Bài giảng Kỹ thuật mạch điện tử

u chế tín hiệu nhị phân, tín hiệu này có thể truyền trên đ−ờng t−ơng tự. c. Tổng hợp tần số: - Nhân tần: f0=N.fc ; fc: tần số chuẩn - Mạch tổng hợp tần số: cấu tạo và nguyên tắc giống mạch nhân tần chỉ khác tần số chuẩn tr−ớc khi đ−a vào bộ tách sóng pha đ−ợc chia tần với hệ số chia M, khi đó fc=fv/M, Nh− vậy tần số ra đ−ợc xác định : fr=Nfc= cfM N khi ch−ơng trình hoá sự thay đổi các tham số N và M có thể nhận đ−ợc chuỗi tần số có giá trị khác nhau từ tần số ban đầu fv - Đồng bộ tần số: dùng để đồng bộ tần số ra với một tần số vào: Lọc thông thấp & Khuếch đại Mạch dao động VCO Mạch chia tần N:1 fr=Nfcfc Mạch nhân tần dùng PLL tách sóng pha Lọc thông thấp & Khuếch đại Mạch dao động VCO Mạch chia tần N:1 fr=Nfv/M Mạch chia tần M:1 fc Mạch tổng hợp tần số dùng PLL tách sóng pha fv Lọc thông thấp & Khuếch đại Mạch dao động VCO fr=fc fc Mạch đồng bộ tần số dùng PLL tách sóng pha DTT_PTH_VQS 127 Ch−ơng 9. Trộn tần I. Khái niệm 1. Định nghĩa: Trộn tần là quá trình tác động lên 2 tín hiệu sao cho trên đầu ra bộ trộn tần ta nhận đ−ợc các thành phần tần số tổng và hiệu của 2 tín hiệu đó. Thông th−ờng một trong hai tín hiệu là tín hiệu 1 vạch phổ, gọi là tín hiệu ngoại sai: . Tín hiệu còn lại là tín hiệu hữu ích có tần số cố định huặc biến thiên trong phạm vi nào đó, ký hiệu fth. Có nhiều tín hiệu của quá trình trộn tần, nh−ng th−ờng chỉ lấy thành phần mong muốn, ký hiệu là ftg Công cụ thực hiện: thông qua các phần tử tuyến tính và phi tuyến 2. Nguyên lý trộn tần: Giả sử phần tử phi tuyến, đ−ợc biểu diễn theo chuỗi Taylor: i = a0+a1u+ a2u 2+ a3u 3+...+ anu n+... (1) u: điện áp đặt lên phần tử phi tuyếnu=uns+uth u=uns+ uth =Unscosωnst+ Uthcosωtht (2) =>i=a0+a1(Unscosωnst+Uthcosωtht)+ a2(Unscosωnst+Uthcosωtht)2+ + a3(Unscosωnst + Uthcosωtht)3+...+ an(Unscosωnst + Uthcosωtht)n+... (3) Sau khi khai triển ta có: i=a0+a1(Unscosωnst+Uthcosωtht)+a2/2(U2ns+U2th)+a2/2(U2nscos2ωnst+U2thcos2ωtht) + a2UnsUth[cos(ωns+ωth)t + cos(ωns-ωth)t +... (4) ẻ các tín hiệu ra gồm các thành phần: + Thành phần cơ bản: ωns , ωth + Thành phần tổng hiệu: ωns±ωth => + Thành phần bậc 2: 2ωns , 2ωth Căn cứ vào tham số chọn mà có các loại trộn tần khác nhau: + Trộn tần đơn giản,n=m=1, ω=ωns±ωth + Trộn tần tổ hợp: n,m >1. Th−ờng dùng trộn tần đơn giản 3. Phân loại - Theo phần tử tích cực dùng trộn tần: Tuyến tính và phi tuyến - Theo sơ đồ trộn tần: sơ đồ dùng diode, dùng transistor. 4. ứng dụng: Dùng trong máy thu đổi tần để tạo ra tần số trung tần, trong các hệ thống thông tin định h−ớng.... ω =⎜ ±nωns ± mωth ⎜ fns fth ftg Phần tử phi tuyến BomonKTDT-ĐHGTVT 128 II. Hệ ph−ơng trình đặc tr−ng: Dòng điện đi vào và ra bộ trộn tần phụ thuộc vào tất cả các điện áp đặt lên nó, tức là: ir=f(uns uth utg), tổng quát: + uns=Uns cosωnst + uth=Uth cosωtht + utg=Utg cosωtgt Th−ờng Uth, Utg<<Uns, nên có thể biểu diễn gần đúng dòng điện ra theo chuỗi Taylor, với kết quả bỏ qua các số bậc cao: Ir=f(uns) + tgnsthnsnstg tg ns th ns ns uuguusiu fu uf u fu uf )()( )()( ++=∂ ∂+∂ ∂ (5) Vì uns là hàm tuần hoàn theo thời gian. Nên ins, s(uns), g(uns) cùng tuần hoàn theo thời gian, các giá trị này bao gồm nhiều thành phần. ins(uns)=I0+I1 cosωnst+ I2 cos2ωnst + I3 cos3ωnst+.... s(uns)=S0+S1 cosωnst+ S2 cos2ωnst + S3 cos3ωnst+.... g(uns)=G0+G1 cosωnst+ G2 cos2ωnst + G3 cos3ωnst+.... Thay các giá trị này vào (5), ta đ−ợc: ∑ ∑∞ ∞ ++++= 0 0 ])cos()[cos( 2 1cos tntnSUtnIi thnsthnsnthnsnr ωωωωω ])cos()[cos( 2 1 0 tntnGU tgnstgnsntg ωωωω −+++ ∑∞ (6) từ (6)=> tín hiệu ra có các thành phần: nωns± ωth ; ωns± ωth ; nωns ; nếu lấy các số hạng cao của chuỗi Taylor thì còn co các thành phần nωns± mωtg ; nωns± mωth ; nωth ; mωtg . Đặt ωtg = nωns± ωth , từ (6) có tGUtSUi tgntgtgnthr ωω coscos2 1 += (7) => ntgnthtg GUSUI += 2 1 (8) (8) gọi là ph−ơng trình biến đổi thuận của bộ trộn tần, trong đó: + Sn là biên độ hài bậc n của hàm s= th us u uf ∂ ∂ )( + Gn là thành phần một chiều của hàm s= tg us u uf ∂ ∂ )( , đặc tr−ng cho sự thay đổi điện dẫn trong của bộ trộn tần với thành phần tần số trung gian.. Giống nh− dòng ra, dòng vào iv cũng phụ thuộc các tín hiệu: iv=f(uns uth utg) với Uth, Utg< Uns Cũng giống nh− cách phần trên mthmtgth GUSUI += 2 1 (9) + Sm là biên độ thành phần bậc m(=n trên) của hỗ dẫn biến đổi ng−ợc sng= tg us u uf ∂ ∂ )( + Gm là thành phần một chiều của điện dẫn vào gm = th us u uf ∂ ∂ )( Từ (8) và (9) có thể suy ra các tham số của bộ trộn tần : DTT_PTH_VQS 129 + Hỗ dẫn trộn tần: nU th tg tt SU I S tg 2 1 0 == = + Điện dẫn trộn tần: nUth tg tg tt GU I G == =0 + Hệ số khuếch đại tĩnh: th tg tt U U=à + Hỗ dẫn trộn tần ng−ợc: mU tg th ttng SU IS tg 2 1 0 == = + Điện dẫn (trong khi có hiện t−ợng trộn tần ng−ợc): mUtg th th ng GU I G == =0 + Hệ số khuếch đại tĩnh (khi đổi tần ng−ợc): tg th ng U U=à => có thể viết các biểu thức (8) và(9) theo quan điểm mạng 4 cực: tgttthtttg UGUSI += thmtgttngth UGUSI += (10) III. NHiễu trong mạch trộn tần Nh− đã phân tích, khi đặt lên đầu vào mạch trộn tần điện áp tín hiệu với tần số f=fth, nhờ tính chọn lọc của tải, trên đầu ra có thành phần điện áp với tần số ftg=⎜nfns± mfth ⎜ (11) Tuy nhiên cũng có những thành phần tần số khác fth thoả mãn điều kiện(11), nên nó đ−ợc đ−a đến đầu ra bộ trộn tần và gây ra nhiễu trong bộ trộn tần đó. Giả thiết chọn m =n=1 => ftg=fns - fth , biểu thức tổng quát của tín hiệu trung gian: ftg=⎜nfns± mfv ⎜ (12) Tất cả các tín hiệu có tần số fv thoả mãn điều kiện (12) đều có thể đến đ−ợc đầu ra bộ trộn tần, khai triển (12) ta nhận đ−ợc: ftg= nfns± mfv ; ftg= -nfns - mfv ftg= nfns- mfv ; ftg= -nfns+ mfv (13) + ftg= nfns± mfv , nếu ftg > fns nó không thoả mãn điều kiện tần số trung gian đã chọn + ftg= -nfns - mfv , nếu ftg < 0, không có nghĩa. + Vậy chỉ có 2 ph−ơng trình ftg= nfns- mfv ; ftg= -nfns+ mfv, là thoả mãn=> tgnsv fm f m nf 1±= (14) m, n là những số nguyên d−ơng, chỉ quan tâm đến những tần số m, n nhỏ vì những tần số m, n lớn biên độ không đáng kể. Cụ thể ta có các tr−ờng hợp sau: - n=0; m=1, tức là ftg=fv, ta có nhiễu lọt thẳng. - n=1; m=1, fv = fns ±ftg : + fv = fns - ftg, đây chính là tần số tín hiệu vào: fth nên không coi là nhiễu. + fv = fns + ftg, gọi là nhiễu ảnh - m=1; n=2, tức là fv = 2fns ±ftg BomonKTDT-ĐHGTVT 130 Trong các loại nhiễu này, nhiễu lọt thẳng có thể lọc đ−ợc nhờ các mạch lọc đầu vào, nhiễu fv = 2fns ±ftg có thể loại bỏ khi chọn phần tử tích cực làm việc ở chế độ A; chỉ có nhiễu tần số ảnh là khó lọc, nhất là khi ftg <<fth IV. Mạch trộn tần 1. Mạch trộn tần dùng Diode - Mạch trộn tần đơn: mạch tín hiệu và mạch ngoại sai đ−ợc mắt nối tiếp, mạch ghép tín hiệu ra cũng có dạng giống với hai mạch vào, cho nên có thể đổi vai trò của chúng(khi đó gọi là trộn tần ng−ợc). Với loại sơ đồ này, điểm làm việc th−ờng chọn điểm công tác tĩnh ở gần gốc toạ độ của đặc tuyến V-A, để có độ hỗ dẫn S lơn nhất, khi đó ph−ơng trình biểu diễn đặc tuyến V-A đ−ợc tính gần đúng là: )1( 4 1 −= auei , trong đó a: là hằng số đ−ợc xác định bằng thực nghiệm, với nhiễu loại D =.>độ hỗ dẫn au au ea du ed du diS . 4 1))1(4 1( = − == Thực tế chọn D trộn tần loại Silic Uns <1V, và ;loại Gecmani Uns < (2ữ3)V ; để đảm bảo điện áp ng−ợc không gây hỏng D. Vì điện áp ngoại sai là hàm tuần hoàn theo thời gian, nên hỗ dẫn S là một dãy xung vuông với độ rộng xung(xem hình vẽ) phụ thuộc góc cắt tín hiệu θ. Với điểm tĩnh chọn tại gốc toạ độ, θ = 2 ϕ . C C D CUth Uns Utg Mạch trộn tần đơn DTT_PTH_VQS 131 Theo chuỗi Furier ta tính đ−ợc biên độ hài bậc n của S: S n ttdnS n S nsnsn . sin2)(cos2 0 π θωω θ == ∫ Thay 2 πθ = , giả thiết n = 1 và dựa vào biểu thức tính đ−ợc hỗn dẫn trộn tần: π SSS ntt == 2 1 T−ơng tự nh− vậy, điện dẫn trộn tần đ−ợc xác định nh− sau: π θωπ θ StdGGG nsiioitt === ∫ 0 )(1 với 2 πθ = thì 2 SGitt = Để chống tạp âm ngoại sai, dùng sơ đồ trộn tần cân bằng nh− sau: s s 0 ∏/2 ωnst uns uD iD ωnst θ D2 D1 C L L C Uns Uth C L Utg Mạch trộn tần cân bằng BomonKTDT-ĐHGTVT 132 Trong bộ trộn tần cân bằng điện áp tín hiệu đặt lên hai điot ng−ợc pha, còn điện áp ngoại sai đặt lên hai điot cùng pha; nghĩa là tUu thththD ωcos1 = )cos( 2 πω += tUu thththD và nsnsns uuu DD == 21 Do đó dòng điện tần số trung gian qua các điot (do uth tạo ra): tIi thnstgtg )cos(11 ωω −= tItIi thnstgthnstgtg )cos(])cos[( 222 ωωπωω −=+−−= Trên mạch cộng h−ởng ra, ta nhận đ−ợc: tIiii tgtgtgthtg ωcos221 =+= Bên cạnh đó, dòng tạp âm tần số trung gian do nguồn ngoại sai mang đến đặt lên hai điot đồng pha và ng−ợc pha trên mạch cộng h−ởng ra, do đó ta có biểu thức nh− sau: tIi tgtata ωcos11 = tIi tgtata ωcos22 −= Do đó .021 =−= tatata iii Vậy mạch trộn tần cân bằng làm tăng dòng điện trung gian ở đầu ra và có khả năng khử tạp âm tần số trung gian do nguồn ngoại sai mang đến. Ngoài ra, cũng giống nh− trong mạch điều chế cân bằng trên, đầu ra mạch trộn tần cân bằng không có các thành phần tổ hợp ứng với hài bậc chẵn của tín hiệu (ωns ± 2ωth ; ωns ± 4ωth , ...) Cũng giống nh− ở mạch điều chế tín hiệu, dùng mạch trộn tần vòng gồm hai mạch trộn tần cân bằng mắc nối tiếp, sẽ bỏ đ−ợc thành phần không mong muốn: L2 C2 D4 D3 D2 D1 C3 L3 L1 C1 uth uns utg Hình. Mạch trộn tần vòng DTT_PTH_VQS 133 Với cách tính toán giống nh− ở mạch điều chế, ta thu đ−ợc ở đầu ra sơ đồ này chỉ có các thành phần tần số ωns ± ωth , các thành phần khác bị khử , do đó dễ tách đ−ợc thành phần có tần số trung gian mong muốn, bằng các mạch lọc 2. Mạch trộn tần dùng phần tử khuyếch đại. a.Mạch trộn tần dùng tranzistor . Mạch trộn tần dùng tranzistor có thể mắc theo sơ đồ bozo chung hoặc emito chung. Sơ đồ bazo chung th−ờng đ−ợc dùng trong phạm vi tần số cao và siêu cao, vì tần giới hạn của nó cao. Tuy nhiên, sơ đồ bazo chung cho hệ số truyền đạt của bộ trộn tần thấp hơn sơ đồ emito 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 tranzistor. Về nguyên tắc, có thể phân thành sơ đồ trộn tần dùng tranzistor đơn, đẩy kéo và đẩy kéo kép. Hình vẽ d−ới đây là một số cách mắc sơ đồ nguyên lý bộ trộn tần dùng tranzistor đơn. Các sơ đồ đó khác nhau bởi cách đặt điện áp ngoại sai vào tranzistor. E2E1 L C Q uns Uth Sơ đồ EC- uns đ−a vào Emitter E2E1 LC Q uns Uth Sơ đồ EC- uns đ−a vào Bazơ BomonKTDT-ĐHGTVT 134 Trên cơ sở các sơ đồ nguyên lý đó, ng−ời ta đã thiết kế nhiều loại sơ đồ thực tếkhác nhau: + Hinh d−ới đây biểu diễn sơ đồ trộn tần dùng tranzistor đơn, mắc theo kiểu bazo chung với điện áp ngoại sai đặt vào bazo. Điện áp ngoại sai đ−ợc ghép lỏng với bazo của tranzistor trộn tần để tránh ảnh h−ởng t−ơng hỗ giữa mạch tín hiệu và mạch ngoại sai. E2E1 LC Quns Uth Sơ đồ BC- uns đ−a vào Emitter E2E1 L C Q uns Uth . Sơ đồ BC- uns đ−a vào Bazơ DTT_PTH_VQS 135 + Còn hình sau là sơ đồ trộn tần mắc theo kiểu emito chung. Điện áp ngoại sai đ−ợc đặt vào bazo qua một điện trở nhỏ, có trị số khoảng 10 đến 50Ω. Điện trở này có tác dụng hạn chế hiện t−ợng điều chế giao thoa(1). utgC R4 -Vcc R3 R2 R1 Q C C L C C Uth Uns Mạch trộn tần, sơ đồ BC- tín hiệu ngoại sai mắc vào Bazơ CeRe R1 R2 Rc Q Vcc ut g C Mạch trộn tần, sơ đồ EC- tín hiệu ngoại sai mắc vào Bazơ C C Uth C L C Uns BomonKTDT-ĐHGTVT 136 Bằng cách mắc thêm điện trở vào bazo, có thể nâng cao đ−ợc điện trở mặt ghép rbb của tranzistor, do đó nâng cao độ tuyến tính của đặc tuyến tranzistor. + Có thể dùng kiểu khác đó là tín hiệu ngoại sai lấy trực tiếp từ mạch dao động nội: Tranzistor vừa làm nhiệm vụ trộn tần vừa tạo dao động ngoại sai. Điện áp ngoại sai đ−ợc tạo nên nhờ quá trình hồi tiếp d−ơng về emito qua cuộn L2 và L3. Điện áp tín hiệu đ−ợc đặt vào bazo qua biến áp vào BA1. C1 và L1 tạo thành mạch cộng h−ởng nối tiếp đối với tần số trung gian, làm utg sẽ đi xuống đất của mạch mà không qua biến áp, do đó mạch loại trừ đ−ợc hiện t−ợng trộn tần ng−ợc. Để tránh ảnh h−ởng t−ơng hỗ giữa điện áp tín hiệu và điện áp ngoại sai, ng−ời ta kết cấu mạch d−ới dạng một sơ đồ cầu, trong đó Re và Ce là các phần tử ký sinh mạch vào tranzistor. Khi cầu cân bằng thì không còn tồn tại sự liên hệ giữa mạch tín hiệu và mạch ngoại sai nữa. + Loại tiếp theo là mạch trộn tần theo sơ đồ đẩy kéo Loại này có nhiều −u điểm so với sơ đồ đơn: Ce Re C2 R2 L3 L 2 B E uth Vcc utg * L2 L3 L1 C1 BA1 R C2 E B Sơ đồ trộn tần tự dao động DTT_PTH_VQS 137 - Méo phi tuyến nhỏ (hài bậc chẵn bị triệt tiêu); - Phổ tín hiệu ra hẹp; - Liên hệ giữa mạch tín hiệu bà mạch ngoại sai ít; - Khả năng xuất hiện điều chế giao thoa thấp. Vì những −u điểm đó, nên loại mạch này hay đ−ợc dùng trong bộ trộn tần củ máy phát tín hiệu. Do cách mắc mạch, nên điện áp đặt vào tranzistor Q1 và Q2 lần l−ợt là thns uuu +=1 và thns uuu −=2 Do mạch ra đ−ợc mắc đẩy kéo, nên dòng điện ra .21 ccc iii −= với ...)()( ...)()( 2 2102 2 2101 +−+−+= +++++= thnsthnsc thnsthnsc uuauuaai uuauuaai Ta có ...6242 33 3 321 ++++= thnsththnsthc uuauauuauai Thay tUu tUu ththth nsnsns ω ω cos cos = = Và biến đổi ta thấy trong dòng điện ra có các thành phần tần số: ωth , 3ωth , 3ωns ± ωth và 2ωns ± ωth. Sau đây là một sơ đồ trộn tần đẩy kéo thực tế. Trong sơ đồ này không cần nối đất điểm giữa mạch vào và mạch ra, nên kết cấu giản đơn hơn. Đặc điểm của sơ đồ là emito và colecto của hai tranzistor nối với nhau. Khi trở kháng t−ơng đ−ơng của mạch ra đối với tần số ngoại sai (ωns) nhỏ hơn trở kháng t−ơng đ−ơng đối với tần số trung gian (ωtg) nhiều thì có thể coi tranzistor T2 là mạch colecto chung đối với thành phần tần số trung gian. Do đó hạ áp trên RE : URE = uns . Giả thiết ở thời điểm nào đó uns tăng, nên ic2 tăng và URE cũng tăng làm cho điện áp bazo - emito của T1 Vcc C1 Q2 Q1 uth Uns utg Sơ đồ nguyên lý trộn tần kiểu đẩy kéo ic1 ic2 BomonKTDT-ĐHGTVT 138 giảm và ic1 giảm theo. Vậy ic1 và ic2 ng−ợc pha. Phân tích t−ơng tự nh− vậy đối với uth ta thấy uth cũng tạo ra các dòng điện ng−ợc pha ở đầu ra, do đó trong dòng điện ra chứa tân số ωns ± ωth. Mạch ra lọc lấy thành phần mong muốn ωtg = ωns - ωth. b.Mạch trộn tần dùng vi mạch. Dùng vi mạch có thể tạo ra các mạch trộn tần có đặc tính trộn tốt hơn các mạch đã quan sat trên đây, sơ đồ nguyên lý có dạng nh− hình vẽ d−ới đây. Đây là sơ đồ bộ trộn tần đẩy kéo kép. Tranzistor T1 ,T2 ,T3 ,T4 tạo thành một mạch vòng, trong đó emito của T1 và T2 hoặc T3 và T4 đ−ợc điều khiển bởi T5 và T6. Khi không có tín hiệu vào, dòng qua T5 và T6 bằng nhau, do đó dong qua T1 T2 và T3 T4 cũng bằng nhau, sao cho dòng điện qua các chân ra 12 và 13 nh− nhau và bằng nửa dòng điện tổng. Khi có điện áp ngoại sai đặt vào chân 6 và 14 và với trị số nào đó của nó T6 ngắt, chỉ còn dòng chảy qua T5 và dòng chảy qua T1 và T2 cũng bằng một nửa dòng tổng, do đó cũng nh− tr−ờng hợp trên (tr−ờng hợp không có điện áp uns), dòng qua các chân 12 và 13 bằng nhau, t−ơng tự đối với những thời đỉêm khác nhau của điện áp ngoại sai hoặc điện áp tín hiệu, ta đều có kết quả nh− vậy. Dòng điện ở các đầu ra chỉ biến đổi khi điện áp ngoại sai và điện áp tín hiệu đồng thời tác động lên các đầu vào. Vậy đây là sơ đồ trộn tần làm việc theo nguyên tắc nhân tín hiệu nhờ phần tử tuyến tính, giả sử coi phần tử tích cực có hàm truyền đạt dạng: i = a0+a1u, trong đó u= uns.uth ệ i = a0+ (a1UnsUth)/2[cos(ωns+ωth)t + cos(ωns-ωth)t] Nh− vậy i chứa thành phần trung gian ωtg = ωns-ωth Ưu điểm so với sơ đồ đơn: + Hỗ dẫn trộn tần lớn. Vcc R3 Q2Q1 uth uns utg Hình .Mạch trộn tần kiểu đẩy kéo thực tế DTT_PTH_VQS 139 + Không có hài bậc chẵn và hài tần số trung gian. + Chịu đ−ợc điện áp cao. c. Mạch trộn tần dùng FET. FET có quan hệ dòng iD và uGS là quan hệ bậc 2, nên khi trộn tần bằng FET có thể giảm đ−ợc các thành phần bậc cao ở tín hiệu ra và hạn chế đ−ợc hiện t−ợng điều chế giao thoa, bên cạnh đó dùng FET cũng tăng đ−ợc dải động của tín hiệu(có thể với dải UHF) vào và giảm nhiễu. Sơ đồ dùng FET có cá cách mắc(t−ơng ứng là cách lý luận) giống nh− BJT đã xem xét ở trên(SC, GC, đẩy kéo...), ví dụ sơ đồ SC: is Q3 Q2 Q5 Q6 Q4 Q1 Sơ đồ nguyên lý mạch trộn tần kiểu đẩy kéo, d−ới dạng vi mạch 12 13 7 9 6 14 BomonKTDT-ĐHGTVT 140 Vcc Uth Uns Q Utg Mạch trộn tần dùng JFET DTT_PTH_VQS 141 ch−ơng 10. Chuyển đổi t−ơng tự – số và chuyển đổi số – t−ơng tự I. Cơ sở lý thuyết 1. Khái niệm chung: Hiện nay trong các hệ thống thông tin, truyền thông, điện tử dân dụng ...sử dụng chủ yếu là ph−ơng pháp số, nh−ng thực tế các tín hiệu hữu ích: tiếng nói, tín hiệu chuyển đổi đo l−ờng... lại hầu hết là tín hiệu t−ơng tự, cho nên cần phải chuyển đổi sang tín hiệu số, sau đó xử lý để đạt đ−ợc yêu cầu đề ra, và sau cùng là phải chuyển đổi ng−ợc lại từ tín hiệu số về tín hiệu t−ơng tự, có thể khái quát hệ thống đó bằng sơ đồ khối nh− sau: Trong khuôn khổ của môn Kỹ thuật Mạch điện tử, chỉ xem xét phần ADC và DAC, còn các phần khác ta sẽ nghiên cứu trong các môn học: xử lý tín hiệu số, lý thuyết tín hiệu, kỹ thuật số, hệ thống truyền dẫn... Một cách tổng quát, mọi tín hiệu t−ơng tự S(t), đều có thể biểu diễn d−ới dạng các tín hiệu nhị phân(tín hiệu số) theo hàm: S(t)=bn-1.2 n-1 + bn-2.2 n-2 +...+ b1.2 1 + b0.2 0 Trong đó S(t) là tín hiệu tr−ơng tự; bi là tín hiệu số bi nhận 2 giá trị 1 huặc 0. Ví dụ một tín hiệu ở thời điểm t có biên độ là 13V, có thể biểu diễn đơn giản bằng số nhị phân là: 13 =1.23+1.22 +0.21 +1.20 ở công thức trên bn-1 đ−ợc gọi là bít có ý nghĩa lớn nhất, ký hiệu là MSB(Most Significant Bit), và b0 đ−ợc gọi là bít có ý nghĩa nhỏ nhất, ký hiệu là LSB(Least Significant Bit). Huặc có thể mô tả bằng đặc tuyến nh− hình vẽ 1 trang sau; Với một bộ biến đổi N bit nhị phân, thì Q=ULSB= 12 max −N AU (1) UAmax : trị cực đại cho phép của điện áp t−ơng tự đầu vào Q: gọi là mức l−ợng tử. Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc, nên trong quá trình chuyển đổi AD xuất hiện sai số gọi là sai số l−ợng tử hoá, đ−ợc xác định: ADC Các phép xử lý tín hiệu số DAC Tín hiệu t−ơng tự ADC: Anolog Digital Converter: chuyển đổi t−ơng tự số DAC: Digital Anolog Converter: chuyển đổi số t−ơng tự BomonKTDT-ĐHGTVT 142 QUQ 2 1=∆ (2) Chuyển đổi AD cần lấy mẫu tín hiệu t−ơng tự, nên để khôi phục lại tín hiệu đạt chất l−ợng thì phải tuân theo định lý lấy mẫu, tức là tần số tín hiệu lấy mẫu fm phải thoả mãn điều kiện lớn hơn huặc bằng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu Analoge vào: fm≥2fthmax=2B(B: băng tần tín hiệu t−ơng tự). Theo thuyết l−ợng tử hoá, quá trình l−ợng tử hoá sinh ra tạp âm, tạp âm này phản ánh khi thực hiện phép biến đổi ng−ợc DA, có thể coi quá trình l−ợng tử hoá là quá trình cộng tín hiệu XA và tín hiệu tạp âm Xta, ng−ời ta chứng minh đ−ợc tạp âm l−ợng tử hoá có thể coi là tạp âm trắng, khi –Q/2≤ XA ≤ Q/2. Và mật độ phổ công suất của tạp âm đ−ợc xác định: Sta(ω) = taUQ 2 2 12 = ; (3) Trong đó taU 2 : giá trị trung bình bình ph−ơng của điện áp tạp âm Nếu nối với một điện trở tải, có thể xác định đ−ợc công suất tạp âm phản ảnh ở tải là: R QPR .12 2 = (4) Tỉ số tín hiệu/ tạp âm S/N đ−ợc xác đinh bởi công thức: )12(6lg20 .2 lg20)( max −== N ta A U UdB N S (5) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0000 0010 0001 0100 0011 0110 0101 1000 0111 1010 1001 1100 1011 Q ∆UQ Đặc tuyến truyền đạt của bộ biến đổi ADC UD UA DTT_PTH_VQS 143 2. Các tham số cơ bản - Dải biến đổi của điện áp tín hiệu t−ơng tự đầu vào: là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD mà bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi đ−ợc, giá trị này có thể âm, d−ơng, huặc dải từ âm sang d−ơng, thực tế ta cần kết hợp với các mạch nh− hạn biên, nén, nắn... tr−ớc khi đ−a đến IC chuyển đổi AD. - Độ chính xác: th−ờng đặc tr−ng bởi số bit, số l−ợng bít l−ợng tử hoá càng nhiều thì độ chính xác càng cao, th−ờng ta có các IC chuyển đổi AD 8bit, 10 bit, 12bít, 16 bít, 20bít, 32bít...Ngoài ra còn có các thông số khác ảnh h−ởng đến độ chính xác nh−: Sai số lệch không, sai số khuếch đại.... - Tốc độ chuyển đổi: cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, tức là tần số chuyển đổi fc, thông số này phản ảnh khả năng làm việc thời gian thực của hệ thống, trong hệ thống viễn thông nó là thông số tích luỹ độ trễ của tín hiệu, thông số này(fc) phải càng lớn càng tốt. 3.Nguyên tắc làm việc của bộ ADC: Từ hình vẽ suy ra quá trình chuyển đổi t−ơng tự-> số: - Đầu tiên: rời rạc hoá tín hiệu, lấy mẫu tín hiệu t−ơng tự tại những điểm khác nhau và cách đều nhau Lấy mẫu L−ợng tử hoá Mã hoá Tín hiệu analoge Tín hiệu Digital UA UD BomonKTDT-ĐHGTVT 144 - Tiếp theo: giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình l−ợng tử hoá và mã hoá, tín hiệu rời rạc đ−ợc làm tròn với độ chính xác là ±Q/2, theo công thức sau: ZDi=int Q X Q X Q X AiAiAi ∆−= ; (6) Trong đó: XAi- tín hiệu t−ơng tự ở thời điểm i ZDi- tín hiệu số thời điểm i XAi- Số d− trong phép l−ợng tử hoá 5 6 7 8 9 10 11 12 S(t) Rời rạc hoá tín hiệu t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 S(t) Tín hiệu rời rạc t 1 2 3 4 DTT_PTH_VQS 145 - Sau mạch l−ợng tử hoá là mạch mã hoá, th−ờng l−ợng tử hoá ra mã nhị phân, quá trình mã hoá có thể để nguyên mã này hay biến thành các mã khác nh− BCD, Gray, D− 3, Gray d− 3...Quá trình này có thể thực hiện sau l−ợng tử hoá huặc thực hiện đồng thời. II. Các ph−ơng pháp cụ thể: 1. Chuyển đổi t−ơng tự – số: a. Chuyển đổi t−ơng tự- số theo ph−ơng pháp song song: - Điện áp UA đ−ợc đ−a đồng thời đến đầu vào 1 của các bộ so sánh: SS1, SS2,..., SSm, điện áp chuẩn Uch đ−ợc đ−a đến đầu vào thứ 2 qua thang điện trở R, do vậy các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một l−ợng không đổi và giảm dần từ SS1--> SSm. - Tại các đầu ra bộ so sánh: nếu điện áp vào > điện áp chuẩn: cho mức logic là 1, và nếu điện áp vào < điện áp chuẩn: cho mức logic là 0. - Tất cả các tín hiệu ra so sánh nối với mạch Và(And). Chỉ khi có xung nhịp(Ck) đ−a đến mạch And, thì đầu ra mạch And mới có tín hiệu đ−a đến các Flip- Flop(FF). Nh− vậy cứ sau khoảng thời gian xung nhịp lại có một tín hiệu biến đổi và đ−a đến đầu ra, đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mời đ−a tín hiệu số vào bộ nhớ. - Bộ mã hoá biến đổi tín hiệu vào d−ới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi loại này là mạch song song, có tốc độ chuyển đổi nhanh, nh−ng phức tạp hơn mạch nối tiếp, với bộ chuyển đổi N bit, cần (2N –1) bộ so sánh, And, FF. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0000 0010 0001 0100 0011 0110 0101 1000 0111 1010 1001 1100 1011 L−ợng tử hoá tín hiệu rời rạc UD UA BomonKTDT-ĐHGTVT 146 b. Chuyển đổi t−ơng tự - số theo ph−ơng pháp phân đoạn từng bit. - Mạch chuyển đổi đ−ợc chia thành các tầng, số tầng t−ơng ứng với số bit. - Giả sử tín hiệu vào biến thiên trong khoảng: 0-UAmax, chia làm 2 phần bằng nhau, khi đó ranh giới giữa 2 phần là UAmax/2, lấy chính điện áp này làm điện áp chuẩn. Tín hiệu cần biến đổi, đ−ợc so sánh với mức điện áp này: khi UA(1) < UAmax/2, thì B1=0; và khi UA(1) ≥ UAmax/2, thì B1=1; - Tín hiệu số ứng với bít thứ nhất B1, một mặt đ−ợc l−u, một mặt đ−ợc đ−a đến bộ biến đổi ng−ợc DA, trên đầu ra của mạch DA: một bit là tín hiệu t−ơng tự ứng với bit có nghĩa lớn nhất MSB(khi B1=1, U’A(1)=UAmax/2; B1=0, U’A(1)=0). - Mạch hiệu cho ra số d− tín hiệu t−ơng tự sau khi đã xác định đ−ợc bit thứ nhất(UA -U’A(1)). Số d− này đ−ợc đ−a đến tầng thứ 2, tiếp tục xác định bit B2 theo ph−ơng pháp trên... Nh− vậy tín hiệu chuẩn của bit N sẽ là UchN= UAmax/2N. - Tuy nhiên: thay cho việc giảm dần trị số của các điện áp chuẩn(nh− vậy R R R R Ck UA Uch FF FF FF FF Mã Hoá UD Chuyển đổi AD kiểu song song SS1 SS2 SS3 SSm DTT_PTH_VQS 147 giá trị sẽ rất nhỏ, khó thực hiện so sánh), tiến hành nhân đôi điện áp d− sau mỗi tầng, nh− vậy điện áp chuẩn cho tất cả các tầng vẫn là UAmax/2. So với ph−ơng pháp chuyển đổi song song, để xác định N bít cần thực hiện N b−ớc so sánh, nh−ng it phức tạp hơn. Ph−ơng pháp này th−ờng đ−ợc làm cơ sở để phân tích c. Chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp - Điện áp t−ơng tự UA đ−ợc so sánh với một giá trị −ớc l−ợng cho tr−ớc UM, gọi Ud là giá trị sai số của UA và UM: nếu UA > UM => Ud >0; và UA Ud < 0. - Ud đ−ợc khuếch đại và đ−a đến bộ so sánh số SS: nếu Ud >0 => đầu ra bộ SS có +A=1; và nếu Ud đầu ra bộ SS có -A=1. - Kết quả so sánh đ−ợc đ−a đồng thời với tín hiệu xung nhịp Ck và bộ logic số, mach logic sẽ điều khiển bộ đếm theo nguyên tắc: ứng với +A thì bộ đếm thuận, và -A thì bộ đếm ng−ợc, trên đầu ra bộ chuyển đổi AD sẽ có chuỗi tín hiệu số ứng với mã đếm của bộ đếm, tín hiệu đi đ−ợc một vòng ứng với chu kỳ xung nhịp. - Tín hiệu số xác định trong b−ớc so sánh nhứ nhất đ−ợc biến đổi ng−ợc DA, để tạo một giá trị −ớc l−ợng mới để so sánh với UA trong b−ớc tiếp theo. So sánh UA UAmax/2 AD một bit DA một bit Mạch hiệu B1 So sánh UAmax/2 UA(1) U’A(1) Tầng thứ nhất Tầng thứ hai Sơ đồ khối bộ chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp phân đoạn từng bit So sánh UA So sánh Logic Số Mạch đếm Ck Sơ đồ khối bộ chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp vòng hồi tiếp KĐ DA +A -A UM UD Ud BomonKTDT-ĐHGTVT 148 - Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi ⎢Uh⎢<Q/2, lúc đó +A= -A=0, do vậy mạch đếm giữ nguyên trạng thái và đầu ra nhận đ−ợc kết qủa chuyển đổi thành tín hiệu số của UA. - Nếu UM càng tiến gần đến UA, thì chuyển đổi càng chính xác. Nếu tín hiệu UA biến đổi càng chậm thì càng chính xác. So với các ph−ơng pháp trên, ph−ơng pháp này đơn giản vì có các linh kiện đ−ợc tái sử dụng, tốc độ chuyển đổi không cao, nh−ng có độ chính xác cao d. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp đếm đơn giản - Bộ so sánh1 SS1 so sánh điện áp chuẩn răng c−a và điện áp UA, khi UA> UC thì Uss1=1, khi khi UA < UC thì Uss1=0. - Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng c−a với mức đất của mạch(0V), với tính chất cũng nh− mạch SS1. - Uss1 và Uss2 đ−ợc đ−a đến mạch And, xung ra UG có độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện áp vào UA . - Mach And thứ 2 chỉ cho ra các xung nhịp trong khoảng thời gian 0 > UC < UA. Mạch đếm đầu ra sẽ đếm số xung đó, số xung này tỉ lệ với độ lớn của UA. Giản đồ d−ới đây mô tả rõ hơn ph−ơng pháp này Điện áp răng c−a Mạch đếm Ck UA SS1 SS2 USS1 USS2 UG UD Sơ đồ khối của chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp đếm đơn giản U UA UC DTT_PTH_VQS 149 e. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp tích phân 2 s−ờn dốc - Mach logic điều khiển khoá K ở 1 thì UA nạp cho tụ C qua R, trên đầu ra mạch tích phân xác định đ−ợc: tU RC dtU RC U AAC 11' ∫ == ; nh− vậy sau khoảng t1, ta có: 11 1' tURCU AC = UC1 tỉ lệ với UA, tuỳ theo UA lớn hay nhỏ mà U’C(t) có độ dốc khác nhau - Trong khoảng t1 bộ đếm Z0 cũng đ−ợc kích đếm, hết thời gian t1 khoá K đ−ợc mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng đ−ợc đ−a đến mạch And, làm cho mạch này tích cực, thông xung nhịp, và bộ đếm bắt đầu đếm, đồng thời bộ đếm Z0 đ−ợc kích ngừng đếm. - Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn Uch bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ng−ợc lại theo ph−ơng trình nạp: UC U’C1 U’C2 t1 t2 t’2 t Đồ thị thời gian trên mạch tích phân C R UA Mạch đếm Uch K 21 A1 A2 SS Mạch logic Mạch đếm Z0 UD Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp tích phân 2 s−ờn dốc BomonKTDT-ĐHGTVT 150 tU RC U chC 1'' −= sau khoảng t2 ta đ−ợc 22 1'' tURCU chCt −= Giả sử sau khoảng t2 ta có ⎢U’c⎢= ⎢U’’c⎢(điện áp trên tụ bằng 0) 12 11 tU RC tU RC Ach = => 12 tU Ut ch A= (7) Mặt khác số xung đ−a đến mạch đếm Z0 trong khoảng t1 : Z0= t1.fn (8); trong đó fn tần số dãy xung nhịp Từ (7) và (8)=> nch A f Z U Ut 02 .= (9) Trong đó số xung nhịp đếm đ−ợc nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng t2: A chch A n UU ZZ U UftZ 002 === (10) Sau khoảng t2 mạch đếm ra bị ngắt, vì Uc=0 Qoá trình trên đ−ợc lặp đi lặp lại trong chu kỳ chuyển đổi tiếp theo. Từ (10) ta thấy số xung đếm ở đầu ra tỉ lệ với UA, kết quả đếm độc lập với R,C, fn, nh−ng ph−ơng pháp này cần tần số xung nhịp có độ ổn định cao(sao cho trị số là nh− nhau trong 2 khoảng thời gian t1, và t2). f. Chuyển đổi AD theo ph−ơng pháp song song- nối tiếp Đây là ph−ơng pháp kết hợp của 2 ph−ơng pháp song song và phân đoạn đã trình bày ở trên. h. Chuyển đổi AD phi tuyến: Quay lại công thức QUQ 2 1=∆ , ta thấy sai số tuyệt đối của chuyển đổi AD không đổi còn sai số t−ơng đối tăng khi biên độ tín hiệu giảm, muốn thông số này không đổi , thì đ−ờng đặc tính phải có dạng loga, sao cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N không đổi trên toàn dải t−ơng tự vào. Hàm đặc tr−ng của chuyển đổi AD : 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0 0,2 0,1 0,4 0,3 0,6 0,5 0,8 0,7 1,0 0,9 1,2 1,1 Đ−ờng đặc tính loga với à=100 y x y=x )1ln( )1ln( à à + += xy DTT_PTH_VQS 151 )1ln( )1ln( à à + += xy (12) Trong đó x =UA/ UAmax ; y =UD/ UDmax Để chuyển đổi từ tín hiệu số thành tín hiệu t−ơng tự thì đ−ờng đặc tính DA phải có dạng ng−ợc với đ−ờng AD. Ph−ơng pháp chuyển đổi này đ−ợc dùng trong mạng điện thoại, với tên gọi điều chế xung mã PCM(xem thêm ở môn PDH), tỉ số S/N đều trên toàn dải sẽ làm cho chất l−ợng đàm thoại tăng, với các tham số à chọn khác nhau ứng với 2 chuẩn lớn là Châu âu và Bắc Mỹ 2. Chuyển đổi số – t−ơng tự (DA) DAC là quá trình chuyển đổi tìm lại tín hiệu t−ơng tự từ N số hạng(N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức l−ợng tử (1LSB). Chuyển đổi số – t−ơng tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi t−ơng tự- số, vì không thực hiện đ−ợc phép nghịch đảo trong quá trình l−ợng tử hoá. Chuyển đổi loại này đơn giản hơn DA rất nhiều, có sơ đồ khối nh− sau: a, Chuyển đổi DA bằng ph−ơng pháp thang điện trở - Trên đầu vào bộ khuếch đại thuật toán là một mạng điện trở có giá trị thay đổi theo cơ số nhị phân, các điện trở lân cận nhau có trị số hơn kém nhau 2 lần. - Tín hiệu điều khiển chính là tín hiệu số cần chuyển đổi, bit có nghĩa nhỏ nhất LSB đ−ợc đ−a đến điều khiển khoá nối với điện trở lớn nhất(R), bít có nghĩa tiếp theo với R/2....và MSB với R/2N-1 - Nếu một bit có giá trị 0 thì khoá t−ơng ứng nối đất của mạch, nếu là 1 thì nối với nguồn áp chuẩn: Uch, nhằm tạo nên dòng điện tỉ lệ nghịch với trị số điện trở của nhánh đó, tức là I0 có trị số nhỏ nhất, tiếp đến là I1 và lớn nhất là IN-1. - Dòng điện sinh ra trong các nhánh điện trở đ−ợc đ−a đến đầu vào KĐTT, điện áp ra ở đầu ra : ∑− = −= 1 0 N n nNM IRU (13) DA Lọc thông thấp UD UA Tín hiệu rời rạc Sơ đồ khối chuyển đổi DA 5 6 7 8 9 1 1 11 2 3 4 BomonKTDT-ĐHGTVT 152 Ta thấy điện áp t−ơng tự UM có độ chính xác phụ thuộc rất lớn vào nguồn áp và các điện trở chuẩn, cho nên để có độ chính xác cao, yêu cầu về các điện trở và nguồn phải chính xác. b, Chuyển đổi DA bằng ph−ơng pháp mạng điện trở - Các nguồn dòng có giá trị bằng nhau =I0 - Tín hiệu số đựơc đ−a đến khoá K, khi một tín hiệu điều khiển t−ơng ứng của bít nào đó là 0, thì nguồn I0 đ−ợc ngắn mạch xuống đất của mạch, tín hiệu điều khiển là 1, khi đó mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng. - Điện trở nhánh dọc có giá trị gấp đôi nhánh ngang, nên dòng đi qua mỗi khâu điện trở giảm đi một nửa. Dòng điện ứng với bít LSB đi qua (N-1) khâu, dòng có giá trị kế tiếp đi qua (N-2) khâu..., dòng ứng với bít MSB không qua khâu nào(I0 đ−a trực tiếp vào KĐTT). Nh− vậy các dòng điện ở cửa vào KĐTT có trị số t−ơng ứng với bit mà nó đại điện, giảm dần theo mã nhị phân từ MSB--> LSB. Sơ đồ này có nh−ợc điểm là số điện trở dùng nhiều: chuyển đổi DA N bit cần 2(N-1) điện trở(Ph−ơng pháp thang điện trở chỉ cần dùng N điện trở) Uch RN R/2N-1R/2 R K (tín hiệu số) 20 21 2N-1 UM Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DA theo ph−ơng pháp thang điện trở DTT_PTH_VQS 153 c, Chuyển đổi DA bằng ph−ơng pháp m∙ hoá Shannon-Rack - Thực hiện quá trình chuyển đổi nối tiếp từng bit, tín hiệu điều khiển số đ−ợc đ−a vào tuần từ : LSB--> MSB đến khoá điều khiển K1 - Nếu thời gian chuyển đổi 1 bit là T thì trong nửa thời gian đầu T/2 K2 mở, K1 đóng(tín hiệu là 1) huặc K1 mở(tín hiệu là 0). Khi K1 đóng(bit 1) tụ điện đ−ợc nạp điện. Sang nửa thời gian thứ2 T/2, K1 mở và K2 đóng, tụ C phóng điện qua R và UC giảm dần. Quá trình đó lặp đi lặp lại khi lần l−ợt đ−a đến các bít điều khiển K1, nh− vậy thời gian chuyển đổi N bit là NT. Sau khoảng thời gian NT này điện áp còn lại trên tụ chính là điện áp t−ơng tự cần chuyển đổi. Với thời gian T theo điều kiện: T =1,4RC (14) + UrR2 R1RCIch K2 I0 RN 2RR R 2R2R 2R I0 I0 I0 2 21 2N-2 2N-1 i0 i1 in-2 in-1 K (tín hiệu số) UM BomonKTDT-ĐHGTVT 154 Phần bài tập: I. Bài tập Transistor – chế độ động Bài 1 . Cho mạch nh− hình 1. Biết R1 = 20K; R2 = 2K; Rc = 10K; RE= 1K; RL = 10K. Biết βdc = 100; Rs = 1K. Viết biểu thức điện áp ra trên trở tải RL . Vcc=12V. Bài 2. Cho mạch CC nh− hình 2. Với R1 = 30K; R2 = 3K; RE = 12K; RL = 2K. Rs=1K. Tìm biểu thức tính giá trị điện áp ra. C1 Rs C2 0.01 Vcc 1kHz V1 -10m/10mV Q1 2N2222 RLRE R2 R1 Bài 3. Cho mạch CB nh− hình H3. Biết Rs=50; RE = 20K; R1=20K; R2=2K; Rc= 10K; RE = 1K. Tìm biểu thức tính giá trị điện áp ra trên RL. với RL = 5,1K. C Vcc R1 R2 RL C2 Rc Q1 NPN RE C1 1uFRs 1kHz V1 -10m/10mV Rs C2 0.01 C1 0.01 Vcc 1kHz V1 -10m/10mV C3 1uF Q1 2N2222 RL RE RC R2 R1 H 1 C E H 2 H 3 DTT_PTH_VQS 155 II.Bài tập KTĐT - Phần Khuếch đại công suất 1. Cho mạch khuếch đại chế độ A Cho R1, R2, Re, RL, các tham số: UBE, β, câu hỏi: a. Viết ph−ơng trình và vẽ đ−ờng tải tĩnh, động. b. Tính công suất ra, công suất cung cấp một chiều, hiệu suất. 2. Bộ khuếch đại ghép biến áp: Cho R1, R2, Re, RL, các tham số: UBE, β, câu hỏi: a. Viết phuơng trình và vẽ đ−ờng tải tĩnh và động. b. Tính công suất ra, công suất cung cấp một chiều, hiệu suất. III. Phần Khếch đại thuật toán. n:1 + - Vin Vcc C1 CE Q1 NPN RL RER1 R2 + - Vin Vcc L C1 C2 CE Q1 NPN RL RER1 R2 BomonKTDT-ĐHGTVT 156 Bài 1 - bài 10: Tìm điện áp ra trên cơ sở điện áp vào đối với các mạch sau: 60 V1 Vout IDEAL 10k R5 5k R3 5k10k 10k Vout V2 V1 U1 IDEAL 5k 10k 10k 5k Hình 3 V1 V2 Vout IDEAL 1k 1k 5k 10k Hình 2 V1 V2 Vout IDEAL5k 2k 10k 1k Hình 4 V3 V1 V2 Vout IDEAL 10k 5k 50k 25k 4k Hình 5 V2 V1 V3 Vout IDEAL1k 10k 5k 1k 2k Hình 6 V1 V2 V3 V4 Vout IDEAL 8k 6k 5k 10k 10k Hình 1 Hình 7 V3 V4 Vout IDEAL R2 5k 3k 20k 10k 30k Hình 8 DTT_PTH_VQS 157 Trong các bài sau (từ 11-15) hãy thiết kế mạch KĐTT để có đ−ợc mối quan hệ sau: Bài 11 v0 = 3v1 + 11v2 - v3 - 10v4 Bài 12 v0 = 8v1 + 81v2 - 24v3 - 39v4 Bài 13 v0 = 60v1 + 18v2 - 3v3 - 11v4 Bài 14 v0 = 3v1 + 4v2 +63 v3 -14v4 – 55v5 Bài 15 Thiết kế mạch (sử dụng bộ KĐTT) thực hiện hàm: y = 2.a + 21 dt db + 31 ∫ c dt . Bài 16. Thiết kế mạch (sử dụng bộ KĐTT) thực hiện hàm: y = 32. a – 2 dt db – 52 ∫ c dt . Bài 17. Thiết kế mạch thực hiện hàm: Y=37lnx+23expx Bài 18. Thiết kế mạch thực hiện hàm: Y=37lnx1+2x1.x2 Bài 19. Thiết kế mạch thực hiện hàm: Y=31lnx1+9x1/x2 Bài 20. Thiết kế mạch thực hiện hàm: Y=7expx1-2x1.x2+x1/x2 (với a, b, c, x1, x2 là điện áp vào; y, Y là các giá trị điện áp ra). IDEAL Vout1 V1 V1 IDEAL 100k 100k 50k 50k 50k Hình 9 10k 10k 10k Vout IDEAL 10k V2 10k IDEAL 10k V1 10k IDEAL 10k Hình 10 BomonKTDT-ĐHGTVT 158 Tài liệu tham khảo: 1. Electronics circuits, Ghausi, ISBN Editor , 1982 2. Kỹ thuật Mạch điện tử, Phạm Minh Hà, NXB KHKT 1999. 3. Điện tử Công suất, Nguyễn Bính, NXB KHKT 2000. 4. Industrial Electronics and control, SK BHATTACHARYA, ISBN Editor, 1995 DTT_PTH_VQS 159 Mục lục: Ch−ơng I. Những khái niệm chung và cơ sở phân tích mạch điện tử .............. 4 I. Mạch điện tử: ............................................................................................4 II. Các kiến thức cơ bản về transistor...........................................4 III. Mạch cấp nguồn và ổn định chế độ làm việc........................5 2. Với BJT. ......................................................................................................... 5 3. với FET .......................................................................................................... 7 Ch−ơng 2. Hồi tiếp........................................................................................... 9 I. Khái niệm:....................................................................................................9 1. Định nghĩa: .................................................................................................... 9 3. Các ph−ơng trình cơ bản: ............................................................................. 11 III. Ph−ơng pháp phân tích mạch có hồi tiếp: ............................12 a, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép nối tiếp .......................................................... 12 b, Hồi tiếp âm điện áp, ghép nối tiếp .............................................................. 13 c, Hồi tiếp âm điện áp, ghép song song .......................................................... 14 d, Hồi tiếp âm dòng điện, ghép song song...................................................... 15 IV. ảnh h−ởng của hồi tiếp đến các thống số của mạch. ....16 Ch−ơng 3. Các sơ đồ cơ bản của tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor ... 17 I. Khái niệm...................................................................................................17 II. Phân tích mạch khuếch đại bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng....17 1. Mạch t−ơng đ−ơng của Transistor ............................................................... 17 2. Mạch t−ơng đ−ơng kiểu EC: ........................................................................ 18 3. Mạch t−ơng đ−ơng kiểu BC: ........................................................................ 18 4. Mạch t−ơng đ−ơng kiểu CC: ........................................................................ 19 5. Phân tích mạch khuếch đại bằng mạch t−ơng đ−ơng................................... 19 III. Tính toán các thông số ở chế độ động..................................20 IV. Transistor Tr−ờng- FET..................................................................21 V. Các ph−ơng pháp Ghép tầng giữa các bộ khuếch đại ......23 1. Ghép RC....................................................................................................... 23 2. Ghép biến áp ................................................................................................ 24 3. Ghép trực tiếp............................................................................................... 25 4. Các kiểu ghép transistor khác ...................................................................... 25 5. Mạch khuếch đại vi sai ................................................................................ 26 Ch−ơng 4 . Khuếch đại công suất .................................................................. 29 I. Định nghĩa và phân loại ...................................................................29 II. Mạch khuếch đại chế độ A..............................................................29 III. Mạch khuếch đại chế độ B. ...........................................................30 a. Mạch khuếch đại đẩy kéo............................................................................. 31 b. Mạch khuếch đại đẩy kéo, đối xứng bù (ng−ợc)......................................... 32 c. Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 2 nguồn cung cấp. ................................. 33 d. Mạch khuếch đại kết cuối đơn với 1 nguồn cung cấp.................................. 34 IV. Mạch khuếch đại chế độ C. ...........................................................34 Ch−ơng 5. Khuếch đại thuật toán .................................................................. 37 I. cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier).....................................................................................................37 II. các tham số cơ bản của bộ kđtt..................................................38 BomonKTDT-ĐHGTVT 160 1. Hệ số khuếch đại hiệu Kd............................................................................ 38 2. Dòng vào tĩnh và điện áp lệch không........................................................... 39 3. Tỷ số nén tín hiệu đồng pha........................................................................ 39 III. Các sơ đồ cơ bản của bộ KĐTT ......................................................40 1. Bộ khuếch đại đảo........................................................................................ 40 2. Mạch khuếch đại không đảo ........................................................................ 41 3. Mạch khuếch đại tổng.................................................................................. 42 4. Mạch khuếch đại hiệu.................................................................................. 42 5. Mạch tích phân............................................................................................. 43 6. Mạch vi phân................................................................................................ 44 7. Mạch so sánh ............................................................................................... 45 8. Mạch khuếch đại logarit .............................................................................. 45 9. Mạch exp: .................................................................................................... 46 10. Mạch nhân(chia) t−ơng tự:......................................................................... 47 IV. Phần Bài tập ..........................................................................................47 1. Bài toán thuận .............................................................................................. 47 2. Bài toán ng−ợc ............................................................................................. 49 Ch−ơng 5 .Mạch lọc tích cực. ........................................................................ 53 I. Khái niệm về mạch lọc tần số........................................................53 II. Mạch lọc thụ động ............................................................................54 III. Mạch lọc tích cực.............................................................................56 1 Thực hiện mạch lọc thông thấp và thông cao bậc 2. ..................................... 58 2. Thực hiện mạch lọc thông thấp và thông cao bậc cao, n>2. ........................ 61 3. Mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải.................................................... 61 4. Mạch nén chọn lọc....................................................................................... 64 Ch−ơng 6.Các mạch dao động ....................................................................... 66 I. KháI niệm...................................................................................................66 1.Điều kiện dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động............................. 68 2. Tính toán mạch dao động............................................................................. 68 II. Các loại mạch dao động ..................................................................70 1. Mạch dao động L,C...................................................................................... 70 2. Mạch dao động R,C ..................................................................................... 76 3. Mạch dao động dùng thạch anh. .................................................................. 82 Ch−ơng7. điều chế biên độ ............................................................................ 87 I. Định nghĩa................................................................................................87 II.điều biên(AM)...........................................................................................87 1 Phổ của tín hiệu điều biên............................................................................. 87 2 Quan hệ năng l−ợng trong điều chế biên độ ................................................. 88 3. Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đã điều biên ............................................ 89 4. Ph−ơng pháp tính toán mạch điều biên ........................................................ 91 5. Mạch điều biên cụ thể.................................................................................. 93 III. Điều chế đơn biên..............................................................................96 1. Khái niệm..................................................................................................... 96 2. Các ph−ơng pháp điều chế đơn biên ............................................................ 96 IV.điều tần(fm) và điều pha(PM) .......................................................100 1. Các công thức cơ bản và mối quan hệ của hai ph−ơng pháp...................... 100 2, Phổ của dao động đã điều tần và điều pha ................................................. 101 3, Mạch điều tần và điều pha ................................................................................. 101 DTT_PTH_VQS 161 4.Một số biện pháp để nâng cao chất l−ợng tín hiệu điều tần........................ 108 Ch−ơng 8. Giải điều chế(tách sóng) ............................................................ 109 I. Khái niệm:................................................................................................109 1. Các tham số cơ bản của tách sóng biên độ: ............................................... 109 2. Mạch tách sóng biên độ: ............................................................................ 110 III. Tách sóng tín hiệu điều tần......................................................115 Mạch có dạng nh− hình vẽ d−ới đây: ............................................................. 116 IV. Vòng khóa pha PLL(Phase Locked Loop) ...............................123 1. Cấu tạo ....................................................................................................... 123 2. Nguyên tắc hoạt động: ............................................................................... 124 3. ứng dụng của PLL..................................................................................... 125 Ch−ơng 9. Trộn tần ...................................................................................... 127 I. Khái niệm.................................................................................................127 1. Định nghĩa: ................................................................................................ 127 2. Nguyên lý trộn tần: .................................................................................... 127 II. Hệ ph−ơng trình đặc tr−ng:.......................................................128 III. NHiễu trong mạch trộn tần ......................................................129 IV. Mạch trộn tần...................................................................................130 1. Mạch trộn tần dùng Diode ......................................................................... 130 2. Mạch trộn tần dùng phần tử khuyếch đại................................................... 133 Ch−ơng 10. Chuyển đổi t−ơng tự – số ......................................................... 141 và chuyển đổi số – t−ơng tự ......................................................................... 141 I. Cơ sở lý thuyết....................................................................................141 1. Khái niệm chung:....................................................................................... 141 2. Các tham số cơ bản .................................................................................... 143 3.Nguyên tắc làm việc của bộ ADC:.............................................................. 143 II. Các ph−ơng pháp cụ thể:...............................................................145 1. Chuyển đổi t−ơng tự – số: .......................................................................... 145 2. Chuyển đổi số – t−ơng tự (DA).................................................................. 151 Phần bài tập:................................................................................................. 154 I. Bài tập Transistor – chế độ động ..............................................154 II.Bài tập KTĐT - Phần Khuếch đại công suất............................155 1. Cho mạch khuếch đại chế độ A ................................................................. 155 2. Bộ khuếch đại ghép biến áp: ...................................................................... 155 III. Phần Khếch đại thuật toán. ......................................................155 Tài liệu tham khảo: ...................................................................................... 158