Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 5: Trộn tần

Trường Đại Học Cụng Nghệ Thụng TinKHOA MẠNG & TRUYỀN THễNGBÀI GIẢNG NHẬP MễN ĐIỆN TỬ THÁNG 9/2012Chương 5: Trộn tầnCơ sở lý thuyếtMạch trộn tần dựng điốtMạch trộn tần dựng tranzitoBộ trộn bằng vi mạch tớch hợpNhiễu trong mạch trộn tầnCơ sở lý thuyếta). Định nghĩa: Trộn tần là quỏ trỡnh tỏc dụng vào hai tớn hiệu sao cho trờn đầu ra bộ trộn tần nhận được cỏc thành phần tần số tổng và hiệu của hai tớn hiệu đú (thường lấy hiệu tần số). Cú hai tớn hiệu: - Tớn hiệu đơn õm (cú một vạch phổ): tớn hiệu ngoại sai và cú tần số fns.; - Tớn hiệu hữu ớch với tần số fth cố định hoặc biến thiờn trong một phạm vi nào đú. Tớn hiệu cú tần số mong muốn ở đầu ra được tỏch nhờ bộ lọc, là tần số trung gian ftg. Để thực hiện trộn tần phải dựng phần tử phi tuyến (cỏc linh kiện bỏn dẫn) hoặc dựng phần tử tuyến tớnh tham số.b). Nguyờn lý trộn tầnPhần tử phi tuyến được biểu diễn theo chuỗi Taylor: i = a0+a1u+ a2u2+ a3u3+...+ anun+...Điện ỏp đặt lờn phần tử phi tuyến: u=uns+uth=Unscosωnst+ Uthcosωtht i = a0+a1(Unscosωnst+Uthcosωtht)+ a2(Unscosωnst+Uthcosωtht)2+ + a3(Unscosωnst + Uthcosωtht)3+...+ an(Unscosωnst +Uthcosωtht)n+...Cỏc tớn hiệu ra gồm cỏc thành phần: + Thành phần cơ bản: ωns, ωth; + Cỏc thành phần tần số tổng và hiệu ωns ± ωth; + Thành phần bậc 2: 2ωns, 2ωth; + Thành phần bậc cao: ω = ± nωns ± mωth Nếu chọn n = m = 1, đầu ra bộ trộn tần lấy tớn hiệu cú tần số ω=ωns - ωth : trộn tần đơn giản (thường chọn). Trường hợp lấy ω = n.ωns - mωth với n,m ≥ 2 : trộn tần tổ hợp.Phõn loại: + Trộn tần bằng phần tử tuyến tớnh tham số (mạch nhõn); + Trộn tần bằng phần tử phi tuyến (diot, transitor,..) + Trộn tần bằng chuyển phổ (về tần số thấp hoặc cao tựy thuộc vào vị trớ tương đối giữa tần số đầu vào fth với tần số trung gian ftg đầu ra).Ứng dụng:- Trộn tần được dựng trong mỏy thu đổi tần. Nhờ bộ trộn tần, mạch cộng hưởng của cỏc tầng trung gian của mỏy thu tần được điều chỉnh cộng hưởng ở một tần số cố định. Tần số ngoại sai được đồng chuẩn với tần số tớn hiệu vào sao cho ftg = fns - fth = const.- Được dựng trong HTTT định hướng và trong cỏc bộ tổng hợp tần số.c). Hệ phương trỡnh đặc trưng:+ Dòng điện đi ra: ir=f(uns ,uth ,utg) với: uns=Uns cosωnst uth=Uth cosωtht utg=Utg cosωtgt thường Uth, Utg<<Uns ir=Với: 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+.... Đặt ωtg = nωns± ωth : Phương trình biến đổi thuận - Sn là biên độ hài bậc n của hàm- Gn là thành phần một chiều của hàm+ Dòng điện đi vào: iv=f(uns ,uth ,utg) với Uth, Utg< Uns- Sm:biên độ thành phần bậc m(=n trên) của hỗ dẫn biến đổi ngược- Gm: thành phần một chiều của điện dẫn vào: Phương trình biến đổi ngượcd). Các tham số của bộ trộn tần :+ Hỗ dẫn trộn tần:+ Điện dẫn trộn tần:+ Hệ số khuếch đại tĩnh:+ Hỗ dẫn trộn tần ngược:+ Điện dẫn (trong khi có hiện tượng trộn tần ngược):+ Hệ số khuếch đại tĩnh (khi đổi tần ngược):2. Mạch trộn tần dựng điốti, Mạch trộn tần đơn: Phương trình biểu diễn đặc tuyến V-A:a: là hằng số được xác định bằng thực nghiệmii, Mạch trộn tần cõn bằng: 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.iii, Mạch trộn tần vũng:Với cách tính toán giống như ở mạch điều chế, ta thu được 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 được thành phần có tần số trung gian mong muốn, bằng các mạch lọc.3. Mạch trộn tần dựng tranzito.Ưu điểm của mạch trộn tần kiểu này là ngoài nhiệm vụ trộn tần cũn khuếch đại nờn tớn hiệu ra cú biờn độ lớn. Cú thể dựng tranzito trường hay tranzito lưỡng cực để trộn tần. Cú thể dựng cỏch mắc Bozo (mạch gốc) chung hay Emitto (mạch phỏt) chung.Mạch mắc B chung dựng ở phạm vi tần số cao hay siờu cao vỡ tần số giới hạn của nú cao. Tuy nhiờn sơ đồ này độ khuếch đại khụng bằng mạch E 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.- Cú mạch trộn tần dựng tranzito đơn, tranzito đẩy kộo hoặc tranzito đẩy kộo kộp.i, Mạch trộn tần dựng tranzito đơnEC- uns đưa vào BazoEC- uns đưa vào EmittoBC- uns đưa vào EmittoBC- uns đưa vào BazoĐiện áp ngoại sai được ghép lỏng với bazo của tranzistor trộn tần để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa mạch tín hiệu và mạch ngoại sai.ii, Mạch trộn tần dựng tranzito đẩy kộo- Ở mạch này T1, T2 mắc C chung đối với uth và uns. Khi uns tăng dũng iC2 tăng → uRE tăng →iC1 giảm. Cũn khi uth tăng dũng iC1 tăng → uRE tăng → iC2 giảm. Như vậy uth và uns tạo ra dũng ở đầu ra iC ngược pha nhau, do đú dũng điện ra chứa tần số ωtg = ωns - ωth cho ra tớn hiệu tần số trung gian.Ưu điểm: Méo phi tuyến nhỏ (hài bậc chẵn bị triệt tiêu); - Phổ tín hiệu ra hẹp;Liên hệ giữa mạch tín hiệu và mạch ngoại sai ít; Khả năng xuất hiện điều chế giao thoa thấp.Vì những ưu điểm đó, nên loại mạch này hay được dùng trong bộ trộn tần của máy phát tín hiệu.4. Bộ trộn bằng vi mạch tớch hợp (Mạch trộn tần dựng tranzito đẩy kộo kộp)- Khi không có tín hiệu vào, dòng qua T5 và T6 bằng nhau, do đó dũng qua T1 T2 và T3 T4 cũng bằng nhau, sao cho dòng điện qua các chân ra 12 và 13 như nhau và bằng nửa dòng điện tổng. - 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.- Do đó cũng như trường hợp trên (không có điện áp uns), dòng qua các chân 12 và 13 bằng nhau. Tương tự đối với những thời đỉêm khác nhau của điện áp ngoại sai hoặc điện áp tín hiệu, ta đều có kết quả như vậy. - Khi có điện áp ngoại sai đặt vào chân 6 và 14 và với trị số nào đó T6 ngắt, chỉ còn dòng chảy qua T5 và dòng chảy qua T1 và T2 cũng bằng một nửa dòng tổng5. Nhiễu trong mạch trộn tần Đầu vào, điện áp tín hiệu với tần số fv=fth, nhờ tính chọn lọc của tải, trên đầu ra, điện áp với tần số ftg=⎜nfns± mfth ⎜. Tuy nhiên cũng có những thành phần tần số khác fth gây ra nhiễu.ftg= nfns± mfv ; ftg= -nfns - mfvftg= nfns- mfv ; ftg= -nfns+ mfv+ 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- Trong các loại nhiễu này, nhiễu lọt thẳng có thể lọc được nhờ các mạch lọc đầu vào, nhiễu fv = 2fns ± ftg có thể loại bỏ khi chọn phần tử tích cực làm việc; chỉ có nhiễu tần số ảnh là khó lọc, nhất là khi ftg <<fth.