các sơ đồ này đ∙ đ−ợc khảo sát trong ch−ơng bộ khuếch đại thuật toán. 5.5.3. Mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền. Trạng thái thứ hai của nó chỉ tồn tại trong một thời gian ổn định nào đó phụ thuộc vào tham số của mạch, sau đó lại quay về trạng thái ổn định bền ban đầu. Vì thế mạch đ−ợc gọi là trigơ một trạng thái ổn định hay đa hài đợi. 1) Đa hài đợi dùng transistor Hình 5.42.a trình bày sơ đồ nguyên lý và hình 5.42.b trình bày giản đồ điện áp thời gian, minh họa nguyên lý hoạt động của mạch đa hài đợi dïng transistor.. 172.

(187) τx. Uv. U B1. Ec. T vµo t. R1 +E. U B2. C. 0,6V. Ura. T1. t. T2 UB1. t. Rc. R. Rc. t2. to. R2. -Ec. UB2. tx. Ura. Uvµo. T ra. Ec. (b). (a). to. t2. t. Hình 5.42. Sơ đồ nguyên lý mạch đa hài đợi dùng transistor (a) và giản đồ ®iÖn ¸p theo thêi gian (b).. Thực chất mạch điện hình 5.42(a) là một trigger RS, trong đó một trong các điện trở hồi tiếp d−ơng đ−ợc thay đổi bằng một tụ điện. Nhờ ®iÖn trë R nhá T2 më b∙o hßa U BE1 ≈ U CE 2 ≈ 0 nªn T1 khãa. Trạng thái ban đầu T2 mở T1 khóa là trạng thái ổn định bền hay gọi là trạng thái đợi. Tại thời điểm t = to có một xung điện áp d−ơng ở lối vào với biên độ thích hợp mở T1, điện áp trên collector của T1 thực hiện một b−ớc nhảy âm từ giá trị EC khi T1 cấm đến gần bằng không khi T1 mở b∙o hòa, b−ớc nhảy điện áp này qua mạch lọc thông cao RC đặt toàn bộ đến base của T2 làm điện áp ở đó đột biến từ mức thông (khoảng 0,6V) đến mức 0,6V - EC ≈ -EC , do đó T2 bị khóa. Khi T2 bị khóa nguồn + EC qua RC, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng R1, R2 lµm T1 ®−îc duy tr× ë tr¹ng th¸i më ngay c¶ khi ®iÖn ¸p lèi vµo b»ng kh«ng. Tô C ®−îc tÝch ®iÖn, m¹ch tÝch ®iÖn từ +EC, qua R, C, collector- emitter của T1 xuống đất. Tụ C đ−ợc tích điện, ®iÖn ¸p ë base cña T2 t¨ng lªn theo quy luËt:. ⎡ ⎛ t ⎞⎤ U B2 = EC ⎢1 − 2 exp⎜ − ⎟⎥ ⎝ RC ⎠⎦ ⎣. (5.80). Víi ®iÒu kiÖn ban ®Çu U B2 (t = t o ) ≈ − EC Vµ ®iÒu kiÖn cuèi U B2 (t → ∞) ≈ + EC T2 chỉ bị khóa cho đến lúc t = t1, điện áp UB2 đạt giá trị +0,6V (gần đúng cho UB2 = 0). Khoảng thời gian này quyết định độ rộng xung ra tx. 173.

(188) t1 - to = tx = RC ln 2 ≈ 0,7RC (5.81) Sau khi ®iÓm t = t1, T2 më vµ qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng qua R1, R2 ®−a mạch về trạng thái ban đầu, đợi xung vào tiếp sau. Những điều trình bày ở trên đúng với điều kiện:. T > tx > τ x. (5.82). ở đây τx là độ rộng của xung vào, T là chu kỳ của xung vào. Nếu ®iÒu kiÖn (5.82) tháa m∙n th× chu kú cña xung ra b»ng chu kú xung vµo. Để thực hiện đ−ợc điều kiện (5.82) mạch lối vào của đa hài đợi ng−ời ta dùng mạch vi phân để biến đổi xung lối vào có độ rộng lớn thành xung có độ rộng rất nhỏ. Mạch đa hài đợi đ−ợc sử dụng để tạo ra những xung có độ rộng theo yªu cÇu kh«ng phô thuéc vào độ rộng của xung lối vào. 2) Mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán Hình 5.43.a trình bày một dạng sơ đồ nguyên lý của mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán. Hình 5.43.b là giản đồ điện áp - thời gian giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch. Để đơn giản, giả thiết khuếch đại thuật toán đ−ợc cung cấp bằng một nguồn đối xứng ±EC và khi đó U r max = U r min = − U r max . Ban đầu, đóng mạch cấp nguồn, khi ch−a có điện áp tới lối vào UV = 0, diode D thông nối đất (bỏ qua sụt áp thuận trªn diode), UN = UC ≈ 0. §iÖn ¸p ra Ur = −Ur max, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng R1, R2 ®iÖn ¸p ®Çu vµo P: U p = − βU r max . Víi. β=. R1 lµ hÖ sè håi tiÕp. R1 + R2. Đây là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi của mạch). Tại thời điểm t = t1 có xung d−ơng có độ rộng xung rất nhỏ đ−a tới đầu vào P. Nếu biên độ xung lớn hơn − βU r max điện áp lối vào. Ud = UP - UN đổi dấu,. ®iÖn ¸p ra lËt tr¹ng th¸i tõ Ur = −Ur max tíi Ur = Ur max, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng ®iÖn ¸p lèi vµo P: U p = βU r max . Sau thêi ®iÓm t1 ®iÖn ¸p ra Ur max qua ®iÖn trë R n¹p ®iÖn cho tô C lµm cho UC = UN t¨ng lªn, cho tíi thêi ®iÓm t = t2 khi đó U N ≥ βU r max , điện áp hiệu Ud ở lối vào đổi dấu, điện áp ra đột biÕn lËt tr¹ng th¸i tíi Ur = −Ur max . Trong kho¶ng thêi gian tõ t1 ÷ t2 ®iÖn 174.

(189) ¸p. UN = UC > 0, nªn diode bÞ ph©n cùc ng−îc, cã ®iÖn trë lín coi nh−. kh«ng tham gia vµo m¹ch. C. D. R. + C N -. -. P. +. R. -. o Ura C1 o Uvµo. o Uvµo. Cg. R1. o Ura. +. R2. D. R1. + Eo. (a). (c). Uvµo UN. t1. β Ura max Uc = UN. uN. t3 t2. t1. o. t. T vµo. β Ura min. Ura max. Up. Eo o. t. Ura min. Eo o. t. τx. tx. Ura. t. Up. Ura. Ura max o. t1. Ura max. t2 t. t. Ura min -U ra min. (b). (d). Hình 5.43. Sơ đồ nguyên lý đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán khởi động b»ng xung cùc tÝnh d−ơng (a) và xung cực tính âm (c). Giản đồ thời gian minh họa t−ơng ứng (b) và (d).. Sau thêi ®iÓm t = t2 tô C phãng ®iÖn qua ®iÖn trë R tíi lèi ra cña khuếch đại thuật toán, h−ớng của điện áp ra lúc đó là −Ur. max. . Tô C. phãng ®iÖn cho tíi lóc t = t3, UC = UN = −0,6V ≈ 0, diode D më ghim møc ®iÖn áp đầu vào đảo ở giá trị này, mạch quay về trạng thái ban đầu (trạng thái đợi). Nếu dùng xung khởi động UV có cực tính âm có thể dùng sơ đồ hình 5.43.c. Độ rộng của xung ra đ−ợc thay đổi bằng biến trở R. Hoạt động của mạch đ−ợc minh họa trên đồ thị hình 5.43.d. Với hình 5.43.a và hình 175.

(190) 5.43.b cho thấy độ rộng lối ra tx = t2 - t1 chính là thời gian tụ C nạp từ mức 0 đến møc βUr max víi quy luËt:. U C ( t ) = U N ( t ) = U r max (1 − e −t RC ). (5.83). Thay gi¸ trÞ U C ( t =t1 ) = 0 vµ U C ( t =t2 ) = βU r max vµo (5.83) ta cã:. ⎛ 1 t x = t 2 − t1 = RC ln⎜⎜ ⎝1− β. ⎛ R ⎞ ⎞ ⎟⎟ = RC ln⎜⎜1 + 1 ⎟⎟ ⎠ ⎝ R2 ⎠. (5.84). Gäi t3 - t2 = th ph lµ thêi gian håi phôc vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu cña s¬ đồ, liên quan đến quá trình phóng điện của tụ C từ mức βUr max về mức 0 h−íng tíi lóc x¸c lËp U C ( ∞ ) = −U r max , xuÊt ph¸t tõ ph−¬ng tr×nh:. [. ]. ⎛ t ⎞ U C ( t ) = U C ( ∞ ) − U C ( ∞ ) − U C ( o ) . exp⎜ − ⎟ ⎝ RC ⎠. ⎛. Cã kÕt qu¶: t hph = RC ln (1 + β ) = RC ln⎜⎜1 +. ⎝. (5.85). R1 ⎞ ⎟ R1 + R2 ⎟⎠. (5.86) So sánh hai biểu thức xác định t x và t hph thấy do β < 1 nên t x >> t hph . Ng−ời ta cố gắng chọn các thông số và cải tiến mạch để nâng cao độ tin cậy của mạch khi có d∙y xung tác động tới đầu vào. Khi đó cần tu©n theo ®iÒu kiÖn: t x + t hph < Tvµo = Tra. (5.87). Tvào là chu kỳ d∙y xung khởi động ở lối vào. Các biểu thức (5.84) và (5.86) cho phép xác định các thông số quan trọng của mạch. 5.6.4. Mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định (đa hμi) 1. §a hµi dïng transistor Nếu thay thế cả hai điện trở hồi tiếp d−ơng trong sơ đồ trigger RS bằng hai tụ điện, khi đó nhận đ−ợc mạch đa hài tự dao động (gọi tắt là đa hài), sơ đồ nguyên lý đ−ợc trình bày trên hình 5.44.a và giản đồ điện áp - thời gian trên hình 5.44.b.. 176.

(191) Ura1 +Ec. τ1 UB1. to. t t1 t2. t. 0,6V. Ec R2. Rc +. R1. -. -. T1. + C1. C2. Ura1. UB1. U B2. -Ec Ura2 +Ec. Rc. Ura2. τ2 t. UB2 t. 0,6V. T2. t3. -Ec. (b). (a) Hình 5.44. Sơ đồ nguyên lý đa hài tự dao động (a) và giản đồ điện áp - thời gian(b).. Tr¹ng th¸i c©n b»ng cña m¹ch (mét transistor më, mét transistor khóa) chỉ ổn định trong một thời gian hạn chế nào đó, rồi tự động lật sang tr¹ng th¸i kia, vµ ng−îc l¹i. Hai tr¹ng th¸i nªu trªn cña m¹ch ®a hài tự dao động còn đ−ợc gọi là các trạng thái chuẩn cân bằng. Những thay đổi của điện áp và dòng điện giữa các điểm trong sơ đồ dẫn đến một trạng thái tới hạn nào đó, mà tại đấy đủ những điều kiện để tự động chuyển đột ngột từ trạng thái này sang trạng thái kia. Nếu tác động tới một trong các lối vào một điện áp nào đó, có chu kỳ gần bằng nh−ng nhỏ hơn chu kỳ của điện áp tự dao động, quá trình chuyển trạng thái sẽ xảy ra sớm hơn, t−ơng ứng lúc đó ta có chế độ làm việc đồng bộ của đa hài tự dao động. Điện áp tác động vào (có biên độ và cực tính thích hợp) gọi là điện áp đồng bộ. Đặc điểm chính của chế độ lµm viÖc ®ồng bé lµ chu kú cña xung ra b»ng chu kú cña điện áp đồng bộ và độ rộng của xung ra do các thông số RC của mạch quyết định. Nguyên lý hoạt động của mạch hình 5.44.a có thể tóm tắt nh− sau: ViÖc h×nh thµnh xung vu«ng ë c¸c lèi ra ®−îc thùc hiÖn nh− sau: đối với lối ra (1) trong khoảng thời gian τ1 = t1 - t0, còn lối ra (2) trong khoảng thời gian τ2 = t2 - t1 nhờ các quá trình đột biến chuyển trạng thái của sơ đồ tại các thời điểm t0, t1, t2.. 177.

(192) Giả sử lúc đầu đóng mạch nguồn nuôi một chiều, hai transistor T1, T2 đều mở vì đ−ợc cả hai bazơ của chúng qua các điện trở R1, R2 nối với nguån +EC. VÝ dô ®iÖn ¸p trªn base T2 lín h¬n ®iÖn ¸p trªn base T1 (sù thăng giáng này chắc chắn xảy ra vì hai vế của mạch không đối xứng lý t−ởng) qua các mạch hồi tiếp d−ơng T2 đột biến mở b∙o hoà. Điện áp trên collector của T2 thực hiện một b−ớc nhảy âm, từ +EC khi mới đóng m¹ch (hoÆc qu¸ tr×nh tr−íc T2 c¾m) xuèng gÇn b»ng kh«ng khi T2 më b∙o hoà. B−ớc nhảy âm của điện áp qua mạch lọc thông cao C1R1 đặt toàn bộ đến base của T1, điện áp ở base của T1 nhảy đột biến từ 0,6V lúc T1 mở đến mức 0,6V - EC ≈ -EC do đó T1 khoá. T1 khoá T2 mở, tụ C1 đ∙ đ−ợc nạp ®Çy ®iÖn tÝch tr−íc lóc t0 phãng ®iÖn qua T2, qua nguån EC qua R1 theo đ−ờng +C1 → T2 → R1 → - C1 làm điện áp trên base của T1 thay đổi theo hình 5.43(b). §ång thêi trong thêi gian nµy tô C2 ®−îc n¹p ®iÖn tõ nguån EC theo đ−ờng +EC → RC → C2 → base-emitter T2 xuống đất làm điện thế trên collector của T1 và base của T2 thay đổi theo hình 5.43(b). Vì các điện trở R1, R2 >> RC do đó quá trình nạp điện của tụ C2 rất nhanh so với quá tr×nh phãng ®iÖn cña tô C1. Tô C1 phãng ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn base T1 t¨ng dần cho đến thời điểm t = t1 điện áp base T1 UB ≈ 0,6V xảy ra quá trình đột biÕn lÇn thø nhÊt, qua c¸c m¹ch håi tiÕp d−¬ng T1 më b∙o hoµ. §iÖn ¸p trªn collector T1 l¹i thùc hiÖn mét b−íc nh¶y ©m tõ +EC khi T1 kho¸ tíi mức không, khi T1 mở b∙o hoà, qua các mạch lọc thông cao C2R2 đặt toàn bộ đến base T2 làm điện áp base T2 đột biến từ 0,6V khi T2 mở đến 0,6V - EC ≈ -EC lµm T2 kho¸. T1 më, T2 kho¸, tô C2 phãng ®iÖn, tô C1 n¹p ®iÖn, t−ơng tự nh− quá trình đ∙ phân tích trên, đến thời điểm t = t2 thì UB2 = 0,6V. T2 mở lại xảy ra đột biến lần thứ hai, sơ đồ về trạng thái ban đầu T1 kho¸ T2 më. C¸c tham sè chñ yÕu cña xung vu«ng ë c¸c ®Çu ra dùa trªn viÖc phân tích nguyên lý vừa nêu trên, cho thấy độ rộng xung τ1 và τ2 liên quan trực tiếp đến hằng số thời gian phóng điện của tụ C1 và tụ C2. Ta cã:. τ 1 = R1C1 ln 2 ≈ 0,7 R1C1 τ 2 = R2C 2 ln 2 ≈ 0,7 R2C 2. ⎫ ⎬ ⎭. (5.88). Nếu chọn R1 = R2, C1 = C2, T1 giống T2 ta có: τ1 = τ2 và nhận đ−ợc sơ đồ đa hài đối xứng, ng−ợc 178.

(193) lại ta có đa hài không đối xứng (τ1 ≠ τ2). Chu kỳ của xung vuông: T = τ1 + τ 2. (5.89). Biên độ của xung ra gần bằng giá trị của nguồn một chiều cung cấp EC. Trong thùc tÕ cã thÓ ®−a ra nhËn xÐt nh− sau: §Ó t¹o ra c¸c xung có tần số thấp hơn 1000Hz, giá trị của tụ C1, C2 phải lớn, còn để tạo ra c¸c xung cã tÇn sè cao h¬n 10kHz do ¶nh h−ëng qu¸n tÝnh cña transistor làm giảm chất l−ợng của xung vuông. Do đó, để tạo ra xung vuông ở vùng tần số thấp và cao ng−ời ta sử dụng khuếch đại thuËt to¸n.. 2. Đa hài dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT) Hình 5.45.a và 5.45.b là sơ đồ nguyên lý của đa hài đối xứng dùng KĐTT và giản đồ điện áp - thời gian giải thích hoạt động của sơ đồ. UN=UC Umax Uvng¾t 0. t2. t1. t. t3. Uvđóng -Umax. UP Ung¾t t1. 0. R. t2. Ura Urmax. N P. BUmax t. -BU max. Uđóng. C. t3. U ra2. +. Umax t1. 0. R2. t2. t. -Umax. τ. R1. t3. -U rmax Tra (b). (b) H×nh 5.45.. Đa hài dùng KĐTT (a) và giản đồ điện áp - thời gian của đa hài. dïng K§TT (b).. ở đây sơ đồ gồm bộ KĐTT có mạch hồi tiếp d−ơng với R1, R2 nh− một trigger Smith. Điện áp lối ra có hai giá trị Urmax và -Urmax. Do đó điện áp ở lèi vµo thuËn t−¬ng øng Up = βUrmax vµ -βUrmax.. 179.

(194) β=. R1 R1 + R2. lµ hÖ sè håi tiÕp d−¬ng cña m¹ch.. Mạch hồi tiếp âm gồm điện trở R và tụ C, quyết định tần số của xung. Nguyên lý hoạt động có thể giải thích nh− sau: khi đóng mạch nguån nu«i mét chiÒu, gi¶ sö ®iÖn ¸p hiÖu Ud = UP - UN lµ d−¬ng, ®iÖn ¸p ra Ur = Urmax, qua m¹ch håi tiÕp d−¬ng ®iÖn ¸p lèi vµo thuËn UP = βUrmax, ®iÖn ¸p Urmax ë lèi ra qua ®iÖn trë R tÝch ®iÖn cho tô C. Tô C tÝch ®iÖn, ®iÖn ¸p UN = UC tăng cho đến thời điểm t = t1, UN = UC ≥ UP = βUrmax = Uvngắt. Điện áp hiệu Ud đổi dấu, điện áp ra đột biến lật trạng thái tới Ur = Urmax. Khi đó điện áp trên lối vào thuận UP = -βUrmax, tụ C phóng điện từ +C. → R → lối ra KĐTT → đất → -C. Tụ C phóng điện, điện áp trên tụ C giảm cho đến thời điểm t = t2. UN = UC ≤ UP = -βUrmax = Uvđóng Điện áp hiệu Ud đổi dấu, điện áp ra lại lật trạng thái tới Ur = Urmax. Quá trình tiếp tục tạo ra xung vuông tại lối ra, giản đồ điện áp - thời gian ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.45.b. Ph−ơng trình vi phân để xác định điện áp UN(t) có dạng:. dU N U −U N = ± r max dt RC. (5.90). với điều kiện ban đầu: UN(t=0) = Uvđóng = -βUrmax. cã nghiÖm:. ⎡ ⎛ t ⎞⎤ U N (t ) = U r max ⎢1 − (1 + β ) exp⎜ − ⎟⎥ ⎝ RC ⎠⎦ ⎣. (5.91). UN sẽ đạt tới ng−ỡng lật của trigơ Smit sau một khoảng thời gian τ ®−îc tÝnh theo (5.92):. ⎛ 2R ⎞ ⎡1 + β ⎤ = RC ln⎜⎜1 + 1 ⎟⎟ ⎥ R2 ⎠ ⎣1 − β ⎦ ⎝. τ = RC ln ⎢. (5.92). Từ đó ta có chu kỳ của xung ra:. ⎛ 2R ⎞ Tra = 2τ = 2 RC ln⎜⎜1 + 1 ⎟⎟ R2 ⎠ ⎝ NÕu chän R1 = R2 ta cã:. (5.93). Tra = 2,2 RC. (5.94) Tõ c¸c biÓu thøc (5.93) (5.94) cho thÊy:. 180.

(195) Chu kú cña xung ë lèi ra chØ phô thuéc vµo th«ng sè m¹ch ngoµi R1, R2 (m¹ch håi tiÕp d−¬ng) vµ R, C (m¹ch håi tiÕp ©m). C¸c hÖ thøc trªn cho phép xác định các tham số cơ bản nhất của mạch. Khi thiết kế các mạch đa hài cần độ ổn định tần số cao hơn và có kh¶ n¨ng ®iều chØnh tÇn sè ra, ng−êi ta sö dông m¹ch phøc t¹p h¬n (vÝ dụ bộ so sánh 2 ng−ỡng, dùng IC định thời 555). Trong thực tế có tr−ờng hợp cần những xung không đối xứng. Sơ đồ mạch đa hài không đối xứng đ−ợc trình bày trên hình 5.46, đ−ợc sử dụng với đặc điểm tạo ra không đối xứng giữa mạch phóng điện của tụ C qua R3, diode D2 và mạch nạp qua R4, diode D1 với R3 ≠ R4 khi đó: D2. R3. U. Ura. UC(t). Umax. R4 C. _. D1. •. +. UV ng¾t t. Ura UV đóng. R1. R2 -Umax τ1. (a). τ2. (b). Hình 5.46. Mạch đa hài không đối xứng (a) ; giản đồ điện áp - thời gian giải thích hoạt động của mạch (b).. ⎛. τ 1 = R4C ln⎜⎜1 + ⎝. ⎛. τ 2 = R3C ln⎜⎜1 + ⎝. 2 R1 ⎞ ⎟ R2 ⎟⎠ 2 R1 ⎞ ⎟ R2 ⎟⎠. Khi đó chu kỳ của xung ra:. ⎛ 2R ⎞ T = τ 1 + τ 2 = C (R3 + R 4 ) ln⎜⎜1 + 1 ⎟⎟ R2 ⎠ ⎝. (5.95). Diode D1, D2 cã nhiÖm vô kho¸ ng¾t nh¸nh t−¬ng øng khi nh¸nh kia lµm viÖc hoÆc ng−îc l¹i. 5.6.5. Đa hμi, đa hμi đợi dùng IC555 Vi mạch định thời IC555 và họ của nó đ−ợc ứng dụng rất rộng r∙i trong lÜnh vùc ®iÖn tö d©n dông còng nh− ®iÖn tö c«ng nghiÖp. V× nÕu kÕt hîp víi c¸c linh kiÖn RC rêi bªn ngoµi mét c¸ch thÝch hîp th× nã cã. 181.

(196) thể thực hiện nhiều chức năng nh− định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiÖu kÝch hay ®iÒu khiÓn c¸c linh kiÖn b¸n dÉn c«ng suÊt nh− transistor, SRC, triac, v.v. Trong phần này sẽ giới thiệu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của IC555 vµ c¸c øng dông c¬ b¶n cña nã. 1. CÊu tróc cña IC555 8. Hình 5.47 trình bày sơ đồ cấu. R. tróc cña IC555, gåm mét m¹ch ph©n ¸p víi 3 ®iÖn trë R (5kΩ) nèi víi ch©n 8. ë ®©y ch©n 8 bao gåm. 4. 5 KΩ. +. 5. Q. (1) 6. 3. Sd. R. 5 KΩ. c¶ nguån nu«i cña c¸c bé so s¸nh,. -. c¸c cæng l«gic trong m¹ch. §iÖn. (2) 2. +. ¸p +EC nèi víi ch©n 8 cã gi¸ trÞ tõ. 7. R. +5V ữ +25V tuỳ theo mức biên độ. 5 KΩ. cña xung ë lèi ra. M¹ch gåm hai. 1. bé so s¸nh (1) vµ (2). §iÖn ¸p lèi thuËn cña bé so s¸nh thø nhÊt cã. Q. Sd. T RB. Hình 5.47. Sơ đồ cấu trúc của IC – 555.. 2 møc ®iÖn ¸p b»ng E C , ®iÖn ¸p ë 3 lối vào đảo của bộ so sánh hai b»ng. thø. 1 EC . Lèi ra 3. cña hai bé so s¸nh ®−îc nèi víi lèi vµo cña Trigger RS, Trigger RS sö dụng trong mạch này dùng các cổng NAND, do đó mức tác động là mức thÊp. Ch©n 4 ®−îc nèi víi lèi vµo cña mét cæng NAND cã t¸c dông ®iÒu khiển hoạt động. cña trigger, ®iÖn ¸p ch©n 4 ë møc cao (møc “1”). trigger hoạt động bình th−ờng, còn điện áp chân 4 ở mức thấp (mức “0”) cấm trigơ hoạt động. Lối ra Q của trigger RS đ−ợc đ−a qua cổng NOT tới lối ra ở chân 3, đồng thời Q qua điện trở RB nối base của transistor T. 2. M¹ch ®a hµi dïng IC - 555.. 182.

(197) Sơ đồ nguyên lý mạch. 8. ®a hµi dïng IC - 555 ®−îc. R. 5. tr×nh bµy trªn h×nh 5.48. ë ®©y C1 cïng víi ®iÖn trë R. C1. 5 KΩ. R1. +. Q. (1) 6. 3. Sd. -. Ur P1. R. nèi víi nguån +EC t¹o nªn. 5 KΩ. -. m¹ch läc th«ng thÊp, nh»m ổn định điện áp lối vào. +E C. 4. (2) 2. thuËn cña bé so s¸nh thø. +. R2. R. 5 KΩ. 7. Q. Sd. T RB C. 1. nhất và lối vào đảo của bộ H×nh 5.48. M¹ch ®a hµi dïng IC - 555.. so s¸nh thø hai. Lóc. ®Çu. đóng. m¹ch. nguån nu«i mét chiÒu, tô C ch−a kÞp n¹p ®iÖn, ®iÖn ¸p trên tụ UC = 0, do đó điện áp ra cña bé so s¸nh (1) Rd =1, ®iÖn ¸p ra cña bé so sánh (2) S d = 0 , dẫn đến Q=1, Q = 0 và ur = 1. Tụ C tích điện, mạch tích điện từ +EC , qua R1, P1, R2, qua C xuống đất, tụ C nạp điện với hằng số tời gian: τn¹p = (R1 + P1 + R2).C. Tô C n¹p ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn tô C t¨ng lªn, cho đến khi u c ≥. 2 EC , ®iÖn ¸p ra cña bé so s¸nh (1) R d = 0 , Q = 1 , ur = 0. Q = 1 3. lµm cho transistor T th«ng, tô C phãng ®iÖn, m¹ch phãng ®iÖn tõ +C, qua R2, qua collector- emitter của T xuống đất đến −C. Tụ C phóng điện víi h»ng sè têi gian: τphãng = (R2 + RCE). C . ë ®©y RCE lµ ®iÖn trë gi÷a collector vµ emitter cña transistor T. Tô C phóng điện đến khi điện áp trên tụ uc ≤. 1 E C , ®iÖn ¸p ra cña bé so s¸nh 3. (2) R d = 0 , dẫn đến Q = 1, Q = 0 , ur = 1. Q = 0 transistor T bị cấm, tụ C lại ®−îc n¹p ®iÖn, qu¸ tr×nh ®−îc lÆp l¹i nh− cò. HiÖn t−îng nµy tiÕp diÔn liªn tôc vµ tuÇn hoµn. L−u ý: Khi mới đóng điện nguồn tụ C nạp từ 0 V đến phãng ®iÖn tõ. 2 EC , sau đó tụ 3. 2 1 1 2 EC xuống EC , rồi lại nạp, từ EC đến EC . 3 3 3 3 183.

(198) Thêi gian n¹p vµ phãng cña tô ®−îc tÝnh theo c«ng thøc (5.96) vµ (5.97).. UC (2-6) 2 Ec 3 1 Ec 3. + Thêi gian n¹p:. t. tn¹p = τn¹p ln 2. tn¹p = 0,7 ((R1 + P1 + R2) C. UD (7). n¹p phãng. (5.96). + Thêi gian phãng: t. tphãng = τphãng ln2 ≈ 0,7 (R2 + RCE). C (5.97). Ur (3) Ec. + Chu kú cña xung ë lèi ra: T = tn¹p + tphãng. Urmin. t. (5.98) D¹ng tÝn hiÖu ë c¸c cùc cña m¹ch ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.49.. H×nh 5.49. D¹ng ®iÖn ¸p t¹i c¸c ch©n. Do thêi gian phãng, n¹p kh«ng b»ng nhau, nªn xung vu«ng ra. cña m¹ch ®a hµi dïng IC - 555.. không đối xứng. 3. Mạch đa hài đợi dùng IC - 555. Hình 5.50 trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch đa hài đợi dùng IC - 555. Trong sơ đồ hình 5.50, tụ C1 tác dụng cùng điện trở R tạo thành mạch lọc thông thấp. Điện trở R4 đ−ợc chọn cỡ 10kΩ, để đảm bảo điện áp ë lèi vµo thuËn cña bé so s¸nh (2) lín h¬n. 1 EC . Khi đóng mạch nguồn 3. ®iÖn, lóc ®Çu tô C ch−a tÝch ®iÖn uC = 0, tô C tÝch ®iÖn, m¹ch tÝch ®iÖn tõ +EC qua R1, P1, R2, qua C xuống đất. Tụ C tích điện, điện áp uC tăng lên, cho đến khi u c ≥. 2 EC , điện áp ra của bộ so sánh (1) R d = 0 , dần đến Q = 1 , ur = 0. Vì 3. Q = 1 nên cho transistor T mở, tụ C phóng điện qua R2 , qua collector emitter xuống đất. Tụ C phóng điện đến khi uC = 0. Đây là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi) của mạch.. 184.

(199) 8. +E C. 4. R. 5 KΩ. 5. R1. +. Q. (1). C1. 6. 3. Sd. -. P1. R. 5 KΩ. D. R4. (2). UV. +. 2. C2. 7. Q. Sd. R2. R. T. 5 KΩ. RB C. 1. H×nh 5.50.. Ur. Mạch đa hài đợi dùng IC - 555.. Khi cã xung vu«ng ®−a tíi lèi vµo, qua m¹ch vi ph©n C2(R4 // D), ë ch©n 2 cã xung vi ph©n, ®∙ h¹n chÕ xung d−¬ng do t¸c dông cña diode D. Nếu biên độ xung vào đủ lớn, điện áp ra của bộ so sánh (2) R d = 0 , do đó Q = 1 và Q = 0 , ur = 1 bắt đầu thời gian kéo dài xung ở lối ra. Vì Q = 0 nªn T cÊm, tô C tÝch ®iÖn, m¹ch tÝch ®iÖn tõ +EC , qua R1, P1, R2, qua C xuèng đất, tụ C nạp điện với hằng số thời gian:. τn¹p = (R1 + P1 + R2) C . Tụ C tích điện, điện áp uC tăng, cho đến khi uc ≥. 2 EC , đối với bộ so 3. sánh (1) ud đổi dấu, điện áp ra R d = 0 , dẫn đến Q = 1 , ur = 0 chấm dứt thời gian kÐo dµi xung ë lèi ra. V× Q = 1 , T më, tô C phãng ®iÖn, qua R2, qua T xuống đất, cho đến khi uC = 0, trở lại trạng thái ban đầu. Khi tô C tÝch ®iÖn, ®iÖn ¸p trªn tô C t¨ng theo quy luËt hµm mò:. ⎡ ⎛ t uC = E C ⎢1 − exp⎜ − ⎜ ⎢⎣ ⎝ τ nap. ⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦. Thời gian tụ nạp từ điện áp 0V đến t − x ⎛ uC = EC ⎜⎜1 − e τ ⎝. Suy ra: 1 − e. t − x τ nap. =. (5.99). 2 EC ®−îc tr×nh bµy nh− sau: 3. ⎞ 2 ⎟ = EC ⎟ 3 ⎠. 2 3. 185.

(200) tx. − 1 τ = e nap ; 3. hay lµ. e. tx τ nap. Uv. =3. t x = τ nap ln 3 = 1,1 τn¹p. 0. t x = 1,1( R1 + P1 + R2 ).C. t0. t1. t2. t3. t. Uv ch©n 2. (5.100). Trong m¹ch trªn cã thÓ. 0,6V. giảm giá trị R2 đến không.. t. Giản đồ điện áp - thời gian minh. häa. ho¹t. động. cña. Ura. tx. Ura max. mạch đa hài đợi dùng IC - 555 ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.51.. t. 5.6.6. Bộ tạo dao động. Hình 5.51. Giản đồ điện áp - thời gian của. Blocking. m¹ch. Blocking hay gäi lµ bé dao động. nghÑt. lµ. mét. đa hài đợi dùng IC - 555.. tÇng. khuếch đại đơn hay đẩy kéo, cã håi tiÕp d−¬ng m¹nh qua mét biÕn ¸p xung, ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.52, nhê đó tạo các xung có độ rộng rất hẹp (cỡ 10−3 ữ 10−6s) và có biên độ lớn. UC 0. t1 t2. t3. t4. t5. t6. t. ECC. UB Ec. +. +. Wt D1. WB. RB. - C Tr +. WK. t. 0. ECC nB. Rt R1. Ut ECC nT. 0. R. o. D2. T. UC. C n¹p. C1. t. C phãng t. 0 iB. -ECC. iBbh. t. 0. (b) 186. iM.

(201) (a) Hình 5.52. Sơ đồ nguyên lý Blocking tự dao động (a) ; giản đồ điện áp - thời gian minh họa hoạt động của Blocking (b).. Blocking th−ờng đ−ợc dùng để tạo ra các xung điều khiển trong các hệ thống số. Blocking có thể làm việc ở các chế độ khác nhau: chế độ tự dao động, chế độ đợi, đồng bộ hay chế độ chia tần. Hình 5.52.a là sơ đồ nguyên lý của Blocking tự dao động, có transistor T m¾c emitter chung, víi biÕn ¸p xung Tr gåm 3 cuén WK lµ cuén s¬ cÊp, WB vµ Wt lµ cuén thø cÊp. Qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng thùc hiÖn tõ WK qua WB, nhê cùc tÝnh ng−îc nhau cña chóng. §iÖn trở R để hạn chế dòng base. Ngoài ra điện trở R còn tham gia mạch phóng của tụ điện C khi transistor T khóa. Diode D1 để loại bỏ xung cực tính âm trên tải sinh ra khi transistor chuyển chế độ từ mở sang khóa. Mạch R1, D2 để bảo vệ transistor khỏi bị quá áp. Các hệ số biến áp xung là nB và nt đ−ợc xác định bởi (5.101).. nB =. WK ; WB. nt =. WK Wt. (5.101). Quá trình dao động xung liên quan đến thời gian mở và đ−ợc duy tr× ë tr¹ng th¸i b∙o hßa nhê m¹ch håi tiÕp d−¬ng cña transistor. KÕt thóc viÖc t¹o xung lµ lóc transistor ra khái tr¹ng th¸i b∙o hßa vµ chuyển đột biến sang trạng thái khóa nhờ hồi tiếp d−ơng. Trong kho¶ng thêi gian 0 < t < t1, T khãa do ®iÖn ¸p n¹p trªn tô C, (ph©n cùc ng−îc líp tiÕp gi¸p base - emitter). Tô C phãng ®iÖn tõ +C qua R, RB , nguån nu«i EC qua cuén d©y WB tíi −C, tíi thêi ®iÓm t = t1 , uC = 0. Trong kho¶ng thêi gian t1 < t < t2 , khi uC chuyÓn qua gi¸ trÞ kh«ng, xuất hiện quá trình đột biến Blocking thuận nhờ mạch hồi tiếp d−ơng qua WB , dần đến transistor mở b∙o hòa. Trong kho¶ng thêi gian t2 < t < t3, T b∙o hßa s©u, ®iÖn ¸p trªn cuén WB gần bằng trị số của EC , đó là giai đoạn tạo đỉnh xung, có sự tích lũy n¨ng l−îng tõ trong c¸c cuén d©y cña biÕn ¸p, t−¬ng øng ®iÖn ¸p håi tiÕp qua WB lµ:. uWB =. EC nB. (5.102). 187.

(202) Vµ ®iÖn ¸p trªn cuén d©y Wt lµ:. uWt =. EC nt. (5.103). Lúc này tốc độ thay đổi dòng collector giảm nhỏ, nên sức điện động cảm ứng trên WK, WB cũng giảm, làm dòng base giảm theo, do đó làm giảm mức b∙o hòa của transistor T, đồng thời tụ C đ−ợc dòng base IB nạp qua mạch diode, tiếp giáp emitter - base của T, R, C, cuộn WB, đất. Lúc đó IB giảm tới giá trị tới hạn:. I B = I Bbh =. IC. β. =. I Cbh. β. ,. Lóc nµy xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng theo h−íng ng−îc l¹i (qu¸ tr×nh Blocking ng−îc): T tho¸t khái tr¹ng th¸i b∙o hßa IC gi¶m làm cho IB giảm, đ−a T đột ngột sang trạng thái khóa, dòng IC = 0, tuy nhiªn do qu¸n tÝnh cña cuén d©y trªn collector, xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn động tự cảm chống lại sự giảm đột ngột của dòng điện, do đó hình thành một mức điện áp âm, biên độ lớn (quá giá trị của nguồn EC), đây lµ qu¸ tr×nh tiªu t¸n n¨ng l−îng tõ tr−êng ®∙ tÝch lòy tõ tr−íc, nhê dßng thuËn ch¹y qua D2 R1, lóc nµy cuén Wt c¶m øng ®iÖn ¸p ©m lµm D1 cấm và tách mạch tải ra khỏi sơ đồ. Sau đó tụ C phóng điện duy trì T khóa cho đến khi uC = 0 sẽ lập lại một nhịp làm việc mới. §é réng xung Blocking tÝnh ®−îc lµ:. t x = t 3 − t1 = ( R + rv ).C ln. βRt. n B ( Rt + rv ). (5.104). Trong đó rv là điện trở vào của transistor lúc mở. Trë t¶i xoay chiÒu trªn m¹ch collector:. Rt ~ = nt2 Rt. (5.105). β là hệ số khuếch đại dòng tĩnh của transistor T. Thêi gian håi phôc t4 ÷ t6 h×nh 5.52.b, do thêi gian phãng ®iÖn cña tô quyết định và đ−ợc xác định bởi (5.106).. ⎛ 1 ⎞ t hph = t 6 − t 4 = RB .C ln⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ nB ⎠. (5.106). NÕu bá qua c¸c thêi gian t¹o s−ên tr−íc vµ s−ên sau cña xung th× chu kú xung:. Tx = t x + t hph 188. (5.107).

(203) vµ tÇn sè cña d∙y xung:. f =. 1 t x + t hph. (5.108). Sơ đồ Blocking có thể xây dựng từ hai transistor mắc đẩy kéo, làm việc với một biến áp xung b∙o hòa từ để tạo các xung vuông, với hiệu suÊt n¨ng l−îng cao vµ chÊt l−îng tham sè xung tèt. Khi Blocking làm việc ở chế độ đồng bộ cần chọn chu kỳ của d∙y xung đồng bộ TV nhỏ hơn chu kỳ của d∙y xung do Blocking tạo ra TX, còn nếu ở chế độ chia tần chỉ cần tuân theo điều kiện TX >> TV và khi đó cã d∙y xung ®Çu ra cã chu kú lÆp l¹i lµ: Tra = nTV (h×nh 5.53.a vµ 5.53.b víi n lµ hÖ sè chia. Uvµo. Uvµo. t. t Tvµo. Tvµo. Ura. Ura. Tx=4Tvµo. t. UB. t. UB. t Tx. t Tx. (b). (a). Hình 5.53. Blocking ở chế độ Tx > Tvào (a) và ở chế độ chia tần với Tx >> Tvào Tra = nTvµo víi n = 4.(b).. 5.6.7. M¹ch t¹o xung r¨ng c−a 1. Khái niệm về mạch tạo xung răng c−a (dao động tích thoát) Mạch tạo dao động tích thoát là mạch tạo các xung có dạng hình r¨ng c−a (xung tam gi¸c). Xung nµy ®−îc sö dông lµm tÝn hiÖu quÐt trong các dao động ký, trong máy thu hình, máy tính. Nó còn đ−ợc sử dụng trong kỹ thuật đo l−ờng hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuÈn hai chiÒu biªn độ và thời gian, có vai trò không thể thiếu đ−ợc hầu nh− trong mọi hệ thống điện tử hiện đại.. 189.

(204) H×nh 5.54 ®−a ra d¹ng xung tam gi¸c lý t−ëng víi c¸c tham sè chñ yÕu. U0 Umax. sau: Biên độ ra Umax, mức điện áp một. U0. K t tq. chiÒu ban ®Çu uq(t = 0) = uo, chu kú lÆp l¹i. tng T. T (víi xung tuÇn hoµn). Thêi gian quÐt thuËn tq vµ thêi gian quÐt ng−îc tng. H×nh 5.54.. Xung tam gi¸c lý t−ëng. (thông th−ờng tq >> tng), tốc độ quét thuËn: K =. du q (t ) dt. hay độ nghiêng vi. ph©n cña ®−êng quÐt. Để đánh giá chất l−ợng Uq thực tế so với lý t−ởng, có hệ số không đ−ờng thẳng ε đ−ợc định nghĩa nh− sau:. du q ( t =0 ) dt. ε=. −. du q ( t = t q ). du q ( t =0). dt. =. u q(o) − u q( tq ) u q(o). (5.109). dt Ngoài ra còn các tham số khác nh−: tốc độ quét trung bình:. K TB =. η=. u max vµ hiÖu suÊt n¨ng l−îng: tq. u max EC. Từ đó có hệ số phẩm chất của uq là :. Q=. η ε. (5.110). Nguyªn lý t¹o xung tam gi¸c dùa trªn viÖc sö dông qu¸ tr×nh n¹p hay phóng điện của một tụ điện qua một mạch nào đó. Khi đó quan hệ giữa dòng điện qua tụ và điện áp trên tụ biến đổi theo thời gian có d¹ng:. I C ( t ) = C.. du C (t ) dt. (5.111). Trong đó C là điện dung của tụ điện, là hằng số, muốn quan hệ uC(t) lµ tuyÕn tÝnh th× dßng ®iÖn qua tô ph¶i lµ h»ng sè.. 190.

(205) Cã hai d¹ng xung r¨ng c−a c¬ b¶n lµ: trong thêi gian quÐt thuËn uq t¨ng tuyÕn tÝnh theo thêi gian nhê qu¸ tr×nh n¹p cho tô tõ nguån mét chiều nào đó và Uq giảm tuyến tính theo thời gian nhờ quá trình phóng điện của tụ điện qua một mạch nào đó. Yêu cầu chung là tq >> tng. §Ó ®iÒu khiÓn tøc thêi c¸c m¹ch phãng n¹p, th−êng sö dông c¸c khóa điện tử (transistor, hay IC) đóng mở theo xung điều khiển bên ngoài. Trên thực tế để ổn định dòng điện nạp hay dòng điện phóng của tụ cần một khối tạo nguồn dòng, khi đó điện áp Uq tăng hay giảm tuyến tÝnh theo thêi gian. Về nguyên lý có ba ph−ơng pháp cơ bản sau để tạo xung răng c−a: a) Dùng mạch tích phân đơn giản, mạch RC lối ra trên C, để nạp điện cho tô tõ nguån E h×nh 5.55.a, quá trình phóng nạp đ−ợc một khóa điện tử điều khiển. Khi đó độ phẩm chất của mạch thấp, độ phi tuyến cao. Rn. K K. in E. +. Rn. if Rt. -. E. +. C. -. Rt. M¹ch phãng. (a). (b). H×nh 5.55. C¸c ph−¬ng ph¸p t¹o Uq. b) Dùng một phần tử để ổn định dòng kiểu thông số, có điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt trên nó Rn = f (u Rn ) làm điện trở nạp cho tụ C. Để giữ cho dòng nạp không đổi, điện trở Rn giảm khi điện áp trên nó giảm lúc đó:. ε=. u max víi Et® =In¹p. Ri Etd. (5.112). Ri là điện trở nội của nguồn dòng, có giá trị rất lớn, do đó Etd lớn vµ cho phÐp n©ng cao umax víi møc mÐo phi tuyÕn cho tr−íc, h×nh 5.55(b). c) Thay thế nguồn E cố định ở đầu vào bằng một nguồn biến đổi.. e(t ) = E + k (U C − U o ) hay. e(t ) = E + kΔu C. (5.113). 191.

(206) víi k lµ h»ng sè tØ lÖ nhá h¬n 1 vµ k =. de(t ) < 1 víi h×nh 5.56.a. dU c. Nguån bæ sung kΔU c bï l¹i møc gi¶m cña dßng n¹p nhê mét m¹ch khuếch đại có hồi tiếp thay đổi theo điện áp trên tụ UC, khi đó mức méo phi tuyÕn:. U ε = max (1 − k ). (5.114). E. Giá trị này thực tế nh vì k ≈ 1. Do đó dù Umax lớn xấp xỉ E làm tăng hiÖu suÊt cña m¹ch mµ ε vÉn nhá, h×nh 5.56. R. R. E. K.ΔuC. in. +. E. -. -. +. K=1. -. C. +. C. + K 1+ K. Δ Uc. -. -. +. +. K>>1. -. (b). (a). H×nh 5.56. Ph−¬ng ph¸p Bootstrap t¹o Uq. 2. M¹ch t¹o xung r¨ng c−a dïng transistor Hình 5.57 là các sơ đồ dùng transistor thông dụng để tạo xung răng c−a trong đó (a) là sơ đồ đơn giản, (b) là mạch dùng phần tử ổn dòng (ph−ơng pháp Miller) và (c) là mạch bù có khuếch đại bám kiểu Bootstrap. +EC R3. +EC R1. R1. R. T2 Dz. R2 T. Uvµo. C. •. R2. C1. T1. Uvµo. (a). 192. RE. C1. (b). Ura C.

(207) +EC. a) Khảo sát sơ đồ hình D. 5.57.a. Ban ®Çu khi ch−a cã tÝn hiÖu vµo. R1. N. më b∙o hoµ nhê ®iÖn trë R1.. R2. M. §iÖn ¸p ra Ura = UC ≈ 0V. Trong cùc. tÝnh. kh«ng). ©m. ®−a. (hoÆc tíi. lèi. C0. R. Uv = 0, transistor T. thêi gian cã xung vu«ng cã. +. T2 E2. T1. Uvµo C1. b»ng. Ura C. RE. (c). vµo,. transistor T bÞ kho¸, tô C ®−îc n¹p ®iÖn tõ +EC qua RC , C. H×nh 5.57. C¸c m¹ch t¹o xung r¨ng c−a th«ng dông nhÊt. xuống đất, điện áp trên tụ C t¨ng theo qui luËt:. U c (t ) = E c ⎛⎜1 − e − t / RC ⎞⎟ ⎝. (5.115). ⎠. Điện áp ra Ura(t) = UC(t) ở gần đúng bậc nhất theo t với hệ số phi tuyÕn.. ε= Víi. I (o ) ≈. I (o) − I (t q ) I (o). EC vµ R. =. Um EC I (t q ) =. (5.116). EC − U m lµ dßng n¹p ban ®Çu vµ cuèi. R. Khi hÕt xung ®iÓn khiÓn (hoÆc xung ®iÒu khiÓn ë møc ®iÖn ¸p cao), transistor T l¹i më b∙o hoµ, tô C phãng ®iÖn nhanh qua T, Ura ≈ 0V, m¹ch trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu. Trong m¹ch, lèi vµo cã ®iÖn trë R2 m¾c song song với tụ C1, điện trở R2 để hạn chế dòng base của T và cho thành phần tần số thấp qua, tụ C1 để tác động nhanh tới base của T. Tõ biÓu thøc hÖ sè phi tuyÕn ε (5.116) thÊy râ, muèn sai sè bÐ cÇn chän nguån EC lín vµ biªn độ ra của xung răng c−a Um nhỏ. Đây là nh−ợc điểm cơ bản của sơ đồ đơn giản này. b) Víi m¹ch h×nh 5.57.b, transistor T2 m¾c theo kiÓu base chung cã t¸c dông nh− mét nguån dßng cã bï nhiÖt do diode æn ¸p Dz (ë ®©y diode æn áp có điện ỏp ổn áp trên 6V, có hệ số nhiệt d−ơng). Dòng IC2 ổn định nạp cho tô C trong thêi gian xung vu«ng ®iÒu khiÓn lèi vµo b»ng kh«ng 193.

(208) (hoÆc cã cùc tÝnh ©m) lµm kho¸ T1, ta cã: t. q IC 1 U ra = U C ( t ) = ∫ I C 2 dt = 2 .t Co C. (5.117). Mạch hình 5.57.b cho phép tận dụng toàn bộ nguồn EC để tạo xung răng c−a với biên độ nhận đ−ợc Um ≈ EC. Tuy vậy, khi có tải nối song song trực tiếp với C, thì có phần dòng qua Rt và Um giảm, do đó sai số ε tăng. §Ó sö dông tèt cÇn cã biÖn ph¸p n©ng cao Rt, hay gi¶m ¶nh h−ëng cña Rt với mạch ra của sơ đồ. Để thực hiện đ−ợc điều trên, lối ra dùng một tầng khuếch đại lặp lại (dùng transistor l−ỡng cực hay transistor tr−ờng, KĐTT), khi đó giảm ảnh h−ởng của trở tải. c) Víi m¹ch h×nh 5.57.c, T1 lµ phÇn tö kho¸ th−êng më nhê ®iÖn trë R1 vµ chØ kho¸ khi xung ®iÒu khiÓn ë møc kh«ng (hoÆc cã cùc tÝnh ©m), T2 là tầng khuếch đại lặp lại (làm tầng đệm). Ban ®Çu khi ch−a cã xung ®iÒu khiÓn, T1 më b∙o hoµ nhê ®iÖn trë R1, E. c qua T1 , ®iÖn ¸p trªn tô diode D më, qua ®iÖn trë R vµ cã dßng I = o R+R D. C: u C = U CBbh ≈ 0 . ë ®©y RD lµ ®iÖn trë cña diode D khi diode më. Qua T2 tô nhËn ®−îc Ura ≈ 0. Tô C0 n¹p tíi ®iÖn ¸p U N − U E 2 ≈ EC , víi cùc tÝnh nh− trong m¹ch. Trong thêi gian cã xung vµo ©m T1 bÞ kho¸, tô C ®−îc n¹p ®iÖn qua D, R lµm ®iÖn ¸p t¹i ®iÓm M (còng lµ ®iÖn ¸p base cña T2) t¨ng lªn, lµm T2 më, gia sè ΔUC qua T2 vµ qua C0 (cã ®iÖn dung lín) gÇn nh− ®−îc ®−a toµn bé về điểm N bù thêm với giá trị sẵn có tại N giữ ổn định dòng qua R nạp cho tô C. Khi dßng h i tiÕp qua C0 vÒ N cã trÞ sè b»ng EC/R th× kh«ng cßn dßng qua diode D, dẫn tới cân bằng động, nguồn EC nh− tách khỏi mạch, lúc nµy tô C n¹p nhê nguån EC ®−îc n¹p tr−íc cho C0. Sơ đồ có −u điểm là biên độ Um xấp xỉ giá trị nguồn EC trong khi hệ số phi tuyÕn ε gi¶m vµ ¶nh h−ëng cña trë t¶i Rt m¾c ë emitter cña T2 Ýt ¶nh h−ởng đến quá trình nạp của tụ C. Các sơ đồ trong hình 5.57 có thể dùng xung điều khiển với cực tính d−¬ng, khi ta bá ®iÖn trë R1 vµ chuyÓn m¹ch T1 ®−îc thiÕt kÕ ë d¹ng th−êng kho¸.. 194.

(209) Cã thÓ t¹o xung tam gi¸c (xung r¨ng c−a) dïng K§TT nh− c¸c m¹ch tÝch ph©n dßng K§TT. 5.6.8.. Bộ tạo các tín hiệu có dạng đặc biệt (bộ tạo hμm số). Tõ nh÷ng kh¶o s¸t ë c¸c phÇn trªn thÊy r»ng: khi t¹o tÝn hiÖu h×nh sin tần số thấp, hầu nh− luôn cần phải sử dụng ổn định biên độ điện áp ra. §Ó t¹o ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã d¹ng tam gi¸c ®−îc thùc hiÖn trªn mét s¬ đồ đơn giản hơn nhờ một bộ tích phân và trigger Smith dùng KĐTT. Tiếp theo, b»ng c¸ch sö dông khèi t¹o hµm sin tõ c¸c ®iÖn ¸p h×nh tam gi¸c. Bằng ph−ơng pháp này có thể đồng thời tạo ra điện áp tam giác, vuông góc và hình sin, cho nên bộ tạo dao động làm việc theo nguyên tắc này cã thÓ ®−îc gäi lµ bé t¹o hµm sè. Sơ đồ khối của bộ tạo dao động nh− vậy đ−ợc trình bày. Trigger Smith. trªn h×nh 5.58.. UR. 1. Bé t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c. Bé t¹o tÝn hiÖu h×nh sin. Bé tÝch ph©n. UD. US. Hình 5.57. Sơ đồ khối bộ dao động hàm. và vuông góc đơn giản. sè.. Bé t¹o ®iÖn ¸p tam gi¸c vµ vu«ng gãc gãc ®−îc t¹o ra b»ng c¸ch m¾c nèi tiÕp. mét. bé. tÝch ph©n. víi. R1. R2. R. C. mét. trigger Smith ®−îc tr×nh bµy trªn. +. -. -. h×nh 5.59.. + UR. Bé tÝch ph©n lÊy ®iÖn ¸p trªn lèi. K§TT(1). UD K§TT(2). ra cña trigger Smith. Khi ®iÖn ¸p ra. H×nh 5.59. Bé t¹o h×nh tam gi¸c vµ. của bộ tích phân đạt ng−ỡng lật của. vuông góc đơn giản.. trigger Smith th× ®iÖn ¸p ra cña trigger Smith thay đổi một cách đột biến dấu của nó (lật trạng thái ë. lèi ra). §iÖn ¸p ra cña. bé tÝch. ph©n l¹i thay đổi theo h−ớng ng−ợc lại, sự thay đổi tiếp diễn cho đến khi nào đạt ng−ỡng lật của trigger Smith. Bằng cách thay đổi hằng số tích phân RC có thể thay đổi đ−ợc tần số của điện áp ra trong một dải rộng, biên độ của điện áp tam giác UB chỉ phụ thuộc vào hai ng−ỡng lật của 195.

(210) trigger Smith. Theo những điều trình bày trên biên độ của xung tam gi¸c:. Um =. R1 R2. U r max. ë ®©y Uramax vµ -Uramax lµ hai tr¹ng th¸i lèi ra cña trigger Smith. Chu kỳ dao động dài gấp đôi thời gian cần thiết để điện áp ra bộ tích phân biến đổi từ -UDm đến +UDm. Từ đó suy ra chu kỳ:. R T = 4 RC 1 R2. (5.118). Nh− vËy lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu ra kh«ng phô thuéc vµo møc giíi h¹n b∙o hoµ ±Uramax cña bé K§TT. 2. Bé t¹o hµm sè cã ®iÒu khiÓn tÇn sè tÝn hiÖu ra Trong các bộ tạo hàm số, có thể đảm bảo việc điều khiển tần số của điện áp ra bằng các ph−ơng pháp t−ơng đối đơn giản. Muốn vậy ng−ời ta m¾c nèi tiÕp víi trigger Smith mét bé chuyÓn m¹ch analog. H×nh 5.60 trình bày sơ đồ minh hoạ giải pháp này. R3. C. R. +U - e. R3. +. +. 0y1. R2. +. -. R4. R1. -. 0y2. 0y3. Ue > 0 D R5. UD. UR. Hình 5.60. Bộ tạo hàm số có bộ chuyển mạch analog dùng khuếch đại thuật to¸n.. Tuú theo cùc tÝnh cña tÝn hiÖu ra cña trigger Smith mµ trªn lèi vµo cña bé tÝch ph©n cã ®iÖn ¸p Ue hay -Ue. Lúc đó, tốc độ tăng của điện áp UD trên lối ra của bộ tích ph©n b»ng:. ⎛U ⎞ ⎛ ΔU D ⎞ ⎜ ⎟ = ±⎜ e ⎟ ⎝ Δt ⎠ ⎝ RC ⎠. (5.119). Nh− trong phÇn kh¶o s¸t vÒ trigger Smith cho thÊy: ®iÖn ¸p ra cña trigger Smith lËt tr¹ng th¸i khi ®iÖn ¸p tam gi¸c UD v−ît hai ng−ìng. ±. R1 U r max (đối với trigger Smith với lối vào đảo). Trong sơ đồ này R1 + R2. tần số dao động của mạch điện:. 196.

(211) f =. R1 + R2 U e . 4 R1 .RC U r max. (5.120). Nh− vậy tần số dao động liên hệ với điện áp lối vào Ue. Vì vậy sơ đồ này chính là sơ đồ bộ biến đổi điện áp thành tần số. NÕu trÞ sè cña ®iÖn ¸p Ue cho b»ng:. U e = U eo + ΔU e. (5.121). thì có thể điều khiển tần số điện áp ra thay đổi tuyến tính. Khi cần phải có độ ổn định cao đối với biên độ và tần số tín hiệu ra, ng−êi ta thay trigger Smit b»ng trigger Smith chÝnh x¸c (trigger Smith cã hai bé so s¸nh, trong IC 555). Bé chuyÓn m¹ch analog m« t¶ trªn h×nh 5.60 chØ cã thÓ lµm viÖc ë tÇn sè kh«ng cao l¾m. §èi víi c¸c tÇn sè cao h¬n 10 kHz tèt nhÊt lµ dïng bé chuyÓn m¹ch transistor h×nh 5.61. -. U1 = +Ue. +. R4. 0y4. Ue > 0. T1. R3. R. R2. R1. C. R3. T2. +. +. 0y3. U2 = -U e. + 0y2. UD. -. 0y1. UR. H×nh 5.61. Bé t¹o hµm sè víi bé chuyÓn m¹ch b»ng transistor.. Tuú theo tr¹ng th¸i cña trigger Smith mµ c¸c transistor T1 vµ T2 sÏ có điện áp +Ue hoặc -Ue đặt trên lối vào của bộ tích phân (điều kiện |Ue| < Urmax). Trong tr−êng hîp nµy c¸c transistor lµm viÖc nh− tÇng lÆp l¹i emitter kiÓu bï vµ cã sôt ¸p trªn c¸c tiÕp gi¸p më b»ng vµi mi-li v«n.. 5.7. Dùng bộ biến đổi số - t−ơng tự D/A để tạo dao động. 197.

(212) Dùa trªn tiÕn bé kü thuËt cña. X(t). những năm gần đây, đặc biệt trong lÜnh vùc kü thuËt sè, ng−êi t. ta cã thÓ x©y dùng mét m¸y ph¸t tÝn hiÖu h×nh sin dùa trªn nguyªn t¾c xÊp xØ hãa tõng ®o¹n kÕt hîp với lấy mẫu đều theo thời gian. H×nh 5.62. XÊp xØ hãa tõng ®o¹n tÝn hiÖu h×nh sin b»ng c¸c tÝn hiÖu bËc. h×nh 5.62.. thang.. Sơ đồ khối của tạo dao động h×nh sin b»ng ph−¬ng ph¸p sè ®−îc m« t¶ trªn h×nh 5.63. Tx. C. DFC. ADC. LTT. Hình 5.63. Sơ đồ khối của tạo dao động hình sin bằng ph−ơng pháp số.. Trong đó khối đầu tiên là khối tạo xung nhịp Tx; C là bộ đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá trị tức thời của đối số; DFC là bộ biến đổi tần số - hàm, để tạo ra các giá trị của tín hiệu hình sin (ở dạng số); DAC là bộ biến đổi số - t−ơng tự để biến đổi tín hiệu từ dạng số (ë ®Çu ra cña DFC) thµnh d¹ng tÝn hiÖu t−¬ng tù. Cuèi cïng lµ bé läc thông thấp để từ tín hiệu t−ơng tự dạng bậc thang thành tín hiệu hình sin. §é mÐo tÝn hiÖu h×nh sin phô thuéc vµo sè l−îng mÉu lÊy trong một chu kỳ. Nếu số mẫu lấy càng lớn (đ−ợc xác định bằng tần số xung nhịp) thì hình sin có độ chính xác càng cao. Tuy nhiên điều này phụ thuéc vµo giíi h¹n tÇn sè lµm viÖc cña c¸c bé DFC vµ DAC. V× vËy ph−ơng pháp này không thể ứng dụng ở tần số cao để tạo tín hiệu hình sin với độ méo nhỏ đ−ợc.. 198.

(213) Ch−¬ng 6 c¸c m¹ch ®iÒu chÕ vμ gi¶i ®iÒu chÕ 6.1. C¸c kh¸i niÖm vÒ ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ Trong thực tế tin tức th−ờng là các dao động có tần số thấp (nh− tần số của sóng âm thanh từ 16 Hz đến 20 kHz) nên khó có thể truyền đi xa đ−ợc. Tin tức ở miền tần số thấp cần đ−ợc chuyển sang miền tần số cao để truyền đi xa nhờ quá trình điều chế. Quá trình tạo ra sóng điện từ và truyền đi từ một nguồn nào đó gọi là quá trình bức xạ. Từ trở bøc x¹ cña anten lµ Rbx ®−îc tÝnh b»ng biÓu thøc:. ⎛h⎞ Rbx = ⎜ ⎟ ⎝λ⎠. 2. (6.1). ë ®©y h lµ chiÒu cao hiÖu dông cña anten, λ lµ b−íc sãng. Anten bøc x¹ tèt nhÊt khi R bx ≈ 1 , nếu tần số tín hiệu là 10 kHz thì anten phải có chiều cao h = λ = 30 km, đó là điều không thể chấp nhận đ−ợc trong thực tế. Tần số càng cao kích th−ớc của anten càng giảm. Đó cũng là một lý do để truyÒn sãng ph¶i sö dông tÇn sè cao. Điều chế là một quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó (ví dụ: biên độ, tần số, góc pha, ...) của dao động cao tần theo tin tức. Tin tức đ−ợc gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần đ−ợc gọi là tải tin hay là sóng mang, dao động cao tần mang tin tức là dao động cao tần đã đ−ợc điều chế. Ng−ời ta th−ờng phân biệt hai loại điều chế: điều chế biên độ và điều chế góc, trong điều chế góc gồm điều tần và điều pha. Khi tải tin là tín hiệu xung có điều chế PAM (biên độ xung), PWM (độ rộng xung), PPM (vị trí xung) thay đổi theo quy luật của tin tức. Trong thông tin số còn sử dụng c¸c lo¹i ®iÒu chÕ xung m· PCM, DPCM. Điều chế là quá trình đ−ợc thực hiện ở nơi phát sóng. Tại nơi thu, để có tin tức thì phải thực hiÖn qu¸ tr×nh ng−îc l¹i lµ gi¶i ®iÒu chÕ hay gäi lµ t¸ch sãng. TÝn hiÖu sau khi t¸ch sãng ph¶i gièng d¹ng tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ban ®Çu. Thùc tÕ, tÝn hiÖu sau qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ, truyÒn, gi¶i ®iÒu chÕ kh¸c với tín hiệu ban đầu. Vì vậy một trong những yêu cầu cơ bản đối với quá trình tách sóng là yêu cầu vÒ mÐo phi tuyÕn. T−¬ng øng víi c¸c lo¹i ®iÒu chÕ, ng−êi ta còng ph©n biÖt c¸c lo¹i t¸ch sãng sau ®©y: t¸ch sãng biên độ (tách sóng điều biên) và tách sóng tần số (tách sóng điều tần).. 6.2.. §iÒu biªn vµ t¸ch sãng ®iÒu biªn. 6.2.1. Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo quy luật của tin tức. Trong tr−ờng hợp đơn giản, cả tin tức uS và tải tin ut đều là dao động điều hòa, tần số của tin tức biến thiên từ. ω S min ữ ω S max , còn tải tin có tần số không đổi ωt , ta có: u S = U S cos ω S t 179.

(214) ut = U t cos ω t t ;. víi ωt >> ωS.. Do đó tín hiệu điều biên:. u đb = ( U t + U S cos ωS t ). cos ω t t = U t (1 + m cos ω S t ). cos ω t t Trong đó m =. (6.2). US gọi là hệ số điều chế hay là độ sâu điều chế. Thông th−ờng chọn hệ số điều Ut. chÕ m ≤ 1. NÕu m > 1, x¶y ra hiÖn t−îng qu¸ ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu ®iÒu biªn sÏ bÞ mÐo trÇm träng nh− hình 6.1.c. áp dụng biến đổi l−ợng giác đối với biểu thức (6.2) sẽ nhận đ−ợc:. u đb = U t cos ω t t +. m m U t cos(ω t + ωS ) t + U t cos(ω t − ω S )t 2 2. (6.2b). VËy ngoµi thµnh phÇn t¶i tin, tÝn hiÖu ®iÒu biªn cã hai biªn tÇn: biªn tÇn trªn cã tÇn sè tõ. (ω t + ω S min ) đến (ω t + ω S max ) và biên tần d−ới có tần số từ (ω t − ω S max ) đến (ω t − ω S min ) . H×nh 6.1.b minh häa phæ cua tÝn hiÖu ®iÒu biªn. uS. uS (a) t. o. ωS min. o. U ®b. ωS max. ω. U®b. (b) t. ωt - ωS max ωt - ωS min ωt ωt + ωS max ωt + ωS min ω. m<1 U ®b. (c). t m>1. Hình 6.1. Tín hiệu điều biên. Đồ thị thời gian và phổ tin tức (a); đồ thị thời gian và phổ tín hiệu điều biên (b) ; đồ thị thời gian của tín hiệu điều biên, khi m > 1 (c).. 6.2.2. Quan hÖ n¨ng l−îng gi÷a c¸c thµnh phÇn cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn Trong tÝn hiÖu ®iÒu biªn, c¸c biªn tÇn chøa tin tøc, cßn t¶i tin kh«ng mang tin tøc. §Ó n¨ng cao hiệu quả của quá trình truyền thông tin, cần xem xét năng l−ợng đ−ợc phân bố nh− thế nào đối với các thành phần phổ của tín hiệu đã điều biên. C«ng suÊt cña t¶i tin lµ c«ng suÊt trung b×nh trong mét chu kú cña t¶i tin:. 1 P~t ~ U t2 . 2 180.

(215) 2. C«ng suÊt cña mét biªn tÇn lµ:. ⎛ mU t ⎞ P~ bt ~ ⎜ ⎟ /2 ⎝ 2 ⎠. Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ tín hiệu điều chế:. ⎛ m2 ⎞ ⎟ P~ đb = P~ t + 2P~ bt = P~ t ⎜⎜1 + 2 ⎟⎠ ⎝. (6.4). Tõ biÓu thøc (6.4) cho thÊy r»ng: c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn tØ lÖ víi hÖ sè ®iÒu chÕ m. HÖ sè ®iÒu chÕ cµng lín th× c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn cµng lín. Khi hÖ sè ®iÒu chÕ m = 1, th× cã quan hÖ gi÷a c«ng suÊt hai biªn tÇn vµ t¶i tÇn nh− sau:. 2 P~bt =. P~t 2. (6.5). §Ó gi¶m mÐo phi tuyÕn cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn, th× hÖ sè ®iÒu chÕ m th−êng chän nhá h¬n 1. Do đó công suất hai biên trên thực tế chỉ bằng 1/3 công suất của tải tần. Nghĩa là phần lớn công suất ph¸t x¹ ®−îc ph©n bè cho thµnh phÇn phæ kh«ng mang tin tøc (t¶i tin), cßn c¸c thµnh phÇn phæ chứa tin tức chỉ chiếm một phần nhỏ công suất của tín hiệu điều biên, đó là nh−ợc điểm của tín hiệu điều biên so với tín hiệu đơn biên. 6.2.3. C¸c chØ tiªu c¬ b¶n cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn 1. HÖ sè mÐo phi tuyÕn Hệ số méo phi tuyến ký hiệu là k và đ−ợc định nghĩa nh− biểu thức sau:. k=. I 2 (ωt ± 2ωS ) + I 2 (ωt ±3ω S ) + ... I ( ω t ±ω S ). (6.6). Trong đó:. I (ωt ± nω S ) ; n ≥ 2 là biên độ thành phần dòng điện ứng với hài bậc cao của tín hiệu điều chế. I (ωt ±ω S ) là biên độ của thành phần biên tần. Để đặc tr−ng cho méo phi tuyến trong mạch điều biên, ng−ời ta sử dụng đặc tuyến điều chế tÜnh h×nh 6.2. Đặc tuyến điều chế tĩnh cho biết quan hệ giữa biên độ tín hiệu ở đầu ra và giá trị tức thời của tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lèi vµo. §Æc tuyÕn ®iÒu chÕ tÜnh lý t−ëng lµ ®−êng th¼ng tõ It A C đến A. Đặc tuyến điều chế thực tế là không thẳng, làm cho l−ợng biến đổi của biên độ dao động cao tần ở ®Çu ra so víi gi¸ trÞ ban ®Çu (®iÓm B) kh«ng tØ lÖ tuyÕn B tính với giá trị tức thời của điện áp điều chế. Do đó trên ®Çu ra, tÝn hiÖu ®iÒu biªn, ngoµi hai biªn tÇn h÷u Ých cßn cã c¸c thµnh phÇn hµi bËc cao kh«ng mong muèn C US khác. Trong đó, đáng l−u ý nhất là các thành phần với tÇn sè ωt ± 2ωS rÊt gÇn c¸c biªn tÇn kh«ng thÓ läc ®−îc.. H×nh 6.2. §Æc tuyÕn ®iÒu chÕ tÜnh.. A− giá trị cực đại. B− tải tin ch−a điều chế. §Ó gi¶m mÐo phi tuyÕn, cÇn h¹n chÕ ph¹m vi lµm viÖc 181.

(216) của bộ điều chế trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến tĩnh. Muốn vậy phải giảm độ sâu điều chế. 2. HÖ sè mÐo tÇn sè Để đánh giá méo tần số căn cứ vào đặc tuyến biên độ - tần số của bộ điều chế.. m = f (FS ). U S = const. Hệ số méo tần số đ−ợc xác định theo biểu thức:. M=. mo hoÆc MdB = 20 log M m. (6.7). Trong đó mo là hệ số điều chế lớn nhất ; m là hệ số điều chế tại tần số đang xét (hình 6.3). MÐo tÇn sè xuÊt hiÖn chñ yÕu trong c¸c tầng khuếch đại âm tần để khuếch đại tín hiÖu ®iÒu chÕ, nh−ng còng xuÊt hiÖn trong c¸c tÇng ®iÒu chÕ, sau ®iÒu chÕ, khi m¹ch lọc đầu ra của các tầng này không đảm bảo d¶i truyÒn cho phæ tÝn hiÖu (2FS max).. m mo. m FS. Hình 6.3. Đặc tuyến biên độ - tần số của bộ điều chế. 6.2.4. C¸c m¹ch ®iÒu biªn C¸c m¹ch ®iÒu biªn ®−îc x©y dùng dùa trªn hai nguyªn t¾c sau ®©y: - Dùng phần tử phi tuyến, cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của phần tử phi tuyến. - Dïng phÇn tö tuyÕn tÝnh cã tham sè ®iÒu khiÓn ®−îc (dïng bé nh©n t−¬ng tù): nh©n t¶i tin vµ tín hiệu điều chế nhờ phần tử truyến tính đó. §Ó thùc hiÖn ®iÒu biªn theo nguyªn t¾c thø nhÊt, cã thÓ dïng mäi phÇn tö phi tuyÕn, nh−ng nÕu dùng transistor thì cùng với điều biên còn có thể có khuếch đại tín hiệu. Về mạch điện ng−ời ta phân biệt các loại mạch điều biên: mạch điều biên đơn, mạch điều biên cân bằng, mạch điều biên vßng. 1. Các mạch điều biên đơn Các mạch điều biên đơn là mạch chỉ dùng một phần tử tích cực để điều chế. Mạch điều biên đơn dùng phần tử phi tuyến, tùy thuộc vào điểm làm việc đ−ợc chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số đặc tr−ng cho phần tử phi tuyến có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor khi chế độ làm việc của mạch là chế độ A, t−ơng ứng góc cắt θ = 180o hoặc phân tích theo chuỗi Fourier, khi chế độ làm việc của mạch là chế độ AB, B, C t−ơng ứng θ < 180o. a) Tr−êng hîp 1: θ = 180o m¹ch ®iÒu biªn dïng diode h×nh 6.4. ë ®©y ®iÖn ¸p mét chiÒu Eo phân cực thuận cho diode, th−ờng chọn điểm làm việc ban đầu ở gần điểm uốn của đặc tr−ng Vonampe của diode. Nếu các tín hiệu vào thỏa mãn điều kiện (6.8) thì mạch làm việc ở chế độ A:. U t + U S < Eo. (6.8). Hàm số đặc tr−ng cho phần tử phi tuyến xung quanh điểm làm việc biểu diễn chuỗi Taylor:. i D = a1u D + a 2 u D2 + a3 u D3 + ... Víi. u D = E o + U t cos ω t t + U S cos ω S t Thay uD vµo biÓu thøc (6.9) ta ®−îc:. 182. (6.9).

(217) i D = a1 ( E o + U t cos ω t t + U S cos ω S t ) + a 2 ( Eo + U t cos ω t t + U S cos ω S t ) 2 +. + a3 ( Eo + U t cos ω t t + U S cos ω S t ) 3 + .... (6.10). Khai triÓn biÓu thøc 6.10 bá qua c¸c sè h¹ng bËc cao n ≥ 4, cã kÕt qu¶ mµ phæ cña nã ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.4.c. Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn trong tr−êng hîp nµy gåm thµnh phÇn h÷u Ých (ωt ± ωS) cßn cã c¸c thµnh phÇn phô kh«ng mong muèn. C¸c thµnh phÇn phô nµy b»ng kh«ng khi: (n = 1, 2, 3, ...) a3 = a4 = a5 = ... = a2n+1 = 0. iD iD. D. CB. t. + -. E0. 0. UD. 0. E0. ωs. 0. UD. a). b). t. c). H×nh 6.4.. Điều biên ở chế độ A. Mạch điện dùng diode (a). Đặc tuyến của diode,. đồ thị thời gian của tín hiệu vào/ ra (b). Phổ của tín hiệu điều biên đơn làm việc ở chế độ A (c).. Nghĩa là nếu đ−ờng đặc tính của phần tử phi tuyến là một đ−ờng cong bậc hai thì tín hiệu điều biên không bị méo phi tuyến. Phần tử phi tuyến có đặc tính gần với dạng lý t−ởng là transistor tr−êng (FET). Để thỏa mãn mạch làm việc ở chế độ A, thì tải tin và tín hiệu điều chế phải nhỏ, nghĩa là phải hạn chế độ sâu điều chế, dẫn đến hạn chế công suất phát tín hiệu điều biên. Vì lí do đó nên ít khi dùng điều biên ở chế độ A. b) Tr−ờng hợp 2: θ < 180o , tức là mạch làm việc ở chế độ AB, B, C. Nếu biên độ điện áp đặt vào diode đủ lớn, thì có thể coi đặc tuyến của nó là một đ−ờng gấp khúc hình 6.5.a. Ph−ơng trình biểu diễn đặc tuyến của diode trong tr−ờng hợp này nh− sau:. ⎧0 ID = ⎨ ⎩SU D. khi u D ≤ 0 khi u D > 0. (6.11). 183.

(218) S: Hỗ dẫn truyền đạt Chän ®iÓm lµm viÖc ban ®Çu trong khu cÊm cña diode, tøc lµ víi ®iÖn ¸p ph©n cùc ng−îc cho diode (ứng với chế độ C). Dòng qua diode khi đó là một xung hình sin hình 6.5, nên có thể biểu diÔn dßng iD theo chuçi Fourier nh− sau: iD = Io + i1 + i2 + i3 + .... iD = I o + I1 cosω t t + I 2 cos 2ω t t + ... + I n cos nω t t iD. (6.12). D. t 0. UD 0. θ. 0. D. UD Ut. CB. - +. US(t). E0 Us. U t (t). (b) (a). t. Hình 6.5. Điều biên ở chế độ C (tín hiệu vào lớn). Đặc tuyến của diode, đồ thị thời gian của tín hiệu vào/ ra (a). Mạch điện điều chế (b).. Trong đó Io là thành phần dòng một chiều, I1 là biên độ thành phần dòng điện cơ bản đối với tải tin, I2, I3 ... là biên độ thành phần dòng điện hài bậc cao của tải tin: Io, I1, I2 ... In đ−ợc tính theo biểu thức xác định hệ số của chuỗi Fourier.. Io = I1 =. θ. 1. ∫i. π 2. π. D. .dω t t. o. θ. ∫i. D. . cos ω t t.dω t t. o. ......................................................... In =. 2. π. θ. ∫i o. D. . cos nω t t.dω t t. ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭. (6.13). Theo biÓu thøc 6.11:. I D = S .U D = S ( Eo + U S cos ω S t + U t cosω t t ) 184. (6.14).

(219) Khi ωtt = θ thì iD = 0, do đó ta có thể viết biểu thức 6.14 nh− sau:. 0 = S ( Eo + U S cos ω S t + U t cos θ ). (6.15). LÊy biÓu thøc (6.14) trõ (6.15) ta cã:. iD = S .U t (cosω t t − cosθ ). (6.16). Biểu thức (6.16) là một dạng khác của (6.14) nó biểu diễn sự phụ thuộc của iD vào chế độ công tác (góc cắt θ). Thay biểu thức (6.16) vào (6.13) xác định đ−ợc các biên độ dòng điện Io, I1, ..., In. Trong đó biên độ của thành phần cơ bản (thành phần có ích):. I1 =. 2. θ. S .U (cos ω t − cosθ ). cos ω t.dω t = π∫ t. t. t. t. o. S .U t ⎛ 1 ⎞ ⎜θ − sin 2θ ⎟ π ⎝ 2 ⎠. (6.17). Do đó giá trị tức thời của thành phần cơ bản:. i1 =. S .U t ⎛ 1 ⎞ ⎜θ − sin 2θ ⎟. cos ω t t π ⎝ 2 ⎠. (6.18). Từ biểu thức (6.15) ta xác định đ−ợc:. cosθ = −. Eo + U S cosω S t Ut. (6.19). Từ biểu thức (6.18), (6.19) biên độ của thành phần dòng cơ bản tỉ lệ với tín hiệu điều chế US . 2. Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi Thùc chÊt cña qu¸ tr×nh nµy lµ qu¸ tr×nh nh©n tÝn hiÖu. Bé nh©n t−¬ng tù h×nh 6.6 ®ược sö dông để điều biên thuộc loại này. Trong m¹ch ®iÖn quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p ra uđb vµ ®iÖn ¸p vµo u t lµ quan hÖ tuyÕn tÝnh. Tuy nhiên khi uS biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác, làm cho biên độ tín hiệu ra thay đổi để có điều biên. C¨n cø vµo tÝnh chÊt cña m¹ch nh©n ta viÕt biÓu thøc ®iÖn ¸p ra: uđb = (E o + U S cos ωS t ).U t cos ω t t hoÆc uđb = E o U t cos ω t t +. U t US UU cos(ω t + ωS ).t + t S cos(ω t − ω S ).t 2 2. (6.20). U ®b Eo. US. =. ~. U S3 K. U ®b. U S2 U S1. ~ ~. Ut. Ut. (a). (b). Hình 6.6. Điều biên dùng bộ nhân t−ơng tự (a) và đặc tuyến truyền đạt (b).. Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn dïng bé nh©n t−¬ng tù gåm cã t¶i tin vµ hai biªn tÇn. Mạch nhân t−ơng tự còn dùng trong điều chế số ASK, FSK, PSK. Trong đó tín hiệu điều chế là 185.

(220) tÝn hiÖu sè, sãng mang lµ tÝn hiÖu ®iÒu hßa, lµ mét phÇn quan träng trong MODEM ghÐp víi m¸y tính hoặc các thiết bị số để truyền tín hiệu số trong mạng điện thoại công cộng. 3. M¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng Nh− đã xét ở trên, đối với các mạch điều biên đơn dùng phần tử phi tuyến, dòng điện ra tải ngoµi thµnh phÇn h÷u Ých (c¸c biªn tÇn) cßn cã nhiÒu thµnh phÇn kh«ng mong muèn kh¸c (t¶i tÇn vµ các hài bậc cao). Đó là đặc điểm cơ bản của mạch điều biên đơn. Trong tr−ờng hợp dùng transistor l−ỡng cực, transistor tr−ờng, đèn điện tử để điều biên, ng−ời ta ph©n biÖt c¸c lo¹i ®iÒu biªn sau ®©y: ®iÒu biªn base, ®iÒu biªn collector, ®iÒu biªn cöa, ®iÒu biªn m¸ng, ®iÒu biªn an«t, ®iÒu biªn l−íi ... C¸c lo¹i ®iÒu biªn cã tªn gäi t−¬ng øng víi cùc mµ ®iÖn ¸p điều chế đặt vào. Các mạch điều biên có thể phân loại theo mạch điện, chế độ, −u nh−ợc điểm v.v. §Ó gi¶m mÐo phi tuyÕn, dïng m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng. Trªn h×nh 6.7 tr×nh bµy m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng dïng diode vµ transistor l−ìng cùc. U1. i1. CB US. •. U ®b. CB. U2. U CC Ut. US. -. Ut. 0. ωS. U ®b. CB. i2. (a). +. (b). ωt − 3ω S. 3ω S. ωt. ωt + 3ω S. 2ω t. ω. (c) H×nh 6.7. M¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng: Dïng diode (a). Dïng transistor (b). Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn (c).. Trên hình 6.7.a, điện áp đặt lên các diode D1 và D2 lần l−ợt:. u 1 = U S cos ωS t + U t cos ω t t u 2 = −U S cos ω S t + U t cosω t t. ⎫ ⎬ ⎭. (6.21). ⎫ ⎬ ⎭. (6.22). Dßng ®iÖn qua c¸c diode ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor: i1 = a o + a 1 u1 + a 2 u12 + a 3 u13 + .... i2 = − a o + a1 u2 + a 2 u + a 3 u + ... 2 2. 186. 3 2.

(221) i = i1 − i2. Dßng ®iÖn ra. (6.23). Thay 6.21 vµ 6.22 vµo 6.23 vµ chØ lÊy bèn vÕ ®Çu, ta nhËn ®−îc biÓu thøc dßng ®iÖn ra:. i = A cosω S t + B cos 3ω S t + C [cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] + + D[cos(2ω t + ω S )t + cos(2ω t − ω S )t ]. (6.24). Trong đó:. 1 ⎛ ⎞ A = U S ⎜ 2a1 + 3a3U t2 + a3U S2 ⎟ 2 ⎝ ⎠ 1 a 3 U 33 ; 2 3 D = a 3U S U t 2. B=. ⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭. C = 2a2U SU t. (6.25). T−¬ng tù nh− vËy cã thÓ chøng minh kÕt qña cho m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng dïng transistor h×nh 6.7.b. 4. M¹ch ®iÒu biªn vßng Mét d¹ng kh¸c cña m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng lµ m¹ch ®iÒu biªn vßng, thùc chÊt ®©y lµ hai mạch điều biên cân bằng có chung một tải. Khi đó tín hiệu điều biên đã loại bỏ đ−ợc nhiều thành phÇn phô kh«ng mong muèn. Sơ đồ mạch điều biên vòng đ−ợc trình bày trên hình 6.8. D1 CB. D3. US CB. U®b. D4. D2. (a). Ut. ωt. 0. ω. (b). H×nh 6.8. M¹ch ®iÒu biªn vßng (a) vµ phæ tÝn hiÖu ra (b).. Gäi dßng ®iÖn ra cña m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng gåm D1, D2 lµ iI , vµ dßng ®iÖn ra cña m¹ch ®iÖn c©n b»ng gåm c¸c diode D3, D4 lµ iII. Theo biÓu thøc 6.24 ta cã :. iI = A cos ω S t + B cos 3ω S t + C [cos(ωt + ω S )t + cos(ωt − ω S )t ] + + D[cos(2ωt + ω S )t + cos(2ωt − ω S )t ] ;. i II = i D 3 − i D 4. (6.26) (6.27). Trong đó:. i D 3 = a o + a1u 3 + a 2 u 32 + a3 u 33 + ... i D 4 = a o + a1u 4 + a 2 u 42 + a3 u 43 + .... ⎫ ⎬ ⎭. (6.28). Với u3 và u4 là điện áp đặt lên D3 và D4 đ−ợc xác định nh− sau: 187.

(222) u3 = −U t cos ωt t − U S cos ω S t u 4 = −U t cos ωt t + U S cos ω S t. ⎫ ⎬ ⎭. (6.29). Thay biÓu thøc (6.28) vµ (6.29) vµo (6.37) ta ®−îc:. iII = − A cos ω S t − B cos 3ω S t + C [cos(ωt + ω S )t + cos(ωt − ω S )t ] − − D[cos(2ωt + ω S )t + cos(2ωt − ω S )t ]. (6.30). Các giá trị của A, B, C, D trong hai biểu thức (6.26) và (6.30) đ−ợc xác định trong biểu thức (6.25). Tõ biÓu thøc (6.26) vµ (6.30) ta ®−îc :. i đb = i I + i II = 2C[cos(ω t + ωS ) t + cos(ω t − ωS ) t ]. (6.31). Nh− vậy là sử dụng mạch điều chế vòng đã khử đ−ợc các hài bậc lẻ của ωS, và các biên tần của 2ωt; do đó độ méo phi tuyến rất nhỏ. Mạch điều chế vòng cũng có thể coi nh− mạch nhân. 6.2.4. Tách sóng biên độ (giải điều chế biên độ) 1. C¸c tham sè c¬ b¶n a) HÖ sè t¸ch sãng. Tín hiệu vào của bộ tách sóng là tín hiệu cao tần đã điều biên:. uVTS = U VTS (t ) cos ω t t = U (ω S t ) cos ω t t Trong đó UVTS biến thiên theo quy luật của tin tức. Biên độ tín hiệu ra của bộ tách sóng: URTS(t) = KTS UVTS ë ®©y KTS lµ hÖ sè tØ lÖ vµ ®−îc gäi lµ hÖ sè t¸ch sãng.. K TS =. U RTS (t ) U VTS (t ). Trong đó URTS(t) và UVTS(t) đều gồm có thành phần một chiều và thành phần tần số thấp (tỉ lệ víi tin tøc). U VTS (t ) = U o' + u S' U RVTS (t ) = U o'' + u S'' Đối với quá trình tách sóng, chỉ cần quan tâm đến các thành phần tần số thấp (mang tin tức), do đó th−ờng xác định hệ số tách sóng nh− sau:. K TS =. u S" u S'. (6.32). Trong đó u S'' và u S' đặc tr−ng cho thành phần tần số thấp tỉ lệ với tin tức ở lối ra, và lối vào cña bé t¸ch sãng. HÖ sè t¸ch sãng cµng lín th× hiÖu qu¶ t¸ch sãng cµng cao. NÕu trong qu¸ tr×nh t¸ch sãng KTS = const, nghÜa lµ hÖ sè t¸ch sãng chØ phô thuéc vµo m¹ch t¸ch sãng, mµ kh«ng phô thuéc vµo biên độ điện áp vào, thì u S' ' tỉ lệ với u S' . Do đó điện áp ra của bộ tách sóng biến thiên cùng quy 188.

(223) luật với biên độ điện áp vào. Lúc đó bộ tách sóng không gây méo phi tuyến và đ−ợc gọi là bộ tách sãng tuyÕn tÝnh. b) Trở kháng vào của bộ tách sóng là tỉ số giữa biên độ điện áp cao tần và biên độ dòng điện cao tÇn ë lèi vµo cña bé t¸ch sãng.. ZVTS =. U VTS U (ωt ) = IVTS I (ωt ). (6.33). Trị số của trở kháng vào của bộ tách sóng cho biết ảnh h−ởng của bộ tách sóng đến nguồn tín hiÖu vµo. Thông th−ờng mạch vào của bộ tách sóng gồm các phần tử điện kháng, do đó giữa điện áp và dßng ®iÖn cã dÞch pha: v× vËy trë kh¸ng vµo lµ mét sè phøc:. Z VTS =. 1 1 = YVTS g VTS + jbVTS. (6.34). gVTS làm giảm hệ số phẩm chất của mạch ra nguồn tín hiệu, còn bVTS làm thay đổi tần số cộng h−ởng riªng cña nã. c) MÐo phi tuyÕn Giống nh− bộ khuếch đại, méo phi tuyến của bộ tách sóng đ−ợc xác định nh− sau:. γ =. I 22 ωS + I 32 ωS + .... I ωS. .100%. (6.35). Trong đó I ωS , I 2ωS ... lần l−ợt là biên độ thành phần dòng điện bậc nhất, bậc hai ... của tín hiÖu ®iÒu chÕ. ở đây không cần quan tâm đến các dòng điện cao tần (tải tần và hài bậc cao của nó) vì trong m¹ch ®iÖn cña bé t¸ch sãng dÔ dµng läc bá c¸c thµnh phÇn nµy. 2. Mạch điện bộ tách sóng biên độ Cũng t−ơng tự nh− trong phần điều chế biên độ. Để tách sóng biên độ có thể dùng hai ph−ơng pháp là: dùng các phần tử phi tuyến hoặc là dùng các phần tử tuyến tính có tham số thay đổi đ−ợc. Tách sóng biên độ dùng các phần tử phi tuyến đ−ợc thực hiện nhờ mạch chỉnh l−u. a) Tách sóng biên độ bằng mạch chỉnh l−u. Có hai sơ đồ tách sóng dùng mạch chỉnh l−u: sơ đồ tách sóng nối tiếp và sơ đồ tách sóng song song. Trong sơ đồ tách sóng nối tiếp hình 6.9.a, diode tách sóng đ−ợc mắc nối tiếp với tải, còn trong sơ đồ tách sóng song song diode tách sóng mắc song song với tải hình 6.9.b. o. U ®b = U S'. D. C. o C. o. R. U. o. (a). o '' S. U ®b = U S'. o D. o. R. U S'' o. (b). Hình 6.9. Sơ đồ tách sóng biên độ bằng mạch chỉnh l−u; Tách sóng nối tiếp (a) ; tách sóng song song (b).. Nếu tín hiệu vào đủ lớn, sao cho diode làm việc trong đoạn t−ơng đối thẳng của đặc tuyến, khi 189.

(224) đó có thể coi đặc tuyến của diode nh− một đ−ờng gấp khúc nh− trên hình 6.10.a thì ta có quá trình t¸ch sãng tÝn hiÖu lín. §Æc tr−ng V-A cña diode ®−îc biÓu diÔn theo ph−¬ng tr×nh 6.36.. ⎧Su iD = ⎨ D ⎩0. Khi uD ≥ 0 Khi uD < 0. (6.36). Trong các sơ đồ của hình 6.9, diode chỉ thông đối với nửa chu kỳ d−ơng của dao động cao tần ở đầu vào. Hình bao của dao động cao tần nhận đ−ợc nhờ sự phóng nạp của tụ C (hình 6.10). Sau đây ta sẽ phân tích và tính toán đối với sơ đồ tách sóng nối tiếp hình 6.9(a). Theo biÓu thøc (6.36) ta viÕt ®−îc biÓu thøc dßng ®iÖn qua diode.. vµ hoÆc. iD = S (u db − uC ). (6.37). u đb = U t (1 + m cos ωS t ) cos ω t t. (6.38). u đb = U đb cos ω t Trong đó Uđb = U t (1 + m cos ωS t ). (6.39). Thay biÓu thøc (6.38) vµo (6.37) ta cã:. i D = S( U đb cos ω t t − u C ). (6.40). BiÕt r»ng khi ωt t = θ th× iD = 0 thay vµo (6.40) ta ®−îc (6.41). 0 = S( U db cos θ − u C ). (6.41). Tõ biÓu thøc (6.41) suy ra gãc dÉn ®iÖn cña diode. cos θ =. uC U đb. (6.42) iD. iD. t 0. UD. 0. 0. U db. t. H×nh 6.10. Qu¸ tr×nh t¸ch sãng tÝn hiÖu lín nhê m¹ch chØnh l−u dïng diode.. Tõ biÓu thøc (6.40) vµ (6.41) ta suy ra: 190.

(225) i D = SU db (cos ω t t − cos θ). (6.43). MÆt kh¸c v× dßng qua diode lµ mét d·y xung (h×nh 6.10) nªn cã thÓ khai triÓn iD theo chuçi Fourier nh− sau:. i D = I o + I o cos ω t t + I 2 cos 2ω t t + .... (6.44). Theo chuçi Fourier, ta tÝnh ®−îc:. Io =. 1. θ. i π∫. D. dωt t. o. In =. 2. π. θ. ∫ i D cos nωt t.dωt t o. ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭. víi n = 1, 2, 3, .... (6.45). Thay biÓu thøc (6.43) vµo (6.45) råi lÊy tÝch ph©n, ta nhËn ®−îc c¸c kÕt qu¶ sau:. Io =. SU db (sin θ − θ cos θ) π. (6.46a). In =. SU db (θ − sin θ cos θ) π. (6.46b). Io xác định từ biểu thức (6.46a) có chứa thành phần một chiều thuần túy: vµ thµnh phÇn biÕn thiªn chËm:. SU t. π. SU t. π. (sin θ − θ cos θ ). m(sin θ − θ cos θ ) cos ω S t chÝnh lµ thµnh phÇn h÷u Ých (tin. tøc). Từ dòng một chiều Io xác định đ−ợc điện áp ra trên tải:. uC = RI o =. RS. π. U db (sin θ − θ cos θ ). (6.47). Thay biÓu thøc (6.47) vµo (6.42) ta cã:. cos θ = hay. RS. π. tgθ = θ =. (sin θ − θ cos θ ). π. (6.48). SR. Theo (6.48) gãc dÉn ®iÖn θ chØ phô thuéc vµo tham sè S, R cña m¹ch ®iÖn mµ kh«ng phô thuộc vào tín hiệu vào, Từ đó kết luận là tách sãng tÝn hiÖu lín kh«ng g©y mÐo phi tuyÕn ( h×nh 6.11). NÕu gi¶ thiÕt θ = I1 =. π 2. th× I o =. SU db , π. UC. 0. UC. t. H×nh 6.11. §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p ra uC trªn t¶i bé t¸ch sãng nèi tiÕp.. SU db ... Vµ biÓu thøc cña dßng qua diode cña m¹ch t¸ch sãng viÕt d−íi d¹ng chuçi Fourier π. trong tr−êng hîp 90 o . 191.

(226) ⎛1 1 ⎞ 2 ∞ (−1) n cos 2nω t t ⎟⎟ i D = SU db ⎜⎜ + cos ω t t − ∑ 2 π n =1 4n − 1 ⎝π 2 ⎠ Thay (6.39) vµo ta cã:. ⎡1 1 ⎤ 2 ∞ (−1) n iD = SU t (1 + m cos ω S t ) ⎢ + cos ωt t − ∑ 2 cos 2nωt t ⎥ π n=1 4n − 1 ⎣π 2 ⎦. (6.49). Tõ biÓu thøc (6.49) ta nhËn thÊy r»ng: Phæ cña dßng ®iÖn iD gåm cã c¸c thµnh phÇn mét chiÒu,. ωt , ωS, ωt ± ωS , nωt ± ωS . Th«ng th−êng ωt >> ωS , nªn c¸c thµnh phÇn ωt , ωt ± ωS vµ nωt ± ωS ®−îc läc rÊt dÔ dµng nhê m¹ch läc th«ng thÊp, chØ cßn thµnh phÇn h÷u Ých mSU db cos ωS t . π Mét lÇn n÷a l¹i thÊy r»ng bé t¸ch sãng tÝn hiÖu lín kh«ng g©y mÐo. V× vËy tr−íc khi t¸ch sãng ng−ời ta th−ờng khuếch đại để tín hiệu đủ lớn, thông th−ờng tr−ớc tách sóng dùng tầng khuếch đại cộng h−ởng, có hệ số khuếch đại lớn tại tần số cộng h−ởng, do đó loại đ−ợc nhiễu, đảm bảo chế độ t¸ch sãng tuyÕn tÝnh. iS =. Trong các sơ đồ hình 6.9 phải chọn hằng số thời gian τ = RC đủ lớn sao cho dạng điện áp ra ph¶i gÇn víi d¹ng h×nh bao cña ®iÖn ¸p cao tÇn ë ®Çu vµo. Tuy nhiªn kh«ng thÓ chän ®iÖn dung qu¸ lớn, để tránh méo do điện dung tải gây ra. Điều kiện tổng quát để chọn τ:. 1 1 << R << ωt C ωS C. (6.50). Tr−êng hîp chän tô C qu¸ lín, lµm cho vế thứ hai của bất đẳng thức (6.50) không tháa m·n th× ®iÖn ¸p ra kh«ng biÕn thiªn kÞp với biên độ điện áp vào, gây méo tín hiệu h×nh 6.12. §Ó tr¸nh hiÖn t−îng nµy ph¶i chän trị số tụ C sao cho tốc độ biến thiên của điện áp ra uC tối thiểu bằng tốc độ biến thiên của biên độ điện áp vào trong tr−ờng hợp tụ C phãng.. ∧. UC. U®b. UC U®b. t. H×nh 6.12. HiÖn t−îng mÐo tÝn hiÖu t¸ch sãng do ®iÖn dung t¶i qu¸ lín. Thùc tÕ th−êng chän RC theo ®iÒu kiÖn (6.51):. 10 1 <R< ωt C ω S max C. C. (6.51). Muốn dễ dàng thỏa mãn (6.51) phải đảm. o o CB. b¶o ωt ≥ 100ω S max Trong hai sơ đồ trên hình 6.9, sơ đồ tách sãng nèi tiÕp cã ®iÖn trë vµo RV = R / 2 lín hơn điện trở vào của sơ đồ tách sóng song 192. R. D. •. U S'' o. + UCC. Hình 6.13. Sơ đồ tách sóng song song ghép với tải tÇng tr−íc. (Ng¨n ®iÖn ¸p mét chiÒu ra t¶i t¸ch sãng).

(227) song RV = R / 3 . Ngoài ra trên tải của sơ đồ tách sóng song song còn có điện áp cao tần, do đó phải dùng bộ lọc để lọc bỏ nó. Vì những lý do đó, nên sơ đồ tách sóng song song chỉ dùng trong tr−ờng hợp cần ngăn thành phần một chiều từ tầng tr−ớc đ−a đến hình 6.13. b) Tách sóng biên độ dùng phần tử tuyến tính tham số. §Ó dÔ hiÓu, xÐt bé t¸ch sãng ®iÒu biªn dïng m¹ch nh©n t−¬ng tù h×nh 6.14. TÝn hiÖu ®iÒu biªn ®−a vµo mét ®Çu vµo cña bé U®b o ur nh©n t−¬ng tù. U®b = U t (1 + m cos ωS t ) cos ω t t. (6.52). Trªn ®Çu vµo thø hai ®−a vµo t¶i tin.. ut = U t cos(cos ωt t + ϕ ). K. ut o. (6.53). o. Hình 6.14. Tách sóng đồng bộ dïng m¹ch nh©n t−¬ng tù. Trªn ®Çu ra cña bé nh©n sÏ cã tÝn hiÖu:. u r = u đb .u t .K K lµ hÖ sè nh©n cña m¹ch nh©n t−¬ng tù:. ur =. KU 2t ⎛ 1 + m cos ωS t ⎞ (1 + m cos ωS t ) cos ϕ + KU 2t ⎜ ⎟ cos(2ω t t + ϕ) 2 2 ⎠ ⎝. (6.54). Dïng m¹ch läc th«ng thÊp ta t¸ch ra thµnh phÇn h÷u Ých:. u S'' =. KU t2 (1 + m cos ω S t ) cos ϕ 2. (6.55). Tõ biÓu thøc (6.54) vµ (6.55) cã thÓ rót ra nh÷ng nhËn xÐt sau ®©y: - Trong phổ điện áp ra không có thành phần tải tần. Thực tế do mạch nhân không hoàn toàn đối xứng, nên phổ điện áp ra có chứa tải tần với biên độ nhỏ. - Muèn t¸ch sãng b»ng m¹ch nh©n ph¶i cã tÝn hiÖu tÇn sè b»ng tÇn sè cña t¶i tin cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn ®−a vµo ®Çu vµo thø hai cña bé nh©n. - Biên độ điện áp đầu ra bộ tách sóng phụ thuộc vào góc pha ϕ, với ϕ là góc lệch pha giữa tín hiệu cần tách sóng và tải tin phụ (đ−a vào đầu thứ hai của bộ nhân). Khi pha ϕ = 0, π biên độ điện áp đầu ra bộ tách sóng đạt cực đại, khi ϕ = ±. π biên độ ra bằng không. Nh− vậy bộ tách sóng vừa. 2 vừa có tính chất chọn lọc về biên độ, vừa có tính chất chọn lọc về pha. Nói cách khác đó là bộ tách sóng biên độ – pha. Do đó để tách sóng có hiệu quả cần phải đồng bộ tín hiệu vào và tải tin phụ cả về tần số lẫn về pha. Vì vậy bộ tách sóng này cần có tên gọi là bộ tách sóng đồng bộ. So với bộ tách sóng dùng diode, thì bộ tách sóng đồng bộ chứa ít thành phần tổ hợp ở đầu ra. Trên hình 6.15 là một ví dụ về bộ tách sóng đồng bộ đ−ợc chế tạo d−ới dạng vi mạch. Nó đ−ợc dùng để tách sóng tín hiệu hình trong máy thu hình. Khi tách sóng tín hiệu hình cần đặc biệt l−u ý đến méo phi tuyến, vì tải tần màu 4,43MHz và tải tần đ−ờng tiếng 5,5MHz trộn với nhau t¹o ra tÇn sè 1,07MHz vµ c¸c hµi n. 1,07MHz sÏ g©y nhiÔu cho ®−êng h×nh. M¹ch t¸ch sãng này có thể loại bỏ các nhiễu đó. 193.

(228) Vμo. ChuyÓn m¹ch. o. Bé h¹n chÕ. Läc th«ng thÊp. Läc th«ng d¶i. o ra. (a) o 12V. R3. R4. R8. R9. D1 o C1. L1. T8 D2. T9. T10. T11. 1. o U11 T1. T2. T3. T6. T4. T7. T12 R10. 2. T13 R11. o. U12 R13 R1. R2. R5. R6. R7. (b). R12. R14. o. Hình 6.15. Bộ tách sóng đồng bộ dạng vi mạch. Sơ đồ khối (a) ; Sơ đồ nguyên lý (b).. Đầu vào bộ tách sóng là tín hiệu trung tần hình đã đ−ợc điều biên, (từ tín hiệu cao tần qua bộ trén lµm tÇn sè sãng mang gi¶m xuèng miÒn trung tÇn). Phæ cña nã ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc tæng qu¸t sau:. m ⎡1 ⎤ utg (t ) = U tg ⎢ cos ωtg t + cos(ωtg + ω S )t ⎥ 2 ⎣2 ⎦. (6.56). (gåm t¶i tin vµ biªn tÇn trªn) Trong đó: ωtg tần số tải tin (tần số trung gian); ωS là tần số điều chế; m là hệ số điều chế. Tín hiệu vào trung gian đ−ợc đồng thời đ−a đến bộ hạn biên và bộ chuyển mạch. Qua bộ hạn biªn vµ m¹ch läc th«ng d¶i sÏ t¸ch ra ®−îc t¶i tÇn ch−a ®iÒu chÕ.. utgo = KU tg cos ωtg t. (6.57). K lµ hÖ sè tØ lÖ, phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña bé h¹n biªn vµ bé läc. utgo điều khiển chuyển mạch, sao cho điện áp vào utg hoặc đ−ợc truyền hoàn toàn đến đầu ra chuyển mạch hoặc đ−ợc ngắt theo đúng nhịp của tải tần. Nh− vËy ®Çu ra cña bé chuyÓn m¹ch cã ®iÖn ¸p:. u (t ) = u tg (t ).S (t ). 194.

(229) S(t) là hàm số đặc tr−ng cho bộ chuyển mạch th−ờng là dãy xung chữ nhật hình 6.16. S 1 (t). S 2 (t). π. ωt 2π. 0. (b). A. ωt 0. π. 2π. (a). H×nh 6.16. Hai d¹ng kh¸c nhau cña hµm chuyÓn m¹ch.. BiÓu diÔn to¸n häc cña hµm S(t) trªn h×nh 6.16:. S1 (t ) =. A 2A ⎛ 1 1 ⎞ + ⎜ cos ω tg t − cos 3ω tg t + cos 5ω tg t + ... ⎟ 2 π ⎝ 3 5 ⎠. (6.58a). S 2 (t ) =. 4A ⎛ 1 1 ⎞ ⎜ cos ω tg t − cos 3ω tg t + cos 5ω tg t + ... ⎟ π ⎝ 3 5 ⎠. (6.58b). §iÖn ¸p ra sau tÇng chuyÓn m¹ch:. 1 AU tg [cos ω tg t + m cos(2ω tg + ω s )t ] 4 (6.59a) 3 1 1 ⎡ ⎤ + AU tg ⎢1 + m cos ω s t + cos 2ω tg t + m cos(2ω tg + w s ).t − m cos(2ω tg − ω s ).t ⎥ 2π 2 3 ⎣ ⎦. u1 (t ) = utg =. u2 (t ) = utg S 2 =. 3 ⎡ AU tg ⎢1 + m cos ω S t + cos 2ω tg t + m cos(2ω tg + ω S )t − 2 π ⎣ 1. 1 ⎤ − m cos(2ω tg − ω S )t ⎥ 3 ⎦. (6.59b). Khi dïng hµm S1(t), ®iÖn ¸p ra ngoµi thµnh phÇn mong muèn ω s cßn cã c¸c thµnh phÇn mét chiÒu, t¶i tÇn ω tg , biªn tÇn trªn ω tg + ω s ; hµi bËc hai cña t¶i tÇn 2 ω tg cïng c¸c biªn tÇn 2 ω tg ± ω s . NÕu dïng hµm S2(t), ®iÖn ¸p ra kh«ng chøa t¶i tÇn ω tg vµ biªn tÇn trªn ω tg + ω s , c¸c thµnh phÇn cßn lại có biên độ lớn gấp đôi so với tr−ờng hợp dùng S1(t). Trong cả hai tr−ờng hợp, dùng bộ lọc thông thÊp ë ®Çu ra dÔ dµng bäc bá ®−îc c¸c thµnh phÇn kh«ng mong muèn. H×nh 6.15 (b) cho mét vÝ dô vÒ vi m¹ch (A.240, TDA440) lµm viÖc theo nguyªn t¾c nªu trªn, điện áp vào utg đ−a đến bộ khuếch đại lặp lại emitter T1 và T2, lối ra của tầng T1, T2 đ−a tới lối vào tầng khuếch đại vi sai gồm T3, T4. ở đây T5 đóng vai trò tạo một nguồn dòng. Điện áp ra trên R3, R4 của tầng khuếch đại vi sai đ−ợc hạn chế biên độ nhờ diode D1, D2. Diode D1 và D2 mắc song song víi khung céng h−ëng L1, C1 nh»m läc bá c¸c hµi bËc cao, lÊy ra t¶i tÇn ch−a ®iÒu chÕ Utg0 ®−a vµo tầng lặp lại emitter T6, T7 rồi đến chuyển mạch gồm T8ữT14. Tầng khuếch đại vi sai T12, T13 làm nhiệm vụ khuếch đại Utg. Nhờ các điện trở R10, R11 mắc trong mạch emitter để mở rộng phạm vi lµm viÖc tuyÕn tÝnh cña m¹ch. 195.

(230) Hai tầng khuếch đại vi sai T8, T9 vµ T10 T11 ®−îc ®iÒu khiÓn bëi t¶i tin ch−a ®iÒu chÕ Utg0 ®−a tõ bé h¹n chÕ đến. Vì biên độ Utg0 khá lớn nên các bộ khuếch đại vi sai này làm việc ở chế độ khoá, T14 là nguồn dòng. Nguyên lý hoạt động của tầng chuyển mạch đ−ợc minh hoạ bởi sơ đồ t−ơng ®−¬ng h×nh 6.17. Do m¾c chÐo collector cña T9 vµ T10 nªn tÇng chuyÓn m¹ch cã hµm truyền đạt S2(t) của một dãy xung chữ. II T8 T12. R8 Tg U tg. I T14. U tg0. R9. T 11. T 13. U(t) T10. Hình 6.17. Sơ đồ t−ơng đ−ơng tầng chuyển mạch của bộ tách sóng biên độ hình 6.15. nhật có cực tính thay đổi nh− biểu diễn trên hình 6.16(b). Điện áp ra u(t) lấy trên R9 không đối xứng. Sụt áp trên R8 không đ−ợc dùng đến do đó thực tế kh«ng cÇn m¾c R8 trong m¹ch. Khi thay đổi chiết áp R14 thì dòng điện của nguồn dòng T14 thay đổi, nhờ đó có thể thay đổi møc tr¾ng cña tÝn hiÖu video. 3. Hiện t−ợng phách và hiện t−ợng chèn ép trong bộ tách sóng biên độ Tr−ờng hợp trên đầu vào bộ tách sóng biên độ có hai dao động cao tần (tín hiệu và nhiễu), thì trong bé t¸ch sãng x¶y ra hiÖn t−îng ph¸ch vµ hiÖn t−îng chÌn Ðp. a) HiÖn t−îng ph¸ch Giả thiết các điện áp đặt vào bộ tách sóng biên độ:. u1 = U 1 cos ω1t. →. ω2. U2. u 2 = U 2 cos ω 2 t Do đó điện áp tổng cộng. →. u(t ) = u1 (t ) + u2 (t ) = U (t ) cos[ω1 t + ϕ (t )]. U. Δω o‘. →. U1. ϕ (t ). Vì u1 và u2 có tần số không cố định, nên biên độ của véc tơ tổng không cố định. Tại một thời điểm bất kỳ, ta có. r. vÐc t¬ tæng u nh− trªn h×nh 6.18.. r. r. Nếu coi u1 đứng yên thì u 2 quay quanh O’ với vận tốc góc là ω2, do đó Δω = ω 2 −ω 1 .. ω1 o 0. H×nh 6.18. §å thÞ vÐc t¬ cña ®iÖn ¸p vào bộ tách sóng biên độ.. ¸p dông hÖ thøc tam gi¸c th−êng, ta t×m ®−îc:. U (t ) = U 12 + U 22 + 2U 1U 2 cos Δωt. ϕ (t ) = arctg. U 2 sin Δωt U 1 + U 2 cos Δωt. Vì bộ tách sóng biên độ không có sự phụ thuộc vào pha của điện áp vào nên để xét kết quả. điện áp ra của bộ tách sóng không cần quan tâm đến ϕ (t ) . Nếu giả thiết bộ tách sóng không có 196.

(231) quán tính đối với tần số hiệu Δω , nghĩa là định nghĩa:. 1 ΔωC. >> R th× ®iÖn ¸p trªn t¶i cña bé t¸ch sãng theo. U RTS = K TS U VTS = K TS U (t ). = K TS U 1 1 +. U 22 U + 2 2 cos(Δω .t ) 2 U1 U1. (6.60). Nh− vËy ®iÖn ¸p ra biÕn thiªn theo tÇn sè hiÖu Δω . §ã lµ hiÖn t−îng ph¸ch. Hiện t−ợng phách đ−ợc ứng dụng trong điện báo đẳng biên. Tín hiệu điện báo đẳng biên sau khi tách sóng là điện áp một chiều, do đó nó không có tác dụng đối với tai nghe. Vì vậy để tách sóng tín hiệu điện báo đẳng biên có tần số ω 1 cần đ−a thêm tín hiệu ngoại sai có tần số ω 2 vào bộ tách sóng, sao cho Δω = ω 2 − ω1 nằm trong phạm vi âm tần để tai có thể nhận biết đ−ợc.. b) HiÖn t−îng chÌn Ðp Tr−ờng hợp hai dao động tác động lên bộ tách sóng có biên độ chênh lệch nhau nhiều thì hiện t−îng ph¸ch trë thµnh hiÖn t−îng chÌn Ðp. Trong biểu thức (6.60) đặt:. x=. U 22 2U 2 + cos Δωt U 12 U 1. NÕu gi¶ thiÕt U 2 << U 1 th× x << 1 . áp dụng biểu thức gần đúng, ta viết biểu thức (6.60) nh− sau:. ⎛ U2 U ⎞ U (t ) = K TS U 1 1 + X ≈ K TS U 1 ⎜⎜1 + 22 + 2 cos Δωt ⎟⎟ ⎝ U1 U1 ⎠ ⎛ ⎞ U2 = K TS ⎜⎜U 1 + 2 + U 2 + ...⎟⎟ 2U 1 ⎝ ⎠. (6.61). Từ (6.61) suy ra tín hiệu ra đối với từng tín hiệu vào u1 và u 2 .. U RTS = K TS U 1 do đó K TS 1 = K TS U RTS = K TS. Do đó K TS 2 = K TS. U 22 = K TS 2U 2 2U 1. U2 2U 1. Vì U1 >> U 2 nên K TS 1 >> K TS 2 , nghĩa là khi trên đầu vào bộ tách sóng biên độ có hai dao động cao tần biên độ khác nhau nhiều thì trong quá trình tách sóng có hiện t−ợng tín hiệu lớn chèn ép tín hiệu bé. Hiện t−ợng này biểu hiện tính chọn lọc theo biên độ của bộ tách sóng. Vậy khi nhiễu có biên độ nhỏ hơn nhiễu so với biên độ của tín hiệu hữu ích thì rõ ràng tác dụng chọn lọc rất có lợi. Tuy nhiên khi tín hiệu nhỏ hơn nhiễu phải chú ý nâng cao mức tín hiệu để tránh hiện t−ợng tín hiệu bÞ nhiÔu chÌn Ðp. 197.

(232) 6.3. Điều chế và giải điều chế đơn biên 6.3.1. Khái niệm về điều chế đơn biên Nh− đã biết, phổ của dao động điều biên gồm tải tần và hai biên tần, trong đó chỉ có các biên tần là mang tin tức. Vì cả hai dải biên tần mang tin tức nh− nhau (về biên độ và tần số) 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 toµn bé hay mét phÇn t¶i tÇn tr−íc khi truyÒn ®i. Qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ nh»m t¹o ra mét d¶i biªn tÇn gọi là điều chế đơn biên. Điều chế đơn biên (với một phần d− của tải tần) mang một ý nghĩa thực tế lớn. Điều chế đơn biªn víi m¹ch phøc t¹p, tèn kÐm nh−ng l¹i cã nhiÒu −u ®iÓm quan träng h¬n h¼n ®iÒu biªn th«ng th−êng: - §é réng dµi tÇn gi¶m mét nöa. - Công suất phát xạ yêu cầu thấp hơn với cùng một cự ly thông tin, vì đã tập trung công suất cña t¶i tÇn vµ mét biªn tÇn cho biªn tÇn cßn l¹i. - T¹p ©m t¹i bé t¸ch sãng gi¶m do d¶i tÇn cña tÝn hiÖu hÑp h¬n. Do những −u điểm trên, nên điều chế đơn biên ngày càng đ−ợc dùng nhiều trong thông tin nói chung (ë d¶i sãng ng¾n vµ sãng trung) vµ th«ng tin qu©n sù nãi riªng. Từ biểu thức (6.3) có thể rút ra biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên nh− sau:. u db (t ) = U t. m cos(ω t + ω S )t 2. ωS. (6.62). Us. Trong biÓu thøc (6.62), m kh«ng mang ý nghÜa độ sâu điều chế nữa và đ−ợc gọi là hệ số nén tải tin.. m=. Ut. US Ut. U®b. ωt 0. m có thể nhận giá trị từ 0 đến ∞.. Hình 6.19. Đồ thị véc tơ của dao động Đồ thị véc tơ của tín hiệu đơn biên đ−ợc biểu điều chế đơn biên (có một phần d− của tải tin) diÔn trªn h×nh (6.19). Ta thấy véc tơ đặc tr−ng cho dao động điều chế đơn biên thay đổi cả về biên độ lẫn góc pha, nghĩa là điều chế đơn biên bao giờ cũng kèm theo điều chế pha. Tải tin bị nén một phần hay bị nén →. →. hoàn toàn, do đó véc tơ tải tin U t có thể nhỏ hơn véc tơ biên tần U S . Trong kỹ thuật truyền hình, tÝn hiÖu ®iÒu chÕ video mét phÇn lµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn (khi f S ≤ 0,75MHz ), phÇn cßn l¹i ( 0,75MHz ≤ f S ≤ 5 MHz ) là tín hiệu điều chế đơn biên hình 6.20. Bằng cách đó có thể giảm đ−ợc dải tần của tín hiệu điều chế video. Nếu cắt bỏ hoàn toàn một biên tần thì vấn đề lọc dải sẽ khó khăn, hơn nữa sẽ xuất hiện sai pha.. 198.

(233) 5,5MHz. f th − 1,25. f th + 5. f th. f th + 5,5 = f tt f (MHz ). f th − 0,75 Hình 6.20. Đặc tính biên độ của tín hiệu hình (fth: tải tần hình; ftt: tải tần tiếng).. 6.3.2. Các ph−ơng pháp điều chế đơn biên Ng−ời ta phân biệt ba ph−ơng pháp điều chế đơn biên: ph−ơng pháp lọc, ph−ơng pháp quay pha, ph−¬ng ph¸p läc vµ quay pha kÕt hîp. 1. Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc Tõ sù ph©n tÝch phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn, râ rµng muèn cã tÝn hiÖu ®iÒu biªn, ta chØ cÇn läc bớt một dải biên tần. Nh−ng thực tế không làm đ−ợc nh− vậy. Với tải tần cao tần vấn đề lọc để tách ra mét d¶i biªn tÇn gÆp khã kh¨n. ThËt vËy, gi¶ thiÕt tÇn sè thÊp nhÊt cña tin tøc f S min = 200 Hz , lúc đó khoảng cách giữa hai biên tần Δf = 2 f min = 400 Hz (hình 6.1b). Nếu tải tần có tần số. f t = 10MHz th× hÖ sè läc cña bé läc X =. Δf = 4.10−5 kh¸ nhá. Sù ph©n bè cña hai biªn tÇn gÇn ft. nhau đến mức, ngay cả dùng một mạch lọc thạch anh cũng rất khó lọc đ−ợc biên tần mong muốn. Do đó trong ph−ơng pháp lọc, ng−ời ta dùng một bộ biến đổi tần số trung gian để có thể hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc. Sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc đ−ợc biểu diễn trªn h×nh 6.21 vµ phæ cña tÝn hiÖu trªn ®Çu ra cña tõng khèi biÓu diÔn trªn h×nh 6.22. Us(t) a. §CB1 ft1 T¹o dao động. f t1 ± f S b. Läc 1. f t1 + f S c. §CB2. f t 2 ± ( f t1 + f S ). Läc 2. f t2 + f t1 + f S d. U®b. ft2 T¹o dao động. Hình 6.21. Sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên bằng ph−ơng pháp lọc.. Trong sơ đồ khối trên, tin tức đ−ợc dùng điều chế một tải tin trung gian, có tần số f t1 khá thấp so với tải tần yêu cầu, sao cho hệ số lọc tăng lên, để có thể lọc bỏ một biên tần dễ dàng. Trên đầu ra cña bé läc thø nhÊt sÏ nhËn ®−îc mét tÝn hiÖu cã d¶i phæ b»ng d¶i phæ cña tÝn hiÖu vµo. Δf S = f S max _ f S min nh−ng lÖch ®i mét l−îng b»ng f t1 trªn thang tÇn sè (h×nh 6.22c). TÝn hiÖu nµy đ−ợc đ−a đến bộ điều chế cân bằng thứ 2, mà trên đầu ra của nó là tín hiệu có phổ giữa hai biên tần c¸ch nhau mét kho¶ng Δf ' = 2( f t1 + f S min ) sao cho viÖc läc lÊy mét d¶i biªn tÇn nhê bé läc thø 2 199.

(234) thùc hiÖn ®−îc mét c¸ch dÔ dµng. Bé ®iÒu chÕ c©n b»ng th−êng dïng m¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng hoÆc mạch điều biờn vòng. Trong sơ đồ khối trên đây, tải tần yêu cầu bằng tổng của hai tải tần phụ. f t = f t1 + f t 2 . S(f) (a) 0. fsmin. fsmax. f. fsmin. S(f) (b) 0. f. ft1. S(f) (c). ft1. 0. f. ft1. S(f). fsmin. (d) 0. ft2. ft1 + ft2. f. H×nh 6.22. Phæ tÝn hiÖu ra cña c¸c khèi trªn h×nh 6.21. Phæ tÝn hiÖu vµo (a); Phæ tÝn hiÖu ra bé ®iÒu biªn c©n b»ng 1 (b); Phæ tÝn hiÖu trªn ®Çu ra bé läc 1 (c); Phæ tÝn hiÖu ra cña bé läc 2 (d).. 2. Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp quay pha Nguyên tắc tạo tín hiệu đơn biên bằng ph−ơng pháp quay pha đ−ợc minh hoạ trên đồ thị véc tơ hình 6.23 và sơ đồ khối hình 6.24. 1. 1.2. 2. α α. α 3. I. 3. I II. II. 4. 4. ω S t = 00. α ωSt = α 0. Hình 6.23. Đồ thị véc tơ của dao động điều chế đơn biên bằng ph−ơng pháp quay pha.. Tín hiệu điều chế và tải tin thông qua mạch quay pha, đ−ợc đ−a đến hai bộ điều chế cân bằng (mạch điều biờn vòng) lệch pha nhau 900, do đó các biên tần trên của hai bộ điều chế cân bằng lệch pha nhau 180, còn các biên tần d−ới đồng pha. Nếu lấy hiệu của hai điện áp ra của hai bộ điều biên c©n b»ng ta ®−îc biªn tÇn trªn, ng−îc l¹i nÕu lÊy tæng c¸c ®iÖn ¸p ra ta sÏ nhËn ®−îc biªn tÇn d−íi. Có thể chứng minh điều đó bằng biểu thức toán học sau đây: giả thiết tín hiệu vào của hai bộ điều biªn c©n b»ng lÖch pha nhau 90o, nÕu biÓu thøc cña tÝn hiÖu ra cña c¸c bé ®iÒu biªn c©n b»ng:. 200.

(235) 00 uS 900. M¹ch tæng hoÆc m¹ch hiÖu. U®b. 00 ut 900. Hình 6.24. Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên bằng ph−ơng pháp quay pha.. uCB1 = U CB cos ω S t. cos ω t t. 1 = U CB [cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] 2 u CB 2 = U CB sin ωS t. sin ω t t. 1 = U CB [− cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] 2. do đó. u đb = u CB1 − u CB 2 = U CB cos(ω t + ωS )t. (6.63). Ph−¬ng ph¸p nµy cã thÓ më réng cho tr−êng hîp hÖ thèng ®iÒu chÕ cã sè l−îng bé ®iÒu chÕ. n ≥ 3 , lúc đó sẽ có n mạch quay pha, với góc quay pha. π. n. .. Trong ph−¬ng ph¸p nµy yªu cÇu hai bé ®iÒu chÕ c©n b»ng ph¶i hoµn toµn gièng nhau, c¸c ®iÖn áp ra phải có biên độ nh− nhau và góc pha phải chính xác. Đây là một khó khăn lớn vì thực hiện quay pha chính xác với một tín hiệu có dải tần rộng ( ω S min ữ ω S max ) không phải đơn giản. 3. Điều chế đơn biên bằng ph−ơng pháp lọc và quay pha kết hợp Hình 6.25 là sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc – quay pha kết hợp. TÝn hiÖu ra cña hai bé ®iÒu chÕ c©n b»ng:. u ' CB1 = U CB cos ωS t. cos ω t t = u"CB1 = U CB cos ωS t. sin ω t t =. U CB [cos(ω t1 + ω S ).t + sin (ω t1 − ω S ).t ] 2. U CB [sin (ω t1 + ω S ).t + sin (ω t1 − ω S ).t ] 2. Sau bé läc 1, cßn l¹i biªn tÇn trªn cña hai bé ®iÒu chÕ c©n b»ng lÖch pha nhau 900. Cã thÓ coi ∧. đây là tín hiệu điều chế đã quay pha. Tín hiệu này cùng với tải tin u t 2 đ−ợc đ−a đến bộ điều chế c©n b»ng 2 lÖch pha nhau 900.. 201.

(236) ' u CB 1. ' u CB 2. §CCB1. US. Läc. Quay pha 900. Läc d¶i. §CCB1. Ut1. §CCB2. Läc. '’ u CB 1. U®b. Quay pha 900. Ut2. §CCB2. M¹ch hiÖu. '’ u CB 2. Hình 6.25. Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc - quang pha kết hợp.. §iÖn ¸p ra sau bé ®iÒu chÕ c©n b»ng 2: ' u CB 2 =. = ' u 'CB 2 =. =. U CBU t 2 cos(ω t1 + ω S )t. cos ω t 2 t 2 U CB U t 2 [cos(ω t 2 + ω t1 + ωS )t + cos(ω t 2 − ω t1 − ωS ).t ] 4 U CB U t 2 sin (ω t1 + ωS )t. sin ω t 2 t 2 U CB U t 2 [− cos(ω t 2 + ω t1 + ωS )t + cos(ω t 2 − ω t1 − ωS ).t ] 4. Qua m¹ch hiÖu ta cã: ' u®b = u 'CB 2 − u 'CB 2 =. U CB 2 .U t 2 cos(ω t 2 + ω t1 + ωS ).t 2. Phổ tín hiệu đơn biên và đồ thị véc t¬ theo ph−¬ng ph¸p läc quay pha kÕt hîp ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.26. Điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp này không cần mạch quay pha đối víi tÝn hiÖu ®iÒu chÕ (lµ tÝn hiÖu cã tÇn số thay đổi) nên dễ thực hiện hơn so víi ph−¬ng ph¸p quay pha. 6.3.3. Tách sóng tín hiệu đơn biên Tách sóng tín hiệu điều chế đơn biªn th−êng ®−îc thùc hiÖn nhê m¹ch điều chế vòng. Tín hiệu đơn biên với tần số ω t + ω S đặt lên một đầu vào cña m¹ch ®iÒu chÕ vßng, t¶i tin phô víi. (6.64). S(t) a) fsmin. fsmax. 0 S(t). f. fsmin. S(t). f. ft1. c) 0 S(t). f ft1. fsmin. d) 0. ft2. ft1 + ft2. f. Hình 6.26. Phổ và đồ thị véc tơ của dao động điều chế đơn biên theo ph−¬ng ph¸p läc quay pha kÕt hîp; phæ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ (a); phæ cña. tần số ω t đ−ợc tạo ra ở đầu thu đ−ợc tín hiệu ra của bộ điều chế biên độ 1 (b); phổ tín hiệu ra của bộ lọc đ−a đến đầu vào thứ hai của mạch. (c); Phổ tín hiệu ra mạch hiệu(d). 202.

(237) Trªn ®Çu ra cña m¹ch ®iÒu chÕ vßng lµ tÝn hiÖu cã tÇn sè: ω S vµ 2ω t + ω S . Nhê mét m¹ch läc thông thấp lấy ra đ−ợc thành phần tần số mong muốn ω S . Vấn đề chính ở đây là việc tạo ra tải tin phô ë ®Çu thu sao cho tÇn sè cña nã hoµn toµn gièng víi tÇn sè cña t¶i tin ®Çu ph¸t (tr−íc ®iÒu chÕ). Để đ−ợc điều đó, th−ờng ng−ời ta lọc lấy tải tin đã bị nén, trong tín hiệu hữu ích thu đ−ợc, rồi khuếch đại và hạn biên để đ−ợc tải tin đủ lớn, rồi đem cộng trực tiếp với tín hiệu đơn biên hoặc đ−a đến bộ tạo tải tin phụ, ở đầu thu để thực hiện đồng bộ.. 6.4. §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha 6.4.1. C¸c c«ng thøc c¬ b¶n vµ quan hÖ gi÷a ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ với nhau, nên dễ dàng chuyển đổi sự biÕn thiªn tÇn sè thµnh biÕn thiªn vÒ pha vµ ng−îc l¹i theo (6.65).. ω=. dψ dt. (6.65). §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha lµ qu¸ tr×nh ghi tin tøc vµo t¶i tin, lµm cho tÇn sè hoÆc pha tøc thêi cña t¶i tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế. Với tải tin là dao động điều hoà:. u (t ) = U t cos(ω t t + ϕ 0 ) = U t cos Ψ (t ). (6.66). Tõ (6.65) rót ra: t. Ψ (t ) = ∫ ω (t )dt + ϕ (t ). (6.67). o. Thay (6.67) vµo (6.64) ta nhËn ®−îc biÓu thøc:. ⎤ ⎡t u t (t ) = U t cos ⎢ ∫ ω (t )dt + ϕ (t )⎥ ⎦ ⎣o. (6.68). Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm (chỉ có một tần số):. u S = U S cosω S t. (6.69). Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và chúng đ−ợc xác định lần l−ợt theo biểu thức (6.70a) và (6.70b). ω(t ) = ω t + K đt U S cos ωS t. (6.70a). ϕ(t ) = ϕ 0 + K đf U S cos ωS t. (6.70b). Trong tr−êng hîp nµy gäi ω t lµ tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn. Đặt: K đdt U S = Δω m gọi là l−ợng di tần của cực đại.. K đf U S = Δϕ m gọi là l−ợng di pha cực đại Khi đó các biểu thức (6.70) đ−ợc viết lại nh− sau:. ω (t ) = ωt + Δω m cos ω S t. (6.71a). ϕ (t ) = ϕ 0 + Δϕ m cos ω S t. (6.71b). Khi điều chế tần số thì góc pha đầu không đổi, do đó ϕ (t ) = ϕ o . Thay (6.71a) vào (6.68), sau 203.

(238) khi lấy tích phân, ta nhận đ−ợc biểu thức của dao động đã điều tần:. ⎛ ⎞ Δω m u đt ( t ) = U t cos⎜⎜ ω t t + sin ωS t + ϕ o ⎟⎟ ωS ⎝ ⎠. (6.72). T−ơng tự nh− vậy, biểu thức của dao động điều pha tìm đ−ợc bằng cách thay ϕ (t ) trong (6.70) bëi (6.71b) vµ cho ω = ω t = const ta ®−îc:. u đf ( t ) = U t cos(ω t t + Δϕ m cos ωS t + ϕ o ). (6.73). Vậy l−ợng di pha đạt đ−ợc khi điều pha:. Δϕ = Δϕ m cos ω S t T−¬ng øng víi l−îng di pha ta cã l−îng di tÇn:. Δω =. d (Δϕ ) = Δϕ mω S sin ω S t dt. và l−ợng di tần cực đại đạt đ−ợc khi điều pha:. Δω m = ωS Δϕ m = ωS K đf U S. (6.74). Theo (6.71a) l−ợng di tần cực đại đạt đ−ợc khi điều tần:. Δω m = K đt U S. (6.75). So s¸nh (6.74) vµ (6.75) ta nhËn thÊy r»ng: ®iÓm kh¸c nhau c¬ b¶n gi÷a ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha lµ l−ợng di tần cực đại khi điều pha tỉ lệ với US TÝn hiÖu ®iÒu biên độ điện áp điều chế và tần số điều ®iÒu chÕ pha ∫ dt chÕ tÇn sè chế, còn l−ợng di tần cực đại do điều tần (a) chỉ tỉ lệ với biên độ điện áp điều chế. Vì vËy tõ m¹ch ®iÒu chÕ pha cã thÓ lÊy ra US ®iÒu chÕ tÇn TÝn hiÖu ®iÒu d tÝn hiÖu ®iÒu chÕ tÇn sè, nÕu tr−íc khi sè chÕ pha dt ®−a vµo ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®−îc (b) ®−a qua mét m¹ch tÝch ph©n (h×nh H×nh 6.27. Minh ho¹ quan hÖ gi÷a tÝn hiÖu ®iÒu tÇn vµ tÝn 6.27a). Ng−îc l¹i cã thÓ lÊy ra tÝn hiÖu hiệu điều pha. Sơ đồ khối mạch điều chế tần số thông qua ®iÒu chÕ pha tõ mét m¹ch ®iÒu chÕ tÇn điều chế pha (a); Sơ đồ khối mạch điều chế pha thông qua sè, nÕu tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®−îc ®−a qua m¹ch ®iÒu chÕ tÇn sè (b). mét m¹ch vi ph©n tr−íc khi ®−a vµo bé ®iÒu chÕ (h×nh 6.27b). 6.4.2. Phổ của dao động đã điều tần và điều pha. Trong biểu thức của dao động điều tần (6.72) cho góc pha ban đầu ϕ o = 0 và đặt. Δω m. ωm. =Mf. (gäi M f lµ hÖ sè ®iÒu tÇn), biÓu thøc (6.72) ®−îc viÕt l¹i:. U đf = U t cos(ω t t + M f sin ωS t ). (6.76). Trong tr−ờng hợp tín hiệu điều chế biến đổi trong dải tần số từ ω S min đến ω S max , Mf đ−ợc xác định nh− sau: 204.

(239) Mf =. Δω m. (6.77). ω S max. Hệ số điều tần M f không những phụ thuộc vào biên độ điện áp điều chế mà còn phụ thuộc vào tần số điều chế. T−ơng tự, ta có biểu thức của dao động điều pha.. U đf = U t cos(ω t t + M ϕ cos ωS t ). (6.78). Trong đó M ϕ = Δϕ m BiÓu thøc (6.76) vµ (6.78) cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng chuçi, mµ hÖ sè cña nã lµ c¸c hµm sè Betxen lo¹i mét bËc n nh− sau: ∞ ⎤ ⎡ u đt = Re ⎢ U t ∑ (− j) n +1 J n (M f ).e j( ωt − nωS ) t ⎥ ⎦ ⎣ −∞. (6.79). ∞ ⎤ ⎡ n +1 u đt = Re ⎢ U t ∑ (− j) J n (M ϕ )e j(ωt − nωS )t ⎥ ⎦ ⎣ −∞. (6.80). Trong đó Jn là hàm số Betxen loại một bậc n. Nếu không xét đến pha, thì phổ của tín hiệu điều tần và điều pha giống nhau, gồm có thành. phần tải tần ω t (ứng với n = 0), biên độ JnUt và vô số các biên tần: ω t + nω S (n = −∞ ữ ∞ ) , biên độ J nU t , J n phụ thuộc vào M f hoặc M ϕ .. ( ). Trong b¶ng hµm sè Betxen, khi M t , M ϕ = 2,405 th× J n M f = 0 , nghÜa lµ lóc nµy tÝn hiÖu ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha kh«ng chøa t¶i tin. Ngoµi ra, cßn thÊy r»ng, nÕu biÓu diÔn hµm sè Betxen theo bậc n của nó, trong tr−ờng hợp M f > 1 , tất cả các biên tần có bậc n > M f đều có biên độ nhỏ hơn 5% biên độ tải tần và đều có thể bỏ qua. Vì vậy có thể coi độ rộng dải tần của tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha là hữu hạn và xác định nó theo biểu thức:. D đt ≈ 2M f ωS = 2Δω m. (6.81). Nh− vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc vào tần số điều chế. Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần của nó đ−ợc xác định theo biểu thức (6.78). D đf ≈ 2M f ωS = 2Δϕ m ωS. (6.82). §é réng d¶i tÇn cña tÝn hiÖu ®iÒu pha phô thuéc vµo tÇn sè ®iÒu chÕ. Khi M f ,ϕ ≤ 1 thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ tải tần, do đó. D đt ≈ 2ωS max. (6.83). Tr−ờng hợp này độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều biªn, ta gäi lµ ®iÒu tÇn d¶i hÑp. Ng−îc l¹i M f ,ϕ > 1 th× cã ®iÒu tÇn d¶i réng. Thông th−ờng tín hiệu điều chế là tín hiệu biến đổi gồm nhiều thành phần tần số. Khi đó tín hiÖu ®iÒu chÕ tÇn sè vµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ pha cã thÓ biÓu diÔn tæng qu¸t theo biÓu thøc sau: 205.

(240) m ⎤ ⎡ u đt = U t cos ⎢ω t t + ∑ ΔM ν cos(ων t + ϕ ν )⎥ ν =1 ⎦ ⎣. (6.84). Trong biểu thức này có quan tâm đến góc pha ban đầu ϕ 0 , vì hiệu pha khác nhau của các thành phần phổ của tín hiệu điều chế có tính chất quyết định đến với dạng tín hiệu tổng quát của nó. Khai triÓn (6.84) theo chuçi Betxen ta cã: m ⎧ u đt = U t Re⎨(cos ω t t + j sin ω t t ) Π [J o (ΔM ν )2 jJ 1 (ΔM ν ) cos(ωS + ω ν ) − ν =1 ⎩. − 2 J 2 (ΔM ν ) cos 2(ω S t + ϕν ) − 2 jJ 3 cos 3(ω S t + ϕν ) + ...... ] ⎫⎬ ⎭. (6.85). Theo (6.85) phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn cã thÓ cã c¸c thµnh phÇn tÇn sè tæ hîp m. ω t + ∑ μν ω Sν lµ sè nguyªn h÷u tû − ∞ ≤ μν ≤ ∞ ν =1. 6.4.3. M¹ch ®iÖn ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha VÒ nguyªn t¾c cã thÓ ph©n biÖt m¹ch ®iÒu tÇn trùc tiÕp vµ m¹ch ®iÒu tÇn gi¸n tiÕp, còng nh− mạch điều pha trực tiếp và mạch điều pha gián tiếp. Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha, còn điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần hình 6.27. Trên cơ sở đó, chỉ cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và điều pha trực tiếp, rồi dựa vào các sơ đồ khối trên h×nh 6.27 cã thÓ suy ra m¹ch ®iÒu tÇn gi¸n tiÕp vµ ®iÒu pha gi¸n tiÕp. 1. C¸c m¹ch ®iÒu tÇn trùc tiÕp Khi điều tần trực tiếp, tần số dao động riêng của mạch tạo dao động đ−ợc điều khiển bởi tín hiÖu ®iÒu chÕ. Mạch điều tần trực tiếp, th−ờng đ−ợc thực hiện bởi các mạch tạo dao động mà tần số dao động riªng cña nã ®−îc ®iÒu khiÓn bëi ®iÖn ¸p (VCO: Voltage Controlled Oscillator) hoÆc dßng ®iÖn (CCO: Circuit Controlled Oscillator) hoặc các mạch biến đổi điện áp - tần số. Các mạch tạo dao động có tần số biến đổi theo điện áp đặt vào có thể là các mạch tạo dao động xung hoặc là các mạch tạo dao động điều hoà LC. Các mạch tạo dao động LC cho khả năng biến đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các hệ tạo dao động là làm biến đổi trị số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Ph−ơng pháp phổ biến nhất là dùng diode biến dung (varicap) và transistor điện kháng. Sau đây ta lần l−ợt khảo sát các loại điều tần đó. a) §iÒu tÇn trùc tiÕp dïng diode biÕn dung Diode biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào. Nó có sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 6.28(a). Trị số RD và CD phụ thuộc vào điện áp đặt lên diode. Tr−ờng hợp phân cực ng−ợc RD rất lớn, còn CC đ−ợc xác định theo biểu thức (6.86). CD =. k. (u D + ϕ k )γ. (6.86). Trong đó: k là hệ số tỉ lệ. ϕ K : hiệu điện thế tiếp xúc của mặt ghép với diode silic, ở nhiệt độ th−ờng, ϕ k có giá trị 206.

(241) kho¶ng 0,6V.. 1 3. γ : hÖ sè phô thuéc vµo vËt liÖu γ = ÷. 1 2. Mắc diode song song với khung dao động, đồng thời đặt điện áp một chiều để phân cực ng−ợc cho diode và điện áp của tín hiệu điều chế lên diode làm điện dung CD thay đổi theo điện áp điều chế, do đó tần số dao động cũng biến đổi theo. Trên hỡnh 6.28(b) là mạch điện bộ tạo dao động điều tÇn b»ng diode biÕn dung. +UCC R2. C1. LC. R1. D. RD. L. C. us. + E'0. R3. • C2. CD. C3. R4. -. C4. (b). (a). H×nh 6.28. §iÒu tÇn b»ng diode biÕn dung Sơ đồ t−ơng đ−ơng của diode biến dung (a) ; Mạch tạo dao động điều tần dùng diode biến dung (b).. Trong mạch điện này diode đ−ợc phân cực ng−ợc nhờ nguồn E0, biến trở R4 để thay đổi giá trị ®iÖn ¸p ph©n cùc ng−îc. Các tụ điện C1, C2, C3 và C4 có tác dụng nối tắt về thành phần xoay chiều (tần số dao động). Tần số dao động của mạch gần bằng tần số cộng h−ởng riêng của bộ tạo dao động và đ−ợc xác định:. f dđ =. 1. 2π L(C + C D ). (6.87). CD đ−ợc xác định theo biểu thức (6.86) Điện áp đặt lên diode:. u d = u t − u S − E o = U t cos ω t − U S cos ω S t − E o. (6.88). Để cho diode luôn luôn phân cực ng−ợc phải đảm bảo điều kiện:. u D = u D max = U t + U S − E o ≤ 0. (6.89). Nh−ng điện áp đặt lên diode cũng không v−ợt quá trị số điện áp ng−ợc cho phép (điện áp đánh thủng), nh− vậy nó đồng thời phải thoả mãn:. u D = u D max = − U t − U S − E o ≤ U ngcf. (6.90). ë ®©y U ngcf lµ ®iÖn ¸p ng−îc cho phÐp. Khi điều tần dùng diode biến dung phải chú ý những đặc điểm sau đây: - Trong quá trình hoạt động diode luôn luôn trong chế độ phân cực ng−ợc để tránh ảnh h−ởng của điện trở RD đến độ phẩm chất của mạch tạo dao động, nghĩa là đến độ ổn định tần số trung tâm cña m¹ch.. 207.

(242) - Ph¶i h¹n chÕ vïng lµm viÖc trong ®o¹n tuyÕn tÝnh cña đặc tuyến CD(uD) của diode biến dung hình 6.29 để giảm méo phi tuyến, l−ợng di tần t−ơng đối khi ®iÒu tÇn b»ng diode biÕn dung đạt khoảng 1%. - Vì dùng diode để điều tần, nªn m¹ch ®iÒu tÇn cã kÝch th−íc nhá. Cã thÓ dïng diode biÕn dung để điều tần ở tần số siêu cao, kho¶ng vµi tr¨m MHz. Tuy nhiên, độ tạp tán của tham số bán dẫn lớn, nên kém ổn định.. CD. CD. C D max C D min o. ED. uD. o. t. o uS. t. H×nh 6.29. §Æc tuyÕn CD = f(uD) cña diode biÕn dung vµ nguyªn lý biến đổi điện dung theo điện áp đặt vào.. b) §iÒu tÇn dïng transistor ®iÖn kh¸ng Phần tử điện kháng: hoặc dung tính hoặc cảm tính có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nó đ−ợc mắc song song với hệ dao động của bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tÝn hiÖu ®iÒu chÕ. PhÇn tö ®iÖn kh¸ng ®−îc thùc hiÖn nhê mét m¹ch di pha m¾c trong m¹ch håi tiÕp cña mét transistor. Cã bèn c¸ch m¾c phÇn tö ®iÖn kh¸ng nh− biÓu diÔn trong b¶ng 6.1. B¶ng 6.1. C¸ch m¾c m¹ch M¹ch ph©n ¸p. Sơ đồ nguyên lý. §å thÞ vÐc t¬. TrÞ sè. Tham sè. ®iÖn kh¸ng. t−¬ng ®−¬ng. UR. I. R. RC. U. I. U. UC. Z = jω. RC S. L td =. RC S. Z = −j. R ωLS. C td =. LS R. Z = −j. 1 ωRCS. C td = RCS. C. M¹ch ph©n ¸p RL. I R. I U. UL U. L. UR. M¹ch ph©n ¸p CR. UR. I. C. U. U. R. 208. UC. I.

(243) M¹ch ph©n ¸p. I L. LR. UL. U R. Z = jω. U. UR. L RS. L td =. L RS. I. Víi m¹ch ph©n ¸p RC ta tÝnh ®−îc:. Z=. U ≈ I. R + (1 jωC ) U = 1 jω C 1 S SU jω C R + (1 jωC). NÕu chän c¸c linh kiÖn, sao cho. 1 << R , thì trở kháng Z có thể xác định theo biểu thức jω C. gần đúng sau đây:. Z≈. jωCR = jX L = jωLtd S. (6.91). ở đây S: hỗ dẫn của transistor I = SUBE, trong đó Ltd =. CR . S. T−ơng tự nh− vậy, có thể chứng minh cho các sơ đồ phân áp còn lại trong bảng (6.1). Các tham số t−ơng đ−ơng của phần tử điện kháng đều phụ thuộc vào hỗ dẫn S. Rõ ràng khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi, do đó các tham số Ltđ hoặc Ctđ thay đổi, làm cho tần số dao động thay đổi theo. Điều tần dùng phần tử. Δf kho¶ng 2%. f0. điện kháng có thể đạt đ−ợc l−ợng di tần t−ơng đối Thay cho transistor cã thÓ dùng đèn điện tử hoặc transistor tr−ờng trong các sơ đồ điện kháng. Trên sơ đồ hình 6.30 là sơ đồ bộ dao động ghép biến áp đ−ợc điều tÇn b»ng phÇn tö ®iÖn kh¸ng ph©n áp RC. Trong đó T1 là transistor ®iÖn kh¸ng, T2 lµ transistor t¹o dao động. Transistor điện kháng đ−ợc m¾c víi mét phÇn (trªn L1) cña hÖ dao động.. CB1 R LC. •. C. US. LK. T2. T1. CK. Lgh L1. CB2 R1. CB3 R2. R3. CB4 +UCC. Hình 6.30. Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần dùng phần tử điện kh¸ng ph©n ¸p RC.. CB1, CB4: tô ng¾n m¹ch cao tÇn LC: cuén chÆn cao tÇn Cũng có thể mắc hai transistor điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng l−ợng di tần nh− trªn h×nh 6.31.. 209.

(244) Trong sơ đồ này T1 là phần tử ®iÖn kh¸ng c¶m tÝnh, víi CR vµ T lµ phÇn tö ®iÖn L tđ = 2 S T1 kh¸ng dung tÝnh C tđ = CRS T2 . Theo sơ đồ khi US tăng thì ST1 tăng, còn ST2 giảm làm cho Ltđ và Ctđ đều giảm do đó tần số giảm nhanh hơn theo ®iÖn ¸p ®iÒu chÕ vµ l−îng di tần tăng gấp đôi (nếu T1, T2 có tham sè gièng nhau). M¹ch cßn cã −u điểm, tăng đ−ợc độ ổn định tần. CB1 R1. C2. CB2. T3 LK. T2 •. R. T1. CB5. LC. R2. C1. CK. CE. RE CB4. - UB. •. +. CB3. R4. R3. UCC. US. Hình 6.31. Sơ đồ tạo dao động điều tần bằng mạch điện kháng đẩy kÐo; CB1 , CB4: ng¾n m¹ch cao tÇn; CB5: ng¾n m¹ch ©m tÇn.. số trung tâm f t của bộ tạo dao động dùng T3. Thật vậy, giả thiết điện áp nguồn cung cấp tăng thỡ hỗ dẫn của T1 và T2 đều tăng một l−ợng ΔS . Lúc đó Ltđ giảm, Ctđ tăng. Nếu mạch điện T1, T2 hoàn toàn đối xứng thì l−ợng tăng của Ctđ sẽ bù đ−ợc l−ợng giảm của Ltđ , do đó có thể coi tần số trung tâm không đổi. + Ec c) §iÒu tÇn trong c¸c bé t¹o xung Rc Rc C C Trên hình 6.32 là sơ đồ mạch dao động đa hài Ur mà dãy xung ra của nó có tần số thay đổi theo điện T1 T2 ¸p ®iÒu chÕ uS. Rb Rb Tần số của mạch dao động đa hài đ−ợc xác định bởi quá trình phóng của tụ C qua điện trở RB Us và các transistor mở. (Nguyên lý hoạt động của mạch đã đ−ợc khảo sát kỹ trong phần mạch đa hài). Hình 6.32. Điều chế trong bộ dao động đa hài. Tần số của xung đ−ợc xác định nh− sau:. f =. 1 2πRC ln 2. §Ó ®iÒu chÕ tÇn sè cña d·y xung, ®−a ®iÖn ¸p ®iÒu chÕ uS vµo base cïng víi ®iÖn ¸p nguån +EC. Lúc này tần số của dãy xung biến thiên theo điện áp điều chế và đ−ợc xác định bởi biểu thức (6.92).. f ≈. Trong đó. 1 ⎡ (Δu C R B ) + I Bbh ⎤ 2πRC ln ⎢ ⎥ I Bbh ⎣ ⎦. I Bbh =. ( EC + u S − U BEo + I BM .RB ) RB. (6.92). lµ dßng base trong tr¹ng th¸i b·o hßa.. UBEo - ®iÖn ¸p c¾t base – emitter; IBM - dßng base khi transistor më; ΔuC - l−îng sôt ®iÖn ¸p trªn collector cña transistor chuyÓn tõ tr¹ng th¸i t¾t sang më. 210.

(245) ΔU C = U C − I cM R C − U CEbh Với mạch này có thể đạt đ−ợc di tần t−ơng đối. Δfm kho¶ng vµi % vµ hÖ sè mÐo phi tuyÕn ft. khoảng vài %o. Mạch có tần số trung tâm không cao và khó ổn định. Mạch cũng là mạch điều tần trùc tiÕp. Nh−ợc điểm chung của điều tần trực tiếp là độ ổn định tần số trung tâm thấp vì không thể dùng thạch anh thay cho mạch cộng h−ởng trong bộ tạo dao động để ổn định trực tiếp đ−ợc. Do đó để đạt đ−ợc độ ổn định tần số trung tâm cao, trong mạch điều tần trực tiếp phải dùng mạch tự động điều chỉnh tần số, tuy nhiên với mạch điều tần trực tiếp có thể đạt đ−ợc l−ợng di tần t−ơng đối lớn. 2. M¹ch ®iÒu pha. a) M¹ch ®iÒu chÕ pha theo Armstrong. Sơ đồ khối mạch điều chế pha theo Armstrong ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 6.33, ®−îc thùc hiÖn theo nguyªn lý sau:. §B1 U®b1. Tải tin từ bộ dao động thạch anh TÝn hiÖu Us Tæng §iÒu pha đ−ợc đ−a đến bộ điều biên 1 (ĐB1), đồng thời đ−ợc quay pha 90o đ−a đến bộ điều U®b2 Di pha 90 o §B2 biªn 2 (§B2), cßn tÝn hiÖu ®iÒu chÕ uS đ−a đến hai mạch điều biên ng−ợc pha. Hình 6.33. Sơ đồ khối mạch điều chế pha theo Armstrong. §iÖn ¸p ra cña hai bé ®iÒu biªn: u®b1 = U t1 (1 + m cos ω S t ) cos ω t t =. m U t1 [cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ] 2 u®b2 = U t 2 (1 − m cos ω S t ) cos ω t t = = U t1 cos ω t t +. = U t1 cos ω t t +. m U t1 [sin(ω t + ωS ) t + sin(ω t − ωS ) t ] 2. §å thÞ vect¬ cña u®b1, u®b2 vµ vect¬ tæng cña chóng ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.34. Từ đồ thị ta thấy rằng : tổng các dao động đã điều biên u = uđb1+ uđb2 là một dao động đ−ợc điều chế về pha và về biên độ. M¹ch cã nh−îc ®iÓm lµ l−îng di pha nhá. §Ó h¹n chÕ ®−îc ®iÒu biªn kÝ sinh chän Δϕ nhá. §Ó cã ®iÒu biªn kÝ sinh nhá h¬n 1% th× Δϕ < 0,35.. b) M¹ch ®iÒu chÕ pha dïng m¹ch läc. Sơ đồ nguyên lý điều chế pha dùng mạch läc ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.35.. →. U ®b 2. }m U }mU ∧. ∧. U t2. →. t2. U. ∧. t2. Δϕ Δϕ ∧. ∧. m U t1 m U t 1 ∧. U t1. →. U ®b1. H×nh 6.34. §å thÞ vect¬ cña tÝn hiÖu ®iÒu pha theo m¹ch Armstrong.. 211.

(246) Trong m¹ch nµy, trÞ sè ®iÖn dung cña diode biÕn dung phô thuéc vµo ®iÖn ¸p ®iÒu chÕ uS. Khi uS thay đổi thì tần số cộng h−ởng của mạch lọc lệch khỏi tần số tín hiệu vào f t một l−ợng Δf sao cho đối với tín hiệu vào, mạch cộng h−ởng là một trở kháng phức đ−ợc xác định nh− sau:. Z& =. R tđ 2 Δω 1 + jQ ωt. víi R tđ =. L ; cr. Q=. 1 ρ = ; ωcr r. ωt =. 1. (6.93). LC. Δω = ω − ω t vµ ω t + ω ≈ 2ω t . + Ucc. Góc pha của trở kháng đó đ−ợc xác định theo biểu thức (6.94).. ⎛ 2QΔω ⎞ ⎟ ω t ⎟⎠ ⎝. ϕ = arctg ⎜⎜ −. (6.94). Ut. Rõ ràng khi ω S thay đổi thì. Us. Δω thay đổi, do đó góc pha ϕ biến đổi một l−ợng t−ơng ứng. Quá tr×nh ®iÒu pha nµy cã kÌm theo. Hình 6.35. Sơ đồ nguyên lý điều chế pha dùng mạch lọc. ®iÒu biªn ký sinh, v× Z còng biÕn thiªn theo Δω . Còng t−¬ng tù nh− ®iÒu chÕ pha theo m¹ch Armstrong, nếu giữ cho mức điều biên nhỏ hơn 1% thì góc di pha cực đại Δϕ = 0,35. Nếu dùng nhiều mắt lọc nh− trên hình 6.35 thì nhờ các khâu ghép hợp lý, có thể làm cho đặc tuyến. ϕ = f (u S ) tuyến tính hơn, do đó đạt đ−ợc l−ợng di pha t−ơng đối lớn Δϕ = π . Trong thực tế mạch điều chế pha th−ờng đ−ợc dùng kết hợp với mạch tích phân để thực hiện điều tần gián tiếp. M¹ch ®iÒu tÇn gi¸n tiÕp so víi m¹ch ®iÒu tÇn trùc tiÕp th× l−îng di tÇn nhá h¬n, v× Δϕ nhá. Nh−ng mạch điều tần gián tiếp có độ ổn định tần số trung tâm cao, vì có thể dùng thạch anh trong tầng dao động để ổn định tần số. Để khắc phục nh−ợc điểm vì l−ợng di tần nhỏ, sau tầng điều tần có thể mắc thêm một số tầng nhân tần để đảm bảo l−ợng di tần theo yêu cầu nh− sơ đồ khối trên hình 6.36. 1. nft ± nΔf. f t ± Δf. ft. 2. 3. 4. f t ± n 2 Δf. nft ± n 2 Δf. f t ± nΔf 5. 6. 7. Hình 6.36. Sơ đồ khối minh họa ph−ơng pháp nâng cao l−ợng di tần trong mạch điều tần gián tiếp (®iÒu tÇn th«ng qua ®iÒu pha). (1) Bộ tạo dao động ; (2) Mạch điều tần gián tiếp ; (3) Mạch nhân tần bậc n ; (4) Mạch trộn tần ; (5) M¹ch nh©n tÇn bËc n ; (6) M¹ch trén tÇn ; (7) M¹ch nh©n tÇn bËc (n-1). TÝn hiÖu ®iÒu tÇn cã hÖ sè ®iÒu chÕ M f =. Δω m. . Khi tÇn sè ®iÒu chÕ t¨ng th× Mf gi¶m (gi¶. ωS thiÕt US = const) lµm cho tØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ( S N ) gi¶m. V× vËy tr−íc khi ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu 212.

(247) ®iÒu chÕ uS ®−îc ®−a qua mét m¹ch läc th«ng cao. C¸c thµnh phÇn tÇn sè cao cña uS khi ®i qua mạch đó đ−ợc −u tiên về mặt biên độ. ở đầu thu, sau khi tách sóng lại phải dùng mạch lọc thông thấp có hằng số thời gian bằng hằng số thời gian của mạch lọc thông cao để nhận lại sự phân bố biên độ theo tần số đúng nh− tín hiệu thực ban đầu. Đây là một trong các biện pháp để nâng cao chÊt l−îng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn. 6.4.4. T¸ch sãng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn 1. Kh¸i niÖm Tách sóng tín hiệu điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời của tín hiệu điều tần so víi tÇn sè trung t©m thµnh biÕn thiªn ®iÖn ¸p ë ®Çu ra. Đặc tr−ng cho quan hệ biến đổi, là đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng. Đó là đ−ờng biểu diÔn quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p ra vµ l−îng biÕn thiªn tÇn sè ë ®Çu vµo h×nh 6.37. §Ó h¹n chÕ mÐo phi tuyÕn, ph¶i chän ®iÓm làm việc trong phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt (đoạn AB trong đặc tuyến hình 6.37). Theo hình trên có thể xác định đ−ợc hệ số truyền đạt:. Sf =. Us. B. f. A. Hình 6.37. Đặc tuyến truyền đạt của bé t¸ch sãng tÇn sè.. du S dΔf Δf = 0. (6.95). T¸ch sãng tÇn sè vµ t¸ch sãng pha th−êng ®−îc thùc hiÖn theo mét trong nh÷ng nguyªn t¾c sau ®©y: - Biến tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên, rồi thực hiện tách sóng biên độ. - Biến tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung, rồi thực hiện tách sóng điều chế độ rộng xung nhờ một mạch lọc thông thấp. - Sử dụng vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop) để tách sóng tần số và pha. 2. M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng tÇn sè a) M¹ch t¸ch sãng pha c©n b»ng dïng diode Mạch tách sóng pha cân bằng là hai mạch tách sóng biên độ dùng diode ghép với nhau nh− h×nh 6.38. D1 ∧. R. U®f. Δϕ (t ). U1. C Us. D2. R. C. ∧. ∧. U1. U D1 U2. ∧. o 0. (a) U ch. U D2. (b). H×nh 6.38. M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng pha dïng diode (a); §å thÞ vect¬ cña c¸c ®iÖn ¸p (b). 213.

(248) Tín hiệu cần tách sóng là tín hiệu điều pha uđf đ−ợc so sánh về pha với một dao động chuẩn uch. BiÓu thøc cña u®f vµ uch nh− sau:. u đf = U 1 cos(ω01 t + ϕ ( t ) + ϕ 01 ) = U 1 cos ϕ1 ( t ) uch = U 2 cos(ω02t + ϕ 02 ) = U 2 cos ϕ 2 (t ) . Điện áp đặt lên 2 diode D1, D2 có biên độ t−ơng ứng là:. u D1 = U 1 cos(ω01t + ϕ (t ) + ϕ 01 ) + U 2 cos(ω 02 t + ϕ 02 ) u D 2 = −U 1 cos(ω01t + ϕ (t ) + ϕ 01 ) + U 2 cos(ω02t + ϕ 02 ) Điện áp ra t−ơng ứng trên hai bộ tách sóng biên độ xác định đ−ợc theo đồ thị vectơ hình 6.38(b).. U I (t ) = u S1 = K TSU D1 = K TS U 12 + U 22 + 2U 1U 2 . cos Δϕ (t ). (6.96a). U II = u S 2 = K TSU D 2 = K TS U 12 + U 22 − 2U 1U 2 . cos Δϕ (t ). (6.96b). Trong đó KTS là hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ, xác định theo biểu thức 6.97.. K TS =. uS mU t. (6.97). Δϕ (t ) lµ hiÖu pha cña 2 ®iÖn ¸p vµo; Δϕ (t ) = (ω01 − ω 02 )t + ϕ (t ) + ϕ 01 − ϕ 02 §iÖn ¸p ra cña bé t¸ch sãng: uS = uS1– uS2. [. u S = K TS U12 + U 22 + 2U1U 2 . cos Δϕ ( t ) − U12 + U 22 − 2U1U 2 . cos Δϕ ( t ). ]. (6.98). VËy gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p ra trªn bé r¸ch sãng phô thuéc vµo hiÖu pha cña tÝn hiÖu ®iÒu pha vµ tÝn hiÖu chuÈn. Tr−êng hîp ω01 = ω02, ϕ01 = ϕ02 th× ®iÖn ¸p ra chØ cßn phô thuéc vµo pha cña tÝn hiÖu vµo ϕ(t). NÕu ω01 = ω02, vµ tÝn hiÖu vµo kh«ng ph¶i lµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ pha, nghÜa lµ ϕ(t)= 0 th× ®iÖn ¸p ra cã biÓu thøc sau ®©y:. u S = K TS. [U. 2 1. + U 22 + 2 U 1 U 2 . cos ϕ o − U 12 + U 22 − 2 U 1 U 2 . cos Δϕ o. ]. (6.99). Theo biểu thức (6.98) đặc tuyến truyền đạt các bộ tách sóng pha cân bằng u S = f (Δϕ ) là một hàm số tuần hoàn theo hiệu pha, nó có cực đại khi Δϕ 0 = 0, 2π, 4π ... cực tiểu khi Δϕ 0 = π , 3π, 5π ... vµ b»ng kh«ng khi Δϕ 0 = 0(2π + 1), π 2 ... (víi n = 0, 1, 2, ...). Nguyên lý làm việc của mạch này dựa vào sự so pha của hai dao động giống nh− mạch tách sóng đồng bộ. Vì vậy có thể dùng mạch tách sóng đồng bộ để tách sóng pha. b) Bé t¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch lÖch céng h−ëng. Hình 6.39 trình bày sơ đồ bộ tách sóng tần số dùng mạch lệch cộng h−ởng. Đầu vào của hai bộ tách sóng biên độ 214.

(249) gåm D1, D2 lµ hai m¹ch céng h−ëng ®−îc. M. D1. ®iÒu chØnh céng h−ëng t¹i c¸c tÇn sè ω1 vµ. ∧. ω2. NÕu gäi tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu. 1 U®b. ®iÒu tÇn ®Çu vµo lµ ω0 = ωt ta cã: ω1 = ω0 +. L. C. U1. C. R. ∧. 2. C. U2. C R. US1 Us US2. Δω0 ; ω2 = ω0 - Δω0. D2 Sù ®iÒu chØnh m¹ch céng h−ëng lÖch H×nh 6.39. M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng tÇn sè khái tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu vµo, dïng m¹ch lÖch céng h−ëng. lµm ®iÖn ¸p vµo cña hai bé t¸ch sãng biªn độ (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số của điện áp vào. Từ mạch hình 6.39 ta xác định đ−ợc: U1 = m.U®t Z1 (6.100a) U2 = m.U®t Z2 (6.100b) Trong đó m là hệ số ghép của biến áp vào;. m=. M ; M lµ hÖ sè hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp biÕn ¸p vµo; L. L lµ hÖ sè ®iÖn c¶m cña cuén s¬ cÊp; Z1 vµ Z2 lµ trë kh¸ng cña hai m¹ch céng h−ëng 1 vµ 2. T−¬ng tù nh− biÓu thøc (6.93) ta tÝnh ®−îc :. Z1 =. Z2 =. R tđ1 ⎡ (ω − ω1 ) ⎤ 1 + ⎢2Q ⎥ ω1 ⎦ ⎣. 2. R tđ 2 ⎡ (ω − ω 2 ) ⎤ 1 + ⎢2Q ⎥ ω2 ⎦ ⎣. 2. =. =. R tđ1 1 + (ξ − ξ o ) 2. R tđ 2 1 + (ξ + ξ o ) 2. (6.101a). (6.101b). Rt®1, Rt®2 lÇn l−ît lµ trë kh¸ng cña hai m¹ch céng h−ëng t¹i tÇn sè céng h−ëng ω1 , ω2. Q1, Q2 lµ hÖ sè phÈm chÊt cña c¸c m¹ch céng h−ëng t−¬ng øng. Chän hai m¹ch céng h−ëng nh− nhau, ta cã:. R tđ1 = R tđ 2 = R tđ Q1 = Q2 = Q. ξo =. 2Q ωo − ω1, 2 ). ωo. là độ lệch tần số t−ơng đối giữa tần số cộng h−ởng riêng của mạch cộng. h−ëng so víi tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu vµo.. ξ=. 2Q ω − ω o. ωo. là độ lệch tần số t−ơng đối giữa tần số tín hiệu vào và tần số trung tâm của nó.. Khi tần số tín hiệu vào ω thay đổi thì Z1 , Z2 thay đổi, kéo theo sự thay đổi của biên độ điện áp vào của hai mạch tách sóng biên độ U1, U2, đây là quá trình biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên. Qua hai bộ tách sóng biên độ, ta nhận đ−ợc các điện áp ra: 215.

(250) R tđ1. u S1 = K TS U 1 = K TS mU dt =. (6.102a). 1 + ( ξ o − ξ) 2. u S2 = K TS U 2 = K TS mU đt =. R tđ 2. (6.102b). 1 + ( ξ o + ξ) 2. §iÖn ¸p ra tæng céng:. u S = u S1 − u S2 = K TS mR tđ U tđ ψ (ξ, ξ o ). 1. Trong đó ψ (ξ , ξ o ) =. 1 + (ξ o − ξ ). 2. 1. −. 1 + (ξ o + ξ ) 2. ψ = ψ max khi ξ = ±ξ o . Độ dốc của đặc tuyến truyền đạt đ−ợc xác định nh− sau:. Sf =. du S dψ (ξ, ξ o ) K mR tđ U đt 2ξ o = K TS mU đt R tđ = TS . ξ=0 dΔf Δf = 0 dξ fo (1 + ξ o2 ) 3 2. (6.103). Vậy hệ số truyền của bộ tách sóng phụ thuộc vào ξo, đạo hàm S f theo ξo và xét các cực trị ta. 1 . Vậy muốn có hệ số truyền đạt cực đại phải chọn l−ợng lệch tần 2. thÊy S f = S f max khi ξ o = ±. sè Δωo theo ®iÒu kiÖn sau ®©y:. Δω o =. ω oξ o 2Q. =±. 1 ωo 2 2 Q. (6.104). T¸ch sãng dïng m¹ch lÖch céng h−ëng cã nh−îc ®iÓm lµ khã ®iÒu chØnh cho hai m¹ch céng h−ởng hoàn toàn đối xứng, nên ít đ−ợc dùng. c) T¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp. US Uo U®b. Cgh. D1 L2. U 1 L1. 0,3. β =3 β =2. 0,2. β =1. 0,1. β = 0,5. 0,4 →. U 21. C1. 0,5. Us. C2. R. Lc. C. →. U 22. R. C. D2 (a). 0 (b). 0,5. 1. 1,5. 2. S. Hình 6.40. Sơ đồ bộ tách sóng tần số dùng mạch cộng h−ởng ghép (a); Đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng (b).. M¹ch ®iÖn bé t¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 6.40. Mạch làm việc theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên về pha, sau đó thực hiện tách sóng pha nhờ bộ tách sóng biên độ. Tín hiệu điều tần một mặt đ−ợc ghép qua biến áp đ−a đến khung dao động thứ cấp, một mặt đ−ợc ghép qua tụ Cgh. Do đó điện áp đặt lên các diode D1, D2 lần l−ợt là:. U D1 = U 1 + U 21 216. (6.105a).

(251) U D 2 = U 1 + U 22. (6.105b). Ta ph©n biÖt 3 tr−êng hîp: + Khi tần số tín hiệu vào f = f o (đồ thị vectơ hình 6.41), trong đó fo là tần số cộng h−ởng của m¹ch céng h−ëng s¬ cÊp vµ thø cÊp, dßng ®iÖn qua ®iÖn c¶m chËm pha so víi U1 mét gãc 90o vµ đ−ợc xác định nh− sau:. I 1L =. U1 jωL1. (6.106). I1L gây ra trong cuộn dây thứ cấp L2 một sức điện động:. E M = jωMI1L. (6.107). Giả thiết M > 0, khi đó EM sớm pha so víi I1L mét gãc 90o. EM sinh ra dßng ®iÖn I2 trong m¹ch céng h−ëng thø cÊp. V× f = f o tÇn sè céng h−ëng, m¹ch céng h−ëng thø cÊp là thuần trở, nên I2 đồng pha với EM.. E I 2 = M2 r. (6.108). r2 lµ ®iÖn trë tæn hao cña m¹ch céng h−ëng thø cÊp. §iÖn ¸p U21 vµ U22 ng−îc pha víi. ϕ1. U21. U22. U1. UD1. UD2. M. I2. ϕ I2. H×nh 6.41. §å thÞ vect¬ c¸c dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p vµo cña bé t¸ch sãng tÇn sè dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp. nhau, và lệch pha so với I2 là ± 90 o . Vì UD1 và UD2 có biên độ nh− nhau nên điện áp ra:. u S = K TS (U D1 − U D 2 ) = 0 + Tr−ờng hợp f > f o (đ−ờng đứt nét) trên đồ thị vectơ hình 6.41. Mạch cộng h−ởng thứ cấp mang tÝnh chÊt ®iÖn c¶m, nªn I2 chËm pha so víi EM mét gãc ϕ < 90 o . U21 vµ U22 ng−îc pha nhau vµ vu«ng gãc víi I2. Gi÷a U1 vµ U21, U22 cã gãc lÖch pha lÇn l−ît lµ ϕ1 vµ π − ϕ1 . TÇn sè tÝn hiÖu vào càng lệch khỏi tần số cộng h−ởng trung tâm fo thì biên độ của U D1 càng lớn hơn biên độ của. U D 2 , do đó trị số điện áp ra uS càng lớn. + Tr−êng hîp f < f o th× m¹ch thø cÊp mang tÝnh chÊt ®iÖn dung, nªn I2 sím pha h¬n EM , do đó U D1 < U D 2 và uS < 0. Tóm lại khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì đầu nút các vectơ UD1 và UD2 di chuyển trên các vòng tròn 1 và 2 trên hình 6.41 làm cho điện áp ra thay đổi về trị số và cực tính. Trị số điện áp ra đặc tr−ng cho độ lệch tần số của tín hiệu vào so với tần số trung tâm fo , còn cực tính của điện áp ra cho biÕt tÇn sè tÝn hiÖu vµo lÖch khái tÇn sè trung t©m vÒ phÝa nµo (lín h¬n hay nhá h¬n fo). Tính toán cụ thể, sẽ nhận đ−ợc đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng nh− biểu diễn trên hình 6.40.a. Trong đó ξ = 2Q. ω − ωo đặc tr−ng cho độ lệch tần số so với tần số trung tâm và đ−ợc gọi ωo. là độ lệch tần số t−ơng đối, Uo là trị số chuẩn hóa của điện áp ra; β = k Q là hệ số ghép giữa hai 217.

(252) m¹ch céng h−ëng, k =. M L1 L2. lµ hÖ sè ghÐp tæng qu¸t; d =. 1 lµ hÖ sè tæn hao cña m¹ch céng Q. h−ëng vµ Q lµ hÖ sè phÈm chÊt. Từ đặc tr−ng truyền đạt hình 6.40(b) rút ra những nhận xét sau đây: + HÖ sè t¸ch sãng S f phô thuéc vµo hÖ sè ghÐp β , S f = S f max khi β = 0,85. Th−êng β = 1, lúc đó S f = S f max . + Khi ξ = ± β thì đặc tuyến truyền đạt đổi chiều biến thiên. Thực tế đặc tuyến chỉ đ−ợc coi là th¼ng trong ph¹m vi:. 1 2. ξ ≤ β. (6.109). Do đó độ lệch tần số cực đại cho phép ở đầu vào phụ thuộc vào β . Từ biểu thức (6.105) suy ra:. 2Q. (Δf m ) 1 ≤ β fo 2. (6.110). Δf m là l−ợng di tần cực đại của tín hiệu vào. Kinh nghiệm cho thấy chọn β = 2,04 thì méo phi tuyÕn lµ nhá nhÊt. Tách sóng dùng mạch cộng h−ởng ghép, ít gây méo và dễ điều chỉnh vì cả hai mạch đều cộng h−ëng ë cïng tÇn sè fo. Tuy nhiªn trÞ sè ®iÖn ¸p ra trong bé t¸ch sãng nµy võa phô thuéc vµo tÇn sè vừa phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào ( U 1 ), nên nó sinh ra nhiễu biên độ. Để khắc phục hiện t−ợng này phải đặt tr−ớc bộ tách sóng một mạch hạn chế biên độ. d) T¸ch sãng tØ lÖ D1 M¹ch ®iÖn t¸ch sãng tØ lÖ ®−îc tr×nh L2 R Lc Us C bµy trªn h×nh 6.42. Bé t¸ch sãng tØ lÖ U2 C2 C1 C kh¸c víi t¸ch sãng céng h−ëng ghÐp ë C L1 Us R chç: c¸c diode t¸ch sãng ®−îc m¾c nèi U1 tiÕp. M¹ch võa lµm nhiÖm vô t¸ch sãng D2 R Us vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ. Hình 6.42. Sơ đồ tách sóng tỉ lệ. Dßng qua c¸c diode n¹p cho tô C1, 1. Uo. 2. h»ng sè thêi gian τ = RC1 ≈ (0,1 ÷ 0,2) gi©y, kh¸ lín nªn ®iÖn ¸p trªn C1 biÕn thiªn rÊt chËm lµm cho nhiễu biên độ giảm. Có thể chứng minh điều đó bằng biểu thức sau đây :. u S = u S1 − u R Víi. uR =. U o u S1 + u S 2 = 2 2. Thay vµo ta cã:. uS =. 218. u S1 − u S 2 U o u S1 − u S 2 . = 2 u S1 + u S 2 2.

(253) Hay. u S1 −1 U o uS 2 uS = . 2 u S1 +1 uS 2. Khi Uo = const, ®iÖn ¸p ra chØ phô thuéc vµo tØ sè. (111). u S1 ; h¬n n÷a uS1 vµ uS2 gièng nh− bé t¸ch uS 2. sãng dïng m¹ch céng h−ëng ghÐp phô thuéc vµo biÕn thiªn tÇn sè ë ®Çu vµo. V× vËy bé t¸ch sãng tØ số không có phản ứng đối với các biến thiên về biên độ ở đầu vào và tránh đ−ợc nhiễu biên độ.. 219.

(254) Ch−¬ng 7 Trén tÇn 7.1. C¬ së lý thuyÕt vÒ trén tÇn 7.1.1. Kh¸i niÖm chung Trộn tần là quá trình khi tác động hai tín hiệu tới lối vào của mạch thì trên đầu ra của nó nhận đ−ợc tín hiệu có các thành phần tần số bằng tổng hoặc hiệu tần số của hai tín hiệu đó. Thông th−ờng một trong hai tín hiệu vào là tín hiệu đơn âm (có một vạch phổ), tín hiệu đó gọi là tín hiệu ngoại sai cã tÇn sè lµ f nS (sai lÖch víi tÝn hiÖu kia mét gi¸ trÞ gäi lµ mét tÇn sè trung gian f tg ). TÝn hiÖu cßn lại là tín hiệu hữu ích (mang tin tức) với tần số là f th cố định hoặc là biến thiên trong một phạm vi nào đó. Tín hiệu có tần số mong muốn đ−ợc tách ra nhờ một bộ lọc, tần số của nó th−ờng đ−ợc gọi lµ tÇn sè trung gian f tg . Cũng nh− trong điều biên, để trộn tần có thể dùng các phàn tử phi tuyến hoặc các phần tử tuyÕn tÝnh tham sè. Trộn tần th−ờng đ−ợc dùng trong máy thu đổi tần. Trong trong máy thu đổi tần bộ tạo dao động ngoại sai đ−ợc đồng chuẩn với tín hiệu cao tần mang tin tức thu đ−ợc sao cho. f tg = f nS − f bh = const . Hai tÝn hiÖu nµy ®−îc ®−a vµo bé trén tÇn, lèi ra cña bé trén tÇn ®−îc tÝn hiÖu, mµ tÇn sè b»ng tæng, hiÖu tÇn sè cña hai tÝn hiÖu vµo. Nhê m¹ch läc cña bé trén tÇn ta thu đ−ợc tín hiệu có tần số trung gian mang tin tức f tg . Sau đó đ−ợc khuếch đại bằng các tầng khuếch đại cộng h−ởng (có tần số cộng h−ởng bằng tần số trung gian f tg ). Trộn tần còn đ−ợc dùng trong các hệ thống thông tin định h−ớng, trong các bộ tổng hợp tần số ... Cã thÓ ph©n lo¹i m¹ch trén tÇn theo nhiÒu c¸ch: + Phân loại theo phần tử tích cực đ−ợc dùng để trộn tần, ng−ời ta phân biệt trộn tần dùng phần tö tuyÕn tÝnh tham sè (m¹ch nh©n) vµ trén tÇn dïng phµn tö phi tuyÕn (diode, transistor l−ìng cùc BJT, transistor tr−êng FET ...). + Cã thÓ coi bé trén tÇn lµ hÖ thèng tuyÕn tÝnh tham sè lµ v× qu¸ tr×nh trén tÇn th−êng ®−îc thực hiện với điều kiện Uth << UnS. Lúc đó với tín hiệu hứu ích nhỏ, đặc tuyến Von-Ampe của phần tö trén tÇn cã thÓ coi lµ th¼ng, cßn d−íi t¸c dông cña ®iÖn ¸p ngo¹i sai lín, ®iÖn dÉn cña phÇn tö tuyến tính thay đổi. Nh− vậy đối với tín hiệu phần tử trộn tần là một hệ thống tuyến tính. + Cũng có thể phân loại theo sơ đồ trộn tần (trộn tần diode, trộn tần transistor ...) hoặc theo c¸ch chuyÓn phæ vÒ phÝa tÇn sè cao hoÆc chuyÓn phæ vÒ phÝa tÇn sè thÊp tïy thuéc vµo vÞ trÝ t−¬ng đối giữa tần số tín hiệu f th ở đầu vào và tần số trung gian f tg ở đầu ra. Giả thiết đặc tuyến của phµn tö phi tuyÕn ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor sau ®©y:. i = ao + a1u + a2 u 2 + ... + an u n + ... trong đó u là điện áp đặt lên phần tử phi tuyến đ−ợc dùng để trộn tần. 220. (7.1).

(255) Trong tr−ờng hợp này u = u nS + uth , trong đó:. u nS = U nS cos ω nS t uth = U th cos ωth t Thay vµo biÓu thøc 7.1 ta cã:. a2 2 a (U nS + U th2 ) + 2 (U nS2 cos 2ω nS t + U th2 cos 2ωth t ) + 2 2 + a2U nSU th [cos(ω nS + ωth )t + cos(ω nS − ωth )t ] + ... (7.2). i = ao + a1 (U nS cos ω nS t + U th cos ωth t ) +. VËy tÝn hiÖu ra gåm thµnh phÇn mét chiÒu, thµnh phÇn c¬ b¶n ω nS , ωth , c¸c thµnh phÇn tæng vµ hiÖu ω nS ± ωth vµ c¸c thµnh phÇn bËc cao 2 ω nS , 2 ωth . TÝnh c¸c vÕ tiÕp theo cña biÓu thøc 7.2 ta thÊy trong dßng ®iÖn ra cßn cã c¸c thµnh phÇn bËc cao:. ω = ± nω nS ± mωth . trong đó m, n là những số nguyên, d−ơng. NÕu trªn ®Çu ra bé trén tÇn, lÊy tÝn hiÖu cã tÇn sè ω = ω nS ± ωth , nghÜa lµ chän m, n = 1 th× cã trộn tần đơn giản. Trong tr−ờng hợp chọn m, n > 1 thì có trộn tần tổ hợp. Thông th−ờng ng−ời ta hay dùng trộn tần đơn giản. Trong đoạn sóng met và deximet để nâng cao độ ổn định tần số ngoại sai và giảm ảnh h−ởng t−ơng hỗ giữa mạch ngoại sai và mạch tín hiệu, ng−êi ta cã thÓ dïng trén tÇn tæ hîp víi tÇn sè tÝn hiÖu ra:. ω = nωnS − ωth (n ≥ 2) 7.1.2. C¸c tham sè c¬ b¶n Dòng điện ra và dòng điện vào của bộ trộn tần phụ thuộc vào tất cả các điện áp đặt lên nó, v× vËy ta cã thÓ viÕt:. i = f (unS , uth , utg ). (7.3). Trong đó:. u nS = U nS cos ω nS t uth = U th cos ωth t utg = U tg cos ωtg t . Th−ờng Uth và U tg << U nS nên có thể biểu diễn gần đúng dòng điện ra theo chuỗi Taylor nh− sau: (chØ lÊy c¸c sè h¹ng bËc nhÊt):. ir = f (unS ) +. ∂f (unS ) ∂f (unS ) .uth + .utg ∂uth ∂utg. = i nS + S (unS )uth + g (unS )utg. (7.4). V× unS lµ tÝn hiÖu tuÇn hoµn theo thêi gian nªn inS, S(unS) vµ gi(unS) còng tuÇn hoµn theo thêi gian. Tuy nhiên nó là kết quả của quá trình unS tác động lên phần tử phi tuyến, nên ngoài thành phần bậc nhất đối với tần số ngoại sai, còn có các thành phần bậc cao khác, do đó ta có: 221.

(256) inS (unS ) = I o + I1 cos ωnS t + I 2 cos 2ωnS t + ... S (unS ) = So + S1 cos ωnS t + S 2 cos 2ωnS t + ... g i (unS ) = Gio + Gi1 cos ωnS t + Gi 2 cos 2ωnS t + ... Thay vµo biÓu thøc 7.4 ta nhËn ®−îc: ∞. ir = ∑ I n cos nωnS t + U th cos ωtht n =0. ∞. ∑ Sn cos nωnS t + U tg cos ωtg t n =0. ∞. ∑G n =0. in. cos nω nS t. ∞ ∞ 1 ir = ∑ I n cos nωnS t + U th ∑ S n [cos(nωnS + ωth )t + cos(nωnS − ωth )t ] + 2 n=0 n =0. [. ∞ 1 + U tg ∑ Gin cos(nωnS + ωtg )t + cos(nωnS − ωtg )t 2 n =0. ]. (7.5). VËy trong dßng ®iÖn ra cã c¸c thµnh phÇn tÇn sè nωnS ± ωth , ωnS ± ωth , nωnS , nÕu lÊy sè h¹ng bËc cao cña chuçi Taylor con th× trong dßng ®iÖn cßn cã thµnh phÇn nωth , nωtg , nωnS ± ωth vµ nωnS ± ωtg víi m, n > 1.. Gi¶ thiÕt chän:. ωtg = nω nS − ω th th× tõ biÓu thøc 7.5 ta cã: 1 itg = .U th S n cos ωtg t + U tg Gin cos ωtg t 2. (7.6). T¶i cña bé trén tÇn ®−îc ®iÒu chØnh céng h−ëng ë tÇn sè trung gian, nªn chØ cã thµnh phÇn tÇn số trung gian có biên độ lớn trên tải. Khi đó biên độ của dòng với tần số trung gian. I tg =. 1 .S n U th + G in U tg 2. (7.7). Biểu thức 7.7 đ−ợc gọi là ph−ơng trình biến đổi thuận của bộ trộn tần, trong đó Sn là biên độ ∂f (U nS ) đặc tr−ng cho hiệu ứng biến đổi thuận của bộ trộn tần. hµi bËc n cña hµm, S = ∂U th Gio lµ thµnh phÇn mét chiÒu cña hµm, g i =. ∂f (u nS ) đặc tr−ng cho sự thay đổi điện dẫn trong ∂uth. các bộ trộn tần đối với thành phần tần số trung gian. T−¬ng tù nh− trªn dßng ®iÖn vµo còng lµ hµm phô thuéc vµo u nS , uth , utg , víi. U th , U tg << U nS , ta cã: 1 I th = .S ngnU th + G y 0U th 2. (7.8). Biểu thức 7.8 gọi là ph−ơng trình biến đổi ng−ợc của bộ trộn tần, đặc tr−ng cho hiện t−ợng håi tiÕp d−¬ng vÒ ®iÖn ¸p trong bé trén tÇn. Trong biểu thức (7.8) thì S ngn là biên độ thành phần bậc n của hỗ dẫn biến đổi ng−ợc. Gν 0 là 222.

(257) thµnh phÇn mét chiÒu cña ®iÖn dÉn vµo gν =. ∂f (u nS ) đặc tr−ng cho sự thay đổi điện dẫn vào của ∂uth. bé trén tÇn. Từ các biểu thức trên có thể suy ra các biểu thức định nghĩa về các tham số cơ bản của bộ trộn tÇn nh− sau: + Hç dÉn trén tÇn:. S tt =. I tg U th U tg = 0. =. 1 Sn 2. (7.9). + §iÖn dÉn trong cña bé trén tÇn:. Gitt =. I tg U tg U th = 0(utg ). = Gio. (7.10). + Hệ số khuếch đại tĩnh:. μ tt =. U tg. I tg G itt. = S tt Ritt. (7.11). I th 1 = S nng U tg U th = 0 2. (7.12). U th. =. I tg S tt. + Hç dÉn trén tÇn ng−îc:. S ttng =. + §iÖn dÉn trong khi cã hiÖn t−îng trén tÇn ng−îc:. G ing =. I th = Gνo U th U tg = 0. (7.13). + Hệ số khuếch đại tĩnh khi đổi tần ng−ợc:. μ ng =. U th = S ttng R ing U tg. (7.14). Từ định nghĩa các tham số trên đây, có thể viết lại các biểu thức (7.7) và (7.8) nh− sau:. I tg = S ttU th + GinU tg. (7.15). I th = S ttng U tg + G VoU th. (7.16). HÖ ph−¬ng tr×nh gåm (7.15) vµ (7.16) t−¬ng ®−¬ng víi ph−¬ng tr×nh dÉn n¹p cña mét tø cực. Từ hệ ph−ơng trình có thể suy ra sơ đồ t−ơng đ−ơng của nó. 7.2.. M¹ch trén tÇn 7.2.1. M¹ch trén tÇn dïng diode Mạch trộn tần dùng diode đ−ợc ứng dụng rộng rãi ở mọi tần số, đặc biệt là phạm vi tần số cao (trªn 1 GHz). M¹ch trén tÇn dïng diode cã nh−îc ®iÓm lµ suy gi¶m tÝn hiÖu. T−ơng tự nh− các mạch điều biên, mạch trộn tần gồm có: mạch trộn tần đơn, mạch trộn tần cân bằng và mạch trộn tần vòng. Nh−ng đặc điểm là lối ra của mạch trộn tần đều có mạch lọc LC, để lọc lấy thành phần tần số trung gian f tg . Sơ đồ mạch trộn tần đơn dùng diode đ−ợc trình bày trên 223.

(258) h×nh 7.1. Diode, m¹ch tÝn hiÖu, m¹ch ngo¹i sai vµ m¹ch trung gian m¾c nèi tiÕp víi nhau . Trong sơ đồ diode D là phần tử phi tuyến, đặc tuyến của nã ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor.. Uth. D Z. UnS. i = ao + a1u + a2u 2 + a3u 3 + ... H×nh 7.1. Bé trén tÇn dïng diode. ë ®©y u = uth +unS Ta cã:. i = ao + a1 (uth + u nS ) + a2 (uth + u nS ) 2 + ... 2 i = ao + a1uth + a1u nS + a2 uth2 + a2u nS + 2a2uth u nS + .... (7.17). Trong biểu thức 7.17 ta chú ý đến số hạng 2a 2 uth u nS và đặt I = 2a 2 uth u nS , khi đó:. I = 2a2U th sin ωth + U nS sin ω nS + ... I = a2U thU nS [cos(ω nS + ωth )t − cos(ω nS − ωth )t ] . VËy dßng ®iÖn ra cña bé trén tÇn chõa hai thµnh phÇn ω nS + ω th vµ ω nS − ωth . C¸c thµnh phÇn cßn l¹i cã phæ lµ ω nS , 2ω nS , ωth , 2ωth ... NÕu lµ khung céng h−ëng LC m¾c song song cã tÇn sè céng h−ëng:. ω ch =. 1 LC. = ω nS − ω th. (7.19). th× trªn khung chØ tån t¹i thµnh phÇn phæ t−¬ng øng ( ω nS − ωth ) vµ. U r = Z td a 2U thU nS cos(ω nS − ωth )t. (7.20). Zt® lµ trë kh¸ng céng h−ëng cña khung céng h−ëng m¾c song song LC ë lèi ra cña bé trén tÇn. ë ®©y cÇn cã ®iÒu kiÖn ( ω nS − ωth ) ph¶i c¸ch xa ω nS vµ ωth mét kho¶ng lín h¬n gi¶i th«ng cña khung. Cã nh− vËy th× ω nS vµ ωth míi kh«ng lät tíi lèi ra cña bé trén tÇn. NÕu uth lµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn, th× ur vÉn lµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn, chØ kh¸c tÇn sè lµ ωtg = ω nS − ωth . Tr−êng hîp tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lµ ©m thanh th×: 2Δω = 2Ω vµo kho¶ng 20KHz. TÇn sè trung tÇn của máy thu điều biên qui định là 465KHz, khi đó có thể suy ra giá trị của độ phẩm chất Q.. Q=. ωtg ω nS − ωth 465 = = ≈ 23 . 2Δω 2Δω 20. Đối với tín hiệu điều tần, bề rộng của phổ lớn đến hàng trăm KHz. Chính vì vậy mà tần số trung tần với tín hiệu điều tần FM qui định là 2MHz. 7.2.2. Mạch trộn tần dùng phần tử khuếch đại Để trộn tần có thể dùng transistor l−ỡng cực, transistor tr−ờng và khuếch đại thuật toán. Đặc điểm chung của hệ trộn tần loại này là còn khuếch đại tín hiệu. 1. M¹ch trén tÇn dïng transistor Mạch trộn tần dùng transistor có thể mắc theo sơ đồ base chung hoặc emitter chung. Sơ đồ base chung ®−îc dïng trong ph¹m vi tÇn sè cao vµ siªu cao, v× tÇn sè giíi h¹n cña nã cao. 224.

(259) Tuy nhiên, sơ đồ base chung có hệ số truyền đạt của bộ trộn tần thấp hơn so với sơ đồ emitter chung. Các tham số của sơ đồ trộn tần phụ thuộc vào điểm làm việc, vào độ lớn của điện áp ngoại sai và vào tham số của transistor. Vì nguyên tắc có thể phân biệt sơ đồ trộn tần dùng transistor đơn, ®Èy kÐo. Trên hình 7.2 một số cách mắc sơ đồ nguyên lý bộ trộn tần dùng transistor đơn. Uth. Uth. Uth. Uth. UnS. UnS. UnS. U nS. (a). (b). (c). (d). Hình 7.2. Sơ đồ nguyên lý bộ trộn tần dùng transistor đơn: Sơ đồ base chung với điện áp ngoại sai đặt vào emitter (a); sơ đồ bazơ chung với điện áp ngoại sai đặt vào base (b); sơ đồ emitter chung với điện áp ngoại sai đặt vào base (c); sơ đồ emitter chung với điện áp ngoại sai đặt vào emitter (d).. Trên cơ sở các sơ đồ nguyên lý đó, ng−ời ta thiết kế nhiều loại sơ đồ thực tế khác nhau. Hình 7.3 trình bày sơ đồ nguyên lý bộ trộn tần dùng transistor đơn. Trong mạch hình 7.3. Tín hiệu cao tần đã điều chÕ uth vµ tÝn hiÖu ngo¹i sai cïng ®−a vµo base cña transistor. Mét sè tr−êng hîp ng−êi ta thùc hiÖn m¹ch trén tần tự dao động đ−ợc biểu diễn trên hình 7.4.. + Ec C. R1. Ur. Uth. U nS. C1. Hình 7.3. Mạch đổi tần dùng transistor. E Ce. C. Utg. L2. Re B. B. Uth L1. E R. L2 R L3. C2. C1. Ucc. (a). R. L3 C2. (b). Hình 7.4. Tầng trộn tần tự dao động.. Transistor vừa làm nhiệm vụ trộn tần vừa tạo dao động ngoại sai. Điện áp ngoại sai đ−ợc tạo lên nhờ quá trình hồi tiếp d−ơng về emitơ qua cuộn dây L2 và L3. Điện áp tín hiệu uth đ−ợc đặt vào base qua biến áp vào. C1 và L1 tạo thành mạch cộng h−ởng nối tiếp với tần số trung gian. Nhờ đó điện áp của tần số trung gian bị ngắn mạch ở đầu vào, do đó loại trừ đ−ợc hiện t−ợng trộn tần 225.

(260) ng−îc. §Ó tr¸nh ¶nh h−ëng t−¬ng hç gi÷a ®iÖn ¸p tÝn hiÖu vµ ®iÖn ¸p ngo¹i sai, ng−êi ta kÕt cÊu mạch d−ới dạng một sơ đồ cầu (hình 7.4b), trong đó Re và Ce là phần tử kí sinh của mạch vào transistor. Khi cÇu c©n b»ng kh«ng cßn sù liªn kÕt gi÷a m¹ch tÝn hiÖu vµ m¹ch ngo¹i sai n÷a Mạch trộn tần theo sơ đồ đẩy kéo đ−ợc biểu diễn trên hình 7.5. Chúng có nhiều −u điểm so với trộn tần đơn. - MÐo phi tuyÕn nhá (hµi bËc ch½n bÞ triÖt tiªu). - Phæ tÝn hiÖu ra hÑp.. -. ¶nh h−ëng t−¬ng hç gi÷a m¹ch tÝn hiÖu vµ m¹ch ngo¹i sai Ýt.. -. Kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn ®iÒu chÕ giao thoa thÊp. + Ucc. T1. IC1 Utg. Utg Uth. T2. T2. IC1 IC2. T1. IC2 UnS. UnS. RE. UnS + Ucc (a). (b). Hình 7.5. Mạch trộn tần đẩy kéo: (a) Sơ đồ nguyên lý của mạch trộn tần đẩy kéo; (b) M¹ch trén tÇn ®Èy kÐo dïng transistor cã m¹ch emitter vµ base chung.. Vì những −u điểm đó, nên loại mạch này hay đ−ợc dùng trong bộ trộn tần của máy phát. Sơ đồ hình 7.5(a) hai transistor làm việc ở chế độ B. Do cách mắc mạch nên điện áp đặt vào transistor T1 vµ T2 lÇn l−ît lµ:. u1 = u nS + uth vµ u 2 = u nS − uth Do m¹ch ra ®−îc m¾c ®Èy kÐo nªn dßng ®iÖn ra:. iC = iC1 + iC 2 iC1 = ao + a1 (u nS + uth ) + a2 (u nS + uth ) 2 + .... víi. iC 2 = ao + a1 (u nS − uth ) + a2 (u nS − uth ) 2 + ... Ta cã. iC = 2a1uth + 4a2u nS uth + 2a3uth3 + 6a3u nS uth3 + .... Trong đó. u nS = U nS cos ω nS t uth = U th cos ωth t .. Biến đổi biểu thức trên ta thấy trong dòng điện ra có các thành phần tần số ωth , 3ωth ,. 3ωnS ± ωth vµ 2ω nS ± ωth . Trên hình 7.5(b) là sơ đồ trộn tần đẩy kéo thực tế. Trong sơ đồ này không cần nối đất giữa mạch vào và mạch ra, nên kết cấu đơn giản hơn. Đặc điểm của sơ đồ các emitter và collector của hai transistor nèi víi nhau. 226.

(261) M¹ch läc ë trªn hai transistor, läc lÊy thµnh phÇn mong muèn ωtg = ω nS − ωth . 2. M¹ch trén tÇn dïng transistor tr−êng Khác với transistor l−ỡng cực, transistor tr−ờng có đặc điểm là quan hệ giữa dòng ra (dòng cực máng) ID và điện áp vào uGS là quan hệ bậc hai, nên khi dùng để trộn tần sẽ giảm các thành phần phæ ë ®Çu ra vµ h¹n chÕ ®−îc hiÖn t−îng giao thoa ®iÒu chÕ giao thoa. Ngoµi ra dïng transistor tr−ờng để trộn tần sẽ giảm đ−ợc tạp âm và tăng đ−ợc dải động của tín hiệu vào. Hình 7.6 trình bày các sơ đồ trộn tần dùng transistor tr−ờng. +ED U tg. U tg. U th U. U th. (a). U ns. +ED. (b). Hình 7.6. Sơ đồ trộn tần dùng transistor tr−ờng. (a) Sơ đồ trộn tần đơn với cực nguồn chung; (b) Sơ đồ đẩy kéo cực nguồn chung.. Nguyªn lÝ lµm viÖc cña chóng hoµn toµn gièng c¸ch dïng transistor l−ìng cùc.. 7.3. Vßng khãa pha PLL (Phase Loocked Loop) 7.3.1. Kh¸i niÖm vÒ vßng khãa pha Vßng khãa pha cßn cã tªn gäi kh¸c: vßng b¸m pha hoÆc vßng gi÷ pha lµ hÖ thèng cã håi tiÕp để khống chế tần số và pha của tín hiệu ở đầu ra phù hợp với tần số và pha của tín hiệu ở đầu vào. D¹ng tÝn hiÖu ë ®Çu vµo cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau, bao gåm lo¹i h×nh sin, xung, hoÆc c¸c d¹ng tÝn hiÖu trong ®iÒu chÕ sè. Kü thuËt khãa pha ®−îc øng dông lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m 1932 trong hÖ thống tách đồng bộ của các tín hiệu. Bắt đầu vào năm 1960, các ch−ơng trình vệ tinh NASA đã sử dụng kỹ thuật tách pha để xác định tần số tín hiệu truyền qua vệ tinh. Mặc dù sự truyền tin đ−ợc thiết kế tại tần số 108MHz, sự trôi dao động cao tần và dịch chuyển Doppler gây ra sai lệch một vài kHz trong tín hiệu thu. Tín hiệu truyền có độ rộng băng thông rất hẹp, nh−ng do sự trôi tần số nên máy thu cần thiết có băng thông rộng hơn nhiều. Kết quả là công suất nhiễu tăng lên, vì công suất nhiễu của bộ thu tỉ lệ với độ réng b¨ng th«ng. Tuy nhiªn hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh ®−îc c¶i thiÖn b»ng viÖc sö dông vßng khãa pha để khống chế tần số truyền, và vì vậy cho phép một độ rộng băng thông bộ thu hẹp hơn, và c«ng suÊt nhiÔu ®Çu ra Ýt h¬n. Vßng khãa pha cã hai lo¹i: t−¬ng tù vµ sè, nh−ng phÇn lín ®−îc thiÕt kÕ gåm c¶ hai lo¹i nµy. Mét sè t¸c gi¶ gäi vßng khãa pha sè khi chóng cã chøa mét hoÆc nhiÒu linh kiÖn sè. Chóng ta gäi lµ vòng khóa pha số (DP.LL – Digital Phase Loocked Loop), khi PLL chứa tất cả các phần tử đều là d¹ng sè. Mét sè øng dông quan träng cña vßng khãa pha lµ : ®iÒu chÕ, gi¶i ®iÒu chÕ tÇn sè (FM), gi¶i điều chế FSK, giải mã âm tần, nhân tần, đồng bộ xung đồng hồ, tổ hợp tần số. 227.

(262) H×nh 7.7 tr×nh bµy cÊu tróc c¬ b¶n cña vßng khãa pha. Bé t¸ch sãng pha hay gäi f S ue ud T¸ch sãng Bé läc VCO th«ng thÊp pha lµ bé so s¸nh pha (Phase comprator) t¹o ra tÝn hiÖu ®Çu ra lµ hµm cña pha vµ tÇn sè Bé chia cña hai tÝn hiÖu vµo. TÝn hiÖu tÇn ra cña bé t¸ch sãng pha ®−îc Hình 7.7. Sơ đồ khối của vòng khóa pha. lọc (có thể đ−ợc khuếch đại). ur. bëi m¹ch läc th«ng thÊp (Low Pass Filter). Thµnh phÇn mét chiÒu tõ bé läc th«ng thÊp (tØ lÖ víi tÝn hiệu vi sai) đ−a vào điều khiển bộ dao động đ−ợc điều khiển bằng điện áp (VCO – Voltage Controlled Oscillator). TÝn hiÖu håi tiÕp vÒ bé t¸ch sãng pha chØnh tÝn hiÖu tõ VCO qua bé chia tÇn (hÖ sè chia N). Điện áp điều khiển VCO, ud tác động vào VCO để thay đổi tần số sao cho giảm sự khác biệt gi÷a tÇn sè tÝn hiÖu vµo vµ tÇn sè ®Çu ra cña bé chia. HiÖn nay vßng khãa pha vi m¹ch hä CMOS CD-4046 ®−îc øng dông rÊt réng r·i. C«ng suÊt tiªu thô cña vi m¹ch nµy rÊt nhá, do tiªu thô rÊt Ýt n¨ng l−îng ®iÖn nªn vi m¹ch nµy ®−îc dïng trong c¸c thiÕt bÞ viÔn th«ng x¸ch tay, dïng pin ... Khi kh«ng cã tÝn hiÖu vµo vßng b¸m pha, ®iÖn ¸p ë lèi ra cña bé so s¸nh pha ue ( t ) b»ng 1 2 ®iÖn ¸p nguån nu«i mét chiÒu, ®iÖn ¸p ë lèi ra cña u d ( t ) cã gi¸ trÞ b»ng ue ( t ) . M¹ch ph¸t xung tÇn sè đ−ợc điều khiển bằng điện áp VCO phát ra xung tần số riêng f o gọi là tần số dao động trung tâm (Center Frequency). Khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo hÖ thèng PLL, bé so pha sÏ so s¸nh pha vµ tÇn sè cña tÝn hiÖu vµ tÝn hiÖu ra cña VCO, t¹o ra ë lèi ra cña nã mét ®iÖn ¸p tØ lÖ víi sù lÖch pha vµ tÇn sè cña hai tÝn hiÖu vµo. §iÖn ¸p nµy ®−îc läc qua bé läc th«ng thÊp ®−a tíi lèi vµo ®iÒu khiÓn VCO. §iÖn áp điều khiển làm thay đổi tần số của VCO giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiÖu ra cña VCO. NÕu hiÖu tÇn sè f S cña tÝn hiÖu vµo vµ fVCO n»m trong d¶i truyÒn cña bé läc thông thấp sẽ xảy ra hiện t−ợng đồng bộ hay bắt chập với tín hiệu vào. Sau khi bắt chập tần số fVCO bằng tần số tín hiệu vào, tuy nhiên vẫn có độ lệch pha nào đó. Sự khác biệt về pha là cần thiết, vì nó tạo nên điện áp ở lối ra của bộ so pha ue ( t ) để điều khiển VCO phát xung ở tần số tín hiệu vào f S , nh− vËy PLL ë tr¹ng th¸i gi÷ chËp tÇn sè. §−¬ng nhiªn, kh«ng ph¶i víi tÝn hiÖu vµo nµo, PLL còng bắt chập tần số, mà chỉ có tín hiệu vào tần số ở trong một dải hữu hạn nào đó gần với f o thì PLL míi b¾t chËp ®−îc. D¶i tÇn sè mµ PLL duy tr× ®−îc t×nh tr¹ng chËp tÇn sè víi tÝn hiÖu lèi vµo ®−îc gọi là dải giữ chập (Lock range) hay là dải bám của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL cã thÓ b¾t chËp mét tÝn hiÖu vµo gäi lµ d¶i b¾t chËp (Capture range). D¶i b¾t chËp bao giê còng nhá h¬n d¶i gi÷ chËp. Chúng ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL. Bộ so sánh pha thực chất lµ m¹ch nh©n, nã trén tÝn hiÖu vµo vµ tÝn hiÖu VCO, sù trén nµy t¹o ra tÇn sè b»ng tæng vµ hiÖu cña hai tần số ở hai lối vào f S ± fVCO . Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số f S - fVCO = 0. Khi đó 228.

(263) điện áp ở lối vào điều khiển ở mức giữa của điện áp nguồn nuôi (bộ so pha không tác động). Bộ lọc th«ng thÊp lo¹i bá thµnh phÇn tÇn sè tæng (v× nã n»m ngoµi d¶i truyÒn cña bé läc). CÇn chó ý r»ng, dải giữ chập độc lập với dải tần số của bộ lọc thông thấp, vì rằng khi mạch ở trạng thái giữ chập hiÖu tÇn sè b»ng kh«ng. Sau ®©y chóng ta sÏ nghiªn cøu c¸c hiÖn t−îng quan träng trong PLL lµ b¾t chËp vµ gi÷ chËp. Khi mạch ch−a ở trạng thái chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO để tạo ra thành phần tần số tổng và hiệu của hai tín hiệu đó. Nếu thành phần tần số hiệu nằm ngoài dải truyền của bộ lọc thông thấp thì nó bị loại bỏ cùng thành phần tần số tổng, do đó trong mạch không có thông tin nào truyền qua mạch lọc thông thấp để điều khiển VCO, do đó VCO phát xung với tần số trung tâm ban đầu f o . Khi tần số tín hiệu vào tiến gần đến tần số trung tâm f o của VCO, thì tần số hiệu giảm xuống tiến gần đến biên dải tần của bộ lọc thông thấp. Lúc đó một phần của thành phần tần số hiÖu ®i qua bé läc th«ng thÊp ®iÒu khiÓn VCO ph¸t tÝn hiÖu ë tÇn sè cña tÝn hiÖu vµo theo h−íng sao cho tÇn sè hiÖu gi¶m, cho phÐp nhiÒu th«ng tin ®i qua bé läc th«ng thÊp ®iÒu khiÓn VCO. Dải bắt chập là dải tần số lân cận tần số dao động tự do ban đầu của VCO mà trên đó hệ PLL cã thÓ b¾t chËp víi tÝn hiÖu vµo. D¶i b¾t chËp thÓ hiÖn, tÇn sè cña tÝn hiÖu vµo ph¶i tiÕn l¹i gÇn tÇn số của VCO nh− thế nào để tần số phát của VCO chuyển thành có cùng tần số với tín hiệu vào. Dải bắt chập phụ thuộc vào dải tần của bộ lọc thông thấp và hệ số khuếch đại chung của hệ thống. Dải giữ chập là dải tần số ở lân cận tần số dao động tự do của VCO, mà trong đó mạch hồi tiếp có thể theo dõi tín hiệu vào sau khi đã chập tần số. Khi mạch đã ở trạng thái chập, thành phần tần số cña tÝn hiÖu ra bé so pha ve ( t ) lµ dßng mét chiÒu ®i qua bé läc th«ng thÊp. Nh− vËy d¶i gi÷ chËp đ−ợc giới hạn bằng khoảng biến thiên của điện áp ud đặt vào lối vào điều khiển VCO, tạo ra độ lệch tÇn t−¬ng øng cña VCO. D¶i gi÷ chËp chñ yÕu lµ th«ng sè dßng mét chiÒu vµ kh«ng chÞu ¶nh h−ëng d¶i tÇn cña bé läc th«ng thÊp. Chóng ta cÇn ph©n biÖt d¶i b¾t chËp vµ d¶i gi÷ chËp. D¶i b¾t chËp cã thÓ cã bÊt cø gi¸ trÞ nµo trong ph¹m vi kho¶ng gi÷ chËp. D¶i b¾t chËp gi¶m khi d¶i tÇn sè cña bé läc th«ng thÊp gi¶m. Trong khi đó dải giữ chập không bị chi phối bởi bộ lọc thông thấp mà chỉ do hệ số khuếch đại của hệ, và dải biến đổi của điện áp một chiều ud quyết định. Hình 7.8 mô tả sự biến đổi tần số - điện áp của PLL. Cho tÝn hiÖu vµo PLL, tÇn sè cña nã ®−îc quÐt tõ tõ trªn mét d¶i réng (trôc hoµnh). Trôc tung là điện áp t−ơng ứng ud đặt vào lối vào điều khiển của VCO. Trên hình 7.8(a) tần số của tín hiệu tăng dần, điện áp ud = uo không đổi, cho đến khi tần số tín hiệu vào f S = f1 t−ơng ứng với biên d−ới của vòng bắt chập. Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo ra b−ớc nhảy điện áp ud với dấu ©m. Sau đó VCO thay đổi tần số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuếch đại lối vào của VCO (1) vµ ®i qua gi¸ trÞ uo khi f S = f o , tÇn sè cña tÝn hiÖu ra cña VCO, b¸m s¸t tÇn sè tÝn hiÖu vào đạt đến f 2 . T−ơng ứng với biên trên của khoảng giữ chập. Khi đó hệ mất bám, điện áp ud nhảy xuống bằng uo, và tạo ra dao động tự do của VCO.. 229.

(264) Ud a). +. Uo. Δ fB. fS. f2. f1. f. fo. H−íng quÐt tÇn sè. -. D¶i gi÷ chËp. 2 Δ fG Ud b). +. Uo. f4. fS. f3. fo. f. H−íng quÐt tÇn sè. -. D¶i b¾t chËp. 2 Δ fB. Hình 7.8. Đặc tr−ng biến đổi tần số - điện áp của PLL.. Nếu lại cho tần số tín hiệu quét theo chiều h−ớng giảm dần, thì quá trình lặp lại nh−ng đảo ng−îc so víi tr−íc h×nh 7.8(b). M¹ch b¾t chËp t¹i tÇn sè f 3 t−¬ng øng víi biªn trªn cña d¶i b¾t chập và bám sát tần số tín hiệu vào, cho đến khi tần số tín hiệu vào bằng f 4 t−ơng ứng với biên d−íi cña d¶i gi÷ chËp. Nh− vËy d¶i gi÷ chËp cña hÖ lµ ( f 4 ÷ f 2 ) vµ d¶i b¾t chËp ( f1 ÷ f 3 ). Do đặc tuyến biến đổi tần số - điện áp nh− trên của PLL có tính chọn lọc với tần số trung tâm. f o cña VCO, nã chØ ph¶n øng víi nh÷ng tÇn sè tÝn hiÖu vµo sai lÖch víi f o vµ Δf B hoÆc Δf G . Δf B =. ( f 3 − f1 ) ( f − f4 ) vµ Δf G = 2 , tïy theo m¹ch b¾t ®Çu cã hay kh«ng cã ®iÒu kiÖn b¾t chËp 2 2. pha ban ®Çu. Sự tuyến tính của đặc tr−ng biến đổi tần số sang điện áp của PLL, chỉ do hệ số biến đổi của VCO quyết định, do đó th−ờng đòi hỏi VCO có đặc tính biến đổi điện áp sang tần số ở mức độ tuyÕn tÝnh cao. Hình 7.9 trình bày đ−ờng đặc tr−ng của sự phô thuéc tÇn sè ph¸t cña VCO vµo ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ud, ë ®©y fmax vµ fmin t−¬ng øng víi tÇn sè. f 2 vµ f 4 , tÇn sè giíi h¹n cña d¶i gi÷ chËp: 2 Δf G = f 2 - f 4 .. f VCO (kHz) fmax. fo. fmin Ud (V) Udmin. Udo =Uo. Udmax. H×nh 7.9. Sù phô thuéc cña tÇn sè VCO vµo ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn.. 7.3.2. C¸c khèi c¬ b¶n cña vßng khãa pha PLL Hệ thống PLL gồm các khối cơ bản: Bộ tạo dao động có tần số điều khiển đ−ợc (VCO, CCO), bộ tách sóng pha, bộ lọc thông thấp. Ng−ời ta th−ờng căn cứ vào sơ đồ bộ tách sóng pha, và bộ lọc thông thấp để phân biệt các PLL với nhau. Tuy nhiên sơ đồ bộ tách sóng pha vẫn đ−ợc coi là đặc tr−ng c¬ b¶n nhÊt cña PLL. Hình 7.10 trình bày sơ đồ khối của CMOS PLL CD-4046. 230.

(265) VDD 16 Lèi vµo tÝn hiÖu. 14. Lèi vµo so s¸nh. 3. So s¸nh pha I 2. Lèi ra so s¸nh pha I. 13 Lèi ra so s¸nh pha II So s¸nh pha II Lèi ra. 4. C1. 6 7. R2. 11. CÊm. Lèi ra xung pha. 9. Bé läc tÇn sè Lèi vµo VCO thÊp. R. VCO SOURCE FOLLOWER. 12 R1. 1. 10 Lèi ra gi¶i ®iÒu chÕ FM. C. R3. 5. VSS VSS. 8. 15 VSS. VSS. Hình 7.10. Sơ đồ khối của vòng bám pha CMOS PLL CD-4046.. CD-4046 là vi mạch đơn khối gồm 16 chân. Bao gồm: máy phát điều khiển bằng điện áp VCO công suất thấp, tuyến tính, và hai bộ so sánh pha có cùng bộ khuếch đại tín hiệu vào, cùng một lối vào so sánh. Diode ổn áp có điện áp u2 = 5,2V để tạo ra điện áp một chiều ổn định dùng để điều chØnh nÕu cÇn thiÕt. VCO ®−îc nèi trùc tiÕp hoÆc qua bé chia tÇn tíi bé t¸ch sãng pha. Bé läc th«ng thấp đ−ợc nối ở mạch ngoài để có thể thay đổi cấu trúc của hệ trong từng ứng dụng cụ thể. Sau đây chóng ta xÕt c¸c khèi. 1. Bé t¸ch sãng pha (bé so s¸nh pha) Bé t¸ch sãng pha cã nhiÖm vô cho ra mét tÝn hiÖu phô thuéc vµo hiÖu pha hoÆc hiÖu tÇn sè cña hai tÝn hiÖu vµo. C¸c tÝn hiÖu vµo th−êng lµ tÝn hiÖu h×nh sin hoÆc d·y xung ch÷ nhËt. Ng−êi ta ph©n biÖt t¸ch sãng pha tuyÕn tÝnh vµ t¸ch sãng pha phi tuyÕn (t¸ch sãng pha sè). Bé t¸ch sãng pha tuyÕn tÝnh th−êng ®−îc thùc hiÖn bëi m¹ch nh©n t−¬ng tù. TÝn hiÖu ra cña nã tỉ lệ với biên độ các tín hiệu vào. Bé t¸ch sãng pha sè ®−îc thùc hiÖn bëi c¸c m¹ch sè (AND, OR, NOT, XOR,...). TÝn hiÖu vµo của nó là dãy xung chữ nhật. Tín hiệu ra không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào, mà nó phụ thuéc vµo tÇn sè vµ pha cña c¸c tÝn hiÖu vµo. Công nghệ chế tạo CMOS khó thực hiện việc khuếch đại tín hiệu t−ơng tự, do đó thiết bị của PLL tr×nh bµy trong h×nh 7.10 dïng t¸ch sãng pha. Trong sơ đồ khối của nó có hai bộ tách sóng pha. Cả hai bộ tách sóng cùng chung bộ khuếch đại lối vào và cùng đ−ợc nối với lối vào so sánh. a) Bé t¸ch sãng pha I (Bé so s¸nh pha I) Bộ tách sóng pha I là mạch hoặc tuyệt đối (XOR), mạch này hoạt động t−ơng ứng với tín hiệu 231.

(266) ng−ỡng của bộ trộn cân bằng. Để đạt đ−ợc dải chập lớn nhất, các xung ở lối vào tín hiệu và lối vào so sánh phải là các xung vuông có độ rộng xung bằng độ cấm xung. Khi không có tín hiệu ở lối vµo, ë lèi ra cña bé so pha I (t¸ch sãng pha) cã ®iÖn ¸p b»ng. V DD . Bé läc th«ng thÊp nèi víi lèi ra 2. cña bé t¸ch sãng pha I cÊp ®iÖn ¸p trung b×nh cho cùc ®iÒu khiÓn cña VCO, lµm cho VCO ph¸t ra xung vuông có tần số bằng tần số trung tâm f o . Với hệ tách sóng pha I dải tần số trong đó PLL có thÓ thiÕt lËp tr¹ng th¸i b¾t chËp phô thuéc vµo d¶i tÇn sè cña bé läc th«ng thÊp vµ cã thÓ lµm cho d¶i b¾t chËp lín b»ng d¶i gi÷ chËp. Bé t¸ch sãng pha gi÷ cho PLL ë tr¹ng th¸i gi÷ chËp mÆc dï nhiÔu ë lèi vµo cã thÓ rÊt lín. b) Bé t¸ch sãng pha II (Bé so s¸nh pha II) Bé t¸ch sãng pha II lµ mét m¹ng nhí sè ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng s−ên xung. Bé t¸ch sãng pha II gåm 4 trig¬ RS cã chung cöa ®iÒu khiÓn vµ m¹ch ba tr¹ng th¸i ë lèi ra. (Cã thÓ t×m hiÓu trong c¸c gi¸o tr×nh kü thuËt sè). 2. M¸y ph¸t ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p VCO Yêu cầu chung đối với các bộ tạo dao động có tần số điều khiển đ−ợc là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số của dãy xung ra phải tuyến tính. Ngoài ra mạch phải có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần số theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi đối với tổ hợp thµnh vi m¹ch (kh«ng cã ®iÖn c¶m). 3. Bé läc th«ng thÊp Sù kh¸c nhau gi÷a tÇn sè vµ pha cña tÝn hiÖu vµo vµ tÝn hiÖu cña VCO qua bé t¸ch sãng pha vµ bộ lọc thông thấp tạo thành điện áp ud. Điện áp này đóng vai trò điều khiển tần số phát của VCO. Bộ lọc thông thấp ở đây dùng mạch RC lối ra trên tụ C, dải tần số của nó quyết định dải bắt chËp cña PLL. 7.3.3. øng dông cña vßng khãa pha PLL PLL ®−îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc trong kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn, trong kü thuËt truyÒn sè liệu, cũng nh− trong kỹ thuật đo l−ờng. Các ứng dụng của nó chung quy lại đều là nhằm biến đổi tÇn sè, di chuyÓn tÇn sè tõ miÒn tÇn sè thÊp sang miÒn tÇn sè cao vµ ng−îc l¹i. Sau ®©y sÏ xÐt mét sè øng dông c¬ b¶n cña nã. 1. T¸ch sãng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn Khi dùng PLL để tách sóng tín hiệu điều tần, phải thiết kế sao cho tần số dao động tự do cña nã trïng víi tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn. TÇn sè cña VCO b¸m theo tÇn sè cña tÝn hiệu đã điều tần ở lối vào tín hiệu của bộ tách sóng pha. Điện áp ud ở lối ra của mạch lọc thông thấp tỉ lệ với hiệu tần số Δf = f đt − f o và tỉ lệ với hiệu pha của 2 tín hiệu đó, fđt là tần số của tín hiệu điều tần, ud là dao động tần số thấp đ−ợc tách sóng. NÕu tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lµ tÝn hiÖu sè sãng mang d¹ng h×nh sin, ta cã ®iÒu chÕ sè: ASK, PSK, QPSK, QAM. Trong đó FSK là khoá dịch chuyển tần số (hay còn gọi là điều chế tần số), đ−ợc dùng nhiều trong MODEM truyÒn d÷ liÖu. M¹ch gi¶i ®iÒu chÕ FSK ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 7.13.. 232.

(267) TÝn hiÖu ®iÒu tÇn. Bé t¸ch sãng PLL Detector. Bé läc th«ng thÊp Low Pass Filter. Bé t¹o xung Pulse Forming Circuit. D÷ liÖu. Hình 7.13. Sơ đồ khối mạch giải điều chế FSK +5V. TÝn hiÖu ®iÒu tÇn ®−a vµo vßng khoá pha để tách lấy thành phần tần số thấp, sau đó qua mạch lọc thông thấp cuèi cïng qua m¹ch t¹o d¹ng xung thực chất là trigger Smit để tạo lại xung mang tin tøc. H×nh 7.14: Tr×nh bµy m¹ch dïng PLL lµm bé t¸ch sãng trong gi¶i ®iÒu chÕ FSK víi hai tÇn sè 1200Hz vµ 2400Hz.. IC2 CD4046. 16 FSK IN. 10n. 1K. 14 VDD 3. PHASE COMP.1. PLL 2. PHASE COMP.1 15n. 4 6 7 11 12. 13 1. VCO. 10K. DATA OUT. 9 10. 68K VSS. 22K. 42n. 5. 8. RV1 47K. 10K. Hình 7.14. Sơ đồ mạch PLL trong dải điều chế FSK. 2. Khôi phục xung đồng hồ +5V 4 5. Ur. =1 6. e 16 IN. 4 5. =1. a 6. b 1M. 1K. 1,2K. 1. 14 VDD 3. d. =1 3. 2. 10K 33n 56p. 15n. 390p. 1M. PHASE COMP.1. 1,2K. 4 6 7 11 12. 1M. 1,2K. 27K. 1M. 270K 6K7. 4K7. RV3. 47K. PHASE COMP.1. VCO. PLL 2 13 1. 9 10. 1,2K. VSS. 100K 8. 5. 5K6. 42n. 560 Ω. 330n. RV4. Hình 7.15. Mạch khôi phục xung đồng hồ. Trong truyền thông số, để giải điều chế nhiều tr−ờng hợp phải khôi phục xung đồng hồ (xung nhịp). Khi đó, th−ờng dùng vòng khoá pha. Hình 7.15 trình bày mạch khôi phục xung đồng hồ với tần số 1MHz và 1,2kHz, dạng xung ở các điểm t−ơng ứng của sơ đồ đ−ợc trình bày trên hình 7.16. 233.

(268) Xung đồng hồ đ−ợc khôi phục lại nhê tÝn hiÖu d÷ liÖu. Ph−¬ng ph¸p th−êng dïng nhÊt ®−îc tr×nh bµy ë h×nh trªn. TÝn hiÖu d÷ liÖu trÔ mét khoảng thời gian cỡ 1/2 độ rộng bit và sau đó so sánh với tín hiệu dữ liệu trực tiếp qua bộ hoặc tuyệt đối (EXOR). Lối ra là dạng sóng chứa thành phÇn phæ gÊp 2 lÇn tÝn hiÖu d÷ liÖu. Víi m¹ch PLL, xung vu«ng ®−îc t¹o ra, nó đồng bộ với dữ liệu và với chu kỳ có độ dài bằng khoảng cách bit. Nh− vậy, mạch đã khôi phục đ−ợc xung đồng hồ. 3. Tæng hîp tÇn sè. Xung sè liÖu. a. M¹ch trÔ T. b c. d. PLL. e Xung đồng hồ. (a) (b) (d) (e). Hình 7.16. Sơ đồ t−ơng đ−ơng và dạng xung của mạch khôi phục đồng hồ hình 7.15.. §©y lµ mét øng dông quan träng cña PLL. Tæng hîp tÇn sè lµ qu¸ tr×nh t¹o ra mét m¹ng tÇn sè rời rạc từ một tần số chuẩn có độ ổn định cao. Do PLL thực hiện đ−ợc chế độ giữ pha nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt của các tần số ®−îc t¹o ra còng gièng nh− cña tÇn sè chuÈn. Những phép biến đổi cơ bản trong tổng hợp tần số là nhân và chia tần số, PLL có thể dùng để thực hiện các phép biến đổi đó. a) PhÐp nh©n tÇn sè víi hÖ sè nh©n nguyªn Mạch có sơ đồ nh− hình 7.17. ở chế độ đồng bộ tần số chuẩn f C =. f0 hay tÇn sè ra N. f 0 = f r = Nf C . TÇn sè chuÈn fC o. Läc th«ng thÊp và khuếch đại. Bé t¸ch sãng pha. Fo/N. VCO. TÝn hiÖu ra fr=NfC. Chia tÇn N:1 N:1. H×nh 7.17. M¹ch nh©n tÇn sè víi hÖ sè nh©n nguyªn. b) Tæng hîp tÇn sè víi tÇn sè ra kh«ng ph¶i lµ béi cña tÇn sè chuÈn, h×nh 7.18. TÇn sè chuÈn tr−íc khi ®−a vµo bé t¸ch sãng pha ®−îc ®−a qua m¹ch chia tÇn, trªn ®Çu ra cña m¹ch chia tÇn cã tÇn sè. 234. fC . M.

(269) (PLL). Fv/M fC o. T¸ch sãng pha. Bé chia tÇn 1 M:1. Läc th«ng thÊp. VCO. o fr=N /M.f c. fr /N Chia tÇn N:1 N:1. H×nh 7.18. M¹ch tæng hîp tÇn sè víi tÇn sè ra kh«ng ph¶i béi nguyªn cña tÇn sè chuÈn. TÇn sè ra qua m¹ch chia lµ N lµ. f fr f . Khi đồng bộ C = r , tần số f r thay đổi để thoả mãn N M N. điều kiện trên, do đó:. fr =. N fC M. Bằng cách thay đổi M, N (ch−ơng trình hoá) có thể nhận đ−ợc một dạng tần số rời rạc tuỳ ý với độ ổn định và độ chính xác nh− của tần số chuẩn.. 235.

(270) ch−¬ng 8 Chuyển đổi t−ơng tự – số vμ số – t−ơng tự 8.1. Chuyển đổi T−ơng tự – Số 8.1.1. Kh¸i niÖm chung Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử số, đặc biệt là ứng dụng phổ biến của máy tính điện tử số, nên th−ờng dùng mạch số để xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù. Muốn dùng hệ thống số xử lý tín hiệu t−ơng tự thì phải biến đổi tín hiệu t−ơng tự thành tín hiệu số t−ơng ứng, rồi đ−a vào để hệ thống số xử lý. Mặt khác th−ờng có yêu cầu biến đổi tín hiệu số (kết quả xử lý) thành tín hiệu t−ơng tự t−ơng ứng để đ−a ra sử dụng. Chúng ta gọi sự chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số là chuyển đổi AD, và mạch thực hiện công việc đó là bộ biến đổi t−ơng tự - số (ADC - Analog Digital Converter). Chúng ta gọi sự chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu t−ơng tự là chuyển đổi số - t−ơng tự (DA), và mạch thực hiện chuyển đổi số t−ơng tự là DAC (Digital Analog Converter). Quá trình biến đổi 1 tín. UD. hiÖu t−¬ng tù sang d¹ng sè. 111. đ−ợc minh họa bởi đặc tính. 110. truyền đạt nh− hình 8.1.. 101. Gi¸. trÞ. cña. tÝn. hiÖu. t−¬ng tù UA ®−îc chuyÓn thành một đại l−ợng số mà mèi quan hÖ gi÷a chóng cã dạng bậc thang đều. Với đặc tính truyền đạt nh− vậy,. 100 011. ΔUQ. 010. ↓ ↑. →. Q. ←. 3. 4. 5. 001 UA. 000 1. 2. 6. 7. (UAmax). Hình 8.1. Đặc tính truyền đạt của mạch biến. một phạm vi giá trị của UA đổi t−ơng tự - số ®−îc biÓu diÔn bëi mét gi¸. víi UA: ®iÖn ¸p vµo t−¬ng tù vµ UD: ®iÖn ¸p ra. trị đại diện số thích hợp.Các. sè.. giá trị đại diện số là các giá trÞ rêi r¹c. 236.

(271) Mét c¸ch tæng qu¸t, tÝn hiÖu sè:. S D = bn−1 2 n−1 + bn−2 2 n−2 + ... + bo 2 o .. (8.1). Trong đó các hệ số bK = 0 hoặc 1 (với bK nhận 2 giá trị 0 và 1 gọi là bit). - bn-1 ®−îc gäi lµ bit cã nghÜa lín nhÊt (MSB - Most Significant bit) t−ơng ứng với cột đứng bên trái của d∙y m∙ số. Một biến đổi giá trị của MSB ứng với sự biến đổi của tín hiệu là nửa dải làm việc. - b0 lµ bit cã nghÜa nhá nhÊt (LSB - Least Significant bit) t−¬ng øng với cột đứng đầu tiên bên phải của d∙y m∙ số. Một biến đổi giá trị của LSB øng víi 1 møc l−îng tö (1 nÊc cña h×nh bËc thang). 8.1.2. C¸c tham sè c¬ b¶n 1. Dải biến đổi của điện áp t−ơng tự ở đầu vào Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi đ−ợc. Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ 0 đến một trị số d−ơng hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp có hai cực tính từ −UAm đến +UAm . 2. §é ph©n gi¶i §é ph©n gi¶i cña ADC biÓu thÞ b»ng sè bit cña tÝn hiÖu ë ®Çu ra. Sè bit càng nhiều thì sai số l−ợng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao.. 237.

(272) ThÝ dô, Mét ADC cã sè bit ë ®Çu ra. N = 12 cã thÓ ph©n biÖt. 111. ®−îc 212 = 4069 møc trong d¶i. 110. biến đổi điện áp vào của nó. Độ. 101. ph©n biÖt cña mét ADC ®−îc ký. 100. hiệu là Q và đ−ợc xác định bởi. 011. biÓu thøc sau:. 010. U LSB. U = Q = N Am 2 −1. Q lµ gi¸ trÞ cña mét møc l−îng tö ho¸ hoÆc cßn gäi lµ. Lý t−ëng. UD. Thùc. MÐo phi tuyÕn. Sai số khuếch đại. 001 000. Sai số đơn điệu. 1 LSB 2. UA Sai sè lÖch kh«ng. Hình 8.2. Đặc tuyến truyền đạt lý t−ởng và thực 1 của mạch biến đổi t−ơng tự - số. mét LSB. Do tÝn hiÖu sè lµ tÝn hiÖu rêi. (ADC).. r¹c, nªn trong qu¸ tr×nh biÕn đổi ADC xuất hiện một sai số, gäi lµ sai sè l−îng tö hãa, ®−îc xác định nh− sau:. 1 ΔU Q = Q 2. (8.2). Thông th−ờng các ADC có số bit từ 3 đến 12. Ngoài ra còn có một số các ADC đạt đ−ợc độ chính xác có số bit từ 14 đến 16 bit. Liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác ®−îc minh häa trªn h×nh 8.2. 3. Tốc độ chuyển đổi Tốc độ chuyển đổi là số chuyển đổi trong một giây gọi là tần số chuyển đổi fC. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc tr−ng cho tốc độ chuyển đổi. TC là thời gian cần thiết cho một lần chuyển đổi Chó ý r»ng f C ≠ Th−êng f C <. 1 . TC. 1 và giữa các lần chuyển đổi còn có 1 khoảng thời TC. gian cÇn thiÕt cho ADC phôc håi l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu.. 238.

(273) 8.1.3. Nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi t−ơng tự - số (ADC) Trong bộ biến đổi t−ơng tự - số (ADC) tín hiệu t−ơng tự ở đầu vào là liên tục, tín hiệu số m∙ hoá ở đầu ra là rời rạc. Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu đối với tín hiệu t−ơng tự ở đầu vào ở những thời điểm quy định, sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu đó thành tín hiệu số ở đầu ra. Quá trình chuyển đổi t−ơng tự - số nói chung có 4 b−ớc: lấy mẫu - giữ mÉu - l−îng tö ho¸ - m∙ ho¸. C¸c b−íc trªn ®©y lu«n kÕt hîp víi nhau trong mét qu¸ tr×nh thèng nhÊt. VÝ dô lÊy mÉu vµ gi÷ mÉu lµ mét c«ng viÖc liªn tôc trong cïng mét m¹ch ®iÖn, l−îng tö ho¸ vµ m∙ ho¸ lµ công việc đồng thời thực hiện trong một quá trình chuyển đổi với một kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt lµ mét phÇn cña thêi gian gi÷ mÉu. 1. LÊy mÉu tÝn hiÖu TÝn hiÖu t−¬ng tù ë lèi vµo UA, sau qu¸ tr×nh lÊy mÉu vµ xö lý gäi lµ tÝn hiÖu US vµ chóng cã thÓ kh«i phôc l¹i tÝn hiÖu t−¬ng tù UA mét c¸ch trung thùc nÕu ®iÒu kiÖn sau ®−îc tho¶ m∙n:. f S ≥ 2 FV max. (8.3). ë ®©y: fS lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu lÊy mÉu.. f V max lµ giíi h¹n trªn cña d¶i tÇn sè tÝn hiÖu t−¬ng tù. Nếu biểu thức 8.3 đ−ợc thoả m∙n có thể dùng bộ lọc thông thấp để kh«i phôc tÝn hiÖu t−¬ng tù UA tõ tÝn hiÖu US. H×nh 8.3 m« t¶ lÊy mÉu tÝn hiệu t−ơng tự. Hình 8.4 đặc tính tần số của bộ lọc khôi phục tín hiệu.. US. UA. o. t. o. (a). t (b). H×nh 8.3. LÊy mÉu tÝn hiÖu t−¬ng tù ®Çu vµo. TÝn hiÖu t−¬ng tù (a) ; xung lÊy mÉu (b).. 239.

(274) Vì mỗi lần chuyển đổi của điện áp. K( f ). lÊy mÉu thµnh tÝn hiÖu sè t−¬ng øng đều cần một thời gian nhất định, nên ph¶i nhí mÉu mét kho¶ng thêi gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu, đủ để o. biến đổi thành tín hiệu số. 2. L−îng tö ho¸ vµ m· ho¸ tÝn hiÖu. f v max. f. H×nh 8. 4. §Æc tÝnh tÇn sè cña. TÝn hiÖu sè kh«ng nh÷ng rêi r¹c vÒ mÆt thêi gian, mµ cßn kh«ng liªn tôc trong. bé läc kh«i phôc tÝn hiÖu.. biến đổi giá trị. Mỗi giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giátrị này là nhỏ nhất đ−ợc chän. NghÜa lµ nÕu dïng tÝn hiÖu sè biÓu thÞ ®iÖn ¸p lÊy mÉu, th× tÊt ph¶i bắt điện áp lấy mẫu hoá thân thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị. Qu¸ tr×nh nµy lµ qu¸ tr×nh l−îng tö ho¸. §¬n vÞ ®−îc chän theo quy định này gọi là đơn vị l−ợng tử, ký hiệu là Δ. Rõ ràng, giá trị bit 1 của LSB tÝn hiÖu sè b»ng Δ. ViÖc dïng m∙ nhÞ ph©n biÓu thÞ gi¸ trÞ tÝn hiÖu sè lµ m∙ ho¸. M∙ nhÞ ph©n cã ®−îc sau qu¸ tr×nh trªn chÝnh lµ tÝn hiÖu ®Çu ra của bộ chuyển đổi t−ơng tự - số. TÝn hiÖu t−¬ng tù lµ liªn tôc th× kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i lµ béi sè nguyên lần của Δ, do đó ta không tránh khỏi sai số l−ợng tử hoá. Tồn tại những cách khác nhau phân chia các mức l−ợng tử dẫn đến sai số l−îng tö ho¸ kh¸c nhau. Giá trị chuyển đổi tín hiệu điện áp l−ợng tử từ 0 ữ 1V thành tín hiệu sè nhÞ ph©n 3 bit. NÕu chän Δ =. 1 V đồng thời quy định điện áp t−ơng tự 8. 1 8. trong ph¹m vi tõ 0 ÷ V , xem nh− lµ 0 × Δ th× tÝn hiÖu sè t−¬ng øng lµ 000. T−¬ng tù, ®iÖn ¸p t−¬ng øng tõ. 1 2 V ÷ V lµ 1 × Δ, t−¬ng øng víi 001 v.v... 8 8. Theo cách phân chia mức l−ợng tử đó, ta có hình 8.5a.. 240.

(275) 1V 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0. ⎫ ⎬ 111 ⎭ ⎫ ⎬ 110 ⎭ ⎫ ⎬ 101 ⎭ ⎫ ⎬ 100 ⎭ ⎫ ⎬ 011 ⎭ ⎫ ⎬ 010 ⎭ ⎫ ⎬ 001 ⎭ ⎫ ⎬ 000 ⎭. 7Δ = 7/8V 6Δ = 6/8V 5Δ = 5/8V 4 Δ = 4/8V 3Δ = 3/8V 2Δ = 2/8V 1Δ = 1/8V 0Δ = 0/8V. 1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15 3/15 1/15 0. ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭. 111. 7Δ = 14/15V. 110. 6Δ = 12/15V. 101. 5Δ = 10/15V. 100. 4Δ = 8/15V. 011. 3Δ = 6/15V. 010. 2Δ = 4/15V. 001. 1Δ = 2/15V. 000. 0Δ = 0. (b). (a). H×nh 8.5. Hai ph−¬ng ph¸p ph©n chia møc l−îng tö .. Δ⎞ 1 ⎛ V ⎜ 0 ÷ ⎟ t−¬ng øng 000. 15 ⎝ 2⎠ 1 3 t−¬ng øng 001 v.v... - §iÖn ¸p t−¬ng tù V÷ 15 15. Quy định: - Điện áp t−ơng tự 0 ữ. Sai số cực đại của ph−ơng pháp này là. Δ 1 = V. 2 15. Ph−¬ng ph¸p ph©n chia møc l−îng tö cã thÓ gi¶m nhá h¬n sai sè l−îng tö. Chän Δ =. 2 V h×nh 8.5b. 15. 3. M¹ch lÊy mÉu vµ gi÷ mÉu H×nh 8.6 giíi thiÖu IC lÊy mÉu, gi÷ mÉu LF-198. Trong mạch gồm 2 bộ khuếch đại thuật toán, S là chuyển mạch điện tö, L lµ m¹ch ghÐp ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch S. Tín hiệu điều khiển Uđk = 1, chuyển mạch S đóng, Uđk = 0, chuyển mạch S ng¾t.. 241.

(276) Khi S đóng cả 2 bộ khuếch đại. R1 30K. thuật toán hoạt động ở chế độ lặp lại (hệ số khuếch đại điện áp b»ng 1) U r = U O = U V . Tô ®iÖn CK. D1. − UV. mắc nối tiếp với R2 và nối đất có. +. D2. − 2. 1. Uo. S. +. Ur. R2 300 Ω U ®k. L. ®iÖn ¸p b»ng UV. Khi U®k = 0 th× S ng¾t, ®iÖn ¸p trªn tô vµ ®iÖn ¸p ra ®−îc duy tr×.. CK. H×nh 8.6. M¹ch ®iÖn cña IC LF-198 lÊy mÉu -. §iÖn ¸p lèi vµo UV cã thÓ biÕn gi÷ mÉu. thiên đáng kể tr−ớc khi S đ−ợc đóng trở lại cho lần lấy mẫu kế tiếp. Do đó điện áp UO có thể biến thiªn rÊt lín vµ ë mét. trong. hai tr¹ng thái b∙o hòa của khuếch đại thuật toán v−ợt quá khả năng chịu điện áp của chuyển mạch S khi đóng trở lại. Đồng thời, khi khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ b∙o hòa chỉ làm việc ở tần số thấp. Do đó đ−a thêm diode D1, D2 làm nhiệm vụ nối mạch hồi tiếp âm của khuếch đại thuËt to¸n thø nhÊt vµ ®iÖn ¸p U o = U V ± 0,6 V sÏ kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm trªn. Khi chuyển mạch S đóng điện áp đặt lên 2 diode bằng không, vì vậy chóng cã ®iÖn trë lín, kh«ng cã t¸c dông khi lÊy mÉu. 8.1.4. Các ph−ơng pháp biến đổi t−ơng tự - số 1. Ph©n lo¹i Có nhiều cách phân loại các loại biến đổi t−ơng tự - số. Cách phân loại hay dùng hơn cả là cách phân loại quá trình biến đổi về mặt thời gian. Nó cho phép phán đoán một cách tổng quát tốc độ chuyển đổi. Theo cách phân loại này ng−ời ta phân biệt 4 ph−ơng pháp biến đổi AD sau ®©y: - Biến đổi song song. Trong ph−ơng pháp biến đổi song song, tín hiệu ®−îc so s¸nh cïng mét lóc víi nhiÒu gi¸ trÞ chuÈn. TÊt c¶ c¸c bit ®−îc xác định đồng thời và đ−a đến đầu ra.. 242.

(277) - Biến đổi nối tiếp theo m∙ đếm. ở đây quá trình đ−ợc thực hiện lần l−ợt từng b−ớc theo quy luật của m∙ đếm. Kết quả chuyển đổi đ−ợc xác định bằng cách đếm số l−ợng giá trị chuẩn biểu diễn giá trị tín hiệu t−ơng tự cần chuyển đổi. - Biến đổi nối tiếp theo m∙ nhị phân. Quá trình so sánh đ−ợc thực hiện lần l−ợt từng b−ớc theo quy luật của m∙ nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật của m∙ nhị phân, do đó các bit đ−ợc xác định lần l−ợt từ bít có trọng số lớn nhất (MSB) đến bít có trọng số nhỏ nhất (LSB). - Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp. Trong ph−ơng pháp này mỗi b−ớc so sánh có thể xác định đ−ợc tối thiểu là 2 bit đồng thời. C¸c m¹ch thùc tÕ lµm viÖc theo nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau, nh−ng đều có thể xếp vào 1 trong 4 loại trên. 2. Chuyển đổi A/D theo ph−ơng pháp song song Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp song song đ−ợc tr×nh bµy trªn h×nh 8.7. o UCB. UA o. −S 1 +. FF. − S2 +. FF. R. UD o B1 o B2. R M· − S3 +. . . . .. R. . .. − Sn +. hãa. FF. . . . . . .. . . . . FF. . .. o B3 o Bn. UG. R o Xung nhÞp. Hình 8.7. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp song song.. Trong ph−ơng pháp chuyển đổi song song, tín hiệu t−ơng tự UA đ−ợc đồng thời đ−a tới các bộ so sánh S1 ữ S m . Điện áp chuẩn đ−ợc đ−a tới đầu vào thứ hai của các bộ so sánh, thông qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một l−ợng không. 243.

(278) đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra của bộ so sánh có điện áp vào lớn h¬n ®iÖn ¸p chuÈn lÊy trªn thang ®iÖn trë cã møc l«gic “1”, c¸c ®Çu ra cßn l¹i cã møc l«gic “0” . TÊt c¶ c¸c ®Çu ra ®−îc nèi víi m¹ch AND (vµ), mét ®Çu vµo m¹ch AND ®−îc nèi víi xung nhÞp chØ khi cã xung nhÞp ®−a đến đầu vào mạch AND thì các xung trên đầu ra mạch so sánh mới đ−a tíi m¹ch nhí FF (Flip - Flop). Nh− vËy cø sau mét kho¶ng thêi gian b»ng mét chu kú cña xung nhịp lại có một tín hiệu đ−ợc biến đổi và đ−a tới đầu ra. Xung nhịp đảm b¶o cho qu¸ tr×nh so s¸nh kÕt thóc míi ®−a tÝn hiÖu vµo bé nhí. Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh, vì quá trình so s¸nh ®−îc thùc hiÖn song song, nh−ng m¹ch phøc t¹p víi sè linh kiÖn quá lớn. Với bộ chuyển đổi N bit để phân biệt đ−ợc 2N mức l−ợng tử hóa ph¶i dïng (2N -1) bé so s¸nh. V× vËy ph−¬ng ph¸p nµy chØ dïng trong c¸c ADC yêu cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao. 3. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp phân đoạn từng bit (chuyển đổi nối tiếp theo m∙ nhị phân). Mạch chuyển đổi theo ph−ơng pháp này có số tầng bằng số bit của tÝn hiÖu sè ë lèi ra h×nh 8.8. Mçi tÇng cho ra mét bit. Ph−¬ng ph¸p ph©n ®o¹n ®−îc tiÕn hµnh nh− sau: Gi¶ sö tÝn hiÖu vµo biến đổi trong phạm vi từ 0 ữ UA max. Chia dải làm việc ra hai phần bằng nhau, lúc đó gianh giới giữa hai phần là. U A max . 2. Tín hiệu cần biến đổi uA đ−ợc so sánh với mức. U A max U . NÕu u A (1) < A max 2 2. th× lèi ra B1 = 0, ng−îc l¹i nÕu u A (1) ≥. U A max U th× B1 = 1 . VËy ®iÖn ¸p A max chÝnh lµ ®iÖn ¸p 2 2. chuẩn của bộ biến đổi DA một bit (nó là một bộ so sánh). Tín hiệu số ứng víi bit thø nhÊt B1 mét mÆt ®−îc ®−a ra chØ thÞ, mét mÆt ®−îc ®−a vµo bộ biến đổi ng−ợc DA. Trên đầu ra của của bộ biến đổi DA một bit là tín hiÖu t−¬ng tù øng víi bit cã nghÜa (cã träng sè) lín nhÊt. Khi B1 = 0 th× tÝn hiÖu t−¬ng tù t−¬ng øng víi nã U A' (1) = 0 , cßn khi B1 = 1 th× U A (1) = '. 244. U A max . 2.

(279) M¹ch trõ cho ra gi¸ trÞ hiÖu gi÷a tÝn hiÖu vµo U A (1) vµ tÝn hiÖu t−¬ng tù øng víi bit thø nhÊt. Đây chính là điện áp d− của tín hiệu t−ơng tự sau khi đ∙ chuyển đổi thành tín hiệu số bit thứ nhất. Điện áp d− này đ−a đến tầng thứ hai để tiếp tục xác định bit tiếp theo bằng cách so sánh nó với điện áp chuẩn b»ng nöa ®iÖn ¸p chuÈn cña m¹ch so s¸nh bÝt ®Çu tiªn cã gi¸ trÞ. U A max . 4. T−ơng tự nh− vậy để xác định bit thứ ba phải có điện áp chuẩn để so s¸nh b»ng. U U A max , vµ bit thø N cã U chN = A Nmax . 8 (2 ). Tuy nhiên để thay cho việc giảm dần trị số điện áp chuẩn của mỗi tầng tiếp theo, theo bội số của 2, ng−ời ta nhân đôi các điện áp d− sau mỗi tầng, lúc đó ng−ời ta giữ nguyên điện áp chuẩn cho tất cả các tầng. U A max . Bằng cách đó có thể tiết kiệm đ−ợc nguồn điện áp chuẩn, nh−ng 2 sai số biên độ tăng gấp đôi khi tín hiệu đi qua mỗi tầng. Do đó yêu cầu c¸c tÇng lµm viÖc ph¶i chÝnh x¸c. So với ph−ơng pháp song song, trong ph−ơng pháp này để xác định N bit cÇn N bé so s¸nh (Ýt m¹ch so s¸nh h¬n). Tuy nhiên mạch ít đ−ợc dùng trong thực tế, nh−ng là cơ số để phân tÝch vµ x©y dùng ph−¬ng ph¸p kh¸c. B2. B1 UA(1). AD 1 bit. DA 1 bit. U’A(1). UA(2). M¹ch hiÖu. TÇng 1. M¹ch đệm. AD 1 bit. DA 1 bit. U’A(2) M¹ch hiÖu. M¹ch hiÖu TÇng 2. Hình 8.8. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp phân đoạn từng bit.. 4. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp đếm đơn giản Hình 8.9 trình bày sơ đồ nguyên tắc của ADC làm việc theo ph−ơng pháp đếm đơn giản. Hình 8.10. Giản đồ thời gian điện áp ra của các khối trong h×nh 8.9. 245.

(280) o. +. SS1. USS1. − UC. UA. UD T¹o ®iÖn ¸p r¨ng c−a. + o. −. SS2. USS2. UG (1). (2). o Xung nhÞp. Bé đếm. . .. o o o. Hình 8.9. Sơ đồ nguyên tắc của ADC làm việc theo ph−ơng pháp đếm đơn gi¶n.. §iÖn ¸p vµo UA ®−îc so s¸nh víi. UC. ®iÖn ¸p chuÈn r¨ng c−a UC nhê bé so. UA. s¸nh SS1. Khi U A > U C th× USS1 = 1, khi. U A < U C th× USS1 = 0.. t. o USS1. Bé so s¸nh SS2 so s¸nh ®iÖn ¸p răng c−a với mức 0V (đất), do đó khi cã ®iÖn ¸p r¨ng c−a. USS2 = 1, khi. o USS2. kh«ng cã th× USS2 = 0. USS2 vµ USS2 ®−îc đ−a đến lối vào một mạch AND.. t. o. t. UG. Xung ra UG có độ rộng tỉ lệ với độ lín cña ®iÖn ¸p vµo UA, gi¶ thiÕt. o. t. xung chuẩn dạng răng c−a có độ dốc không đổi. Mạch AND thứ hai chỉ cho ra c¸c xung nhÞp khi tån t¹i. Hình 8.10. Giản đồ thời gian điện áp ra cña c¸c khèi trong h×nh 8.9.. xung UG, nghÜa lµ trong kho¶ng thời gian 0 < U C < U A . Mạch đếm, đếm sè xung nhÞp trong thêi gian tån t¹i UG trong mét chu kú cña xung r¨ng c−a. §−¬ng nhiªn sè xung nµy tỉ lệ với độ lớn của UA. 5. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp tích phân hai s−ờn dốc Mạch điện trên hình 8.11 minh họa nguyên tắc hoạt động của ADC theo ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n hai s−ên dèc. Khi l«gic ®iÒu khiÓn cho khãa. 246.

(281) K ở vị trí 1 thì UA (điện áp t−ơng tự cần chuyển đổi) nạp điện cho tụ C th«ng qua ®iÖn trë R. Gi¶ thiÕt thêi gian n¹p cho tô lµ t1, ta cã ®iÖn ¸p trªn tô sau thêi gian t1, ta cã:. U C' ( t1) =. UA .t1 RC. (8.5). Theo (8.5) U C' (t1) tØ lÖ víi UA. Tùy theo UA lớn hay bé, đặc truyến U C' (t ) có độ dốc khác nhau nh− trªn h×nh 8.12. C. R. K 1. 2. UA. Uc. +. SS. +. A1. A2. Uch UD §Õm M¹ch logic. Bộ đếm Zo. AND Xung nhÞp. Hình 8.11. Sơ đồ nguyên lý của ADC làm việc theo ph−ơng pháp tÝch ph©n 2 s−ên dèc.. Trong thời gian t1, bộ đếm Zo đếm U C' 1. c¸c xung nhÞp. HÕt thêi gian t1 khãa K. U C' 2. ®−îc m¹ch l«gic ®iÒu khiÓn sang vÞ trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch lôgic còng ®−îc ®−a tíi m¹ch “AND”, lµm cho m¹ch “AND” cho c¸c xung nhÞp ®i. UA. 0. t1. t. t 2' t 2''. qua. Tại thời điểm này mạch đếm ở đầu ra bắt đầu đếm, đồng thời mạch. H×nh 8.12. §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p. đếm Zo đ−ợc mạch lôgic điều khiển về. ra.. vÞ trÝ nghØ. Khi K ë vÞ trÝ 2, ®iÖn ¸p Uch b¾t ®Çu n¹p cho tô C theo chiÒu ng−îc l¹i, ph−¬ng tr×nh n¹p:. 247.

(282) UC'' = −. Uch .t RC. (8.6). Sau mét kho¶ng thêi gian t2. U C'' = −. U ch .t 2 RC. (8.7). Gi¶ thiÕt sau thêi gian t2 th× U C'' = U C' , nghÜa lµ ®iÖn ¸p UC trªn tô C b»ng kh«ng. Thay biÓu thøc (8.5) vµo (8.7) ta cã:. UA U .t1 = ch .t 2 RC RC HoÆc. t2 =. UA .t1 RC. (8.8). Mặt khác có thể xác định đ−ợc số xung của mạch đếm Zo trong thời gian t1. Z o = t1 . f n. (8.9). Trong đó f n là tần số của d∙y xung nhịp. Tõ biÓu thøc (8.9) suy ra:. t1 =. Zo fn. (8.10) Thay biÓu thøc (8.10) vµo (8.8) ta ®−îc:. t2 =. U A Zo . U ch f o. (8.11). Do đó số xung nhịp đếm đ−ợc nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng thêi gian t2:. Z = t2 fn =. UA .Z o U ch. (8.12). Sau thời gian t2 mạch đếm ra bị ngắt vì UC = 0, và mạch lôgic khóa cổng “AND”. Quá trình đ−ợc lặp lại trong chu kì chuyển đổi tiếp theo. Theo biểu thức (8.12) ta thấy, số xung đếm ở đầu ra tỉ lệ với điện áp t−ơng tự UA cần chuyển đổi. ở đây kết quả đếm không phụ thuộc vào c¸c th«ng sè RC cña m¹ch vµ còng kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè xung nhịp f n , nh− trong ph−ơng pháp đếm đơn giản. Vì thế kết quả chuyển đổi. 248.

(283) khá chính xác, và để tăng độ chính xác không cần chọn f n cao. Tuy nhiên tần số f n phải ổn định cao. 6. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp xấp xỉ tiệm cận Hình 8.13 là sơ đồ khối ADC xấp xỉ. Uv. Uo. tiệm cận. Trong sơ đồ này có các khèi sau: Bé so s¸nh (COM), DAC, ®iÖn. §iÖn ¸p chuÈn. DAC COM. ¸p chuÈn, bé nhí xÊp xØ tiÖm cËn, lôgic điều khiển, tín hiệu đồng hồ (CLOCK) v.v... Tr−íc khi thùc hiÖn chuyển đổi AD, bộ nhớ phải bị xóa về 0. Bắt đầu chuyển đổi, xung đồng hồ. Bé nhí xÊp xØ tiÖm cËn. TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn CON V chuyển đổi. Ra sè liÖu song song. CLOCK. H×nh 8.13. ADC xÊp xØ tiÖm cËn.. lËp bit MSB trong bé nhí ë møc 1, sè liÖu ra cña bé nhí lµ 100...0. TÝn hiÖu số này đ−ợc DAC chuyển đổi thành ®iÖn ¸p t−¬ng tù t−¬ng øng Uo. Bé so s¸nh, so s¸nh UV vµ Uo. NÕu U o > U V , tÝn hiÖu sè qu¸ lín th× bit MSB bÞ xãa vÒ 0. NÕu U o < U V , tÝn hiÖu sè vÉn cßn bÐ th× bit MSB duy tr× gi¸ trị 1. Tiếp theo, cũng ph−ơng pháp nh− trên, xung đồng hồ tiếp lập bit có trọng số bé hơn ở mức 1, sau khi so sánh, mạch xác định giá trị 1 này có duy trì hay không. Cứ thế tiếp tục m∙i đến bit LSB thì xong. Sau quá tr×nh so s¸nh tÊt c¶ c¸c bit, d÷ liÖu trong bé nhí chÝnh lµ tÝn hiÖu sè mong muèn. 7. Chuyển đổi t−ơng tự số phi tuyến Theo biểu thức 8.2 ta thấy sai số tuyệt đối của biến đổi AD không đổi, còn sai số t−ơng đối của nó tăng khi biên độ tín hiệu vào giảm. Nên muốn cho sai số t−ơng đối không đổi trong toàn dải biến đổi của điện áp vào thì đặc tuyến truyền đạt của bộ biến đổi phải có dạng lôga (hình 8.14(a)) sao cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi trong dải biến đổi của điện áp vào. Điện thoại số, sử dụng kĩ thuật PCM (điều chế xung m∙), đ∙ dùng l−ợng tử hóa phi tuyến trong chuyển đổi t−ơng tự số. Nhờ đó âm thanh nhỏ không bị tạp âm lấn át và đó cũng là một cách làm cho quá trình l−ợng tử hóa thích ứng với đặc tính của tai con ng−ời. Ngoài ra l−ợng tử hóa phi tuyến th−ờng dùng biến đổi AD 8 bit (còn 249.

(284) l−ợng tử hóa tuyến tính dùng biến đổi AD 12bit) do đó l−ợng tử hóa phi tuyÕn t¨ng dung l−îng kªnh tho¹i, do gi¶m sè bit nh−ng vÉn cïng chÊt l−îng th«ng tin nh− l−îng tö hãa. tuyÕn tÝnh. §Ó cã tÝn hiÖu. trung thực nh− ban đầu, bộ biến đổi DA theo ph−ơng pháp này phải có cấu tạo sao cho đặc tuyến biến đổi ng−ợc của nó có dạng hàm mũ hình 8.14(b). UD. UA. 0. UA. 0. a). UD b). Hình 8.14. Đặc tính biến đổi phi truyến ; (a) của bộ biến đổi AD; (b) bộ biến đổi DA.. Đặc tr−ng biến đổi AD th−ờng dùng hàm số:. y= Trong đó. ln(1 + μx ) ln(1 + μ ). x=. UA UD ; y= U U A max D max. Theo biÓu thøc (8.13) y = 0 khi x = 0 vµ y = 1 khi x = 1. §é dèc y’ t¹i x = 0:. 250. (8.13).

(285) y' x=0. =. μ. y. ln(1 + μ ). 1,0. H×nh 8.15 biÓu diÔn hµm sè. 0,9. μ = 100. So víi ®−êng. 0,8. nµy víi. 0,7. đặc tr−ng y = x thì đ−ờng cong với biểu thức (8.13) có độ dốc lớn. 0,5. gấp đôi tại gốc tọa độ. Do đó,. 0,4. đối với tín hiệu nhỏ, đ−ờng đặc. 0,3. tính có các bậc thang biến đổi. y=. 0,6. ln(1 + μx ) ln(1 + μ ) y=x. 0,2 0,1. dµy h¬n. TØ sè tÝn hiÖu t−¬ng øng trªn t¹p ©m tÝnh ®−îc lµ 6dB. Nếu đ−ờng đặc tính có độ dốc tại gốc tọa độ y’ = 21,7 dB. Thực tÕ rÊt khã t¨ng hÖ sè μ , v×. 0. 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0. x. H×nh 8.15. D¹ng ®−êng cong. y=. ln(1 + μx ) ln(1 + μ ). víi μ = 100.. đ−ờng đặc tính càng cong thì viÖc thùc hiÖn hai ®−êng cong biến đổi AD và DA có dạng nh− nhau, biến đổi ng−ợc nhau có độ dèc t−¬ng øng rÊt phøc t¹p. Trong thực tế để đơn giản, ng−ời ta chia đ−ờng đặc tính truyền đạt 1⎞ ⎛ thành hai đoạn có độ dốc khác nhau: với tín hiệu bé ⎜ x < ⎟ dùng hàm A⎠ ⎝ sè y1 =. 1 + ln Ax Ax vµ víi tÝn hiÖu lín dïng hµm sè y 2 = . Theo nguyªn 1 + ln A 1 + ln A. tắc đó, ng−ời thực hiện đ−ờng đặc tính gồm 13 đoạn: 6 đoạn ứng với x > 0, 6 đoạn x < 0 và đoạn thứ 13 đi qua gốc tọa độ có y max = 2,8 .. 251.

(286) Trªn h×nh 8.16 c¸c ®o¹n kÒ nhau có độ dốc hơn kém nhau. 8. 2 lần. Bằng cách đó có thể tạo ra một bộ ADC 4 bit, trong đó. 4. một bit để chỉ cực tính của. 3. điện áp vào, 3 bit để biểu diễn một tín hiệu có dải biến đổi. §é dèc 1/4. 7 6. 1/2 1. 5 2 4. 2 1 0 24 8 16. 32. Sè møc 128. 64. ®iÖn ¸p vµo lín gÊp 256 lÇn Hình 8.16. Đặc tính truyền đạt với bộ. ®o¹n nhá nhÊt, nghÜa lµ so víi. ADC. l−îng tö hãa tuyÕn tÝnh, sè. phi tuyÕn dïng trong thùc tÕ.. bit gi¶m mét nöa. §Ó truyÒn tÝn hiÖu ©m thanh, ng−êi ta th−êng dïng m∙ 8 bit. B»ng c¸ch chia mçi ®o¹n ë trªn thµnh 16 phÇn nhá, ta ®−îc 8 bit mong muèn.. 8.2. Chuyển đổi số - t−ơng tự Chuyển đổi số - t−ơng tự là quá trình tìm lại tín hiệu t−ơng tự từ N số hạng (N bit) đ∙ biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức l−ợng tử tức là 1 LSB. Hình 8.17 trình bày sơ đồ khối để biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu t−ơng tự, qua mạch lọc thông thấp để thu đ−ợc tín hiÖu ban ®Çu: Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số - t−ơng tự là quá trình biến đổi DA ta có tín hiệu lÊy mÉu vµ gi÷ mÉu lµ tÝn hiÖu hình bậc thang. Sau đó qua bộ läc th«ng thÊp, ®−îc tÝn hiÖu. uD. Bé läc th«ng thÊp. DAC. Hình 8.17. Sơ đồ khối biểu diễn quá trình biến đổi số thành tín hiệu t−ơng tù ban ®Çu.. t−¬ng tù uA. 8.2.1. Các thông số cơ bản của bộ biến đổi DAC 1. §é ph©n gi¶i. 252. uA.

(287) Độ phân giải là tỉ số giữa giá trị cực tiểu đối với giá trị cực đại của ®iÖn ¸p ®Çu ra, vÒ trÞ sè tØ sè nµy t−¬ng øng víi tØ sè gi¸ trÞ cùc tiÓu đối với giá trị cực đại của tín hiệu số đầu vào. Thí dụ đối với DAC 10 bit, có độ phân giải là:. 0000000001 1 1 = 10 = ≈ 0,001 1111111111 2 − 1 1023. (8.14). §é ph©n gi¶i cña DAC còng cã thÓ biÓu thÞ b»ng sè bit tÝn hiÖu sè ®Çu vµo. 2. §é tuyÕn tÝnh §é tuyÕn tÝnh cña DAC biÓu thÞ b»ng sai sè phi tuyÕn. Sai sè phi tuyến là số phần trăm của giá trị lệch cực đại khỏi đặc tính vào ra lý t−ởng so với giá trị cực đại ở đầu ra. 3. Độ chính xác chuyển đổi Độ chính xác chuyển đổi xác định bằng sai số chuyển đổi tĩnh cực đại. Sai số này phải bao gồm sai số phi tuyến, sai số hệ số tỉ lệ và sai số trôi v.v, trong tài liệu kỹ thuật đôi khi ng−ời ta cho riêng từng sai số trªn mµ kh«ng cho sai sè tæng hîp. 4. Thêi gian x¸c lËp dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p ®Çu ra Thời gian xác lập, là thời gian từ khi tín hiệu số đ−ợc đ−a vào đến khi dòng điện hoặc điện áp đầu ra ổn định. Ngoµi c¸c tham sè trªn cßn mét sè tham sè kh¸c nh−: c¸c møc lôgic cao, thấp, điện trở và điện dung đầu vào. Dải động, điện trở và ®iÖn dung ®Çu ra v.v. 8.2.2. Các bộ chuyển đổi DAC 1. Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T Hình 8.18 là sơ đồ DAC điện trở hình chữ T. Hai loại giá trị điện trở R vµ 2R ®−îc m¾c thµnh 4 cùc h×nh ch÷ T nèi d©y chuyÒn S3, S2, S1, So lµ chuyÓn m¹ch t−¬ng tù.. 253.

(288) Bªn. ph¶i. h×nh. cã. 3R. bé. khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuật toán. u ref là điện. 2R. R B 2R. R C 2R. -. R D 2R. IR. 2R. Ui A. It. +. 2R. Uo. ¸p chuÈn tham chiÕu, d3, d2, So. S1. A. B. d1, do lµ m∙ nhÞ ph©n 4 bit ®Çu vµo. uo lµ ®iÖn ¸p ®Çu ra. C¸c. S2. S3. C. D. Uref. chuyÓn m¹ch S3, S2, S1, So ®−îc. do LSB. d1. d2. d3 MSB. ®iÒu khiÓn bëi c¸c tÝn hiÖu sè t−¬ng øng d3, d2, d1, do. Khi d1. H×nh 8.18. DAC ®iÖn trë h×nh ch÷ T.. = 1 th× S1 nèi víi u ref , khi d1 = 0 thì S1 nối đất. a) Nguyên lý hoạt động Để giải thích nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 8.18, chúng ta đơn gi¶n hãa mang ®iÖn trë h×nh ch÷ T. Nếu d3, d2, d1, do = 0001 thì chỉ có So đầu nối với u ref , còn d3, d2, d1 đều nối đất. áp dụng định lý Thevenin tuần tự đơn giản hóa mạch từ AA sang ph¶i. Ta thÊy cø qua mçi m¾t m¹ch (A, B, C, D) th× ®iÖn ¸p ra suy gi¶m ®i mét nöa. VËy nÕu uref nèi vµo So th× trªn ®Çu ra DD chØ cßn. uref 24. . Cïng víi. ph−¬ng ph¸p trªn, xÐt tõng S3, S2, S1 nèi víi uref th× trªn ®Çu ra DD t−¬ng øng (d3, d2, d1, do = 0010, 0100, 1000) cã c¸c ®iÖn ¸p. uref 2. 3. ,. uref 2. 2. ,. uref 21. . §iÖn trë. t−¬ng ®−¬ng cña m¹ch bªn tr¸i DD bao giê còng lµ R. áp dụng nguyên lý chồng chất đối với các giá trị điện áp trên, ta có mạch t−ơng đ−ơng mạng điện trở hình chữ T trên hình 8.19.b trong đó điện trở nội t−ơng đ−ơng là R, sức điện động nguồn t−ơng đ−ơng là ue:. ue =. uref 2. 4. (d 2 3. 3. + d 2 2 2 + d1 21 + d o 2 o. ). (8.15). Hình 8.19.c là sơ đồ t−ơng đ−ơng toàn mạch, theo lý thuyết mạch khuếch đại thuật toán, ta có điện áp t−ơng tự đầu ra uo là:. 254.

(289) uo = − ue = −. uref 24. (d. 32. 3. + d 2 2 2 + d1 2 1 + do 2 o. ). (8.16). Biểu thức 8.17 chứng tỏ rằng biên độ điện áp t−ơng tự đầu ra tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số ở đầu vào. Có thể thấy rằng, đối với DAC ®iÖn trë h×nh ch÷ T n bit th× ®iÖn ¸p t−¬ng tù ë ®Çu ra uo lµ:. uref. uo = A. B. 2n. C. D. R. R. (d. n −1 2. n −1. + d n − 2 2 n − 2 + ... + d 1 2 1 + d o 2 o. ). (8.17). Ui R 2R. 2R. 2R. 2R. 2R. 3R. Ui R. R. 2R. uref. Ui. A. B. C. D. A. B. C. D. R. R. Ue. Ue. Uo. +. (c). (b) R. -. R. H×nh 8.19. M¹ch t−¬ng ®−¬ng cña m¹ch U ref 2 A. U ref 2. 2. U ref 3. 2. B. U ref 2. C. 4. D. (a). ®iÖn h×nh 8.18: M¹ng ®iÖn trë h×nh ch÷ T khi d3, d2, d1, do = 0001 (a);. m¹ch t−¬ng ®−¬ng cña. m¹ng ®iÖn trë h×nh ch÷ T (b);. M¹ch t−¬ng. ®−¬ng cña m¹ch h×nh 8.18 (c).. b) Sai số chuyển đổi Các nguyên nhân dẫn đến sai số của DAC hình chữ T là: - Sai lÖch cña ®iÖn ¸p chuÈn tham chiÕu uref . - Sai lệch điểm không của khuếch đại thuật toán. - §iÖn ¸p sôt trªn ®iÖn trë tiÕp xóc cña tiÕp ®iÓm chuyÓn m¹ch. - Sai sè cña ®iÖn trë. Trong trạng thái động có thể mạng điện trở hình chữ T nh− một d∙y truyÒn dÉn. VËy c¸c tÝn hiÖu xung sinh ra t¹i c¸c chuyÓn m¹ch cã thời gian truyền dẫn đến bộ khuếch đại thuật toán không nh− nhau. Do đó sẽ sinh ra các xung nhọn biên độ đáng kể ở đầu ra. Lại thêm sai sè thêi gian chuyÓn m¹ch cã thÓ kÐo dµi thêi gian duy tr× xung nhän. Trong trạng thái động, giá trị tức thời của điện áp t−ơng tự đầu ra có thể lớn hơn nhiều so với giá trị ổn định, nghĩa là sai số động có thể rất lớn. Giá trị đỉnh của xung nhọn sinh ra trong tr−ờng hợp bit có trọng 255.

(290) sè lín nhÊt c¸c tÝn hiÖu sè ®Çu vµo tõ 0 chuyÓn sang 1, cßn tÊt c¶ c¸c bit kh¸c vÉn ë 1. Lóc nµy gi¸ trÞ ®iÖn ¸p tøc thêi ë ®Çu ra b»ng gi¸ trÞ điện áp t−ơng tự đầu ra do chuyển đổi DA của tín hiệu số lớn nhất (các bit đều là 1). Để khử bỏ ảnh h−ởng của sai số động, ta có thể dùng mạch giữ mẫu ë ®Çu ra cña DAC (xem phÇn m¹ch lÊy mÉu, gi÷ mÉu). H¬n n÷a thêi gian lấy mẫu, chọn sau khi đ∙ kết thúc quá trình quá độ. Khi đó lúc lấy mẫu, thì xung nhọn đ∙ qua rồi, nên sai số không ảnh h−ởng đến mẫu n÷a. c) Tốc độ chuyển đổi DAC h×nh ch÷ T c«ng t¸c song song (c¸c bit tÝn hiÖu sè ®Çu vµo, đ−ợc đ−a vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao. Thời gian cần thiết cho một lần chuyển đổi gồm hai đoạn: thời gian trễ của bit tín hiệu vào xa nhất nào đó đến bộ khuếch đại thuật toán và thời gian cần thiết để bộ khuếch đại thuật toán ổn định tín hiệu ra. Hiện nay IC đơn chíp DAC từ 10 ữ 12 bit có thời gian chuyển đổi cỡ vài μs, trong đó thời gian trễ truyền đạt không quá 1μs. 2. Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T đảo Hình 8.20 trình bày sơ đồ DAC điện trở hình chữ T đảo. §Ó tr¸nh khái c¸c xung. LSB do. nhän xuÊt hiÖn trong qu¸. d1. MSB d3. d2. R I1. -. trình động của DAC điện trë h×nh ch÷ T , nhê vËy n©ng. cao. ®−îc. tèc. độ. I/16. 2R. chuyển đổi, ta tìm cách duy tr× dßng ®iÖn qua mçi nh¸nh. trong. m¹ng. lµ. không đổi. Dù tín hiệu số ®Çu vµo lµ 1 hay lµ 0 th× dßng ®iÖn ch¹y qua trong nhánh t−ơng ứng với bit đó cũng không đổi.. 256. S2. S1. So I/16. 2R. I/8. 2R R. R. +. S3 I/4. I/2. 2R. 2R. R. Uref. Hình 8.20. DAC điện trở hình chữ T đảo.. Uo.

(291) VËy lµ cã thÓ lo¹i trõ c¬ b¶n nguyªn nh©n t¹o ra xung nhän. H×nh 8.20 giới thiệu mạch điện đảm bảo mục đích đó. Chúng ta gọi mạch hình 8.20 là DAC điện trở hình chữ T đảo. NÕu bit bÊt kú cña tÝn hiÖu sè ®Çu vµo lµ 1 th× chuyÓn m¹ch t−¬ng ứng sẽ nối điện trở nhánh xét vào đầu đảo của bộ khuếch đại thuật toán, nếu bit là 0 thì chuyển mạch sẽ nối điện trở xuống đất. Vậy dù trạng thái tín hiệu đầu vào thế nào thì dòng điện mỗi nhánh đều giữ không đổi. Dòng điện tổng lấy từ nguồn điện áp chuẩn do đó cũng không đổi:. I=. uref R. Do đó có điện áp đầu ra:. uo = − I 1 R = −. uref 24. (d. 32. 3. + d 2 2 2 + d1 2 1 + d o 2 o. ). (8.18) Tøc lµ ®iÖn ¸p t−¬ng tù ®Çu ra tØ lÖ víi víi gi¸ trÞ tÝn hiÖu sè ®Çu vào. Ưu điểm nổi bật của mạch này là tốc độ cao, và xung nhọn ở đầu ra trong quá trình động là rất nhỏ. Dòng điện trong các nhánh của mạng điện trở hình chữ T đảo nối trùc tiÕp vµo ®Çu vµo cña bé khuếch đại thuật toán; vì vậy không có sai lệch thời gian truyền đạt chúng, tức là giảm nhỏ sai số trạng thái động. Trong quá trình chuyển đổi trạng thái, dòng điện trong từng nhánh vẫn không đổi, không cần thêi gian kiÕn lËp vµ ng¾t bá cña dßng ®iÖn (c¸c chuyÓn m¹ch t−¬ng tù nói chung đều công tác theo yêu cầu tr−ớc thông sau ngắt khi chuyển đổi trạng thái). Vì những nguyên nhân trên đây, mạch DAC điện trở hình chữ T đảo là mạch có tốc độ chuyển đổi DA hạng cao nhất. Sai số tĩnh của mạch điện trở hình chữ T đảo cũng giống nh− mạch ®iÖn trë h×nh ch÷ T trªn ®©y.. 257.

(292) ch−¬ng 9 Nguån nu«i mét chiÒu Nguån nu«i mét chiÒu lµ cÇn thiÕt cho mäi thiÕt bÞ ®iÖn tö. Trõ mét sè tr−êng hîp c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö ®−îc thiÕt kÕ chØ dïng c¸c nguån ®iÖn ho¸ nh− pin, ¾c-quy; trong nhiÒu tr−êng hîp nguån nu«i mét chiÒu đ−ợc tạo ra bằng cách biến đổi và chỉnh l−u dòng điện xoay chiều 50 Hz tõ m¹ng ®iÖn c«ng nghiÖp thµnh phè. Nh− t¹i ch−¬ng 4 vÒ m¹ch chØnh l−u dùng diode bán dẫn đ∙ nói, do có gợn sóng biên độ gây ra bởi sự biến đổi giá trị tức thời của nguồn điện áp xoay chiều nên cần có bộ lọc thông thấp để san bằng gợn sóng. Cũng do thăng giáng của nguồn điện vào và thăng giáng của tải cùng các biến động khác nên muốn có đ−ợc điện áp ra bộ nguồn ổn định thì phải thiết kế thêm các mạch ổn áp (hoặc ổn dòng) để bù trừ các biến động này. Sơ đồ khối của một nguồn nu«i mét chiÒu nãi chung ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 9.1.. 220 V~. BiÕn ¸p. ChØnh l−u. Läc. M¹ch æn ¸p. Läc. T¶i. Hình 9.1. Sơ đồ khối của nguồn nuôi có ổn áp.. Biến áp là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều lối vào (thí dụ, 220V~) thành điện áp xoay chiều lối ra có biên độ cần thiết. M¹ch chØnh l−u cã nhiÖm vô chuyÓn ®iÖn ¸p xoay chiÒu bªn thø cÊp biến áp thành điện áp một chiều có biên độ biến đổi mấp mô. M¹ch läc th«ng thÊp san b»ng c¸c mÊp m«, chÆn c¸c thµnh phÇn sóng xoay chiều và chỉ cho thành phần một chiều có biên độ không đổi đi đến tải. Bộ ổn áp (hoặc ổn dòng) có nhiệm vụ làm ổn định điện áp (hoặc dòng điện) ở lối ra trên hai đầu tải cho dù các điện áp tr−ớc đó hay trở tải thay đổi trong một giới hạn nào đó. D−íi ®©y sÏ ®iÓm qua mét sè lo¹i nguån nu«i vµ m¹ch æn ¸p.. 9.1. C¸c bé chØnh l−u kh«ng ®iÒu khiÓn 9.1.1. C¸c bé chØnh l−u th«ng th−êng. 251.

(293) C¸c bé chØnh l−u mét nöa chu kú vµ hai nöa chu kú ®∙ ®−îc tr×nh bày trong ch−ơng 4. Hình 9.2 là các sơ đồ chỉnh l−u thông dụng. Bộ chØnh l−u nöa chu kú h×nh 9.2.a ®∙ ®−îc tr×nh bµy t¹i ch−¬ng 4. NÕu ®iÖn trở tải đủ lớn thì thế ra bằng thế đỉnh (biên độ sóng sin). Nh− trên hình cho thÊy nÕu thÕ hiÖu dông xoay chiÒu ë lèi ra cuén thø cÊp biÕn ¸p lµ 6VAC th× thÕ ra trªn t¶i cì 6 × 2 ≈ 8,5 V mét chiÒu. D¹ng sãng lèi ra khi kh«ng cã bé läc vµ cã bé läc nh− h×nh 9.2.b. Bé chØnh l−u hai nöa chu kú dùng 2 diode với biến áp có điểm giữa nối đất (hình 9.2.c) cho phép tiết kiÖm ®−îc 2 diode nh−ng cuén thø cÊp biÕn thÕ cuèn cã phøc t¹p h¬n do cÇn ®−a ra ®iÓm gi÷a cña cuén d©y. D¹ng sãng lèi ra trªn h×nh 9.2.d cho thÊy hiÖu qu¶ läc sÏ tèt h¬n do lèi ra tån t¹i c¶ hai nöa chu kú sãng sin. Thay vì cho sơ đồ hình 9.2.c th−ờng hay dùng bộ chỉnh l−u hai nửa chu kỳ kiểu nắn cầu nh− hình 9.2.e. Sơ đồ nguồn chỉnh l−u l−ỡng cực ± EC cho trªn h×nh 9.2.f. D. 220 V~. ThÕ chØnh l−u ch−a läc. C. 6 VAC. + -. Thế tải đã lọc. t. RT ≈ 8,5VDC. (b). (a) D1. ~. + -. C. D2. t. RT. (d). (c). ~. ~ + -. +VC + -. RT. 0V. + -VC. (e). 252. (f).

(294) H×nh 9.2. Mét sè nguån mét chiÒu th«ng dông.. 9.1.2.. Läc gîn sãng lèi ra trªn trë t¶i. Trong các sơ đồ trên, điện áp ra trên tải mới là một chiều nh−ng có biên độ còn biến đổi theo sóng hình sin. Muốn có đ−ợc điện áp ra một chiều có biên độ bằng phẳng (không đổi) phải mắc song song với tải một tụ điện C có điện dung đủ lớn nh− đ∙ nói trong ch−ơng 4. Vì điện trở thuËn rd cña diode rÊt nhá vµ rd << RT nªn hÇu nh− tô ®−îc n¹p tíi gÇn thế đỉnh của điện áp xoay chiều trong mỗi chu kỳ. Tiếp đó do điện áp xoay chiÒu gi¶m xuèng theo d¹ng h×nh sin vµ sang chu kú ©m (nÕu lµ chØnh l−u nöa chu kú) nªn thÕ anode cña diode trë nªn thÊp h¬n thÕ kathode (lµ thÕ trªn tô ®iÖn), do vËy diode bÞ cÊm. Tô lóc nµy sÏ phãng ®iÖn qua ®iÖn trë t¶i víi h»ng sè thêi gian b»ng RTC lín h¬n nhiÒu h»ng sè thêi gian khi n¹p. §−êng phãng ®iÖn theo hµm e mò ®−îc suy gi¶m rÊt chËm cho tíi khi gÆp s−ên lªn cña chu kú d−¬ng sãng h×nh sin tiÕp theo. Kết quả là ta sẽ có một điện áp lối ra trên tải t−ơng đối bằng phẳng nh− h×nh 9.3. Trªn h×nh còng cho thÊy dßng ®iÖn ch¶y qua diode chØ xuÊt hiÖn khi diode ®−îc ph©n cùc thuËn trong mét phÇn nhá nöa chu kỳ điện áp xoay chiều. Trị trung bình của dòng này quyết định đến khả n¨ng chÞu nhiÖt cña diode vµ cµng nhá khi trë t¶i cµng lín. NÕu nh×n nhËn theo quan ®iÓm phæ th× phæ Fourier cña ®iÖn ¸p ra trªn t¶i sau chØnh l−u khi ch−a m¾c tô ®iÖn bao gåm thµnh phÇn mét chiÒu vµ c¸c thµnh phÇn xoay chiÒu cã tÇn sè b»ng vµ lín h¬n tÇn sè m¹ng ®iÖn c«ng nghiÖp 50Hz. Do vËy muèn ®iÖn ¸p ra nµy hoµn toµn lµ mét chiÒu th× ph¶i dïng mét m¹ch läc tÇn thÊp bao gåm c¸c phÇn tö rd, C vµ RT lµm suy gi¶m hÕt c¸c thµnh phÇn xoay chiÒu trªn.. 253.

(295) Với rd cố định, tích sè RTC cµng lín cµng. U UT (t). U0. ΔU. ThÕ trªn t¶i khi cã tô. thu hÑp d¶i truyÒn cña. m¹ch. Umin. quanh. θ1. θ2. θ3. t. thµnh phÇn mét chiÒu vµ ®iÖn ¸p ra cµng b»ng. ph¼ng.. ID. Trong. mét sè tr−êng hîp. Itb t. ng−êi ta cã thÓ m¾c thªm mét sè m¹ch läc H×nh 9.3. Läc gîn sãng trªn t¶i.. tần thấp nữa, đặc biệt. lµ m¹ch cã cuén c¶m L m¾c nèi tiÕp víi t¶i. Trong kü thuËt, th−êng đánh giá phẩm chất của mạch lọc chỉnh l−u bằng tỷ số mấp mô. kC ≡. ΔU ì 100% trong đó U0 là biên độ điện áp xoay chiều cấp cho bộ chỉnh U0. l−u, ΔU lµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p mÊp m« trªn t¶i. Theo h×nh 9.3 th× ΔU ®−îc tÝnh b»ng hiÖu cña U0 trõ ®i gi¸ trÞ sãng sin t¹i gãc pha θ øng víi thêi ®iÓm ®−êng phãng ®iÖn cña tô qua t¶i gÆp s−ên lªn cña nöa chu kú sau ®iÖn ¸p xoay chiÒu. Cho gi¸ trÞ t¶i, ta cã thÓ tÝnh ®−îc ®iÖn dung C tèi thiÓu để đảm bảo một tỷ số mấp mô cần thiết. Thí dụ cho trở tải RT = 10 kΩ, chØnh l−u nöa chu kú vµ tû sè mÊp m« kc =1%. TÝnh C ?. kc =. ΔU U 0 − U 0 sin θ 1 = = 1 − sin θ 1 U0 U0. →. sinθ 1 = 1 − k c → θ 1 = arcsin(1 − k c ). (9.1). Tụ phóng điện qua tải từ thời điểm θ2 = π/2 đến θ3 = θ1 + 2π theo quy luật e mò:. U T = U0 e − t / RC = U0 e − (θ 3 −θ 2 ) / ωRC = U0e − (θ 1 + 2π −π / 2) / ωRC. (9.2). T¹i gãc θ3 tho¶ m∙n c¶ hai ®−êng phãng ®iÖn d¹ng e mò vµ ®−êng sin, cã ph−¬ng tr×nh: U0e − (θ 1 + 3π / 4 ) / ωRC = U0 sinθ1. (9.3). 3π 4 C=− 2π . f . R. ln(1 − k c ) arcsin(1 − k c ) +. Tõ ®©y tÝnh ®−îc: (9.4). 254.

(296) Thay c¸c sè vµo cã:. C=−. arcsin(1 − 0,01) + 3π / 4 2π .50.10 . ln(1 − 0,01) 4. = 120.10 − 6 F = 120 μF. Víi tr−êng hîp chØnh l−u hai nöa chu kú, thay gãc θ3 = θ1 + π ta sÏ tÝnh ®−îc C = 95 μF. 9.1.3 C¸c bé chØnh l−u béi ¸p Trong c¸c bé chØnh l−u nãi trªn, ®iÖn ¸p ra mét chiÒu kh«ng t¶i cùc đại cũng chỉ bằng biên độ thế lối vào xoay chiều. Trong mét sè tr−êng hîp, khi cÇn mét ®iÖn ¸p ra cã gi¸ trÞ cao h¬n mà vẫn chỉ dùng điện áp vào xoay chiều có biên độ thấp thì phải cần dïng bé chØnh l−u béi ¸p. H×nh. 9.4 là sơ đồ bộ chỉnh l−u. D2. C1 -. nhân đôi thế. Trong nửa chu kỳ vào. +. ©m, dßng ®iÖn sÏ n¹p cho tô C1 qua diode D1 víi thÕ ph©n cùc trªn tô nh−. +. D1. 220 V~. -. C2. RT. hình vẽ. Độ lớn của thế này đơn giản bằng biên độ điện áp vào xoay chiều. Trong nöa chu kú d−¬ng tiÕp theo, dßng ®iÖn sÏ ®i qua C1D2 vµ n¹p ®iÖn. Hình 9.4. Bộ chỉnh l−u nhân đôi thÕ.. cho C2. Nh− vËy ®iÖn ¸p n¹p cho C2 lóc. này sẽ bằng tổng biên độ điện áp vào xoay chiều trong nửa chu kỳ d−¬ng céng víi thÕ trªn tô C1 ®∙ ®−îc n¹p s½n trong nöa chu kú ©m cña nguån ®iÖn vµo. Hay nãi c¸ch kh¸c thÕ trªn tô C2, tøc lµ thÕ cÊp cho tải, bằng 2 lần biên độ điện áp vào xoay chiều. C1. Hình 9.5. là sơ đồ bộ chỉnh. ×1. C3. ×3. l−u nh©n thÕ béi ¸p nhiÒu lÇn. Trong nöa chu kú ©m thø nhÊt, D1 th«ng, D2 vµ D3 cÊm; tô C1 đ−ợc nạp đến thế UC1 ≈ U2~. Nửa chu kú d−¬ng tiÕp theo, D2 th«ng, D1 vµ D3 cÊm; dßng qua D2 nạp cho C2 điện áp gấp đôi. 220 V~. D2. D1. D4. D3. C2. C4 ×2. ×4. H×nh 9.5. Bé chØnh l−u béi ¸p n lÇn.. UC2 = 2U2~. Nöa chu kú ©m tiÕp theo n÷a, D3. th«ng, D1 vµ D2 cÊm; dßng qua D3 n¹p cho c¸c tô C1 m¾c nèi tiÕp víi C3 víi 255.

(297) thế bằng U2~ + UC2 = 3U2~. Tuy nhiên do C1 đ∙ đ−ợc nạp đến thế U2~ nên C3 sẽ đ−ợc nạp đến thế UC2 = 2U2~. Lý luận t−ơng tự cho mắt thứ 4 và các mắt tiÕp theo.. 9.2. Bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn Bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn sö dông linh kiÖn thyristor hoÆc triac cho phÐp ®iÒu chØnh dÔ dµng c«ng suÊt ra trªn t¶i b»ng c¸ch ®iÒu chỉnh thời điểm mồi (điều chỉnh pha) thích hợp. Hình 9.6 là một sơ đồ chỉnh l−u có điều khiển sử dụng thyristor. Sơ đồ này cho phép dễ dàng điều chỉnh công suất ra trên tải (thí dụ, điều chỉnh độ sáng tối của một tải là bóng đèn dây tóc). Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ là biến đổi UV~ gãc pha më thyristor ϕ (thêi ®iÓm më thyristor trong ph¹m vi mét chu UC. Umåi®−îc c«ng suÊt ra trªn t¶i do c«ng suÊt kỳ điện áp vào UAK) sẽ biến đổi P. T dßng mét chiÒu tû cña dßng chØnh l−u. diac lÖ víi b×nh ph−¬ng ϕ 220V~ ~. t. U§. C R§. Utb. t ϕ. Hình 9.6. Sơ đồ điều chỉnh công suất ra trên tải.. Nhìn vào sơ đồ mạch ta thấy, khi bắt đầu nửa chu kỳ d−ơng thyristor ë vµo tr¹ng th¸i cÊm. Tô C sÏ ®−îc n¹p ®iÖn qua m¹ch gåm biÕn trë P vµ ®iÖn trë t¶i R§ víi h»ng sè thêi gian PR§C. Linh kiÖn m¾c nèi tiÕp víi cùc ®iÒu khiÓn cña thyristor vµ song song víi tô C gäi lµ diac. Diac là một linh kiện có đặc tính giống nh− thyristor nh−ng không có cùc ®iÒu khiÓn, chØ cã 2 cùc anode vµ kathode nh− mét diode. Nã sÏ chuyÓn tõ tr¹ng th¸i cÊm sang th«ng rÊt nhanh khi thÕ trªn hai cùc đạt tới một giá trị ng−ỡng Umồi nhất định. Khi thế tụ điện C (bằng thế trên diac) đạt tới Umồi thì diac chuyển sang trạng thái thông. Tụ phóng ®iÖn qua diac t¹o thµnh mét xung d−¬ng ®−a vµo cùc cöa ®iÒu khiÓn, làm cho thyristor thông. Lúc này toàn bộ điện áp nguồn đ−ợc đặt lên. 256.

(298) trở tải đèn RĐ. Thyristor sẽ thông cho tới hết nửa chu kỳ d−ơng. Tới nửa chu kú d−¬ng tiÕp theo qu¸ tr×nh tiÕp diÔn nh− vËy. Vậy bằng cách điều chỉnh giá trị của biến trở P, ta có thể biến đổi đ−ợc hằng số thời gian nạp điện cho tụ và có nghĩa là biến đổi góc pha mở ϕ cho thyristor. Nhìn trên giản đồ thời gian ta thấy góc mở này quyết định công suất trung bình, công suất hiệu dụng sản ra trên tải. Gãc më ϕ cµng lín, c«ng thÕ hiÖu dông vµ c«ng suÊt trªn t¶i cµng nhá, đèn càng sáng yếu.. 9.3. M¹ch æn ¸p kiÓu bï Mạch ổn áp cho phép một sự ổn định của điện áp lối ra trong một dải biến đổi của điện áp nguồn vào cũng nh− sự biến đổi của các thông số khác nh−: trở tải, thăng giáng nhiệt độ môi tr−ờng, v.v... Th−ờng quan tâm đến định nghĩa hệ số ổn áp cho biết điện áp lối ra bị ảnh h−ởng bao nhiªu khi ®iÖn ¸p nguån vµo biÕn thiªn 10%:. kS ≡. ΔUra Ura. × 100%. (9.5). U V biÕn thi ª n 10% T , R T = const. Ngoài sơ đồ ổn áp dùng các diode ổn áp (zener) nh− đ∙ trình bày trong ch−ơng 4, các sơ đồ bộ ổn áp kiểu bù cho phép nâng cao chất l−ợng và đáp ứng hầu hết các yêu cầu thực tế. Có thể phân loại theo kết cấu sơ đồ bộ ổn áp kiểu bù gồm 2 loại: kiểu bù nối tiếp (hình 9.7.a) và bù song song (hình 9.7.b). Trong đó, C là phần tử điều chỉnh, KĐSS là phần tử khuếch đại và so sánh, Ech là nguồn điện áp chuẩn, RS là trở hạn chế dßng. I1. I2 = IT. I1. I2 = IT. C RS U1. K§SS. RT. U2. U1. C. K§SS. U2. Ech. Ech. (a). RT. (b). Hình 9.7. Sơ đồ khối mạch ổn áp kiểu bù nối tiếp (a) và bù song song (b).. 257.

(299) Nguyên tắc hoạt động của bộ ổn áp nối tiếp nh− sau: do một nguyên nhân nào đó dẫn đến làm biến đổi điện áp một l−ợng nào đó. L−ợng này đ−ợc so sánh với điện áp chuẩn Uch tại phần tử khuếch đại so sánh KĐSS. Lối ra của bộ KĐSS là biến động ΔU T = U T − U ch sẽ tác động lên phần tử điều khiển C. Vì C đ−ợc mắc nối tiếp với trở tải nên sự tác động này đ−ợc thiết kế sao cho sụt áp trên C tăng hay giảm để bù lại sự giảm hay tăng của điện áp trở tải. Do vậy mà điện áp trên tải đ−ợc bù giữ không đổi. Nguyên tắc hoạt động của bộ ổn áp song song là nh− sau: nh− ở bộ ổn áp nối tiếp, phần biến động ΔU T = U T − U ch đ−ợc phát hiện bởi phần tử khuếch đại so sánh KĐSS và nguồn áp chuẩn sẽ tác động lên phần tử điều khiển C làm thay đổi dòng qua nó. Do C đ−ợc mắc song song với tải qua trë RS nªn dßng nµy sÏ cã xu h−íng ®iÒu chØnh sù t¨ng hay gi¶m sôt ¸p trªn RS theo xu h−íng bï l¹i sù gi¶m hay t¨ng ¸p trªn trë t¶i: nÕu ®iÖn ¸p trªn trë t¶i t¨ng th× dßng qua C sÏ t¨ng lµm dßng qua t¶i giảm dẫn tới thế trên đó không đổi , v.v... Ta sÏ xÐt mét m¹ch æn ¸p nèi tiÕp mét tÇng cô thÓ dïng bé lÆp l¹i emitter đơn giản nhất nh− hình 9.8.a. Trong sơ đồ này, trở tải RT giữ vai trò nh− trở emitter RE trong bộ khuếch đại lặp lại emitter mà ta đ∙ kh¶o s¸t tr−íc ®©y. T. T. + U1. +. +. U2. U1. U2. R1. R1. +. RT. RT. P Uch. Uch −. −. (a). (b). T1. + U1. U2 R1. +. T2 RT. Uch −. (c) Hình 9.8. Sơ đồ các ổn áp một tầng đơn giản dùng transistor.. 258.

(300) Trong sơ đồ, diode zener đ−ợcphân cực ng−ợc tạo ra nguồn điện áp chuẩn Uch. Transistor đóng cả hai vai trò khuếch đại so sánh và điều chỉnh. Giả sử vì một lý do nào đó U1 tăng → U2 tăng. Nh−ng do U2 chính là UE và UB chính bằng Uch không đổi, nên kết quả là UBE = UB − UE giảm → dẫn tíi lµm gi¶m dßng IC vµ gi¶m dßng IE , chÝnh lµ dßng qua t¶i. KÕt qu¶ lµ thế trên tải bằng ITRT giảm. Sơ đồ đ−ợc thiết kế sao cho thế ra giảm đi một l−ợng đúng bằng sự tăng và ta có U2 đ−ợc giữ không đổi. Theo h×nh dÔ thÊy ®iÖn ¸p ra cña bé æn ¸p b»ng: U 2 = U T = U ch − U BE §iÖn. r2 =. trë. ra. b»ng. chÝnh. trë. ra. cña. bé. lÆp. l¹i. emitter:. ∂U 2 r 1 U = BE = = T ; víi thÕ nhiÖt UT = 25,5 mV vµ dßng I2 = 100 mA cã ∂I 2 1 + β S I 2. thÓ thÊy r»ng trë ra nµy kh¸ nhá cì 0,3 Ω. Nếu cần điều chỉnh điện áp ra thì có thể sử dụng sơ đồ 9.8.b trong đó mét phÇn ®iÖn ¸p chuÈn ®−îc trÝch tõ ®iÓm gi÷a con ch¹y biÕn trë P. Điện trở của biến trở cần nhỏ hơn rBE để không làm tăng trở ra của m¹ch. Khi cần dòng ra ổn áp lớn thì dùng sơ đồ hình 9.8.c trong đó dùng 2 transistor T1 và T2 mắc daclington để tăng dòng tải. Sơ đồ hình 9.9 là sơ đồ bộ ổn áp hai. T1. +. tÇng dïng transistor. Diode Zener đóng vai trò nguồn điện áp chuẩn,. R1. +. R2. R3. U1. RT. T2. transistor T1 lµ phÇn tö ®iÒu chØnh vµ transistor T2 lµ phÇn tö K§SS. Lý luËn. U2. R4 −. Uch. t−¬ng tù nh− trªn ta còng cã: gi¶ sö U2 t¨ng → UB2 t¨ng→ UBE2 t¨ng→ dßng IC2. H×nh 9.9. Bé æn ¸p 2 tÇng dïng. t¨ng, UC2 gi¶m→ UBE1 gi¶m dÉn tíi lµm. transistor.. transistor T1 bít th«ng h¬n (néi trë tăng), dòng IC1 và IE1 giảm đi một l−ợng sao cho thế ra U2 = IE1RT không đổi. NÕu m¹ch g¸nh emitter cã ®−îc mét bé K§TT m¾c kiÓu lÆp l¹i ®iÖn áp nh− hình 9.8.a thì đặc tính của bộ ổn áp sẽ đ−ợc cải thiện hơn nữa. Chừng nào bộ KĐTT còn hoạt động trong miền tuyến tính thì điện áp hai lối vào đảo và không đảo vẫn đ−ợc giữ bằng nhau. Nh−ng vì đầu vào đảo đ−ợc nối với lối ra nên điện ra ra của bộ ổn áp trong tr−ờng hợp này luôn đ−ợc giữ bằng điện áp đầu vào không đảo tức là bằng điện áp 259.

(301) chuÈn (thùc ra sai kh¸c vµi chôc micr« v«n). Hai h×nh 9.10.b vµ 9.10.c lµ các sơ đồ bộ ổn áp điều chỉnh đ−ợc điện áp ra và rất ổn định. Điện áp ra trong c¸c tr−êng hîp ®−îc ®iÒu chØnh bëi vÞ trÝ tiÕp ®iÓm cña con ch¹y biÕn trë P vµ nµy sÏ n»m trong d¶i lín h¬n ®iÖn ¸p chuÈn cña diode zener. §©y lµ ®iÒu ë c¸c bé æn ¸p h×nh 9.8 kh«ng thÓ cã ®−îc. H×nh 9.10.c có điểm đặc biệt là diode zener đ−ợc cấp thế qua trở R1 không phải từ nguån ch−a æn ¸p mµ lµ tõ nguån ®∙ æn ¸p. Do vËy c¸c biÕn thiªn tõ nguån vµo hÇu nh− kh«ng ¶nh h−ëng tíi ®iÖn ¸p chuÈn do diode zener tạo ra nữa. Mạch này có độ ổn định cao. T + U1. U2 R1 + − Uch. −. (a) T +. +. U1. R1. R2. +. +. U1. U2. R1. T. +. U2 R2. +. −. −. P. P Uch. Uch. R3. −. R3. −. (b). (c). H×nh 9.10. C¸c bé æn ¸p dïng bé K§TT lµm phÇn tö K§SS.. 9.4. C¸c vi m¹ch æn ¸p Ngµy nay th−êng ng−êi ta chÕ t¹o c¸c vi m¹ch cã chøc n¨ng æn ¸p víi c¸c tham sè chuÈn. C¸c vi m¹ch nµy do ®−îc chÕ t¹o hµng lo¹t nªn gi¸ thµnh còng rÊt rÎ vµ th«ng dông. C¸c vi m¹ch æn ¸p gåm 2 lo¹i: loại thứ nhất có điện áp lối ra cố định và loại thứ hai có điện áp ra có thể đ−ợc điều chỉnh trong một dải nào đó.. 260.

(302) Cấu tạo bên trong của các vi mạch ổn áp này có sơ đồ điển hình nh− h×nh 9.11. 1. U1. D1. I1. I2. T'1 T1. CK. R5. T3 T4. R6. T2 R4 R2. R3 3. Uch. D2. R7. U2. R1. 2. H×nh 9.11. CÊu t¹o bªn trong cña mét vi m¹ch æn ¸p.. Trong m¹ch dïng diode D2 lµm nguån ®iÖn ¸p chuÈn Uch. Do ph¶n håi ©m t¹o bëi ph©n ¸p R1 R2 nªn thÕ æn ¸p ra ®−îc x¸c lËp b»ng :. U 2 = U ch (1 + R 2 / R 1 ) Tụ Ck dùng để hiệu chỉnh tần số của sơ đồ nhằm chống tự kích. Víi lo¹i cã ®iÖn ¸p ra cè ®inh, ®iÓn h×nh lµ c¸c hä vi m¹ch 78-xx vµ 79-xx. Hä nµy lµ c¸c vi m¹ch æn ¸p cã 3 ch©n ra: ®Çu vµo, ®Çu ra vµ ®Çu nối đất, dòng điện áp ra cực đại th−ờng cỡ 1A với điều kiện vi mạch đ−ợc g¾n c¸nh to¶ nhiÖt thÝch hîp. Lo¹i 78xx cho c¸c vi m¹ch cã ®iÖn ¸p vµo có dải từ 5 VDC đến 30 VDC, điện áp ra cố định +5 V với loại 7805, +12V với lo¹i 7812, v.v... Lo¹i 79xx cho c¸c vi m¹ch æn ¸p cã d¶i ®iÖn ¸p vµo tõ -5 VDC đến -35 VDC; điện áp ra cố định -5 V với loại 7905, -12V với loại 7912, v.v... Với loại có điện áp ra biến đổi đ−ợc, thí dụ vi mạch LM-327 cũng có 3 ch©n ra: ®Çu vµo, ®Çu ra vµ ®Çu nèi víi biÕn trë ®iÒu chØnh. §Çu kia của biến trở đ−ợc nối với đất. Loại này cho điện áp vào từ +5 VDC đến 35 VDC vµ cã thÓ nhËn ®−îc ®iÖn ¸p ra æn ¸p víi gi¸ trÞ tuú ý trong d¶i tõ +3 V đến +30 V đ−ợc điều chỉnh bằng biến trở. Hình dạng và chân nối của hai vi mạch ổn áp cố định 7805 và 7905 và vi mạch ổn áp có thể điều chỉnh ®iÖn ¸p ra ®−îc. LM-327 cho trªn h×nh 9.12. C¸c lo¹i kh¸c còng cã h×nh. d¹ng t−¬ng tù. Kim lo¹i to¶ nhiÖt. + In. + Out Ground. LM 327. 7805. 7805. Ground. - In - Out. + In. Vá c¸ch ®iÖn. + Ch©n ®iÒu chØnh. 261.

(303) H×nh 9.12. H×nh d¹ng vµ ch©n nèi cña c¸c vi m¹ch 7805 vµ 7905.. Ngoµi ra cßn cã lo¹i vi m¹ch æn ¸p cã hÖ sè æn ¸p cao h¬n c¸c lo¹i kể trên, nh−ng có dòng tải nhỏ chỉ cỡ vài chục mA. Thí dụ nh− loại μA723 là vi mạch đ−ợc đóng vỏ 14 chân, hai hàng. Th−ờng loại này đ−ợc sử dụng trong các mạch điều khiển đòi hỏi độ ổn định cao, còn phần công suÊt ®−îc nã ®iÒu khiÓn lµ c¸c transistor hoÆc vi m¹ch c«ng suÊt lín. Sơ đồ khối và hình dạng của vi mạch này cho trên hình 9.13. 14. +Vcc. VC. Lèi ra. T1. 8. transistor nèi tiÕp. Khuêch đại sai sè Nguån chuÈn. T2 H¹n dßng. 1. Vch. 7. -Vcc. Hình 9.13. Sơ đồ khối và hình dạng vi mạch ổn áp μA-723.. Hình 9.14 là một số sơ đồ ứng dụng của các vi mạch ổn áp loại 7805 và 7905. C¸c lo¹i víi thÕ æn ¸p kh¸c vÒ nguyªn t¾c còng ®−îc dïng t−¬ng tù. Nh×n chung viÖc sö dông chóng rÊt thuËn tiÖn vµ dÔ dµng. H×nh 9.14.a là sơ đồ tạo thế ổn áp cố định +5V từ vi mạch 7805. Khi cần nâng cao dòng ra của bộ ổn áp có thể đấu thêm một transistor công suất phụ nh− h×nh 9.14.b. Cïng víi c¸c transistor bªn trong vi m¹ch, nã t¹o ra một sơ đồ Daclington cho phép dòng ra bộ ổn áp tăng lên.. 262.

(304) in. U1= +6 ÷ 35V. 7805. C1 ground. out. U1. U2 = +5V. C2. T. 7805. (a). in. 7805. (b). out. +5V + UZ. ground. U1. U2. R. R. +5V. 7805. U~ + -. +. + -. + -. -. C2. C1 UZ. 0V. 7905. (c). -5V. (d). Hình 9.14. Một số sơ đồ nguồn ổn áp dùng vi mạch có thế ổn áp cố định.. Trong tr−êng hîp cÇn thÕ ra æn ¸p cao h¬n +5V nh−ng chØ cã vi mạch 7805, có thể dùng sơ đồ hình 9.14.c trong đó diode ổn áp (zener) có thế UZ đ−ợc mắc trong mạch giữa chân 3 của vi mạch với đất. Cách này cho phÐp ®iÖn ¸p ra ®−îc t¨ng lªn mét l−îng b»ng UZ. §iÖn trë R dïng để điều chỉnh dòng của diode ổn áp đến một giá trị gần cố định. ΔI = (U 2 − U Z ) / R . Khi cần có nguồn điện áp l−ỡng cực, có thể dùng sơ đồ nh− hình 9.14.d, trong đó sử dụng biến áp có cuộn thứ cấp có điểm giữa đ−ợc nối đất và hai vi mạch ổn áp trái dấu là 7805 cho lối ra +5V và loại 7905 cho lèi ra lµ -5V.. 9.5. Bé æn ¸p kiÓu xung HiÖu suÊt cña m¹ch æn ¸p víi c¸c phÇn tö tÝch cùc (nh− transistor, vi mạch) chạy trong chế độ liên tục nh− kể trên phụ thuộc nhiều vào c«ng suÊt tæn hao trªn phÇn tö ®iÒu chØnh lµ c¸c transistor c«ng suÊt ra. Cã thÓ gi¶m c«ng suÊt tæn hao nµy nÕu cho transistor lµm viÖc ë chế độ xung. Ta có loại ổn áp xung hay còn gọi là bộ ổn áp chuyển mạch (đóng - ngắt). Transistor điều chỉnh trong bộ ổn áp này đ−ợc thiết kế làm việc ở một trong hai trạng thái: thông b∙o hoà (đóng) và cấm (ngắt). Khi thông, transistor dẫn năng l−ợng từ nguồn ngoài đến. 263.

(305) phÇn tö tÝch luü n¨ng l−îng (lµ cuén c¶m cña biÕn thÕ hay tô ®iÖn) trong m¹ch. Khi transistor cÊm, th× phÇn tö tÝch luü sÏ cung cÊp n¨ng l−îng cho m¹ch sao cho trªn t¶i lu«n lu«n cã ®iÖn ¸p ra. Muèn vËy th× phải có một bộ lọc tần thấp để san bằng các xung lối ra thành điện áp một chiều không đổi. Tần số đóng ngắt của khoá transistor th−ờng nằm trong dải từ vài chục Hz đến trên vài chục kHz để có thể dùng các cuén c¶m lâi Fe-rÝt thÝch hîp cho phÐp gi¶m nhá kÝch th−íc biÕn thÕ vµ hiệu suất tổn hao nhỏ. Hình 9.15.a là sơ đồ nguyên lý một bộ ổn áp kiểu xung. §iÖn ¸p ra U2 cña bé æn ¸p ®−îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p chuÈn Uch trong bộ điều khiển. Điện áp sai lệch sẽ đ−ợc dùng để điều chế độ rộng xung do bộ tạo dao động phát ra. Chuỗi xung này sẽ điều khiển đóng mở transistor T với tần số cố định nh−ng có độ rộng xung (là tỷ số giữa thời gian đóng trên chu kỳ dao động) thay đổi đ−ợc. ở lối ra trên emitter của transistor, chuỗi xung dòng đó sẽ đ−ợc lọc qua bộ lọc LC để có đ−ợc điện áp ra bằng phẳng U2. Bộ điều chế đ−ợc thiết kế sao cho khi điện áp U2 giảm xuống do một nguyên nhân nào đó (thí dụ do thế U1 giảm), tín hiệu điều khiển sẽ cho chuỗi xung có độ rộng lớn hơn nhằm lµm cho dßng trung b×nh qua transistor t¨ng lªn bï l¹i sù gi¶m thÕ U2 và ng−ợc lại khi thế U2 giảm thì độ rộng xung đ−ợc điều khiển sẽ giảm đi. Kết quả là thế U2 giữ không đổi trong một giới hạn nào đó. TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. T U1. L. U2. Bé ®iÒu khiÓn. C. (a). Bé t¹o dao động. Bé ®iÒu chÕ độ rộng xung. Bé ®iÒu khiÓn. (b). U2 Uch. Hinh 9.15. M¹ch æn ¸p xung (a) vµ cÊu t¹o bé ®iÒu khiÓn (b).. §Ó tÝnh bé ®iÒu khiÓn ta xÐt dßng ch¹y qua cuén chÆn L. Gi¶ thiÕt tô C lín v« cïng nªn cã gîn sãng mÊp m« lèi ra b»ng kh«ng. H×nh 9.16 lµ giản đồ thời gian của điện áp xung và dòng trong mạch. Khi transistor bÞ cÊm, ta cã: (9.6). 264. U L ≈ −U 2 = const.

(306) V× U L = L. dI L , nªn dßng qua cuén chÆn L gi¶m tuyÕn tÝnh theo thêi dt. gian:. dI L = −U 2 / L dt U1. tth«ng. (9.7). tcÊm t ILmax. IL ILmin. t U2 t. H×nh 9.16. §iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn trong bé æn ¸p xung.. Khi transistor th«ng, ta cã:. U L = U 1 − U 2 = const. (9.8) Lóc nµy dßng qua L còng t¨ng tuyÕn tÝnh theo thêi gian: dI L = (U 1 − U 2 ) / dt dt. ΔI L = I L max − I L min =. U2tcÊm (U1 − U2 )tth « ng = L L. tth « ng tth « ng U2 = = U1 tth « ng + tcÊm T. (9.9). (9.10). (9.11). Nh− vậy điện áp ra bộ ổn áp sẽ tỷ lệ thuận với độ rộng xung chuyển m¹ch vµ kh«ng phô thuéc vµo dßng lèi ra khi I2 > (1/2) ΔIL. Dßng qua transistor chuyÓn m¹ch khi th«ng b»ng tæng dßng g¸nh I2 vµ dßng n¹p cho tô. Tû sè α ≡. I L max sÏ cµng lín khi ®iÖn c¶m cuén chÆn L cµng nhá. I2. Trị số α cực đại bằng 1,2 để đảm bảo các tham số yêu cầu chuyển mạch cña transistor. TÝnh gi¸ trÞ cña L, theo h×nh 9.13 ta cã:. 265.

(307) I L max = I 2 +. 1 ΔI L 2. (9.12). Tõ c¸c biÓu thøc trªn ta ®−îc: L =. R V (1 − U 2 / U 1 ) ⎛I ⎞ 2⎜⎜ L max − 1 ⎟⎟ ⎝ I2 ⎠. (9.13) Trong đó RV = U2/ I2 là trị số điện trở gánh của mạch. Khi điện dung C lµ h÷u h¹n, trªn lèi ra bé æn ¸p cã gîn sãng. Dßng n¹p cho tô b»ng: IC = IL - I2. Chu kỳ nạp và phóng của tụ là miền gạch chéo trên đồ thị. Trị số gîn sãng tho¶ m∙n hÖ thøc sau: ΔQC 1 1 ⎛ 1 1 ⎞1 = . ⎜ t th « ng + t cÊm ⎟ ΔI L C C 2⎝2 2 ⎠2. ΔU 2 =. (9.14). Tõ ®©y suy ra: ΔU 2 =. U2 ⎛ U2 ⎞ ⎜1− ⎟ 8 LCf 2 ⎜⎝ U1 ⎟⎠. (9.15). Do ch−a tính đến trở dò của tụ nên trên thực tế trị số điện áp xung đo đ−ợc sẽ lớn hơn giá trị tính toán đôi chút. Khác với bộ ổn áp liên tôc, dßng trung b×nh ch¹y qua transistor chuyÓn m¹ch sÏ nhá h¬n dßng ra. Bá qua tæn hao, ta cã thÓ viÕt biÓu thøc c©n b»ng c«ng suÊt sau: U1 I 1 ≈ U 2 I 2. Từ đó có:. I 0 = (U 2 / U1 ) / I 2. (9.16). Ta thö tÝnh thÝ dô b»ng sè cho c¸c tham sè cña bé æn ¸p. Gi¶ sö yªu cầu bộ ổn áp có điện áp ra ổn định 5V với dòng gánh là 5A. Điện áp vào không ổn định là 10V. Tần số dao động chọn bằng 20 kHz. Ta chọn hệ số ®iÒu chØnh α = 1,2. Víi c¸c tham sè nµy, tõ c«ng thøc (9.13) ta tÝnh ®−îc L. =. 63. E L max =. 266. μH.. TrÞ. sè. cùc. đại. cña. n¨ng. l−îng. c¶m. øng. b»ng. 1 2 LI L max = 1,1mJ . TrÞ sè nµy cho phÐp tÝnh khi chän lâi cuén c¶m. 2.

(308) Gi¶ sö ®iÖn ¸p gîn sãng lèi ra cho phÐp kh«ng qu¸ 30 mV. Tõ c«ng thøc (9.15) tÝnh ®−îc trÞ sè tèi thiÓu cña tô C = 413 μF. Ta có thể đ−a ra một sơ đồ cụ thể của bộ ổn áp xung đơn giản nh− T + U1. U2. L. R2. R1. UE R3 +. Uch. −. A. RT. D1 D2. C1. −. h×nh 9.16. 9.16. Sơ đồ một bộ ổn áp xung đơn giản.. Gi¶ sö R2 ®−îc ng¾t khái m¹ch. Lóc nµy m¹ch gièng bé æn ¸p cã bé lÆp l¹i dïng K§TT vµ thÕ ra U2 b»ng víi thÕ chuÈn Uch. Khi R2 ®−îc m¾c trong m¹ch vµ gi¶ sö transistor T ®ang ë tr¹ng th¸i th«ng b∙o hoµ, ®iÖn ¸p ra trªn emitter UE gÇn b»ng ®iÖn ¸p vµo U1. HiÖu thÕ gi÷a UE vµ Uch ®−îc thiÕt kÕ ph©n chia qua ph©n ¸p R2R3 sao cho thÕ trªn ®Çu vµo không đảo của bộ KĐTT cao hơn Uch một chút. Do vậy thế trên đầu vào không đảo cao hơn thế trên đầu vào đảo. Bởi vậy lối ra bộ KĐTT ở vào thÕ b∙o hoµ d−¬ng. §iÖn ¸p nµy nh− võa nãi sÏ lµm T tiÕp tôc th«ng b∙o hoµ vµ lµm cho U2 xÊp xû b»ng U1. Trong thêi gian T th«ng, tô C ®−îc nạp qua T và cuộn chặn L. Thế UC cũng là thế trên đầu đảo của bộ KĐTT sẽ tăng dần đến khi bằng rồi cao hơn thế trên đầu vào không đảo. Lúc nµy bé K§TT chuyÓn tr¹ng th¸i, lèi ra nh¶y sang thÕ bµo hoµ ©m lµm cÊm transistor T. Khi T ng¾t th× thÕ lèi ra bé æn ¸p b¾t ®Çu gi¶m do C phóng điện qua tải. Thế lối ra giảm xuống, tức là thế đầu vào đảo giảm tới khi nhỏ hơn thế đầu vào không đảo thì bộ KĐTT lại lật trạng thái vµ ®iÒu khiÓn transistor chuyÓn sang th«ng... Khi T thông, dòng qua L để nạp cho C và tích tụ năng l−ợng trong cuén c¶m. Khi T ng¾t, n¨ng l−îng nµy t¹o nªn mét xung ng−îc rÊt lín đặt lên transistor T và có thể làm hỏng nó. Vì vậy, một diode D2 (gọi là diode h∙m) đ−ợc mắc vào mạch để thông dòng cho xung ng−ợc đó qua D2 vµ t¶i nh»m b¶o vÖ qu¸ ¸p cho transistor.. 267.

(309) Trong thực tế th−ờng sử dụng sơ đồ ổn áp xung với mạch dao động ở s¬ cÊp biÕn thÕ nh− h×nh 9.17. L1. Tr T. D5 +. C1 220V~. D. C4. U2. C3. C2 L2. Bé ®iÒu khiÓn c¸ch ly vÒ ®iÖn. Bé ph¸t dao động. Hình 9.17. Sơ đồ bộ ổn áp kiểu xung bên sơ cấp biến thế.. §iÖn ¸p tõ nguån ®iÖn thµnh phè 220V~ ®−îc chØnh l−u trùc tiÕp tõ bé n¾n cÇu bèn diode D vµ bé läc ®iÖn víi tô C3. Nh− vËy thÕ trªn tô sÏ rÊt lín cì 220 VAC × 1,4 ≈ 308 VDC. Transistor chuyÓn m¹ch T cã t¶i lµ biÕn thÕ Tr. C¸c xung dßng bªn s¬ cÊp ®−îc c¶m øng sang cuén thø cÊp sau đó đ−ợc chỉnh l−u bởi diode D5 và lọc bởi tụ C4 cho thế lối ra một chiều U2 của bộ ổn áp xung. Quá trình đóng ngắt của transistor đ−ợc điều khiÓn bëi bé ®iÒu khiÓn c¸ch ly vÒ ®iÖn. M¹ch nµy th−êng dïng c¸c bé khuếch đại quang-điện (optron) có điện trở cách điện rất cao (cỡ têtra Ω) và điện thế đánh thủng rất cao (cỡ kV). Trong những tr−ờng hợp th«ng th−êng, nã cho phÐp c¸ch ly vÒ ®iÖn gi÷a nguån cao thÕ 220V~ bªn m¹ch s¬ cÊp víi nguån thÊp thÕ mét chiÒu bªn thø cÊp biÕn thÕ Tr. Các xung điều khiển đ−ợc đ−a đến từ bộ phát dao động. Đây là mạch điện phát ra chuỗi xung có tần số không đổi nh−ng độ rộng xung đ−ợc điều khiển bởi thế ra U2. Độ rộng này tỷ lệ nghịch với độ lớn của U2. Giả sử, nếu vì nguyên nhân nào đó điện áp ra tăng lên một l−ợng nào đó, dẫn tới độ rộng xung điều khiển đ−ợc phát từ máy phát dao động giảm xuống, tức là làm thời gian thông của transistor giảm. Điều đó dẫn tới lµm gi¶m dßng trung b×nh qua biÕn thÕ sao cho ®iÖn ¸p ra gi¶m ®i mét l−ợng đúng bằng l−ợng tăng hay nói cách khác điện áp ra sẽ giữ không đổi do có sự điều chỉnh bù trừ của mạch điện xung. Cũng lý luận t−ơng tự cho tr−ờng hợp điện áp ra giảm xuống. Sơ đồ này cũng đ−ợc dùng cho c¶ tr−êng hîp ®iÖn ¸p vµo lµ mét chiÒu. C¸c bé läc L1C1 vµ L2C2 dïng để ngăn chặn các xung nhiễu điện từ bộ ổn áp xâm nhập ng−ợc trở lại m¹ng ®iÖn thµnh phè lµm ¶nh h−ëng tíi c¸c thiÕt bÞ kh¸c.. 268.

(310) môc lôc Lêi nãi ®Çu Ch−¬ng 1. Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ thèng ®iÖn tö 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.. TÝn hiÖu, linh kiÖn, m¹ch ®iÖn vµ hÖ thèng ®iÖn tö Các đại l−ợng cơ bản của tín hiệu C¸c phÇn tö thùc vµ lý t−ëng cña m¹ch ®iÖn Mạch điện, hệ thống điện tử và các loại sơ đồ của nó. Ch−¬ng 2. TÝn hiÖu vµ c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch 2.1. TÝn hiÖu biÓu diÔn theo thêi gian 2.2. TÝn hiÖu biÓu diÔn theo miÒn tÇn sè 2.3. Nguyªn lý xÕp chång 2.4. NhiÔu vµ c¸c tÝnh chÊt cña nã 2.5. §iÒu chÕ tÝn hiÖu. Trang 1 2 3 4. 6 9 16 16 18. Ch−¬ng 3. C¸c ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n kh¶o s¸t m¹ch ®iÖn tö 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9.. Các phần tử và thông số tích cực và thụ động của mạch điện C¸c phÇn tö, m¹ch ®iÖn tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn Các định luật Kirchhoff C¸c m¹ch t−¬ng ®−¬ng Thevenin vµ Norton §iÒu kiÖn chuÈn dõng vÒ qu¸ tr×nh sãng trong m¹ch ®iÖn Đặc tr−ng quá độ và đặc tr−ng dừng của mạch điện C¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch m¹ch tuyÕn tÝnh Phân tích các mạch thụ động R, L và C Liªn kÕt ph¶n håi trong m¹ch ®iÖn. Ch−¬ng 4. Linh kiÖn b¸n dÉn vµ m¹ch ®iÖn tö øng dông liªn quan 4.1. ChÊt b¸n dÉn vµ líp tiÕp gi¸p p-n 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6.. øng dông cña diode b¸n dÉn Transistor l−ìng cùc vµ øng dông Transistor tr−êng Thyristor vµ diac Bộ khuếch đại thuật toán và các sơ đồ ứng dụng. 22 24 25 26 27 28 29 39 48. 51 54 59 97 100 103. Ch−ơng 5. Các mạch tạo dao động điện 5.1. Các khái niệm chung về mạch tạo dao động 5.2. Nguyên tắc tạo các dao động điện. 127 127. 5.3. ổn định biên độ và tần số dao động 5.4. C¸c bé t¹o sãng cao tÇn h×nh sin LC. 130 131 265.

(311) 5.5. Bộ tạo dao động RC 5.6. Các mạch điện tạo dao động xung 5.7. Dùng bộ biến đổi số-t−ơng tự D/A để tạo dao động Ch−¬ng 6. C¸c m¹ch ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ 6.1. C¸c kh¸i niÖm vÒ ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ 6.2. §iÒu biªn vµ t¸ch sãng ®iÒu biªn 6.3. Điều chế và giải điều chế đơn biên 6.4. §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha Ch−¬ng 7.. Ch−ơng 8. Chuyển đổi t−ơng tự-số và số-t−ơng tự 8.1. Chuyển đổi t−ơng tự-số A/D 8.2. Chuyển đổi số-t−ơng tự D/A. 220 223 227. 236 247. Nguån nu«i mét chiÒu. 9.1. C¸c bé chØnh l−u kh«ng ®iÒu khiÓn 9.2. Bé chØnh l−u cã ®iÒu khiÓn 9.3. M¹ch æn ¸p kiÓu bï 9.4. C¸c vi m¹ch æn ¸p 9.5. Bé æn ¸p kiÓu xung Tµi liÖu tham kh¶o Môc lôc. 266. 179 179 198 203. Trén tÇn. 7.1. C¬ së lý thuyÕt vÒ trén tÇn 7.2. M¹ch trén tÇn 7.3. Vßng kho¸ pha PLL. Ch−¬ng 9.. 142 151 177. 251 254 255 258 260 264 265.

(312) tμi liÖu tham kh¶o 1.. David J. Comer, Electronics Design with Integrated Circuits. Addision - Wesley Publishing Company, Inc., 1981.. 2.. U. Tietze, CH. Schenk, Halbleiter Schaltungstechnik. Springer - Verlag. Berlin. Heidelberg. New York, 1980. Kü thuËt m¹ch b¸n dÉn, b¶n dÞch tiÕng ViÖt cña TrÇn Quang Huy, Trung t©m th«ng tin xuÊt b¶n, Tæng côc B−u ®iÖn, 1988.. 3.. C. J. Savant, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter, Electronics Design - Circuits and System. The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1995.. 4.. Paul Horowitz, Winfield Hill, The art of Electronics. Addision - Wesley Publishing Company, 1981.. 5.. Ph−¬ng Xu©n Nhµn, TÝn hiÖu, m¹ch vµ hÖ thèng v« tuyÕn ®iÖn. Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc vµ Trung häc chuyªn nghiÖp, Hµ Néi, 1980.. 6.. Ph¹m Minh Hµ, Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö. Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc Kü thuËt, Hµ Néi, 1997.. 264.

(313) ChÞu tr¸ch nhiÖm xuÊt b¶n: Chủ tịch HĐQT kiêm tổng giám đốc Ng« TrÇn ¸i Phó tổng giám đốc kiêm tổng biên tập NguyÔn Quý Thao. Biªn tËp vµ söa b¶n in: D−¬ng V¨n B»ng. Tr×nh bµy b×a: Hoµng M¹nh Døa. ChÕ b¶n: TrÇn Quang Vinh. 267.

(314) Nguyªn lý Kü thuËt ®iÖn tö. M∙ sè: 76605M5_DAI In 1000 b¶n, khæ 19 x 27, t¹i NXB Gi¸o dôc Sè in..........., sè xuÊt b¶n..........In xong vµ nép l−u chiÓu th¸ng 11 n¨m 2005. 268.

(315)

Nguyên lý kỹ thuật điện tử

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về